真空預壓加固效果的影響因素研究

康旭輝

（中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，上海201208）

軟土是公路和民建工程中遇到最多的軟弱基地，廣泛分布在我國沿海地區(qū)，由于軟土較為軟弱，強度低，壓縮性高，滲透性很小等特性，極易出現(xiàn)塑性流變等問題，給道路路基和民建地基處理帶來了較大的技術難題，若對軟土特性認識不足，地基處理不當，技術控制不嚴，就會在筑路過程中出現(xiàn)地基因破壞失穩(wěn)而滑動，并產(chǎn)生較大的沉降和不均勻沉降，影響工程建設和正常的使用，因此，對軟基合理而有效治理成為軟土地區(qū)工程高質(zhì)量的重要前提。

本文結合具體的工程實踐，并通過現(xiàn)場監(jiān)測，對真空預壓軟基處理中加固效果的影響因素進行了分析。

1 真空預壓加固土體的機理

軟土地基真空預壓加固時，在抽真空后，首先在砂墊層形成的真空度，通過垂直排水通道逐漸向下延伸，同時真空度又由垂直排水通道向其四周的土體傳遞與擴展，形成一個負壓滲流場，引起土中孔隙水壓力降低，形成負的超靜孔隙水壓力,從而使土體孔隙中的氣和水由土體向垂直排水通道滲流，最后由垂直排水通道匯至地表砂墊層中被泵抽出。當產(chǎn)生負的超靜孔隙水壓力達到膜下真空度值時滲流終止。而消散的孔隙水壓力會相應引起有效應力的增長，因而達到加固地基的作用［1］。

2 真空預壓加固效果影響因素

2.1 真空度的影響

2.1.1 真空度沿深度的傳遞。在真空預壓抽真空過程中，由于塑料排水板井阻與涂抹的作用，從實測孔隙水壓力變化資料可以看出，真空度的傳遞模式是復雜的，各學者提出的關于真空預壓中真空度的傳遞模式相差較大。而真空度傳遞的不同，也顯著的造成了分層沉降的不同，影響到真空預壓的效果［2］。

為了找出真空度沿深度傳遞對真空預壓的影響，我們找出在整個處理階段中較為典型的真空度維持較好地22#地塊的相關數(shù)據(jù)進行分析。

①由22#地塊孔壓變化率曲線可以看出，在真空預壓開始的一周，孔壓變化速度較快，與真空度變化趨勢相近，其中2～8m淺部地層變化速率最快，8～16m變化速率適中，16m以上變化速率較慢，20m以上幾乎無變化。可見負壓滲流場在淺層較快形成，并逐漸向深層傳遞的。

②綜合看各地塊峰值孔壓變化量并不是出現(xiàn)在最頂層土，而是一般在4～6m范圍內(nèi)。說明第一，這一土層中的滲透系數(shù)較高的黏質(zhì)粉土夾層起到了較好的水平向排水體的作用，因而體現(xiàn)了密封墻的重要性；第二，孔壓變化量并不完全由真空負壓決定，與預壓同時進行的抽水使地下水位降低造成了土層上覆壓力的增大，即發(fā)生了“堆載效應”，土體加固是在“堆載”的正壓和真空的負壓的共同作用下完成的。

2.1.2 真空度的穩(wěn)定性。真空預壓由于其自身機制和較長時間的工期，真空度的穩(wěn)定維持相對較為困難，真空度的變化將直接導致土體中孔壓的變化，孔壓的變化進一步導致有效應力的變化，進而影響到土體加固的進程，目前幾乎沒有針對真空度不穩(wěn)定對土體加固的影響的研究。

在真空預壓過程中影響真空度穩(wěn)定性的因素主要是真空膜、密封溝及密封墻的密封性，施工工況，預壓進行過程中的供電不足或者停電，射流泵工作異常等。

本文采用本次預壓加固工程中較為典型的8#，10#兩個地塊進行對比研究。兩個地塊位置相近，地質(zhì)條件相似，工況基本相同。

從上面地塊各自典型的孔壓變化量歷時曲線可以得到：

①區(qū)塊真空度傳遞分布比較類似，峰值孔壓變化量均為-80～-90kPa,出現(xiàn)在8m以下淺層部分，8m以上部分發(fā)生相應折減。

②從區(qū)塊的真空度波動上看，8號地塊波動極大，并發(fā)生了多次停泵事件。主要緣由包括停電，供電不足以及不均勻沉降造成的真空膜破裂。10號地塊相對波動較小，盡管發(fā)生了停泵事件但是短時間內(nèi)進行了修復，孔壓變化量曲線較為平穩(wěn)。

通過統(tǒng)計兩個區(qū)塊達到設計沉降值的真空預壓工期結果是8號地塊所耗工期幾近是10號地塊的1倍多。可見真空預壓施工過程中真空度的保持對工期有非常重要的影響。而工期是真空預壓工程十分重要的一個前提，并且將影響相應工程造價。

2.2 排水板的影響

2.2.1 排水板長度。在軟土地基中，隨著深度的增加，真空度逐漸減少；而在真空度的傳遞過程中都要受到介質(zhì)阻力，但不同介質(zhì)阻力對真空度分布有較大影響，因為縱向通水能力和滲透系數(shù)的不同，一般在地基相同的深度處：膜下真空度＞塑排真空度＞砂井真空度＞淤泥真空度。其淤泥的滲透系數(shù)與通水能力與塑料排水板相差巨大，因此在地基中設置豎向塑料排水板以增大真空度的傳遞效率。而排水板長度對真空度的傳遞起到多大作用，以下將通過分析6#，7#地塊的相關數(shù)據(jù)可以得到：

由6#地塊可以得到在10m內(nèi)，真空度傳遞效果較好，在8m左右仍能維持50～60kPa。這主要是受10m深度的密封墻影響，使真空度損耗降低，而在10～14m范圍，真空度仍能維持在30～35kPa。但在14m以下深度，真空度快速衰減，到16m范圍僅剩10～15kPa，20m以上已經(jīng)小于10kPa。

由7#地塊可以得到在10m范圍內(nèi)，真空度普遍維持在較高的70～80kPa，這主要是受10m的水泥土攪拌樁密封墻影響，在其下隨深度減小，在10～16m范圍內(nèi)真空度逐漸衰減，在16m處為30～35kPa。而后衰減增速，18.5m處真空度整個處理過程中僅剩余20kPa，26m處為10～15kPa。

從以上地塊的孔壓變化值分布圖可以看出真空度沿深度的傳遞主要分3個區(qū)間：

①密封墻樁端深度（10m）以上地層，真空度幾乎無衰減或衰減很小。

②密封墻樁端以下深度至排水板插打深度范圍內(nèi)，真空度沿深度衰減，但衰減相對慢。

③在排水板插打深度以下，真空度衰減較快，在塑料排水板長度1.5倍以上深度處真空壓力的影響已經(jīng)較為微弱了。但同時可以看出，在塑料排水板以下一定深度范圍內(nèi)仍有一定的真空度存在。

由以上結論可知，排水板不僅有加強地基土體豎向排水能力，還可以增強真空度沿深度的傳遞效率，相同條件下，排水板長度越長，真空預壓影響深度越深。可見在適當?shù)呐潘彘g距下，一定程度加長排水板長度可以有效地增加真空預壓的有效作用深度。

2.2.2 排水板間距。對于不設置豎向排水體，直接對天然地基加荷預壓時，采用太沙基一維固結理論方程。但對于地基中設置豎向塑料排水板進行真空預壓時，采用太沙基三維固結理論計算。本工程徑向固結為主要因素。

其中徑向固結時間因素的表達式為：Th=Cht/de2

可以看出，固結時間與排水板影響范圍直徑的平方成正比例關系，而排水板影響范圍直徑是由排水板間距來確定的，即排水板間距越小，則相應固結時間越短。但在實際工程中，受到排水板的井阻作用和插打排水板時的涂抹作用影響，當排水板間距縮小到一定值時，進一步減小排水板間距將無法再縮短固結時間。

是將排水板間距考慮入影響真空預壓工期的因素內(nèi)，將各地塊真空預壓實際作用時間按t/de2來計算，將其與目標沉降值進行比較發(fā)現(xiàn)，在考慮排水板間距值后，目標沉降值與預壓天數(shù)有更好的一致性，因此，在一定范圍內(nèi)減小排水板間距可以縮短真空預壓工期。

2.3 加固區(qū)面積及形狀影響

2.3.1 邊界效應。真空預壓中的邊界效應，主要是指真空預壓受預壓處理的邊界影響。真空預壓中邊界效應的產(chǎn)生是因為在現(xiàn)有的施工技術條件下，不能保證邊界的膜面及深層土體的絕對密封，必然導致在邊界處真空負壓向加固區(qū)外擴散。這種邊界損失不僅對加固區(qū)邊緣有影響，對整個場地的加固效果的影響也是顯著的。并且向外擴散的真空負壓將導致加固區(qū)外不均勻沉降的產(chǎn)生而對周邊環(huán)境造成不良的影響。

2.3.2 加固區(qū)形狀及面積因素對本工程的影響

2.3.2.1 加固區(qū)形狀對本工程的影響

27號地塊與33號地塊的處理面積相同，目標沉降值相同，27號地塊場地呈不規(guī)則六邊形，雖然27號地塊的最終最大沉降值和平均沉降值都大于27號地塊。但27號地塊使用真空泵的數(shù)量和抽真空時間卻明顯大于33號地塊，所以不能明顯比較出二者形狀不同帶來的差異。

表1 27#33#地塊相關施工參數(shù)表

2.3.2.2 加固區(qū)面積對本工程的影響

41號地塊和43號地塊的目標沉降值與面積大小、排水板插打深度以及排水板間距相同，但是由于兩地塊的形狀有很大不同（一個長寬比接近1:1，一個長寬比接近1:3）導致二者布置的真空泵數(shù)量不同，但是41號地塊的最大沉降值卻比43號地塊的最大沉降值大85mm，筆者認為這與地塊所處位置有關，41號地塊周圍的其他地塊對其沉降有增強的作用。

2.4 有關形狀系數(shù)的討論

2.4.1 傳統(tǒng)形狀系數(shù)γ

①上海市《地基基礎設計規(guī)范》提出的場地形狀系數(shù)：α=F/S

②婁炎（1990）提出的場地形狀系數(shù)：β=F/n

式中：F—加固區(qū)面積；S—加固區(qū)周長；n—加固區(qū)長寬比，n=a/b（長/寬）。

2.4.2 傳統(tǒng)形狀系數(shù)的局限性。統(tǒng)形狀系數(shù)在考慮面積和形狀方面有三方面明顯的缺陷：第一是面積周長與長寬比是分離的，第二是提出的形狀系數(shù)的量綱問題，即兩個形狀系數(shù)的量綱均不平衡；第三是在最近的大面積真空預壓工程中出現(xiàn)的，即當邊界采取密封墻方式時，將極大影響邊界效應的作用，繼而影響形狀系數(shù)的取值。

2.4.3 新形狀系數(shù)的討論。考慮到傳統(tǒng)形狀系數(shù)的局限性，針對局限性的前兩點，我們采用與標準形狀地塊進行比較的方式取系數(shù)，這可以一方面解決量綱問題，另一方面對面積周長和長寬比進行整合。當然，在復雜大面積預壓施工條件下，場地存在非常復雜的影響因素，因而形狀系數(shù)很難精準定量化。因而參考相關資料，相對標準面積為F0的場地，對傳統(tǒng)形狀系數(shù)改進后如下：

這個式子的意義為，右端前半部分為相同面積情況下一個正方形的周長和此場地周長的比值，后半部分為面積的比值的倒數(shù)，整個式子即為周長之比與面積之比的比值。這里的形狀系數(shù)越大，即表明相同面積條件下周長越短，氣密性越好，則邊界效應越不明顯，預壓效果就越高［3］。

3 結論

3.1真空度傳遞的不同，造成了分層沉降的不同，進而影響到真空預壓的效果。真空預壓施工過程中真空度的保持對工期有非常重要的影響。而工期是真空預壓工程十分重要的一個前提，并且將影響相應工程造價。

3.2相同條件下，排水板長度越長，真空預壓影響深度越深。在適當?shù)呐潘彘g距下，一定程度加長排水板長度可以有效地增加真空預壓的有效作用深度。在一定范圍內(nèi)，減小排水板間距可以縮短真空預壓工期。

3.3邊界損失不僅對加固區(qū)邊緣有影響，對整個場地的加固效果的影響也是顯著的。并且向外擴散的真空負壓將導致加固區(qū)外不均勻沉降的產(chǎn)生而對周邊環(huán)境造成不良的影響。當?shù)貕K面積較大時，其處理后沉降更均勻。

［1］李時亮.真空預壓加固軟土地基作用機理分析［J］.巖土力學，2008（2）.

［2］陳環(huán)，鮑秀清.負壓條件下土的固結有效應力［J］.巖土工程學報，1984（5）.

［3］高志義.真空預壓法的機理分析［J］.巖土工程學報，1989（4）.