增壓式真空預(yù)壓法處理軟土地基研究綜述

?？■?吳能森 鄭建榮

（福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院 福建福州 350108）

我國(guó)沿海地區(qū)軟弱土層分布廣泛，具有壓縮性高、滲透性差、固結(jié)慢等特點(diǎn)，地基處理困難，尤其是濱海圍填灘涂地區(qū)軟基處理問(wèn)題值得關(guān)注。常見(jiàn)的地基處理方法可分為置換法、排水固結(jié)法、加筋復(fù)合地基法、托換與糾傾法、振密擠密法、灌入固化物法和冷熱處理法等七大類(lèi)[1]。其中排水固結(jié)法作為物理方法，適用于軟弱土層的沉降和穩(wěn)定問(wèn)題，能較好地使土體固結(jié)并提高土體強(qiáng)度，具備較好的經(jīng)濟(jì)性，故在實(shí)際工程中比較常用。其加載方式可采用真空聯(lián)合堆載法，水載預(yù)壓法和輕質(zhì)材料法等。最早的排水固結(jié)一般采用填土或砂石堆載，具有堆載物運(yùn)輸不便、填筑成本高、工期長(zhǎng)、需要分級(jí)堆載等缺點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，20世紀(jì)50年代，瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院W.Kjellman[2]首先提出了將真空預(yù)壓法應(yīng)用于處理軟弱土體中。此后，美國(guó)費(fèi)城機(jī)場(chǎng)的擴(kuò)建第一次使用了真空預(yù)壓技術(shù)。隨著美國(guó)和日本地基加固工程的應(yīng)發(fā)展，低價(jià)土工膜的出現(xiàn)使得真空預(yù)壓土體密閉問(wèn)題和真空度問(wèn)題得以解決，相關(guān)技術(shù)逐漸成熟。20世紀(jì)中后期，南京水利科學(xué)院等科研單位在天津圍海造陸的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了真空預(yù)壓的科研試驗(yàn)，此外針對(duì)土體真空度的問(wèn)題不斷進(jìn)行工程應(yīng)用與研究探索，獲得了良好的土體加固效果。真空預(yù)壓法利用真空度替代堆載物，適用于吹填土軟基處理[3-4]，施工荷載小，且無(wú)需分級(jí)，加固時(shí)間短，節(jié)省成本，能有效提高地基承載力[5-6]。真空預(yù)壓法是加固軟土地基較為有效的排水固結(jié)方法，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于各沿海地區(qū)大面積吹填土軟基處理工程中，學(xué)者針對(duì)真空預(yù)壓過(guò)程中的固結(jié)度、地基沉降和孔隙壓力等方面開(kāi)展了相關(guān)研究[7]。

隨著大量的工程實(shí)踐，真空預(yù)壓法也具有局限性。處理地基時(shí)真空度最大限值僅為80kPa，且隨著土體深度的增加，真空度逐漸損失，加上排水支管向排水板傳遞真空度時(shí)有效范圍小，處理后的土層往往上部堅(jiān)硬，而下部強(qiáng)度低，故真空預(yù)壓法逐漸難以滿(mǎn)足工程要求。金亞偉等[8-9]（2009）提出了一種新型的真空預(yù)壓技術(shù)—增壓式真空預(yù)壓法，該法是在傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)中增加一套增壓系統(tǒng)。隨著真空預(yù)壓工程實(shí)踐的應(yīng)用與創(chuàng)新，依托地基處理新技術(shù)的發(fā)展，增壓式真空預(yù)壓法也逐漸成熟。與傳統(tǒng)真空預(yù)壓法相比，該法主要有防止排水板淤堵，工期短，地基處理效果好，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。

一、增壓式真空預(yù)壓法試驗(yàn)研究

在室內(nèi)試驗(yàn)方面，江西理工大學(xué)的曾芳金等[10]（2014）通過(guò)采集溫州圍海造陸現(xiàn)場(chǎng)的土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)證明，由于氣體通入時(shí)會(huì)向土體四周擴(kuò)散，所以對(duì)土體增壓時(shí)要采用間歇性增壓的方法效果會(huì)更好。由于在試驗(yàn)過(guò)程中豎向排水板發(fā)生了一定程度的淤堵，距離豎向排水板越遠(yuǎn)的土體，十字板抗剪強(qiáng)度越低。相對(duì)于傳統(tǒng)真空預(yù)壓法，增壓式真空預(yù)壓法能進(jìn)一步降低土體含水率。

軟土地基在沿海地區(qū)大范圍存在，在傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，劉浩等[11]（2014）在天津新港北中心站進(jìn)行真空預(yù)壓與增壓防堵真空預(yù)壓的試驗(yàn)，丁海龍等[12]（2015）在連云港地區(qū)的圍堤吹填未處理區(qū)進(jìn)行真空聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗(yàn)和增壓式真空預(yù)壓試驗(yàn)。兩位學(xué)者通過(guò)對(duì)比分析表明，增壓真空預(yù)壓通過(guò)改進(jìn)防淤堵排水板和真空管的直連技術(shù)獲得了更高的超孔壓，加速了土體中孔隙水的排出，加快了軟土地基固結(jié)變形，使得地表沉降量大幅度增加。由于無(wú)需堆載，取消了真空預(yù)壓技術(shù)傳統(tǒng)工藝中的砂墊層，因此能夠更加有效地傳遞真空度，縮短了施工工期，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

由于相關(guān)理論及具體操作參數(shù)的不確定，增壓式真空預(yù)壓法仍然具有很大的發(fā)展和改進(jìn)空間。針對(duì)增壓形式、增壓時(shí)機(jī)和增壓時(shí)間等問(wèn)題，謝志偉[13]（2017）采用室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了增壓式真空預(yù)壓法具體參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。增壓管的材料對(duì)于土體加固效果沒(méi)有顯著的影響效果。在增壓時(shí)機(jī)方面，在土體固結(jié)度為40%的時(shí)候增壓，土體含水率最低，十字板剪切強(qiáng)度最大。在增壓時(shí)間方面，增壓1.5小時(shí)時(shí)，土體強(qiáng)度得到了較大的提高，加固效果較好。

除了宏觀的室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以外，對(duì)土體進(jìn)行微觀試驗(yàn)也是重要的研究手段。莫海鴻等[14]（2013）通過(guò)對(duì)珠海金灣地區(qū)軟土的微觀試驗(yàn)表明，通過(guò)真空預(yù)壓后土體黏聚力有較大增長(zhǎng)，土體顆粒間的大孔隙變成小孔隙，固結(jié)壓密效果明顯。彭劼等[15]（2016）采用電子顯微鏡研究了真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓加固后的軟土微觀結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)表明，真空預(yù)壓時(shí)土體顆粒重新排列，但堆載預(yù)壓時(shí)土體顆粒破碎后重新排列。鄭偉[16]（2016）通過(guò)溫州地區(qū)大面積吹填淤泥土地基的新型真空預(yù)壓試驗(yàn)研究表明，分階段抽真空的加固效果優(yōu)于一次性抽真空，并通過(guò)SEM進(jìn)行了驗(yàn)證。

天津大學(xué)的雷華陽(yáng)等[17]（2019）通過(guò)傳統(tǒng)真空預(yù)壓法和增壓式真空預(yù)壓法兩組模型試驗(yàn)對(duì)比超軟土層的加固效果，結(jié)果表明，后者處理過(guò)的軟土沉降量和強(qiáng)度明顯大于前者處理過(guò)的軟土。在微觀試驗(yàn)方面，采用電鏡掃描試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)分別對(duì)比兩種方法加固后超軟土層的微觀結(jié)構(gòu)，定量分析表明增壓式真空預(yù)壓法加固后的軟土，土體顆粒排列更密實(shí)，骨架顆粒主要接觸形式呈現(xiàn)面接觸形式，骨架顆粒間的孔隙更小，小孔隙數(shù)量更多。

二、增壓式真空預(yù)壓法理論研究

沈宇鵬等[18]（2012）通過(guò)采用PLAXIS有限元軟件對(duì)增壓式真空預(yù)壓法的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究表明，增壓管的增壓作用可以通過(guò)降低地下水位進(jìn)行有效模擬。在模擬時(shí)，通過(guò)采用1m的排水板間距、增加增壓式裝置的功率和加大排水板的滲透系數(shù)，可以增加增壓式真空預(yù)壓法預(yù)期的沉降量。此外，改變排水板規(guī)格并能加快固結(jié)效率，而增加排水板的長(zhǎng)度可以增加處理軟土的壓縮層范圍。

雷華陽(yáng)等[19]（2017）基于對(duì)真空預(yù)壓法易淤堵問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，利用PFD2D對(duì)吹填淤泥真空預(yù)壓過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，土體中細(xì)顆粒越多，越容易導(dǎo)致滲透路徑發(fā)生堵塞?；诖?，雷華陽(yáng)等[20]（2019）又提出了交替式真空預(yù)壓法。通過(guò)室內(nèi)交替式真空預(yù)壓試驗(yàn)和數(shù)值模擬軟件PFD2D建模分析表明，排水量、沉降量和加固后土體強(qiáng)度較常規(guī)真空預(yù)壓法均有較大提升，該法擴(kuò)展了排水板附近淤堵泥層的滲透路徑，增大了淤堵泥層的滲透系數(shù)，提高了真空傳遞效率，改善了土顆粒的不均勻性。

將實(shí)際工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題進(jìn)行理論研究歸納總結(jié)方面，沈宇鵬等[21-22]（2019）基于等應(yīng)變理論和Newman—Carrilo方程，利用分離變量法和積分變換法，推導(dǎo)了適用于單層均質(zhì)土經(jīng)過(guò)增壓式真空預(yù)壓處理后固結(jié)度的解析解。排水板地基的固結(jié)度隨著時(shí)間因子的增加呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，排水板固結(jié)速率隨著井阻的增加而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。理想井和無(wú)井阻的固結(jié)曲線(xiàn)變化規(guī)律與固結(jié)變化速率呈現(xiàn)基本一致的規(guī)律，但理想井的固結(jié)度會(huì)略大，建議在實(shí)際工程中排水板的井徑比不應(yīng)大于10。通過(guò)數(shù)學(xué)理論與數(shù)值模擬對(duì)比分析表明，增壓式真空預(yù)壓法比常規(guī)軟基處理技術(shù)效果更好。

三、增壓式真空預(yù)壓法工程應(yīng)用與施工工藝研究

從大量實(shí)際工程中來(lái)看，真空預(yù)壓法利用大氣壓作為預(yù)壓荷重，橫向排水通道易堵塞與變形，開(kāi)放式系統(tǒng)使得土體深處真空度的處理效果越來(lái)越差，加固工期長(zhǎng)且效果不理想，真空度受各種因素影響有所衰減，抽真空時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致成本大量增加，在實(shí)際應(yīng)用中具有局限性。采用增壓式真空預(yù)壓法時(shí)，首先需在軟土地基表面鋪設(shè)砂墊層，埋設(shè)垂直排水通道，通過(guò)砂墊層內(nèi)埋設(shè)的吸水管道，鋪設(shè)噴抽真空管路和噴氣管理系統(tǒng)，插入增壓管，然后在地表砂墊層及豎向排水通道內(nèi)逐漸形成負(fù)壓，使土體內(nèi)部與排水通道、墊層之間形成壓力差，提高排水效率，克服真空荷載在土體深處的衰減，優(yōu)化真空傳遞路徑，加速土體固結(jié)，提高土體強(qiáng)度，有效縮短地基處理工期，故該法具有較好的經(jīng)濟(jì)性。增壓式真空預(yù)壓法主要適用于淤泥土、沖填土等高壓縮性的軟弱地基，在軟弱土層厚度大時(shí)更具有加固效果好的優(yōu)勢(shì)。

楊子江等[23]（2011）以珠海西站軟基處理工程為依托，詳細(xì)闡述了增壓式真空預(yù)壓法中塑料排水板施工、增壓管施工和連接、真空系統(tǒng)的連接和密封體系覆蓋的施工工藝，介紹了真空預(yù)壓施工和增壓施工的難點(diǎn)，提供了施工過(guò)程中所需的各類(lèi)參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，并且利用珠海西站場(chǎng)地設(shè)置不同的塑料排水板間距、排水板布置方式、塑料排水板長(zhǎng)度與增壓管長(zhǎng)度，對(duì)處理效果進(jìn)行對(duì)比與分析。整個(gè)工程軟基處理效果較好，為增壓式真空預(yù)壓法的設(shè)計(jì)與施工提供了指導(dǎo)性的意見(jiàn)。

將理論應(yīng)用到工程實(shí)際的過(guò)程中，沈宇鵬等[24]（2012）依托某一站場(chǎng)軟土地基處理工程，闡述了增壓式真空預(yù)壓法處理軟土地基的加固機(jī)理。增壓式真空預(yù)壓法實(shí)質(zhì)是真空預(yù)壓在發(fā)揮加固地基的作用，通過(guò)設(shè)置增壓管，可以縮短土體加固時(shí)間，并且減小了工后沉降問(wèn)題。此外，通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用情況的研究表明，在條件允許的前提下，盡量加大增壓管的長(zhǎng)度并且將排水板間距設(shè)置為1m，這樣能獲得較好的土體加固效果。寧波工程學(xué)院的馬永政等[25]（2016）將新型增壓式真空預(yù)壓法應(yīng)用于軟基處理項(xiàng)目中，對(duì)地基沉降位移、真空度變化、孔隙水壓力、周邊高聳建筑物位移等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，表明增壓式真空預(yù)壓法在大面積軟基處理過(guò)程中平均固結(jié)度和地基承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，該法經(jīng)濟(jì)性好、工程效率高，同時(shí)保護(hù)了周邊建筑物。

蔡云晟等[26]（2016）以連云港某專(zhuān)用鐵路工程路基工程為例，研究了增壓直排真空預(yù)壓技術(shù)在工程中的應(yīng)用問(wèn)題。該工程通過(guò)采用直排、增壓等技術(shù)，增加設(shè)置新型排水板和采用水氣分離真空泵工藝，通過(guò)與連云港地區(qū)其他常規(guī)真空預(yù)壓技術(shù)相比，表明該工程具有土體加固效果好，工期短等優(yōu)越性，為其他地基處理類(lèi)似工程提供較好的參考依據(jù)。

為進(jìn)一步推動(dòng)增壓式真空預(yù)壓法在海相吹填土的應(yīng)用，河海大學(xué)的胡建斌[27]（2018）依托溫州某吹填土的施工實(shí)例進(jìn)行了增壓式真空預(yù)壓法和常規(guī)真空預(yù)壓法的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了真空度和土體表層沉降，研究了土體深層地基承載力的變化規(guī)律。增壓式真空預(yù)壓法能夠較好地提高吹填土表面下1.5m～3m的土體強(qiáng)度和加固效果，地基沉降量較傳統(tǒng)真空預(yù)壓法明顯增大，表明在工程實(shí)際中，增壓式真空預(yù)壓法具有一定的可行性和優(yōu)勢(shì)。隨著增壓式真空預(yù)壓法的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者也逐漸開(kāi)始對(duì)此技術(shù)的施工工藝進(jìn)行改進(jìn)。黃宏寶[28]（2019）以天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)某吹填工程區(qū)為例，詳細(xì)闡述了水氣分離聯(lián)合增壓式真空預(yù)壓法的工藝流程，研究表明，水氣分離抽真空設(shè)備比一般抽真空設(shè)備更具有穩(wěn)定性，利于施工質(zhì)量控制，有效降低經(jīng)濟(jì)成本和消除工后沉降問(wèn)題，但是此工法不利于孔隙水壓力的消散，故需進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，增壓式真空預(yù)壓法作為一種新型處理軟土地基的預(yù)壓技術(shù)，改進(jìn)了傳統(tǒng)真空預(yù)壓法的技術(shù)和工藝。通過(guò)與傳統(tǒng)真空預(yù)壓法及其他技術(shù)的對(duì)比，增壓式真空預(yù)壓法在試驗(yàn)與理論研究方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在工程實(shí)踐方面得到了廣泛的應(yīng)用。

（1）在室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和微觀試驗(yàn)方面的對(duì)比分析表明，增壓式真空預(yù)壓法能有效提高土體真空傳遞效率，加快軟土地基的固結(jié)，使加固后的土體顆粒排列更密實(shí)。

（2）在數(shù)學(xué)理論和數(shù)值模擬方面，排水板地基的固結(jié)度隨著時(shí)間因子的增加呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，固結(jié)速率隨著井阻的增加而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。改變排水板的規(guī)格以及使用交替式真空預(yù)壓可以提高真空傳遞效率。

（3）在工程應(yīng)用與施工工藝方面，經(jīng)過(guò)增壓式真空預(yù)壓法處理后的軟土地基，土體深層承載力有較大程度的提高，土體加固效果好，平均固結(jié)度和地基承載力均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有效縮短地基處理施工工期，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于特定工程條件下的增壓式真空預(yù)壓處理技術(shù)仍需進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，以期更好地降低經(jīng)濟(jì)成本和消除工后沉降問(wèn)題。

（4）在利用三維數(shù)值模擬軟件建模分析增壓式真空預(yù)壓法作用機(jī)理方面還不充分，針對(duì)膜下真空度、土體固結(jié)度、孔隙水壓力消散、地基沉降量、深層土體位移和土體強(qiáng)度等指標(biāo)的變化過(guò)程與變化規(guī)律研究?jī)?nèi)容較欠缺。建議開(kāi)展增壓式真空預(yù)壓法有限元理論的深入研究，以期建立可靠的土體本構(gòu)和沉降預(yù)測(cè)等模型，更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。