真空預(yù)壓加固深厚軟土效果的影響因素分析

汪國賢， 蘇銀強， 楊倩

(1.珠海交通集團， 廣東 珠海 519060；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 211189)

中國沿海地區(qū)廣泛分布著由淤泥沉積物及各類腐殖質(zhì)組成的海相軟弱土層，其具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度、滲透性差、結(jié)構(gòu)性顯著等特點。軟土中具有代表性的有淤泥和淤泥質(zhì)土，主要由極細(xì)的黏土顆粒、有機物、氧化物等固相物質(zhì)和水組成。軟土地基所呈現(xiàn)出的低承載能力和高壓縮性影響各類基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性，施工前必須穩(wěn)定軟土，以防出現(xiàn)差異沉降及過大的工后沉降。真空預(yù)壓是目前常用加速軟土地基固結(jié)速率、提高軟土地基抗剪強度的處理技術(shù)之一，它通過土工膜密封軟地面，不需增加總應(yīng)力即可減少孔隙壓力、增加土體的有效應(yīng)力，是一種經(jīng)濟有效的軟土地基加固方法，廣泛應(yīng)用于機場跑道、復(fù)墾土地、軟基路堤、水庫地基調(diào)節(jié)等工程中。真空預(yù)壓法從工程應(yīng)用角度已較成熟，但其理論研究遠(yuǎn)滯后于工程實踐，許多理論問題仍存在較大爭議。該文通過對真空預(yù)壓重點關(guān)注問題的分析，從真空預(yù)壓環(huán)境下滲流情況、地下水位、排水板、側(cè)向變形及加固區(qū)等方面對真空負(fù)壓加固效果的影響因素進行分析。

1 排水板真空預(yù)壓加固機理

1.1 真空預(yù)壓理論基礎(chǔ)

真空預(yù)壓法通過改變土內(nèi)孔隙壓力，增加有效應(yīng)力而加固土體?？紫端畨毫档褪侵鸩綄崿F(xiàn)的，水平排水墊層中的真空度通過打設(shè)在地基中的橫向排水體逐漸向下延伸，又通過豎向排水體向其四周土體中擴散(見圖1)。在真空度及吸力梯度的作用下，土體孔隙中的水、氣由土體→流向豎向排水通道→流向地表水平排水墊層→匯集到濾管、主管→射流泵抽出，地基土體因發(fā)生固結(jié)而得到加固(見圖2)。真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓一樣都是固結(jié)過程，只是其邊界條件不同，真空預(yù)壓是保持土中初始條件，降低邊界孔隙水壓力形成滲流。

圖1 真空預(yù)壓現(xiàn)場示意圖

圖2 真空預(yù)壓滲流示意圖

與堆載預(yù)壓相比，真空預(yù)壓的特性如下：1) 與吸力壓力相關(guān)的有效應(yīng)力呈各向同性增加，相應(yīng)的側(cè)向運動為壓縮。即使在較高的路堤填筑速度下，剪切破壞的風(fēng)險也可降到最低；2) 真空可通過排水系統(tǒng)傳播到更深的地層；3) 根據(jù)現(xiàn)場真空系統(tǒng)的效率，可減少堆填以達(dá)到相同的沉降量；4) 由于可降低堆載高度，真空預(yù)壓產(chǎn)生的超孔隙壓力小于常規(guī)堆載法；5) 真空預(yù)壓可改善土-水界面不可避免的非飽和狀態(tài)，提高固結(jié)速率。

1.2 真空預(yù)壓下土體固結(jié)理論

文獻[13]在Terzaghi固結(jié)理論的基礎(chǔ)上提出真空與堆載相結(jié)合的一維固結(jié)模型，并探究了真空與堆載復(fù)合加載的機理可由堆載預(yù)壓與真空預(yù)壓的疊加規(guī)律來確定的可行性。真空和堆載聯(lián)合預(yù)壓下固結(jié)度的平均值為：

(1)

Tvc=cvct/H2

(2)

式中：Tvc為真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓時間因子；cvc為真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓固結(jié)系數(shù)。

圖3 真空壓力在水平和垂直方向上的分布規(guī)律

(3)

(4)

2 真空預(yù)壓處理軟基的關(guān)注問題

2.1 滲流與固結(jié)

采用堆載預(yù)壓加固軟土地基時，達(dá)西定律基本適用。但采用真空預(yù)壓加固時，真空滲流場范圍內(nèi)流動的是真空流體。真空流體包含氣、水兩相，具有一定真空度，加之土體微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其滲流固結(jié)過程復(fù)雜。此外，真空預(yù)壓土中固體顆粒對孔隙水流動的阻力對土體的固結(jié)和孔隙水的耗散起著重要作用。然而均勻非變形多孔介質(zhì)流動阻力系數(shù)的計算公式是否適用于真空預(yù)壓土的流動目前尚不清楚。真空預(yù)壓土的流動阻力與均勻多孔介質(zhì)的流動阻力有很大不同，均勻填充層流動阻力系數(shù)的計算公式不適用于真空預(yù)壓土的流動，粒徑、均勻系數(shù)和孔隙度對真空作用時的阻力也亟待進一步明確。

2.2 地下水位

真空預(yù)壓過程中持續(xù)的抽氣、抽水作用使地基中的地下水位下降，直到預(yù)壓地基周圍的補充水和排出的水達(dá)到動態(tài)平衡為止。地下水位下降將使相應(yīng)土層的上覆土重增加，并產(chǎn)生排水固結(jié)現(xiàn)象。而真空壓力下的流體根據(jù)不同外界條件以單相流、兩相流或多相流的方式運動，且根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，真空預(yù)壓中真空壓力在地面達(dá)到最大值，并隨著深度的增加迅速下降，垂直方向的壓力梯度各有不同。隨著地下水位的下降，非飽和帶逐漸擴大，非飽和帶內(nèi)存在氣、水兩相流動，且流體壓力與真空壓力隨深度產(chǎn)生變化。真空壓力誘導(dǎo)土體進行各向同性固結(jié)，并引起周圍土體向處理區(qū)向內(nèi)的側(cè)向位移，對加固軟土地基的效果有很大影響。抽真空作用的強度、土體滲透特性及地基中薄砂層及水源補給等影響地下水位下降的因素都應(yīng)加以考慮。

2.3 排水板

在真空預(yù)壓地基加固中，通常采用塑料排水板加速軟黏土地基的固結(jié)，提高軟土地基的抗剪強度。而軟土地基的固結(jié)速率與排水板的通水能力密切相關(guān)。理論和試驗研究及現(xiàn)場實踐均表明，排水板的通水能力受其材料和形狀、排水截面積、圍壓、滲透性和耐久性等因素的影響?？臻g尺度上，土體圍壓隨埋深的增加而增大，導(dǎo)致通水能力隨深度而下降(見圖4)。

圖4 不同文獻中真空度下降規(guī)律對比

為考慮井阻對軸對稱平面應(yīng)變匹配過程的影響，文獻[23]建立通水量線性遞減的解析模型，得到了超靜孔隙水壓力隨深度的分布。排水板通水量隨時間變化，即排水板在生命周期內(nèi)淤堵累積作用及圍壓作用下排水性變形等因素對排水板的通水能力同樣有著不可忽視的影響。文獻[24]提出考慮通水能力隨深度和時間變化對單元格內(nèi)軟土沉積物固結(jié)行為的數(shù)學(xué)模型，模型假設(shè)通水能力隨深度線性減小或非線性變化對孔隙水壓力的影響，結(jié)果表明通水能力隨深度和時間的變化對超靜孔隙水壓力分布有顯著影響，當(dāng)通水能力隨深度和時間變化時土體的超靜孔隙水壓力將進一步降低。

2.4 側(cè)向變形

真空預(yù)壓過程中，排水板之間的土體不僅會產(chǎn)生豎向沉降，還會產(chǎn)生側(cè)向變形，這種縱橫向聯(lián)合位移形成圍繞排水板的土柱和真空預(yù)壓后的V形土表面，即“土柱”現(xiàn)象。膠體顆粒隨水氣運動，從大孔隙逐漸遷移到小孔隙并堵塞通道，其微觀機理見圖5。真空預(yù)壓中土體的最終側(cè)向變形由排水板打設(shè)間距、深度、真空度、土體性質(zhì)等因素決定。由于側(cè)向位移的最大值與膜下真空度成正比，隨排水板間距的減少而增大，排水板打設(shè)越深，側(cè)向變形越大。而側(cè)向變形的大小與真空度水平、加載速率及土體環(huán)境因素等密切相關(guān)。

圖5 “土柱”現(xiàn)象微觀機理示意圖

2.5 加固影響區(qū)大小

真空預(yù)壓處理軟基的加固范圍是現(xiàn)場構(gòu)筑物的抗變形能力、構(gòu)筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、加固區(qū)內(nèi)外土質(zhì)條件等因素綜合影響下產(chǎn)生的。由于加固區(qū)內(nèi)負(fù)壓作用使區(qū)外地下水向區(qū)內(nèi)滲流，地下水位下降，在負(fù)壓、地下水位下降聯(lián)合作用下區(qū)外土體向加固區(qū)位移，并伴隨沉降發(fā)生。加固影響區(qū)大小關(guān)系到排水板通水設(shè)計，與真空壓力在土體中的傳播范圍及土體孔隙水壓力的消散相關(guān)。

3 影響真空固結(jié)性能的相關(guān)因素分析

3.1 真空度的影響分析

真空預(yù)壓法加固軟土地基技術(shù)運用以來，理論研究在不斷完善。但由于實際工程中密封不足、土體介質(zhì)不同等引發(fā)的真空度在橫向及縱向上的衰減程度仍存在較大不確定性，在時間上真空度的衰減速率前期較大而后期較小、在空間上真空度隨深度的增加而衰減得到普遍認(rèn)同，但在徑向的衰減規(guī)律未得到統(tǒng)一。如文獻[3-4]認(rèn)為真空度傳遞過程中的衰減在深度上呈線性變化；文獻[29]通過試驗證明真空度在橫向及縱向上的衰減可以系數(shù)的形式表示，并得到衰減系數(shù)大小與土的滲透系數(shù)有關(guān)。影響真空度傳遞的因素如下：

(1) 土體介質(zhì)。膜下真空度形成后，真空度傳遞到塑料排水板、淤泥與砂井中，在不同介質(zhì)中所受到的阻力不相同，總體上膜下真空度>塑料排水板真空度>砂井真空度>淤泥真空度。在不同介質(zhì)中，真空度隨時間的變化規(guī)律不同：塑料排水板中的真空度變化曲線基本與膜下真空度變化曲線相同，在抽真空的開始階段，真空度迅速上升，之后處于相對穩(wěn)定；砂井中的真空度隨著時間的增加開始迅速上升，之后隨著抽氣時間的增加緩慢上升，最后接近塑料排水板中的真空度；淤泥中的真空度隨著時間的增加開始迅速上升，之后隨著抽氣時間的增加逐漸下降，最后趨于相對穩(wěn)定的低真空度值。

(2) 真空度的維持與損失。真空度的作用效果為負(fù)壓，通過抽真空降低孔隙水壓力，提高土體的固結(jié)度。一般真空預(yù)壓中抽真空設(shè)備的設(shè)置情況為(800～1 500) m2/臺，而隨著土體真空度的提高，地下水位降低，抽真空所帶來的水氣混合體的傳輸歷程增大，開泵量的增加對真空度的提高效果不再明顯。隨著抽真空時間的加長，砂墊層不斷被壓密，排水管濾膜也不斷貼緊壓薄，從而使真空壓力在砂墊層中傳遞阻力加大，濾膜通透性降低，負(fù)壓差加大，膜下真空度降低。真空預(yù)壓結(jié)合砂井地基同步進行，由于不同于天然土體的砂井的存在，膜下真空度的傳遞受阻，隨著深度伴有不同程度的降低。

3.2 井阻影響

隨著真空度在排水板和土體中的不斷傳遞和擴散，排水板和土體中將形成連通的真空滲流場，并不斷向深處和遠(yuǎn)處土體發(fā)展。真空度隨深度增加而衰減的特性表明砂井阻力的實際存在，并阻礙真空度在豎直方向上的傳遞，影響土體排水固結(jié)的進行。且砂井材料滲透系數(shù)越小，砂井長細(xì)比越大，井阻作用越顯著，砂井地基固結(jié)越慢。

(1) 側(cè)向土壓力的影響。文獻[33-34]通過試驗論證了側(cè)向土壓力的存在會降低排水板的通水能力。土體中自然的土體側(cè)壓力作用在排水板上，使排水板長期受壓，排水通道受力變形進而縮減排水通道。真空吸力作用時，分體式排水板的濾膜向芯板靠近緊縮，從而進一步減小排水通道，影響真空吸力在土體中的傳導(dǎo)作用。

(2) 排水板淤堵及彎曲。土體中由于真空吸力帶來的水氣流體在通過顆?？紫稌r會攜帶微小土顆粒并附著在排水板的外層，形成致密的淤堵泥層。文獻[35]認(rèn)為由于細(xì)顆粒沿滲透路徑遷移的過程中在沿途不斷滯留，導(dǎo)致滲透路徑變短、變窄，最終滲透路徑完全堵塞形成淤堵泥層。泥層的滲透系數(shù)低，產(chǎn)生的淤堵效應(yīng)嚴(yán)重阻礙真空壓力的傳導(dǎo)。此外，排水板的彎曲也會導(dǎo)致通水能力降低。

3.3 涂抹區(qū)的影響

在打設(shè)砂井或排水板時，小而細(xì)的土壤顆粒被拖拽移動，從而在砂井或排水板周邊的土體環(huán)境中形成滲透性降低的區(qū)域，即涂抹區(qū)。文獻[36]提出通過降低固結(jié)系數(shù)的整體值降低滲透性的概念，預(yù)壓引起的水力梯度在固結(jié)過程中擠壓孔隙水，使其水平向排水板快速流動，垂直向滲透至排水層排出。但涂抹區(qū)的存在會降低水平滲透率，同時不同程度降低豎直方向的滲透性。由于滲透性降低，涂抹區(qū)起到向排水板流動的屏障作用，降低排水固結(jié)速率。

3.4 真空加載方式的影響

文獻[43]利用大型固結(jié)儀試驗，通過分階段短時間釋放真空壓力，研究真空卸載和再加載的影響。結(jié)果表明隨著排水深度的增加，吸力水頭逐漸減小；真空壓力的加載、卸載影響排水板中吸力向下衰減的傳播，對于沉降的影響存在時間滯后效應(yīng)。文獻[44]通過改進真空預(yù)壓法，利用多次真空預(yù)壓法和改進的同步、交替真空預(yù)壓法，得到比傳統(tǒng)預(yù)壓法分別提高近15%的排水量。在總侵入體積、孔隙率相近的情況下，采用改進的交替真空預(yù)壓法可將超軟土地基處理得更均勻。

3.5 排水不飽和問題

通過排水板施加真空壓力，排水板附近土體可能會發(fā)生不飽和現(xiàn)象。文獻[43]通過一系列模型描述試驗中孔隙壓力耗散的明顯井阻作用，并考慮排水土界面的非飽和影響。結(jié)果表明，相對干燥排水的存在加上氣隙的產(chǎn)生會阻礙固結(jié)初期超靜孔隙壓力的耗散。

4 有待進一步研究的問題

實際工程中，由真空預(yù)壓引起超凈孔壓及其引起的固結(jié)過程和理論極其復(fù)雜。上述僅從單影響因素進行分析，而現(xiàn)場加固效果往往由多方面因素共同作用，在進行固結(jié)解析和分析計算的過程中，考慮由真空吸力引起孔壓、滲透變化導(dǎo)致固結(jié)的影響仍需進一步研究。具體如下：1) 對真空預(yù)壓法中真空壓降與孔隙壓降的差異進行量測與量化，使之可適用于真空預(yù)壓工程中土體固結(jié)分析。2) 對負(fù)壓條件下地下水位進行精準(zhǔn)量測。普適性的地下水位的定義不適用于真空預(yù)壓后土體，如何結(jié)合真空預(yù)壓水位的特點進行分析以改良監(jiān)測技術(shù)有待研究。3) 真空度在土體范圍內(nèi)的傳遞效果仍存在爭議，如何結(jié)合土體滲透性、井阻效應(yīng)、增壓式改進等對負(fù)壓環(huán)境下地基固結(jié)進行計算分析有待研究。4) 排水板和板周土體淤堵為真空預(yù)壓處理中關(guān)鍵難題，如何從材料、滲流特性出發(fā)提出適用于各類土體的排水材料和設(shè)計方法有待研究。