真空預(yù)壓軟土地基加固理論和技術(shù)研究現(xiàn)狀★

王成保　萇　寬　張玉國(guó)

(中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南鄭州　451191)

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真空預(yù)壓軟土地基加固理論和技術(shù)研究現(xiàn)狀★

王成保萇寬張玉國(guó)

(中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南鄭州451191)

摘要:介紹了真空預(yù)壓法的基本工作原理，論述了真空預(yù)壓軟土地基加固理論及施工工藝的研究現(xiàn)狀，分析了真空預(yù)壓軟土地基施工中存在的問題，指出將真空預(yù)壓工藝、監(jiān)測(cè)技術(shù)與信息化施工技術(shù)相結(jié)合，有助于實(shí)現(xiàn)施工過程的全面監(jiān)測(cè)，從而提高工程的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞:真空預(yù)壓法，地基，排水板，砂墊層

0　引言

真空預(yù)壓法是處理軟土地基的一種非常有效的方法，憑其工期短、費(fèi)用低、加固效果好等優(yōu)勢(shì)，在公路、鐵路、建筑及水利等工程中得到了大量的應(yīng)用。我國(guó)在20世紀(jì)50年代開始了試驗(yàn)研究，1980年在塘沽新港中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使真空預(yù)壓施工工藝在工程應(yīng)用方面獲得了成功。

真空預(yù)壓法包括排水系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)和密封系統(tǒng)三個(gè)方面。基本工作原理是在軟粘土中設(shè)置砂井或者打設(shè)塑料排水板，在地基表面鋪設(shè)多層砂層，用密封膜進(jìn)行封閉，使其與外面大氣隔絕，通過抽真空機(jī)械抽真空，使砂井或排水板中形成負(fù)壓，排出地基中的水分，使軟粘性土固結(jié)，進(jìn)而達(dá)到建設(shè)工程的需要。

真空預(yù)壓軟基處理基本方案圖及施工工藝圖見圖1，圖2。

圖1　真空預(yù)壓軟基處理基本方案圖

圖2　真空預(yù)壓技術(shù)施工工藝流程簡(jiǎn)圖

1　真空預(yù)壓理論和施工工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

1．1真空預(yù)壓理論研究現(xiàn)狀

真空預(yù)壓技術(shù)早期主要是通過砂樁和碎石樁等散體材料樁實(shí)現(xiàn)的，其后發(fā)展成為剛性相對(duì)砂樁比較大的水泥土樁、CFG樁等。張誠厚、王伯衍和曹永瑯［1］通過試驗(yàn)測(cè)定了砂墊層的真空度、淤泥中的真空吸力、沉降及出水量的時(shí)間過程線，還測(cè)定了試驗(yàn)前后的含水量變化及十字板抗剪強(qiáng)度的分布，并取土做三軸剪切試驗(yàn)測(cè)定土特性的變化。試驗(yàn)表明，真空作用面移向底部后，會(huì)取得較好的加固效果。此外，真空排水管間距對(duì)加固效果會(huì)有明顯的影響。葉柏榮、董志良［2］通過改變初始條件和邊界條件，推導(dǎo)出真空預(yù)壓加固地基的固結(jié)解析解，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出真空聯(lián)合堆載預(yù)壓砂井地基的固結(jié)解析解。1993年，董志良在地基固結(jié)解析解的基礎(chǔ)上，通過正壓和負(fù)壓導(dǎo)出了加固區(qū)豎向固結(jié)滲流量、排水板的滲流量及加固區(qū)內(nèi)外滲流量的計(jì)算公式。Carrillo［3］從數(shù)學(xué)上證明，多向滲流時(shí)孔隙壓力比等于各單向滲流時(shí)孔隙壓力比的乘積。因此，Carrillo定理就是將徑向和豎向滲流合并后得出的，Carrillo定理在處理軟基方面更加具有實(shí)際意義。白志軍［4］從真空預(yù)壓的基本原理入手，詳盡闡述了真空預(yù)壓軟基處理的施工過程、施工工藝以及注意事項(xiàng)，從而提出采用現(xiàn)代化信息技術(shù)控制膜下真空度變化規(guī)律，加快施工進(jìn)度的軟基處理，進(jìn)而使軟基地基的路基填筑質(zhì)量得到提高。徐宏、鄧學(xué)均和齊永正等［5］通過試驗(yàn)表明:真空預(yù)壓前期軟土強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，真空預(yù)壓后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，同時(shí)分析了真空預(yù)壓排水固結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)的機(jī)理，對(duì)真空預(yù)壓排水固結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律性進(jìn)行了驗(yàn)證，得出軟土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律性與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律性相似;還通過有限元模擬法推算出真空預(yù)壓條件下軟土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律性亦表現(xiàn)出前期軟土強(qiáng)度增長(zhǎng)速度大于后期，真空預(yù)壓排水固結(jié)軟土強(qiáng)度是非線性增長(zhǎng)，而不是均勻增長(zhǎng)的，且真空預(yù)壓條件下軟土強(qiáng)度不能無限增長(zhǎng)，隨著時(shí)間而趨于一個(gè)終值。史宏彥、白琳和李偉［6］通過引入孔壓結(jié)點(diǎn)數(shù)和位移結(jié)點(diǎn)數(shù)不同的疊加單元，提出了一種適用于真空預(yù)壓砂井地基三維有限元分析的改進(jìn)方法。郭彪［7］對(duì)真空聯(lián)合變堆載預(yù)壓下豎井地基固結(jié)進(jìn)行了分析，提出采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓比只采用堆載預(yù)壓固結(jié)要快，地基的豎向滲流對(duì)地基的固結(jié)度有較大影響。

1．2真空預(yù)壓施工工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著真空預(yù)壓施工工藝方面的發(fā)展，真空預(yù)壓施工技術(shù)也日漸完善。許多國(guó)內(nèi)專家在工藝方面也做出了很多貢獻(xiàn)，扈勝霞、周云東、陳育民［8］對(duì)真空預(yù)壓在市政工程中軟土地基處理的質(zhì)量和施工工藝方面進(jìn)行了闡述，指出在施工過程特別注意水平墊層鋪設(shè)、排水板的打設(shè)和水平濾管布設(shè)等關(guān)鍵工藝的操作;有在施工過程中，科學(xué)的檢測(cè)方法是控制施工質(zhì)量的有效途徑。徐平波、李成磊［9］通過真空—堆載預(yù)壓的微觀機(jī)理分析并結(jié)合實(shí)際工程案例，討論真空度沿土層變化規(guī)律及影響土層中真空度變化規(guī)律的相關(guān)因素，并指出氣體分子沿土層由高密度區(qū)向低密度區(qū)運(yùn)動(dòng)，由于淤泥質(zhì)土層對(duì)氣體分子有粘滯性，使得氣體分子在運(yùn)動(dòng)過程中能量損失嚴(yán)重，一般土層以下20 m處真空預(yù)壓效果已不存在，而地下水位線以下真空度是由水位線下降引起的。何浩強(qiáng)、高海江［10］通過對(duì)復(fù)雜條件下真空預(yù)壓法加固軟基施工工藝探討，指出當(dāng)加固區(qū)下臥承壓含水層各處高程相差較大時(shí)，根據(jù)承壓含水層的不同位置，打設(shè)不同深度的排水板;在打設(shè)排水板下端1．5 m處的濾膜撕破，這樣就能滿足承壓層水的貫通影響和后期沉降的要求，提高施工質(zhì)量。胡利文、王永平［11］針對(duì)水力吹填超軟基加固特點(diǎn)，對(duì)大面積真空預(yù)壓施工工藝、吹填式施工工藝及密封墻技術(shù)等進(jìn)行了探討，對(duì)淤泥表面用土工織布進(jìn)行處理、長(zhǎng)短攪拌墻及水平排水板處理砂墊層相結(jié)合的密封技術(shù)保證了真空預(yù)壓的排水固結(jié)效果和周邊密封的持久性問題。金小榮、龔曉南［12］詳細(xì)介紹了含承壓水地基的真空預(yù)壓施工工藝及在施工過程中砂墊層失效后的補(bǔ)救措施，提出了采用四周循環(huán)蓄水處理夾砂層漏氣的辦法，并通過實(shí)踐證明其良好的效果。唐蔚東、李鼎鼎和彭西來［13］通過對(duì)淺層處理無砂墊層真空預(yù)壓施工工藝方面進(jìn)行了探討，并結(jié)合工程實(shí)例，介紹淺層真空預(yù)壓施工工藝的實(shí)施效果及特點(diǎn)。高雷、陳舉［14］提出了一種新型的直抽式無砂法真空預(yù)壓施工工藝，此工藝可以節(jié)省大量的砂，且減少施工工藝環(huán)節(jié)，降低費(fèi)用。

2　存在問題

在施工工藝方面，如何有效實(shí)現(xiàn)真空度在軟土地基中的傳遞及衰減速率與軟土地基的固結(jié)變形速率的合理匹配和控制，減少因真空預(yù)壓軟土地基而誘發(fā)的周邊環(huán)境破壞問題還有待進(jìn)一步深入研究和探討。在理論方面，對(duì)于復(fù)雜軟粘土地基固結(jié)問題，當(dāng)采用真空預(yù)壓和散體材料樁聯(lián)合對(duì)其進(jìn)行加固處理時(shí)，有關(guān)理論研究還尚少，其中，墊層厚度、樁體直徑、樁土體滲透性、真空度傳遞規(guī)律等諸多因素對(duì)此類方法處理下的軟土地基的固結(jié)和變形的影響尚有許多問題需要探討。

真空度主要由地表沿豎井或樁體向下逐漸傳遞衰減，很少采用真空度從地基底層或地基中間層向下或上下傳遞以達(dá)到軟土地基固結(jié)的要求，采用此類方法時(shí)地基固結(jié)速率會(huì)更快、效率會(huì)更高，但有關(guān)理論和技術(shù)支持還不足。另外，只有通過真空預(yù)壓施工工藝、監(jiān)測(cè)技術(shù)與現(xiàn)代施工技術(shù)及信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的全面有效監(jiān)測(cè)，從而加強(qiáng)施工安全，實(shí)現(xiàn)施工的完全機(jī)械化，合理控制施工工期，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

3　結(jié)語

本文重點(diǎn)闡述了真空預(yù)壓理論和施工工藝方面的發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)而提出了真空預(yù)壓軟土地基在理論和技術(shù)方面還需解決的一些問題，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了真空預(yù)壓施工工藝、監(jiān)測(cè)技術(shù)與現(xiàn)代施工技術(shù)及信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的重要性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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Study status of vacuum preloading soft-soil foundation reinforcing theory and technology★

Wang ChengbaoChang KuanZhang Yuguo
(College of Building Engineering，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 451191，China)

Abstract:The paper introduces basic working principles of vacuum preloading method，discusses research status of vacuum preloading soft-soil foundation reinforcing theory and construction technology，analyzes problems existing in vacuum preloading soft-soil foundation construction，and finally points out that:the combination of vacuum preloading technology，monitoring technology and information constructing technology will be good for realizing whole-process construction monitoring，so as to improve social and economic benefits of the project．

Key words:vacuum preloading method，foundation，drainage board，sand cushion

作者簡(jiǎn)介:王成保(1987-)，男，在讀碩士;萇寬(1990-)，男，在讀碩士;張玉國(guó)(1973-)，男，副教授

收稿日期:2015-10-13★:國(guó)家自然基金(項(xiàng)目編號(hào):U12041593);河南省青年骨干教師資助計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào):2013GGJS-118)

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0074-02

中圖分類號(hào):TU447

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A