摘要：真空预压法现已广泛应用于软黏土地基加固工程，方法是在需要加固的软黏土地基中设置砂井或竖向排水板，然后在地面铺设砂垫层，上面覆盖不透水的密封膜与大气隔绝，通过埋设于砂垫层中带有滤水管的分布管道，用射流泵进行抽气、排水，从而达到加固的目的。
关键词：真空预压；加固深度；软土路基；
前言
真空预压中软土路基的加固深度一直是研究的热点问题之一，目前工程界与学术界仍存在较多的争议。
1 真空预压作用机理
真空预压的作用机理可用弹簧装置来分析，设真空预压时，总应力不变，孔隙水压力减小，有效应力增加。地基土中的初始孔隙水压力等于一个大气压pa。抽真空后在边界处产生负压-Δu，随着各处孔隙水压力的减小，弹簧开始被压缩，也就是说土骨架逐渐承担应力，有效应力增加，地基土固结。有效应力的增量就等于孔隙水压力的减小量Δu，Δu小于大气压强pa，通常为80kPa。假设地基土为单面排水理想土体，排水面为地面。真空预压固结过程中，孔隙水压力及有效应力随深度的分布情况见图1，图中：u0（z）为静水压力；σv（z）′为某一时刻的有效应力；ut（z）为某一时刻的超孔隙水压力；us（z）为吸力；σ′0为初始有效上覆压力。真空预压作用下，有效应力就等于σ′0+u0（z）-ut（z），当真空压力作用于土体表面时，超孔隙水压力ut（z）在顶部最小，因此顶部有效应力就最大。
图1孔隙水压力和有效应力的变化
2 真空预压设计
2.1 工程地质条件
（1）地层分布。依据现场钻探地质资料结果，该地区粘土层自上而下，依次分为：①填筑土（Q4ml）即第四系人工填土，该层厚度较小为0.90~4.80 m，埋深0~5 m；②高液限粘土（Q4al）即第四系冲积土，褐黄色、灰黄色该层为耕植土，主要分布于耕地、塘堤一带，厚0.50~7.78m，埋深0~8 m，经常缺失；③淤泥、淤泥质土（Q4mc）为滨海三角洲（海陆交互）相沉积，灰黑色、灰色，该层分布广泛，厚1.10~26.50 m，埋深0~30 m，分布面较广；④高、低液限粘土（Q4al）为第四系冲积土，浅黄色，该层仅分布于较少地段，厚0.50~4.80 m，埋深6~26 m；⑤低液限粘土（Q4el）为第四系残积土，棕红色，该层仅分布于较少地段，揭露厚度0.2~5.6 m，埋深10~35 m。在该地区，软土层分布随山势起伏较大，具有平面分布不规则、厚度变化大、不连续且土性不均匀等特性，基岩出露地段软土层基本缺失，本文主要针对厚度近20 m的软土层进行研究。从勘察资料的统计结果分析，软土层主要以第③层淤泥、淤泥质土为主，根据工程实际情况，施工中将②③④层一起作为压缩层进行处理，所以文中研究将针对这三层土的性质，其中③层为重点研究对象。
（2）主要土层物理力学指标。本工程软土层具有高孔隙比、高含水量、低强度等特点，因此在软基加固处理设计中要充分考虑加载过程中的地基稳定性，同时兼顾后期工后沉降的控制。本路段软土层以③④层为主，具体物理力学指标见表1。
表1研究区软土基本物理性质均值指标
2.2 软基处理设计
（1）主要设计参数。该路段采用真空预压法进行软基处理，为确保密封系统在填土加载过程不受损坏，砂垫层上部采用两层土工布与三层密封膜，上部填土高度为4 m；排水板间距1.2 m，打设深度20 m；水平排水体为60 cm厚的中粗砂垫层；真空预压边界采用粘土密封墙处理，确保真空效果。
主要施工工序如下：清基整平→铺设第一层土工布→铺设砂垫层→打设塑料排水板→安装真空设备→铺设滤管 →铺设三层密封膜→抽真空→铺设第二层土工布→上部填土至设计标高。
（2）加荷计划。本工程中根据土体强度增长的室内试验，通过稳定计算，结合以往真空预压法的施工经验，确定了路基加荷计划，见表2。
2.3 监测仪器布置
该路段软土层平均厚度20 m，路中软土层最厚处达到23 m，排水板打设深度为20 m，该断面共埋设孔隙水压力测点8个，分层沉降磁环8只，深层土体水平位移测点1个。其中在排水板底部的软土层中分别埋设了孔隙水压力计与分层沉降磁环。
表2真空预压（联合堆载）加荷计划表
3 现场监测数据分析
3.1 超静孔隙水压力
在真空预压初期，土体中超静孔隙水压力在真空荷载作用下逐渐降低，直至路基荷载开始填筑，才有所回升，停止填筑一段时间后，超静孔隙水压力又开始下降，该现象表明真空荷载加固的效果较为显著。真空预压过程中虽然超静孔隙水压力沿深度分布的规律性不强，这和测点与排水体的距离、土体的渗透系数有关。但土体中的超静孔隙水压力均呈现为负值，表明负压（指负的超静孔隙水压力）在加固区域中土体内基本处于满布状态，地表下23 m孔压测点（排水板底部土体）的变化值表明负压荷载在土体的传递深度至少可以达到排水板打设的深度，甚至对排水板以下2~3 m左右的土体范围仍产生影响。
3.2 分层沉降
土体沉降量主要集中地面下16 m的范围之内，占总沉降量的70%，排水板以下尚有一定的沉降量，约占总沉降量的12%。从不同深度土层时间-沉降规律分析可知，施工期间土体沉降以排水板范围内的土体为主，同时排水板对其底部软土仍存在一定影响，下部2~3m厚的软土层在真空预压期间沉降量达到40 cm。
3.3 深层土体水平位移
在整个真空预压过程中，土体的深层水平位移先是指向加固区内，随着路基填高的增大期表现为指路基外侧，该现象表明后期产生了剪切变形，但总的位移量并没有超过埋设时的位置。结合分层沉降分析，认为整个加固区内土地体变形主要表现为向内收缩，即固结变形为主。
4 真空提水与真空预压的差异分析
真空提水与真空预压的差异分析。抽真空提水的极限深度用真空抽取地下水的过程实际上是克服水自重的过程，提水的极限深度hw不大于10m，这是由于提水的最大压力不过1个大气压pa，其相当于10m水柱压力。1个大气压pa的抽取力等于γw hw，其中γw为水的容重，hw为提水的极限深度，因此最大抽取深度就不大于hw=paγw。另外，通过分析水位线和地面总水头的差异也可以解释提水极限高度。将水位线作为参考线，该处的水头就等于压力水头，为paγw。地面的压力水头由于抽真空的原因，接近或等于零，该处的总水头就等于高程水头，即极限提水深度hw。当水被自下而上抽取时，地面的总水头必不大于水位线处的总水头，即hw≤paγw，因此，最大抽水高度就不大于10m。
5 加固前后土体微结构变化
对真空预压前后土体的SEM进行扫描，其取样平面位置与深度基本一致。真空预压前软土结构呈现蜂窝-架空结构，说明土体颗粒间的孔隙较大，这与宏观力学中的孔隙比测得的结果是一致的。从扫描结果可以发现，加固前软土的颗粒呈现团聚状结构，颗粒间的连接清晰可见；加固后，土体呈现叠片-絮凝状结构，颗粒间的孔隙明显减少，颗粒的粒径也变小，但小颗粒出现重组现象，表现为更大颗粒的状态，颗粒之间大的结构不再出现；加固前后SEM扫描结果表明，真空预压过程中土体颗粒之间的状态由疏松变为紧密，颗粒之间并没有出现明显挤压滑移现象，而是孔隙减小，颗粒向内收缩成紧密状态，这与现场土体出现位移指向加固区的现象是一致的。
真空预压法的有效深度与竖向排水体的打设深度、真空边界的密封性等条件有关。若要更好地传递真空度，则应使用高渗透性、高排水能力的竖向排水板以减小真空度的损失，提高加固效果。
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[5]闫平润．真空预压法加固软土地基的效果观测分析 ．2017.
论文作者:李永强
论文发表刊物:《基层建设》2018年第14期
论文发表时间:2018/7/11
标签：预压论文; 真空论文; 孔隙论文; 水压论文; 土层论文; 深度论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第14期论文;