真空預(yù)壓法處理深厚軟土地基應(yīng)用研究

徐新星

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院 廣東東莞 523808）

0 引言

真空預(yù)壓法由瑞典學(xué)院杰爾曼教授于1952 年在美國麻省理工學(xué)院召開的軟土加固會(huì)議上提出，該地基處理方法具有施工設(shè)備簡單、加荷速度快、工期短和工程造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，能使多種類型的軟弱地基穩(wěn)定性和承載能力顯著提高，已在機(jī)場、高速公路和房屋建筑等工程中廣泛使用。

國內(nèi)學(xué)者對真空預(yù)壓法的理論進(jìn)行了大量研究，陳國華［1］結(jié)合某道路工程，研究了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法在道路軟基處理中的應(yīng)用。趙漢亮［2］通過某工程軟土地基真空預(yù)壓處理前后十字板剪切試驗(yàn)、土工試驗(yàn)及平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析，綜合評估了地基處理效果。董志良等人［3］通過研究得出滲透系數(shù)隨固結(jié)應(yīng)力的變化規(guī)律；王競州［4］進(jìn)行了真空預(yù)壓與電滲固結(jié)室內(nèi)試驗(yàn)；蔡袁強(qiáng)［5］采用超低壓固結(jié)–滲透儀進(jìn)行了大量的吹填淤泥固結(jié)、滲透試驗(yàn)。沈宇鵬等人［6］對增壓式真空預(yù)壓兩種固結(jié)解析解的對比試驗(yàn)分析研究；孫佳銳等人［7］對直排式真空預(yù)壓法加固吹填土地基的固結(jié)沉降進(jìn)行分析研究；田乙等人［8］提驗(yàn)證了預(yù)壓時(shí)間效應(yīng)參數(shù)的值越大代表真空預(yù)壓施加得越快，對應(yīng)的土體固結(jié)發(fā)展越快；李均宏［9］運(yùn)用大型通用有限元軟件ABAQUS 研究了真空預(yù)壓法排水帶未穿透的軟土層的固結(jié)沉降效果；郭霄等人［10］對直排式真空預(yù)壓法下豎井地基的非線性固結(jié)解析解進(jìn)行了研究，總結(jié)了最終有效應(yīng)力與初始有效應(yīng)力的變化關(guān)系。

1 真空預(yù)壓法理論基礎(chǔ)

真空預(yù)壓法，即在待處理的軟土地基中設(shè)置排水通道（水平砂墊層、豎向塑料排水板或袋裝砂井），然后在表面設(shè)置不透水層（如不透氣密封膜），通過在膜下對排水體系長時(shí)間不斷抽氣抽水，使地基中形成負(fù)壓，軟黏土在負(fù)壓下排水固結(jié)，達(dá)到提高地基承載力，減少工后沉降目的，相關(guān)排水通道設(shè)置如圖1所示。

圖1 真空預(yù)壓地基處理豎向排水體的設(shè)置Fig.1 Setting of Vertical Drainage Body for Vacuum Preloading Foundation Treatment

當(dāng)?shù)鼗幚韰^(qū)域內(nèi)存在貫通砂層或排水性能較好的成層的土層分布時(shí)，除在需要加固范圍內(nèi)設(shè)置豎向排水體外，還需在加固區(qū)四周設(shè)置密封的止水帷幕。當(dāng)加固區(qū)深處有水平向貫穿砂層時(shí)，不能將豎向排水體打穿深處的貫穿砂層，用一定的密封間距來保證加固土體的密封性。

在初始狀態(tài)，薄膜內(nèi)外以及土體孔隙中的氣體與地下水面都是處于大氣壓力作用Pa。抽真空施工時(shí)，首先排出薄膜內(nèi)砂墊層中的氣體，其壓力逐漸下降至P，薄膜內(nèi)外形成氣壓差（Pa-P）使薄膜緊貼于砂墊層上，此壓差稱為“真空度”?！罢婵斩取蓖ㄟ^豎向排水通道逐漸向下和向四周土體傳遞擴(kuò)散，使土中孔隙水壓力持續(xù)降低，形成負(fù)的超靜孔隙水壓力。超靜孔隙水壓力的存在使土體孔隙中的氣和水由土體通過垂直排水通道滲流，并匯集至地表砂墊層中被水泵抽出真空預(yù)壓固結(jié)原理如圖2所示，可以認(rèn)為，加固過程中的總應(yīng)力并沒有增加，即△σ=△σ′+△μ=0。在真空度形成及抽氣施工過程中，土中降低的孔隙水壓力等于增加的有效應(yīng)力，即△σ′=-△μ，設(shè)加固前地基中平均應(yīng)力為P0′=??（σ10′+△σ30′）。固結(jié)完成后應(yīng)力增加△σ′，即σ3′=σ30′+△σ′，σ1′=σ10′+△σ′，平均應(yīng)力增加，即P0=P0′+△σ′。當(dāng)加固結(jié)束后，預(yù)壓等“荷載”卸除后，地基的強(qiáng)度與原有抗剪強(qiáng)度τ0相比，抗剪強(qiáng)度增加了△τ，即在加固后強(qiáng)度得到了提高。

圖2 真空預(yù)壓加固地基的強(qiáng)度增長機(jī)理Fig.2 Strength Growth Mechanism of foundation Strengthened by Vacuum Preloading

2 工程應(yīng)用研究

2.1 工程背景

某項(xiàng)目位于廣州市南沙區(qū)黃閣鎮(zhèn)中西部地區(qū)，占地總面積約為15 萬m2，建筑面積約26 萬m2。建筑類型主要為3層連體住宅和小高層（11層）。

本場地地質(zhì)狀況不良，屬于新近沉積的欠固結(jié)土，自重狀態(tài)下的固結(jié)還未完成。為淤泥質(zhì)居多，場地土的類型為典型的南沙地區(qū)軟弱土，建筑場地類別為Ⅲ類。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告揭示，擬建場地各土、巖層自上而下為：

〈1〉耕土、填土層，厚度0.20～2.30 m，平均厚度0.70 m。

〈2〉海陸交互相海沖（淤）積層，呈灰黑色，以粉黏粒為主，含較多腐殖質(zhì)和少量粉細(xì)砂，含貝殼，飽和，呈流塑狀態(tài)。部分鉆孔該層局部有淤泥質(zhì)土或含較多中細(xì)砂。層面埋深0.20～2.30 m，厚度3.90～28.70 m，平均厚度10.97 m。

〈3〉沖洪積層

①粉質(zhì)粘土，層面埋深4.40～23.80 m，厚度0.50～10.20 m，平均厚度3.77 m。

②淤泥質(zhì)土，深灰、灰黑色，以粉粘粒為主，局部含較多中細(xì)砂，含腐殖質(zhì)，個(gè)別鉆孔含較多朽木，飽和，流塑狀態(tài)。層面埋深5.80～27.50 m，厚度0.80～16.00 m，平均厚度5.68 m，其物理指標(biāo)如表1所示。

表1 淤泥質(zhì)土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of Main Physical and Mechanical Property Indexes of Mucky Soil

③粉質(zhì)粘土，層面埋深7.50～32.00 m，厚度0.70～8.70 m，平均厚度3.31 m。

④砂層，以粗砂為主，含少量粘性土，部分含較多粘性土，飽和，呈稍密～中密狀態(tài)，層面埋深5.30～33.00 m，厚度0.50～11.20 m，平均厚度2.49 m。

〈4〉殘積層，包括可塑狀態(tài)質(zhì)粘性土和硬塑狀砂質(zhì)粘性土，平均厚度6.89 m。

〈5〉花崗巖，平均厚度10.13 m。

2.2 軟基處理方案設(shè)計(jì)

工程現(xiàn)狀場地標(biāo)高在4.7～6.8 m 之間，多為農(nóng)田，南側(cè)有一景觀排水溝渠，溝底標(biāo)高約為4.0 m，場地平整標(biāo)高為6.8 m。綜合考慮場地條件、施工工藝、以及工期要求等因素，采用真空預(yù)壓排水固結(jié)法方案進(jìn)行地基處理。

真空預(yù)壓法設(shè)計(jì)需要考慮豎向排水體的類型選擇、斷面尺寸、間距、排列方式和深度等；水平排水體設(shè)計(jì)；預(yù)壓區(qū)面積與分塊大??；真空預(yù)壓工藝；要求達(dá)到的真空度與地基固結(jié)度；真空預(yù)壓和建筑物荷載下的沉降；真空預(yù)壓后地基的強(qiáng)度增長等。

真空預(yù)壓豎向排水體常用的有袋裝砂井和塑料排水板兩種。塑料排水板為預(yù)制成品，具有質(zhì)量指標(biāo)較穩(wěn)定、連續(xù)性好和施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，可優(yōu)先選用塑料排水板作為豎向排水通道。排水板間距設(shè)計(jì)為1.0～1.2 m，采用等邊三角形布置，地面水平排水通道采用60 cm 厚的中粗砂墊層，中粗砂墊層起著水平排水及傳遞真空度的雙重作用。施工期設(shè)計(jì)為4.5 個(gè)月，待沉降完成后施工建筑樁基和道路基層。

根據(jù)場地內(nèi)地質(zhì)及建筑分期建設(shè)情況，將場地分為8 個(gè)不同區(qū)域，A1～A3 區(qū)為一期別墅區(qū)范圍，B1～B5為二期工程。軟基處理分區(qū)如圖3所示。具體軟基處理設(shè)計(jì)及預(yù)估如表2所示（不含填土?xí)r間）。［11］

表2 軟基處理設(shè)計(jì)及預(yù)估Tab.2 Design and Estimation of Soft Foundation Treatment

圖3 軟基處理分區(qū)Fig.3 Zoning of Soft Foundation Treatment

本次設(shè)計(jì)根據(jù)各區(qū)域地質(zhì)普遍情況確定了各區(qū)的塑料排水板平均長度，在進(jìn)行塑料排水板實(shí)際插設(shè)時(shí)須根據(jù)鉆孔資料確定排水板的插設(shè)長度。

由于B1、B3、B4區(qū)域外側(cè)與外部相接部位淤泥層以下存在砂層，設(shè)計(jì)時(shí)在相應(yīng)地方外圈設(shè)置粘土幕墻，其滲透系數(shù)不大于5×10-8cm∕s。粘土幕墻采用雙層粘土攪拌樁，樁徑60 cm，搭接長度20 cm，采用四噴四攪方式施工，施工間距為0.4 m；按照整體工期要求，分段進(jìn)行施工；施工中應(yīng)注意泥漿比重及噴攪時(shí)間等，以免出現(xiàn)斷層而影響真空抽氣。本場地粘土攪拌樁樁長暫按9 m控制。實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)按照地勘報(bào)告，并沿邊界每隔30 m左右進(jìn)行觸摸，按實(shí)際深度打設(shè)。

真空預(yù)壓技術(shù)指標(biāo)：①預(yù)壓荷載≥85 kPa；②滿載預(yù)壓時(shí)間為90 d。真空預(yù)壓卸載標(biāo)準(zhǔn)：①地基固結(jié)度≥90%；②連續(xù)10 d實(shí)測沉降速率≤2.0 mm∕d。

2.3 地基處理監(jiān)測

2.3.1 地基處理監(jiān)測內(nèi)容

真空預(yù)壓法在本工程應(yīng)用中須進(jìn)行的施工監(jiān)測項(xiàng)目如表3所示。

表3 監(jiān)測項(xiàng)目Tab.3 Monitoring Items

2.3.2 地基處理監(jiān)測分析⑴膜下真空度

在滿載預(yù)壓過程中，設(shè)計(jì)要求膜下真空度不小于85 kPa。從膜下真空度測量結(jié)果可以看出：在真空初期，真空度上升較快。中后期膜下真空度一直保持在不小于85 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

⑵地表沉降

地表沉降由打設(shè)塑料排水板期間的沉降量和真空預(yù)壓期間的沉降量兩部分組成。A1 區(qū)打設(shè)塑料排水板期間的沉降量為204 mm；A2 區(qū)打設(shè)塑料排水板期間的沉降量為153 mm；A3 區(qū)打設(shè)塑料排水板期間的沉降量為242 mm。A1、A2、A3 區(qū)按設(shè)計(jì)要求共布置地表沉降標(biāo)23 個(gè)，各沉降標(biāo)沉降量如表4 所示，各分區(qū)平均總沉降量如表5所示。

表4 各沉降標(biāo)真空預(yù)壓期間沉降量一覽Tab.4 Settlement Amount of Each Settlement Standard during Vacuum Preloading

⑶固結(jié)度分析計(jì)算

利用地表沉降標(biāo)觀測資料計(jì)算固結(jié)度的方法選用三點(diǎn)法。公式如下：

式中：s1、s2、s3為相同時(shí)間間隔下的實(shí)測沉降量；s∞為相應(yīng)荷載下的最終沉降量；st為相應(yīng)荷載下t時(shí)刻的沉降量；Ut為相應(yīng)荷載下t時(shí)刻的固結(jié)度。

利用式⑴、式⑵，通過實(shí)測沉降數(shù)據(jù)計(jì)算卸載前土體的固結(jié)度，如表6所示。

由表6可以看出：3個(gè)區(qū)中A2、A1、A3區(qū)土層的平均固結(jié)度為92.14%～97.16%，滿足設(shè)計(jì)提出的關(guān)于固結(jié)度要求的卸載標(biāo)準(zhǔn)。

表6 各沉降標(biāo)計(jì)算的固結(jié)度Tab.6 Consolidation Degree Calculated for Each Settlement Scale

2.4 地基處理效果評價(jià)

真空預(yù)壓軟基處理完成后，對項(xiàng)目A 地塊第I 區(qū)工程的真空預(yù)壓處理后的地基的9個(gè)點(diǎn)鉆孔取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)。其中，孔1、2、3 位于A1 區(qū)，孔4、5、6 位于A2 區(qū)，孔7、8、9 位于A3 區(qū)。地基處理后淤泥的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表7所示。

表7 地基處理后淤泥主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.7 Main Physical and Mechanical Property Indexes of Sludge after Foundation Treatment

經(jīng)對比可發(fā)現(xiàn)，真空預(yù)壓地基處理使得地基中淤泥含水率w明顯降低，降幅可達(dá)30%，孔隙比e降幅可達(dá)50%，淤泥粘聚力c增幅可達(dá)85%，內(nèi)摩擦角φ也略有上升。由此可見，該區(qū)域淤泥等軟土經(jīng)真空預(yù)壓地基處理后，土性得到明顯提高，為后續(xù)的工程施工提高了很好的安全保障，并同時(shí)降低了后續(xù)工程的成本。

3 結(jié)語

⑴真空預(yù)壓法有著加載速度快、減少工程造價(jià)和縮短施工工期等優(yōu)點(diǎn)，且處理工程中不會(huì)引起地基失穩(wěn)，能有效處理南沙地區(qū)新近沉積的深厚軟弱土地基。但是須根據(jù)工程具體情況科學(xué)設(shè)計(jì)、合理分區(qū)、采取措施保證所處理土體的密閉性。

⑵真空預(yù)壓法處理軟弱土地基過程中，需采取科學(xué)有效的檢測方法，對加載周期、沉降速度和固結(jié)效果進(jìn)行管理和控制，這也是提高真空預(yù)壓法施工質(zhì)量的有效途徑。

⑶真空預(yù)壓施工過程中，土體有向內(nèi)側(cè)的水平位移，需要加強(qiáng)變形程度的預(yù)測及周邊構(gòu)筑物的影響，另外，實(shí)用沉降計(jì)算方法有待進(jìn)一步優(yōu)化。