分層插板真空預(yù)壓法處理軟土地基的試驗研究

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（1.江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；3.浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點(diǎn)實驗室，浙江 溫州 325035）

分層插板真空預(yù)壓法處理軟土地基的試驗研究

曾芳金1，位會星1*，王軍2，3，符洪濤2，3

（1.江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；3.浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點(diǎn)實驗室，浙江 溫州 325035）

針對普通真空預(yù)壓法的真空度傳遞不足、孔隙水壓力消散過慢、工期較長和深層土體加固效果欠佳等缺點(diǎn)，提出了分層插板真空預(yù)壓法。采用無孔密封管通過密封接頭直接與下層排水板連接而插入深層土體，與普通真空預(yù)壓法模型桶試驗的累積沉降量、真空度、孔隙水壓力、抗剪強(qiáng)度、含水率和出水量等指標(biāo)比較表明，上層土體的各項參數(shù)大致相等，但其下層土體的各項指標(biāo)具有明顯優(yōu)勢。分層插板真空預(yù)壓法能夠較好地將真空度傳遞到深層土體，加快孔隙水壓力消散，縮短工期，并取得良好加固效果。

真空度；孔隙水壓力；沉降；分層插板真空預(yù)壓法；模型桶

0 引言

真空預(yù)壓加固軟土地基的基本原理最早是由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院的Kjellmen于1952年提出的[1]，但受限于當(dāng)時的施工工藝和技術(shù)，真空預(yù)壓技術(shù)并沒有在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用。我國于20世紀(jì)80年代引進(jìn)并研究此技術(shù)。最早在天津某港口的地基處理中得到成功應(yīng)用[2-3]，開啟了真空預(yù)壓在我國軟土地基處理的應(yīng)用進(jìn)程[4]。直排式真空預(yù)壓法[5-6]、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法[7]、增壓式真空預(yù)壓法以及無膜真空預(yù)壓排水加固法[9]相繼在實際工程中得到成功運(yùn)用。孫立強(qiáng)等[10]提出排水板不同深度處真空度隨時間的變化趨勢相同，但量值上存在一定的遞減規(guī)律，單位深度下減小3 kPa左右。這主要是真空度在沿豎向排水板向下傳遞的過程中受到砂墊層、土顆粒以及排水板的阻力作用逐漸衰減，致使到達(dá)深層排水板處及土體的真空度較小，從而導(dǎo)致土體得不到有效的加固[11-12]。朱建才、溫曉貴等人[13]也提到：隨著深度的增加，真空度受到了不同程度的減小，塑料排水板中下降的真空度約為7 kPa/m，淤泥中的真空度下降約為22 kPa/m。這和孫立強(qiáng)的觀點(diǎn)吻合，但是土質(zhì)不同，真空度的沿程衰減也有所不同。唐彤芝，黃家青[14]經(jīng)過試驗分析指出：土顆粒過細(xì)或過黏是造成排水板淤堵，排水失效的主要原因之一。所以，有必要對傳統(tǒng)的真空預(yù)壓法進(jìn)行改進(jìn)以使真空度能夠更好地向深層土體擴(kuò)散。蘇波等人[15]曾采用雙層濾管無砂墊層真空預(yù)壓法對吹填淤泥進(jìn)行處理得到了良好的加固效果，這主要是采用雙層濾管增加了深層橫向排水通道，使深層豎向排水板可直接獲得深層濾管傳遞的真空度的原因。因此，如何減小真空度的沿程損失以及如何直接提高深層土體的真空度是值得大量試驗研究和理論分析的。本文提出了分層插板式真空預(yù)壓法處理軟土地基的模型試驗，通過深層真空度、沉降量、排水量、孔隙水壓力等參數(shù)與普通真空預(yù)壓法的對比分析，發(fā)現(xiàn)分層插板能夠有效地使真空度傳遞給深層土體，使之得到更好的加固。

1 模型桶試驗

1.1 試驗準(zhǔn)備

本試驗先后共做3組，每組采用兩個模型桶，編號分別為1號和2號。試驗用土取自溫州甌江口靈昆島圍海造陸現(xiàn)場，待土樣進(jìn)行完全沉積，測試得到土樣的基本物理指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗土樣的基本物理參數(shù)Table 1 Base physical parameter of test soil sample

1.2 試驗?zāi)Ｐ脱b置

模型桶的直徑d=60 cm，高度h=100 cm，吹填土的高度為90 cm。1號桶和2號桶的裝置圖如圖1所示，由模型桶、排水體系、真空射流泵和檢測系統(tǒng)4個部分組成。上層排水板與無孔的密封管用手型接頭連接由吹填土的表層插入。下層排水板通過與無孔密封管連接后直接插入吹填土的下層，保證上層豎向排水板的底端和下層排水板的頂端重疊長度約10 cm。為探究雙層排水板對下層土體真空度及加固效果的影響，將2號桶用1根豎向排水板直接插到模型桶的底部，其他各項條件均與1號桶相同。孔壓傳感器分別埋設(shè)于距豎向排水板15 cm，距吹填土表面30 cm和60 cm處，真空探頭分別埋置于距豎向排水板15 cm，距吹填土表面20 cm、60 cm處。

圖1 模型桶試驗裝置Fig.1 Testing apparatus of model barrel

1.3 試驗?zāi)康募皟?nèi)容

1）試驗?zāi)康模孩偬骄咳绾问拐婵斩饶軌蚋佑行У貍鬟f至下層土體。②通過試驗數(shù)據(jù)分析，探究深層真空預(yù)壓法對下層土體的加固效果。

2）試驗的具體內(nèi)容：①在加固過程中實時記錄土體不同位置處的真空度、孔隙水壓力、土層表面的累計沉降量以及出水量。②停泵后分別檢測兩桶不同深度處土體的十字板剪切強(qiáng)度以及含水率試驗數(shù)據(jù)及分析。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)束后分別對3組試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)這3組試驗各項指標(biāo)的變化趨勢大致相同，只是在不同的時間段都出現(xiàn)了輕微的漏氣現(xiàn)象。由于各組試驗的真空度和孔隙水壓力值隨時間的變化規(guī)律相同，因此取第1組試驗的真空度值和孔隙水壓力值進(jìn)行分析，而累計沉降量、出水量、十字板剪切強(qiáng)度以及含水率取3組試驗數(shù)據(jù)的平均值作為試驗的最終數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 累計沉降量的分析

試驗過程中在桶的中心處和邊緣處分別設(shè)置沉降標(biāo)，取兩者沉降量的平均值作為沉降測量值，通過毫米刻度尺定時測量了兩桶吹填土表面的累計沉降量，停泵后，1號桶的累計沉降量為12.9 cm，2號桶的累計沉降量為10.7 cm，最終沉降量的差值為2.2 cm，即分層插板真空預(yù)壓法所產(chǎn)生的沉降量相對于普通真空預(yù)壓法提高了約20%。兩桶的累計沉降量隨時間的變化曲線如圖2。由圖可知，在加固開始的50 h內(nèi)，兩桶沉降量均迅速增加，幾乎成線性增長。隨著加固時間的延長，沉降速度開始減緩并逐漸趨于穩(wěn)定。將1號和2號桶的沉降曲線進(jìn)行對比可知，在試驗的開始階段，1號桶沉降速度的發(fā)展大于2號桶，并在200h時趨于穩(wěn)定，在168 h時已達(dá)到總沉降量的80%，而2號桶在300 h后才趨于穩(wěn)定。可見分層插板法能有效縮短加固時間。

圖2 累計沉降量隨時間的變化曲線Fig.2 Curve of the cumulative settlement changes with time

2.2 真空度的分析

射流泵開啟后，兩桶的膜下真空度均發(fā)展較快，迅速升到90 kPa并在2 h內(nèi)到達(dá)100 kPa，說明模型桶的密封性良好。在試驗中測得各測點(diǎn)真空度隨時間的變化曲線如圖3，可知在兩桶中距吹填土表面20 cm處的真空度增長較快，很快達(dá)到85 kPa左右并維持穩(wěn)定。距吹填土表面60 cm處的真空度增長相對緩慢，1號桶的增長速度較2號桶快，并在到達(dá)74 kPa后趨于穩(wěn)定，比2號桶的60 kPa提高了23%左右，這是因為在1號桶中距吹填土表面60 cm處土體中的真空度是由下層排水板直接傳遞而獲得的，由于下層排水板是和鋼絲軟管連接后直接插入土體中，因此，真空度在向下層排水板傳遞過程中省去了在上層土體中的擴(kuò)散和阻力，所以1號桶中深層土體的真空度高于2號桶。在試驗過程中由于土體的徑向收縮導(dǎo)致桶和吹填土表面接觸的脫離而漏氣，使真空度有一定的下降，如圖中的下折點(diǎn)部分，但經(jīng)過及時補(bǔ)救密封，各點(diǎn)處的真空度又很快回升。

2.3 孔隙水壓力

圖4和圖5分別為兩桶距吹填土表面30 cm和60 cm處土體中孔隙水壓力隨時間的變化曲線。

圖3 各測點(diǎn)真空度隨時間的變化曲線Fig.3 Curve of the vacuum at each test point changes with time

圖4 距土體表面30 cm處孔隙水壓力隨時間的變化曲線Fig.4 Curve of the pore water pressure about 30 cm from the soil surface changes with time

圖5 距土體表面60 cm處孔隙水壓力隨時間的變化曲線Fig.5 Curve of the pore water pressure about 60 cm from the soil surface changes with time

由圖4可知，兩桶中孔隙水壓力的變化趨勢大致相等，最終都達(dá)到-60 kPa左右維持穩(wěn)定。由圖5可知，距吹填土表面60 cm處的土體中孔隙水壓力發(fā)展相對較慢，1號桶的下降速度和數(shù)值均明顯大于2號桶，提高約31%，說明分層插板真空預(yù)壓法相對于普通真空預(yù)壓法更有助于深層土體中孔隙水壓力的消散。另外，從圖2中可以看出1號桶的累計沉降量在200 h時已趨于穩(wěn)定，但孔隙水壓力仍有一定的消散，這主要是因為在真空預(yù)壓中后期由于土體的徑向收縮導(dǎo)致土體與桶壁脫離，在真空負(fù)壓下，桶被吸癟（圖6）后箍住土體，影響土體的縱向沉降。所以在沉降測量穩(wěn)定后，孔隙水壓力仍然會有一定的消散。

圖6 模型桶被吸癟的現(xiàn)象Fig.6 The phenomenon of the model barrel is sucked flat

2.4 十字板剪切強(qiáng)度

停泵拆模后，分別對豎向排水板處，距豎向排水板15 cm處的土體進(jìn)行十字板剪切強(qiáng)度試驗，沿深度每10 cm取一個點(diǎn)進(jìn)行測量。圖7和圖8分別為豎向排水板處和距豎向排水板15 cm處的十字板剪切強(qiáng)度隨深度的變化曲線。由圖可知，2號桶的十字板剪切強(qiáng)度隨深度有減小的趨勢，且深度越深，十字板剪切強(qiáng)度下降的越快。1號桶雖然也有這樣的趨勢，但在深度為40 cm處十字板剪切強(qiáng)度有了一定的提高，這主要是由于下層排水板傳遞的真空度較大，在此深處土體的真空度有突然變大的趨勢所造成的。由兩圖的曲線對比可知，無論是排水板處還是距排水板15 cm處，1號桶深層土體的十字板剪切強(qiáng)度均明顯高于2號桶，提高大約28%。

2.5 含水率分析

圖7 豎向排水板處十字板剪切強(qiáng)度隨深度的變化曲線Fig.7 Curve of the vane shear strength in the vertical drainage plate changes with depth

圖8 距豎向排水板15 cm處十字板剪切強(qiáng)度隨深度的變化曲線Fig.8 Curve of the vane shear strength in the 15 cm distance from the vertical drainage plate changes with depth

加固后對兩桶取不同深度處的土體并測量含水率，建立兩桶土體的含水率隨深度的變化曲線如圖9，由圖可知，兩桶土體表層的含水率大致相等，當(dāng)深度大于10 cm處1號桶和2號桶的含水率開始出現(xiàn)差異，但數(shù)值不大，這可能是因為下層豎向排水板向土體中傳遞的真空度向上層土體擴(kuò)散所造成的。當(dāng)深度大于40 cm后，1號桶的含水率明顯小于2號桶的含水率，在深度為70 cm處1號桶的含水率低于2號桶約20%，另外，2號桶的含水率沿深度逐漸增加，且有深度越大增長速度越大的趨勢，而1號桶在深度超過40 cm后含水率又有下降的趨勢，這和2號桶不同，主要是因為當(dāng)深度超過40 cm，土體主要是由下層豎向排水板的作用而排水的原因。

圖9 排水板處含水率隨深度的變化曲線Fig.9 Curve of the water content of the vertical drainage plate changes with depth

2.6 出水量

在試驗的過程中用氣水分離瓶分別收集并測量兩桶的出水量，建立出水量與時間的變化曲線如圖10，從圖中可以看出，1號桶的出水速率和出水量均大于2號桶，1號桶的最終出水量達(dá)到25 600 mL，比2號桶的21 400 mL提高了約19%，結(jié)合含水率隨時間的變化曲線可知，由于兩桶上層土體的含水率大致相等，1號桶中出水量的提高主要是來自下層土體，再次印證了分層插板真空預(yù)壓法對深層土體有較好的加固效果。

圖10 出水量隨時間的變化曲線Fig.10 Curve of the water yield changes with time

3 問題與討論

1）密封時是把密封膜沿桶的周邊壓入土體中并在密封膜的周圍用吹填土密封。在試驗的過程中由于土的徑向收縮使土體和桶的側(cè)面脫離而導(dǎo)致漏氣現(xiàn)象。如果把密封膜的周邊引出桶邊緣的外部，在桶邊緣的外部進(jìn)行密封，桶內(nèi)留有20 cm的冗余長度，使密封膜能隨吹填土的沉降而下降，這樣就可以避免因土體的徑向收縮導(dǎo)致桶邊的漏氣現(xiàn)象。

2）本試驗雖然采用了新型防淤堵排水板，但仍有淤堵現(xiàn)象，由十字板剪切強(qiáng)度可以看出，在豎向距排水板15 cm處十字板剪切強(qiáng)度比豎向排水板處的低3.5 kPa左右，約降低17%，且隨距豎向排水板距離的擴(kuò)大，降低越明顯。剖開土體一定深度，豎向排水板處的土體明顯較硬。說明僅靠擴(kuò)大豎向排水板濾膜孔徑來防止淤堵的作用有限，并不能完全防止豎向排水板處的淤堵現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過設(shè)計的分層插板真空預(yù)壓法對吹填土加固的室內(nèi)試驗方案，研究深層土體得到更好的加固效果，根據(jù)試驗過程和數(shù)據(jù)分析得到以下結(jié)論：

1）采用分層插板真空預(yù)壓法相當(dāng)于把一定厚度的土體進(jìn)行分層，然后分別對各層土體進(jìn)行抽真空以達(dá)到排水加固的效果，由于下層排水板處的真空度由密封管直接傳遞獲得，這相當(dāng)于縮短了真空度向深層土體傳遞的路徑，以使深層土體能夠獲得較高的真空度。

2）經(jīng)試驗數(shù)據(jù)分析，由于下層排水板的作用能夠使深層土體獲得較好的加固效果，但和上層相應(yīng)位置的土體相比較仍然存在一定的差異，這主要是因為上下層排水板頂端的邊界條件不一樣所致。上層排水板的頂端在密封膜下，土體中的真空度由豎向排水板的徑向傳遞和膜下真空的縱向擴(kuò)散組成，而深層土體的真空度受到膜下真空向下傳遞的影響已經(jīng)很小，其主要是豎向排水板的徑向傳遞。

3）分層插板真空預(yù)壓法能夠使深層土體的真空度、孔隙水壓力的發(fā)展速度較快，十字板剪切強(qiáng)度較高，含水率下降明顯，能夠較為均勻地加固土體。

4）通過數(shù)據(jù)分析可知，分層插板真空預(yù)壓法能夠快速有效地加固土體，節(jié)省加固時間。如果按沉降量趨于穩(wěn)定時計算，可節(jié)省加固工期約23%。

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Experimental research on vacuum preloading method in hierarchical flashboard to reinforce soft soil

ZENG Fang-jin1，WEI Hui-xing1*，WANG Jun2，3，F(xiàn)U Hong-tao2，3
（1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China；2.College of Architecture and Civil Engineering，Wenzhou University，Wenzhou，Zhejiang 325035，China；3.Key Laboratory of Soft Soil Foundation and Coastal Reclamation Engineering Technology of Zhejiang Province，Wenzhou，Zhejiang 325035，China）

The vacuum preloading method in hierarchical flashboard is proposed based on the common vacuum preloading method with the shortage of vacuum transfer inadequately，pore water pressure dissipation slowly，deep soil reinforcement badly and so on.Its trait is that insert the drain pipes into the deep soil by connect with the no holes tube.The main purpose is that can transfer the vacuum to the deep soil directly to improve the strengthening effect of deep soil and overcome the shortage of excessive vacuum vertical transmission losses.Compared with the physical indicators of common preloading model test and found that the upper soil's parameters roughly equal，but the parameters deeper soil is better than latter.It conclude that deeper soil can achieve more vacuum，the pore water pressure dissipation is accelerated，the construction period is reduced，and well reinforcement effect under vacuum preloading method in hierarchical flashboard.

vacuum；pore water pressure；settlement；vacuum preloading method in hierarchical flashboard；model barrel

U655.544.5；TU472.33

：A

：1003-3688（2014）03-0031-06

10.7640/zggwjs201403006

2013-08-16

2013-11-28

浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊項目（2011R50020）；溫州市重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊項目（C20120006）

曾芳金（1965— ），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事地基處理方面的研究。

*通訊作者：位會星，E-mail∶zkwhxfjy@126.com