真空預壓在港口工程陸域軟基處理中的應用

任瑞利

摘 要：隨著社會的不斷發展，真空預壓法施工技術日益成熟，與此同時，人們對加固機理的認識也更加深入，更是廣泛應用于碼頭、港口、民用建筑、堆場等各種工程的地基加固環節。真空預壓法不僅可以滿足于高速公路的軟基處理，還可以應用于排水固結預壓法的區段，由此可見，真空預壓法可以適用于大面積軟基處理。

關鍵詞：真空預壓法；大面積；軟基；處理

1 前言

真空預壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設砂墊層，然后埋設垂直排水管道，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過砂墊層內埋設的吸水管道，用真空裝置進行抽氣，使其形成真空，增加地基的有效應力。該法由瑞典的杰爾曼教授于20世紀中期率先提出的，我國對真空預壓法的應用也比較廣泛，尤其是80年代初期，不僅密封閉氣技術得以解決，還首次應用于天津港的軟基處理中。

2 真空預壓法加固的機理

真空預壓法的加固機理是通過對加固區域的土體制造負壓，來降低邊界孔壓，從而使其與土體中的原有孔壓形成壓力差，進而發生不穩定的滲透。土體中的孔壓會隨著時間的延長而降低，并最終轉變為土體的有效應力。孔隙的水壓力屬于球應力，因此真空預壓時各向所增加或減少的孔壓是相同的，也正是基于此，只是地基中土地單元的莫爾圓大小并沒有改變，只是向右平移了，等到卸除荷載之后，被加固土體就會比加固前的強度增加，由正常固結狀態加固成為超固結狀態。需要注意的是，因為真空預壓的過程中，土體并沒有發生剪應力，所以地基土并不會因為真空荷載的突然增加而遭受剪切破壞，這樣可以進一步縮短工期。

3 關于真空預壓停泵標準的探討

目前而言，真空預壓停泵標準主要包括兩種標準：其一，施工消除的地基沉降比設計要求大。這種標準的理論基礎是：以設計計算值為標準的最終沉降與施工沉降后殘余的沉降量之差，必須控制在所允許的范圍之內。這種標準存在的缺陷是：第一，僅僅通過工勘或者室內土試驗，是很難精確把握地基土的物理學性質的，進而致使用來計算沉降的土性參數難以精確；第二，用來計算沉降修正系數的設計計算公式，往往是以簡化假設為基礎的，很難精確計算出瞬間沉降和次固結沉降的數量。其二，停泵前地基沉降的速率比規定值小[1]。這一標準的理論基礎是：路面結構施工前的沉降速率與施工后的沉降存在相互關系，可以通過控制預壓結束時沉降的速率，來控制工后沉降。這一標準的缺陷在于：軟土是非線性彈性材料，且具有超固結特性，因此預壓地基的沉降速率在卸載前后差異非常之大。

4 真空預壓新型排水材料的概述及發展應用

4.1 新型排水材料的類型

傳統的真空預壓材料分為豎向排水體和水平排水體兩方面：豎向排水體包括塑料排水板和袋裝砂井兩種，水平排水體包括砂溝、盲溝和砂墊層三種。但是，隨著科學技術的不斷發展，更多新型排水材料應用于真空預壓之中，具體包括：

4.1.1 整體式排水板

分體式排水板是目前真空預壓的主要運用材料，但這種分體式排水板的濾膜包覆在芯板的外面，且不與芯板粘結，因此存在芯槽易堵塞、外觀差、隔土性差以及強度低等缺點[2]。

整體式排水板與分體式排水板不同，它的濾膜與芯板是緊逼貼合的，這樣一來，不僅整體性好，排水空間大，而且在一定程度上節省了濾膜材料。

4.1.2 可測深排水板

可測深排水板分為鋼絲式和數字式兩種形式，可以對排水板經過打設后，在軟土地基中的深度進行準確地反映。它符合嚴格控制打設深度，提高地基加固質量的要求，并且有效避免漏打和少打等偷工減料現象[3]。

4.1.3 塑料盲溝

20世紀七十年代，國外就已經對塑料盲溝進行了開發和應用，我國直到八十年代才開始研制，九十年代研制成功，目前我國已經開始研究對塑料盲溝的進一步推廣和發展。一般情況下，塑料盲溝都被當作水平排水體來應用。塑料盲溝包括外包土工無紡布的濾膜和塑料盲溝體兩個部分。塑料盲溝比傳統盲溝的排水性好、重量輕、柔韌性更好、加工更簡單、耐壓力也更強，施工也要方便很多。

4.1.4 軟式透水管

軟式透水管是一種復合型的土工合成管材，它的骨架是經過防腐處理且外覆PVC等材料作為保護層的彈簧鋼絲圈，管壁包裹材料則是聚合物纖維編織物或者滲透性土工織物。軟式透水管可以作為水平排水體或者豎向排水體使用。

4.2 新興排水材料的功能

如果區域密封良好，軟式透水管的真空度上升速度基本等同于普通砂墊層中膜，而從整體來看，采用塑料盲溝和軟式透水管作為水平排水體，可以保證在真空抽取后的一段時間中，膜下真空度符合設計要求。由此可見，軟式透水管和塑料盲溝已經具備傳遞真空度和作為水平排水體排水兩大功能。

5 真空預壓設計施工

5.1 地表沉降

地表沉降觀測是軟基沉降分析的基礎，其變化規律是控制施工進度和安排后期施工的最重要指標之一，也是加固效果最直接的反映。真空預壓處理地基土可分為工前沉降和施工沉降，本研究中設定地表沉降監測的為施工沉降。其中，真空預壓區平均沉降量為383mm，最大沉降點發生在加固區中心Z3點為-416mm。在真空預壓范圍內，邊緣地方較小，中心地帶沉降較大，使得整個加固區的土體向里收縮，對土體穩定有利。沉降曲線在抽真空初期較抖，而后慢慢趨于平緩。即沉降速率較大，隨時間的延長，沉降速率逐漸變緩，說明土體主固結變化速率是一個漸變收斂的過程。

5.2 分層沉降

通過分層沉降的觀測，可以了解地基不同層位的分層沉降量；根據分層沉降變化規律，進一步分析深層土的加固效果和加固影響深度。從理論上講，真空預壓是通過抽真空使加固區生產負壓，該負壓與大氣壓力差，將土體內孔隙中的部分水排出，達到使土體加固的目的。土體具有一定的滲透性，塑料排水板內的負壓對底部以下土體仍有影響。在開始抽真空至加荷時期，各磁環的沉降較大，隨時間的延長，沉降速率逐步變小，表明各層的沉降也是一個漸變收斂過程。由于加固區淤泥層較厚且性質比較單一，不同深度的土層沉降變化規律明顯，上部的磁環沉降最大，隨深度的加深，磁環的沉降呈遞減變小。

5.3 孔隙水壓力觀測

孔隙水壓力是了解地基土體固結狀態最直接的手段，根據孔隙水壓力的變化規律，分析地基土體的固結機理，進一步研究真空預壓法加固軟基的機理和土體強度增長規律，亦可判斷被加固土體的加固效果。各探頭的穩定初始值基本接近地下水位壓力的初始值，在真空預壓階段，孔壓不同深度的28個測點隨時間的延續呈下降的趨勢，從一開始孔壓有一個明顯的下降過程，而5m范圍內各探頭的孔壓值下降較快，在前三天下降變化最快為埋深1米的孔壓計，隨深度增加孔壓變化量逐漸減少。

6 結語

隨著科學技術的不斷發展，當前工程技術界的新思想是以控制工后沉降為目的，來進行地基處理設計和施工，因此，對穩定性控制的要求越來越高，作為真空預壓法，也應當順應這一理念，不僅深化自身發展，還要研究將真空預壓法與其他技術相聯合，進而解決施工過程中如何控制工后沉降等嚴峻問題。

參考文獻：

[1] 彭湘林.真空聯合堆載預壓法處理軟基的影響深度與沉降預測[D].吉林大學，2012.

[2] 郭紅燕.真空預壓加固新吹填土地基排水板彎折對有效加固范圍的影響[D].華南理工大學，2015.

[3] 吳俊樺.基于變形機理真空預壓變形實用計算方法[D].華南理工大學，2013.