無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓法加固超軟地基

馬昌龍 顧全 呂進 王梅花

摘? 要：該文對無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓法加固超軟地基進行了介紹，筆者在浙江蒼南進行了相應的現場試驗，試驗結果從室內試驗和現場原位試驗等方面進行分析，結果均表明該方法能夠有效提高地基承載力，并能夠增大硬殼層的厚度和土體的有效加固深度。同時對真空膜面覆水預壓法進行了比較，分析了該方法存在的缺陷，特別是在產生“循環水”的情況下該方法的失效性。

關鍵詞：真空預壓? 水袋堆載預壓? 地基承載力? 覆水預壓

Abstract： In this paper， the method of no-sand cushion joint water bag vacuum preloading to reinforce super soft foundation are introduced， the author made field tests in zhejiang cangnan， the tests results from laboratory tests and field tests in situ were analyzed， and the results showed that this method can effectively improve the bearing capacity of foundation， and can increase the thickness of crust layer and the effective reinforcement depth. At the same time， vacuum membrane surface overlying water preloading method are compared， and the analysis of the defects of the method， especially in case of "cycle water"， the failure of the method.

Key Words： Vacuum preloading; Water bag preloading; The bearing capacity; Overlying water preloading

自從1952年W.Kjellman[1]教授提出了真空預壓加固地基的施工工藝，其材料和設備都不斷地更新換代，使得這一工藝便得到了不斷地發展和完善，該工藝更是從單純的真空預壓法逐步發展為真空-聯合堆載預壓法，真空-聯合電滲預壓法等。

近10年逐漸推廣使用了一種新的真空預壓法——無砂墊層真空預壓法，張文彬[2]、唐蔚東[3]對無砂墊層真空預壓法工程進行了加固效果分析，結果表明該方法在加固軟土方面具有很好的加固效果。也有學者認為無砂墊層真空預壓法對淺層土體的加固效果很好，而對深層土體的加固效果并不理想[4]，但整體上土體的工程性質得到了很大的改善。

真空聯合堆載預壓法已經被廣泛應用于加固軟土，且已經成為一種成熟的施工工藝。Bergado.D.T[5]、謝弘帥[6]、王炳龍[7]對真空聯合堆載預壓法進行了研究，認為該法能夠縮短預壓時間，有助于提高地基的承載能力，減少工后沉降。吳躍東[8]、駱行文[9]結合現場試驗結果，認為真空聯合堆載預壓法不僅能夠提高地基的整體承載能力，而且能夠有效增大加固深度，縮短施工工期，減小工后沉降。在無砂墊層真空預壓法施工過程中，若結合堆載預壓法，需要在密封膜上布置堆載體，為了提高加固效果和就近利用水資源，無砂墊層真空膜面覆水預壓法也被提出并應用。劉寒鵬[10]、馮仁祥[11]對膜面覆水聯合真空預壓法進行了研究，認為該方法能夠提高土體強度。姜彥彬[12]認為膜上覆水可以減緩密封膜的老化和真空度的損失。

無砂墊層真空膜面覆水預壓法看似很好地結合了真空預壓法與堆載預壓法的優點，且能夠就近利用水源，即做到了資源的合理利用。然而，在進行現場施工時該方法在施工前需要修筑圍堰，施工過程中，若出現破洞，容易產生“循環水”[13]，且難以發現和進行密封膜的修補。該文基于此，提出無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓法。

1? 工程概況

該工程位于浙江省蒼南縣龍港鎮規劃的江南涂區域內，工程包括A1區、A2區和C區，總吹填面積約為1063.63萬m2（約合15954.45畝），共包括5個區塊，如圖1所示，區域呈“倒置L”形。其中，C1區面積為14582m2，C2區面積為16002m2，C3區面積為13056m2，C7區面積為16200m2，C8區面積為12960m2，C區總面積為72800m2。此次選用的水袋為4個20×10×2m3和1個10×10×2m3的水袋，在C7區塊內選擇一塊場地900m2進行現場聯合預壓試驗，場地的尺寸為30m×30m，考慮到軟土厚度為3～4m，因此試驗場地的大小能夠避免尺寸效應。具體布置圖如圖2所示。

通過鉆孔取樣，得到土層的工程地質情況如下。

第一層：粘土;褐黃、褐灰色，軟塑-可塑狀，中-高壓縮性，見有鐵錳質斑點，層厚0.40～2.20m。

第二層：含細砂淤泥;灰色、淺灰色，流塑狀，局部軟塑狀，中-高壓縮性，夾貝殼碎片和半炭化物，層頂埋深0～2.20m，層厚3.40～6.70m。

第二亞層：細砂;褐灰色，飽和，松散狀為主，含少量貝殼碎片。層頂埋深3.80～6.50m，層厚3.50～13.70m。

第三層：淤泥;青灰色、灰色，流塑狀，高壓縮性，靜探孔均未揭穿，揭露厚度6.80～17.50m。

2? 加固效果

2.1 真空度和孔壓的變化規律

圖3為各區真空度隨時間的變化曲線，從圖中可看出，前45天真空度緩慢增長，之后各區真空度穩定在80kPa以上直至卸載。前期各區開泵率緩慢增長使得真空度增加緩慢，這是為了避免真空預壓工程中常見的“土柱”現象的產生。

圖4中為C3區和C7區的孔壓變化曲線，從圖中可以看出，埋深越淺的孔壓變化值越大，C3區3條曲線開始階段變化較大，后期變化相對小得多，這主要是由于負壓在土中傳遞受到井阻和涂抹作用的影響，使得負壓沿深度的傳遞效果減弱。圖中C7區3條曲線在抽真空進行了45d后均有所增長，這是由于此時水袋開始逐步充水，堆載作用下使得孔壓增大的緣故。

2.2 表層沉降

表層沉降可用于推算工后沉降和固結度，能夠對該次的加固效果進行評價，此次通過在各區布設監測元件，對各區的表層沉降進行了監測。測得各區表層沉降曲線如圖5所示，從圖中可以看出C7區總沉降量均大于其余各區，總沉降量差值在30～40cm之間，即采用無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓法加固效果要明顯優于采用常規無砂墊層真空預壓法。圖6為表層日均沉降曲線圖，從圖中可以看出，施加水袋堆載作用后，日均沉降變化很大，在荷載逐步增加的過程，日均沉降變化趨勢減小，這是由于土體在真空聯合堆載作用下而變得逐步密實。

2.3 加固前后土體的物理力學性質

為了對無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓加固效果進行研究，此次對C3、C7兩區塊加固前的土體進行了基本的室內土工試驗，和加固前后土體的孔隙比、含水率試驗，并在加固后進行了壓縮試驗、十字板剪切試驗、靜力觸探試驗和淺層平板載荷試驗。具體試驗結果如下。

表1為浙江蒼南沿海地區軟土的土工試驗參數，該土的液限值為58.1，塑性指數IP=31.7，根據塑性圖可將該土劃分為高液限粘土。

從表2和圖7中可以看出，加固前C3區和C7區的土體的孔隙比和含水率都較為接近，越接近表層，土體的含水率越大，甚至超過100%。而通過對該土加固前后孔隙比和含水率的對比，發現C7區土體加固后孔隙比和含水率均小于C3區，即C7區土體比C3區土體更為密實，但是兩者在3m深度所取得的土體的孔隙比和含水率都十分接近。

以上說明了無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓作用的效果在一定深度范圍內要明顯優于無砂墊層真空預壓法，而當超過一定深度后，其加固效果并不能得到有效的提高。

表3為工后通過現場取土進行壓縮試驗所得成果，通過壓縮試驗得到不同荷載作用下土樣的孔隙比。

結合表3和圖8，可以看出在相同的取土深度范圍內，加固后C7區的孔隙比均小于C3區。隨著荷載的增加，C7-1和C7-2兩條曲線的變化相對較緩，而其余曲線的斜率變化較大，這就說明了C7區1m和2m深度土體較為密實，加固效果較好;而C7區3m深度土體的孔隙比變化大得多，這就表明3m深度以上土體的加固效果較差。

以上分析表明：采用真空聯合水袋堆載預壓法得到的硬殼層厚度在2～3m之間，而采用真空預壓法得到的硬殼層厚度在1.5m左右，這就說明了采用真空聯合水袋堆載預壓法能夠有效增大硬殼層的厚度，這將顯著地提高地基的承載力。總之，如果單獨采用真空預壓法，則需要注意后期的工程建設過程中產生的較大的沉降;而采用真空聯合水袋堆載預壓法則可以有效避免過大的沉降變形。以上數據也可用于今后工程建設當中，為避免產生過大沉降變形作為參考。

2.4 加固后現場原位試驗對比

此次通過現場十字板剪切試驗，測試了C3區和C7區的不排水抗剪強度cu，其值隨深度的變化曲線如圖9所示。從圖中可以看出采用水袋聯合堆載的C7區的強度在3m深度范圍內都要大于只采用真空預壓法的C3區。按照中國建筑科學研究院和華東電力設計院的經驗公式：fk=2Cu+rh，算得C3區和C7區的0～1.5m土體承載力均值分別為：54.0、78.4kPa， 承載力相對提高了45.2%，均滿足大于50kPa的要求。

此次通過靜力觸探試驗，測試了C3區和C7區的錐尖阻力Ps，其隨深度的變化曲線如圖10所示，根據《鐵路工程地質原位測試》（TB10041-2003）中對地基承載力的估算公式，即：σ0=0.112Ps+5，可算得工后C3區和C7區的0～1.5m土體承載力均值分別為：53.13、70.7kPa，承載力相對提高了33.1%，均滿足大于50kPa的要求。

此次采用載荷板的規格為：0.7m×0.7m，通過在C3區和C7區進行淺層平板載荷試驗，測定加固后地基的承載力特征值，其P-S曲線如圖11、圖12所示。根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）中對承載力特征值的確定方法，對加固后的軟基承載力進行了評估，得到C3區的承載力為49.8kPa，C7區的承載力為62.4kPa，承載力相對提高了25.3%，均滿足大于50kPa的要求。

從圖9至圖12中均可看出，C7區的加固效果要優于C3區。但根據十字板和靜探試驗可以看出，C7區的加固效果在2m深度以下則增大不多，在2m深度范圍內的加固效果相對較好。這就表明，無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓雖然也能提高深層土體的加固效果，但超過一定深度后，其加固效果會有一定的降低，也即土體的強度增長會有所減少。盡管如此，這部分提高的強度對于土體的承載力提高而言，還是起到了重要的作用。

3? 無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓法與膜面覆水預壓法的對比

在無砂墊層真空預壓技術發展過程中，膜面覆水曾被認為具有很多優點[10]，比如，可將膜面覆水作為堆載荷載，即起到了聯合堆載的作用;認為膜面覆水能夠起到密封的作用，能保持和提高膜下真空度;主張膜面覆水能夠避免密封膜受到氣候條件的影響，延長其使用壽命。

然而實際情況卻并非如此。第一，對于將膜面覆水作為附加荷載在原理上是可行的，但是1m厚的水層只有10kPa的附加壓力，而實際上要使膜面覆水達到0.5m已經是很不容易。采用膜面覆水法不僅需要在加固區周圍修筑圍堰，這就增加了施工成本的投入，而且圍堰修筑時間長，對圍堰的強度、穩定性也有要求，這就會對施工工期產生影響，而原理上，10kPa對提高地基承載力貢獻并不大。第二，當水下膜面有破損，就會使得膜面水與膜下濾管相通，膜面水進入濾管，再經濾管輸送至水箱，再排至膜面，即形成了“循環水”，如圖13所示，這個過程白白耗費了真空泵的做工，消耗了電能卻沒有起到加固的效果。第三，膜面覆水較深會影響真空期間的膜面維護，由于水較深，現場維護人員要進入場區后行動會十分不便，且要發現0.5m深水下密封膜何處發生損壞變得十分困難，即便發現了破損，想要修補也需花費很長時間。第四，雖然密封膜較薄，但經過檢驗表明合格的密封膜壽命可達6個月以上，相對與4～5個月的施工工期而言已完全可以滿足使用要求。

與膜面覆水不同的是，采用充水水袋作為堆載載荷，能夠克服膜面覆水方法帶來的弊端。如：（1）采用水袋預壓法，由于水袋的充水高度可以控制，雖然此次采用2m的水袋進行堆載預壓，但只要水袋的強度滿足要求，其充水高度可以達到更高，而且前文已有論證，證明了水袋預壓法的加固效果良好;（2）由于在水袋底部預先布置了兩層土工布，這就能夠有效地對密封膜起到保護作用，避免膜下破洞的產生;（3）采用水袋作為水的載體，在充水前，只需將水袋運至指定位置，再通過輸水導管進行充水即可，即其靈活性很高，對小范圍和大范圍的軟基加固均適用;（4）采用水袋預壓法，其并不會影響真空預壓工程的施工進度，即對施工工期不產生影響，且通過合理地劃分施工場地，能夠有效解決現場真空維護人員難以進入預壓場區進行維護的問題。

如上所述，在加固機理方面，二者都是采用水作為堆載體，假設二者堆載到相同的高度，如果密封膜并未產生破損，那么二者的作用效果是相同的。但如果膜面覆水法密封膜有破損，由于形成“循環水”，那么加固區土體受力就發生了變化，具體變化如圖14所示。即在膜面如果產生了破洞，那么由于膜面水進入土中，膜面上下連通，那么膜面覆水產生的壓力不再轉變為加固土體的有效應力，即膜面覆水預壓法不能夠繼續加固土體，該法也就失效了。而水袋預壓法由于有水袋的束縛，即使在膜面存在破洞時，上部荷載也能繼續提供加固作用。

通過以上對膜面覆水問題的分析，可知在無砂墊層真空預壓施工及維護時，并不需要膜面覆水以產生附加應力作用，卻需及時將膜面較深的水導入明溝，以便于維護人員巡查和發現膜面的破損并修補。

4? 結語

該文基于對現有無砂墊層真空預壓法、真空聯合堆載預壓法以及膜面覆水預壓法的分析，認為膜面覆水預壓法存在一定的缺陷，因此提出采用無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓法進行軟基的加固。該文主要研究了該方法的加固效果和該方法與膜面覆水預壓法之間的不同，主要結論如下。

（1）C7區采用了無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓法，其表層沉降較一般區域大30～40cm。

（2）通過現場取土，C7區加固后孔隙比與含水率均低于C3區;現場十字板試驗、靜探試驗和載荷板試驗結果表明C7區較C3區承載力分別提高了45.2%、33.1%和25.3%;通過室內壓縮試驗，表明C7區E-P曲線較C3區緩和，說明了C7區土體得到有效加固，能夠避免過大的沉降變形。

（3）對比了無砂墊層真空聯合水袋堆載預壓法和膜面覆水預壓法，分析了膜面覆水預壓法的優缺點，尤其是對膜面有破洞時發生“循環水”的情況進行了分析，說明了膜面覆水預壓法的不適用性。

參考文獻

[1] W.Kjellman.Consolidation of clay by means of atmosphere pressure，Proceedings of a conference on soil stabilization，Boston[M].M.I.T.press，1952：258-263.

[2] 張文彬，許忠發，蘇波，等.無砂墊層真空預壓法加固大面積軟土地基的實踐研究[J].水利與建筑工程學報，2012，10（3）：52-57.

[3] 唐蔚東，李鼎鼎，彭西來.淺層處理無砂墊層真空預壓施工工藝[J].水運工程，2015（8）：155-157.

[4] 甘轟剛.無砂墊層真空預壓技術在碼頭前期造地工程中的應用[J].中國水運，2015（2）：274-275.

[5] Bergado DT， Chai JC， Miura N，et al. PVD improvement of soft Bangkok Clay with combined vacuum and reduced sand embankment preloading[J].Geotechnical Engineering，1998，29（1）：95-122.

[6] 謝弘帥，宰金璋，劉慶華，等.真空降水堆載聯合預壓加固高速公路橋坡軟基技術研究[J].中國公路學報，2003，16（2）：27-30.

[7] 王炳龍，楊龍才，宮全美，等.真空聯合堆載預壓法加固軟土地基的試驗研究[J].同濟大學學報：自然科學版，2006（4）：499-503.

[8] 吳躍東，殷宗澤，郭紀中.真空聯合堆載預壓法加固水工建筑物軟基效果檢驗[J].巖土力學，2007（4）：738-742.

[9] 駱行文，張華，楊明亮.真空聯合堆載預壓法處理軟土關鍵技術與評價[J].土工基礎，2010（3）：10-13.

[10] 劉寒鵬，孫銳，劉文東.膜上覆水真空預壓技術在軟土地基處理中的應用[J].地質與勘探，2008（3）：87-90.

[11] 馮仁祥，楊帆.嘉興220kV秀水變電所軟基上覆水真空預壓加固[J].水利水電科技進展，2003（1）：55-57，65.

[12] 姜彥彬，林志強，林生法.真空預壓出膜與覆水密封效果分析[J].水運工程，2015（1）：170-174.

[13] 婁炎.“真空預壓加固”中使用的密封膜[J].公路，2003（9）：98-100.