分級加載真空預壓室內模型試驗研究★

王亞東 曾芳金 * 王 軍 符洪濤 趙 森

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

0 引言

由于國家土地資源的緊缺，圍海造地工程日益增多，吹填淤泥的承載力低、孔隙比大、含水率高、壓縮性高、透水性差等物理特性使得真空預壓法成為處理灘涂淤泥廣泛使用的方法，壓縮性高、孔隙比大致使其在荷載作用下會產生很大的沉降效果，在真空預壓的過程中，土體的總應力不發生改變，土體產生固結，隨之超靜孔隙水壓力得到消散，土體的有效應力相應提高，土體強度快速增加繼而滿足相應的建設工程需要［1-3］。為減少真空度傳遞時的損失及更好的加固深層土體而采取的密閉式真空預壓技術也取得了很好的處理效果［4］，由于密閉式真空預壓抽真空前期土體會發生很大的壓縮變形迅速沉降導致排水板存在一定程度上的彎曲，從而致使真空度不能更有效的傳遞到深層土體以及造成排水通道受阻影響土體的固結［5-8］，苑曉青提出了分級真空預壓即逐級施加真空荷載的加固方案并進行了室內模擬試驗［9］，武亞軍深入探討了加載方式對軟土地基固結影響的細觀機理，提出加載方式的快慢對土體的加固有很大的影響并認為慢速加載更有利于土體的加固［10］，但并沒有涉及具體的加載數值等級以及尋找加固吹填淤泥最佳加載等級，針對以上問題本次試驗即采取真空預壓技術按照1 級～4 級不同加載方式對溫州甌飛一期圍墾水閘工程灘涂原淤泥土進行加固對比試驗，通過試驗評價不同加載方式對土體的加固效果，得到最優加載方式，以改善和提高真空預壓法加固軟土地基效果。

1 試驗布置方案

模型試驗裝置由模型桶、排水體系、真空泵和量測系統組成。該試驗采用的是防淤堵板，該真空預壓法的排水體系由塑料排水板、手型密封接頭和無孔真空管組成;量測系統由安裝在模型箱內土樣表面的沉降標以及真空表組成。本次試驗土樣取自甌飛一期圍墾水閘工程灘涂區，土樣裝填高度均為0.85 m，淤泥土樣裝入模型桶后，在土樣表面鋪設一層土工編織布，然后插設塑料排水板;在膜下以及土體20 cm，60 cm 深度處安裝真空度探頭，用來測量加固過程中土體不同位置的真空度;采用單手板接頭將塑料排水板與無孔真空管連接，連接完成后，利用塑料泡沫薄板在土體表面布置一塊沉降標，以供試驗過程中實時量測土體表面沉降量。最后在橫向排水體系表面鋪設一層土工布并鋪設兩層塑料薄膜密封。每個模型桶的排水主管通過氣水分離瓶連接于流通總接頭，四個氣水分離瓶引出的排水軟管通過一個六通總接頭連接至同一個真空泵。六通總接頭每通上都裝有真空荷載控制閥門。試驗安裝完成后，開啟真空泵抽真空，檢查塑料薄膜密封是否嚴密，如有漏氣現象則采取補漏措施。試驗連續抽真空時間預設為14 d。抽真空結束后對土體進行含水率和十字板剪切強度檢測。

2 試驗結果與分析

2.1 沉降監測結果

試驗中均在每個模型桶的土體表層中心位置布置1 個沉降標進行沉降監測。經過沉降監測可以得出，經過了380 h 的真空抽氣，二級加載(30 kPa～80 kPa)真空預壓工法總沉降量最大為73 mm，四級加載(10 kPa→30 kPa→60 kPa→80 kPa)真空預壓工法總沉降量最小為54 mm;真空預壓開始抽氣后的前2 天，全載和二級加載兩種工法均有相對較高的沉降速率19.5 mm/d、平均沉降速率16 mm/d，相比之下三級和四級加載方法的沉降速度要緩慢一些，可見在開始抽真空的前2 天全載的加載方式土體的沉降效果最明顯。在之后的330 h 中，全載真空預壓工法的沉降速率均趨于穩定且低于48 h 內的速率，二級加載方式的沉降速率呈階梯狀并于抽真空100 h 后逐漸趨于穩定且低于48 h 內的速率，可見二級加載(30 kPa～80 kPa)真空預壓工法在減少排水板彎曲的前提下總體沉降穩定且總沉降大于其余真空預壓加載方式。

2.2 真空度監測結果

通過監測模型桶膜下及土體以下20 cm，60 cm 深度的真空度得到四種不同分級真空加載方式，對比試驗過程中膜下及排水板內不同深度真空度可以得出，四種加載方式的真空預壓工法處理過程中每一級加載板內真空度都會明顯隨著加載等級的變化而變化。在同一個加載等級下，距離土體表面20 cm 深度處板內真空度都要高于土體表面以下60 cm 深度處板內真空度，四級加載在開啟真空泵采取第一級10 kPa 加載階段板中基本上沒有真空度，其余三種加載方式在采取第一級加載階段板中真空度都達到了相應的加載值，相比之下加載第一階段采用30 kPa 二級加載方式板內的真空度達到最大值的時間是四種加載方式中最少的，在抽真空200 h 加載到80 kPa，板內沿土體深度20 cm 和60 cm 處的真空度也迅速地達到80 kPa 左右并在隨后的時間里真空度都相對穩定，且兩個深度處的真空度相差很小，說明二級加載方式能減少排水板內真空度沿深度的損失，能使深層的土體得到有效的加固。

2.3 加固后含水率測試結果

試驗結束后，對每個模型桶塑料排水板所在位置的垂直方向一側取土測試含水率，檢測點的沿深度分布為:根據真空預壓后的土體工后實際深度，檢測點位于土體表面、土體中部及土體底部，共3 個檢測點。四種不同分級真空加載方式對比試驗的工后平均含水率沿土體深度的變化規律:二級加載(30 kPa～80 kPa)真空預壓工法處理后土體沿深度的含水率由表層的最小41.61%增加到深層的最大49.25%，比土體初始含水率降低了43%之多，采用全載(80 kPa)處理后土體沿深度的含水率由表層的最小43.75%增加到深層的最大51.68%，三級加載和四級加載處理后土體沿深度的含水率分別為45.25%～53.67%，48%～53.12%，四級加載真空預壓工法處理后的地基土含水率均隨深度增加呈先減小后增大的趨勢，在表層至30 cm 之間的含水率減小速率很小，基本保持不變，而沿著30 cm 處往下土體的平均含水率逐漸增大。其余三種加載方式的真空預壓工法處理后的地基土含水率均隨深度增加而增大，且基本呈線性增長。在相同深度處，二級加載的土樣含水率都要低于其余三種加載方式的土樣含水率，因此說明采用二級加載方式可以更有效地排出土體里的水分，更有助于提高土體的加固效果。

2.4 十字板剪切強度測試結果

利用十字板剪切儀分別于四個模型箱土體表層以及距表層40 cm，80 cm 深度處進行十字板剪切強度測試，得到四種不同分級真空加載方式，對比試驗的工后十字板剪切強度測試結果可以得出，四種加載方式下的土體十字板抗剪強度均沿深度呈逐漸減小的趨勢，二級加載處理后從表層到深層土體抗剪強度都要高于其余三種加載方式，且在土體表層體現的尤為明顯，要比其余三種加載方式高出2 kPa～5 kPa，深層土體抗剪強度二級加載方式也要比其余三種高出1 kPa～4 kPa，因為二級加載能使真空度更有效地傳遞到土體中從而促使孔隙水壓力的消散使土體密實固結，由十字板抗剪強度沿深度的變化規律可知，二級加載(30 kPa～80 kPa)真空預壓處理后的土體固結效果最好。

3 結語

通過不同真空加載方式下真空預壓試驗的對比，探究分析分級加載密閉式真空預壓對土體的加固機理，得出以下結論:

1)二級加載過程中土體的沉降速率最為均勻且最終的沉降量最大，能更有效的避免加固前期造成的排水板彎折及排水板的擁堵現象。

2)二級加載方式下真空度能更有效的傳遞到深層土體，使土體加固效果最優。

3)二級加載真空預壓能更均勻有效的降低淤泥土中的含水率，減少了因前期排水速率過快致使淤泥殘留排水體而引起的少許淤堵現象。

4)采用二級加載(30 kPa～80 kPa)方式能更好的提高土體的十字板抗剪強度，處理效果要明顯優于其余三種真空預壓加載方式，更適合于溫州甌飛一期圍墾水閘工程灘涂區淤泥土地基的加固。

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