增壓式真空預壓法處理軟土地基研究綜述

危俊鑫 吳能森 鄭建榮

（福建農林大學交通與土木工程學院 福建福州 350108）

我國沿海地區軟弱土層分布廣泛，具有壓縮性高、滲透性差、固結慢等特點，地基處理困難，尤其是濱海圍填灘涂地區軟基處理問題值得關注。常見的地基處理方法可分為置換法、排水固結法、加筋復合地基法、托換與糾傾法、振密擠密法、灌入固化物法和冷熱處理法等七大類[1]。其中排水固結法作為物理方法，適用于軟弱土層的沉降和穩定問題，能較好地使土體固結并提高土體強度，具備較好的經濟性，故在實際工程中比較常用。其加載方式可采用真空聯合堆載法，水載預壓法和輕質材料法等。最早的排水固結一般采用填土或砂石堆載，具有堆載物運輸不便、填筑成本高、工期長、需要分級堆載等缺點。

經過長期的工程實踐，20世紀50年代，瑞典皇家地質學院W.Kjellman[2]首先提出了將真空預壓法應用于處理軟弱土體中。此后，美國費城機場的擴建第一次使用了真空預壓技術。隨著美國和日本地基加固工程的應發展，低價土工膜的出現使得真空預壓土體密閉問題和真空度問題得以解決，相關技術逐漸成熟。20世紀中后期，南京水利科學院等科研單位在天津圍海造陸的現場進行了真空預壓的科研試驗，此外針對土體真空度的問題不斷進行工程應用與研究探索，獲得了良好的土體加固效果。真空預壓法利用真空度替代堆載物，適用于吹填土軟基處理[3-4]，施工荷載小，且無需分級，加固時間短，節省成本，能有效提高地基承載力[5-6]。真空預壓法是加固軟土地基較為有效的排水固結方法，該技術廣泛應用于各沿海地區大面積吹填土軟基處理工程中，學者針對真空預壓過程中的固結度、地基沉降和孔隙壓力等方面開展了相關研究[7]。

隨著大量的工程實踐，真空預壓法也具有局限性。處理地基時真空度最大限值僅為80kPa，且隨著土體深度的增加，真空度逐漸損失，加上排水支管向排水板傳遞真空度時有效范圍小，處理后的土層往往上部堅硬，而下部強度低，故真空預壓法逐漸難以滿足工程要求。金亞偉等[8-9]（2009）提出了一種新型的真空預壓技術—增壓式真空預壓法，該法是在傳統真空預壓技術中增加一套增壓系統。隨著真空預壓工程實踐的應用與創新，依托地基處理新技術的發展，增壓式真空預壓法也逐漸成熟。與傳統真空預壓法相比，該法主要有防止排水板淤堵，工期短，地基處理效果好，經濟效益好等優點。

一、增壓式真空預壓法試驗研究

在室內試驗方面，江西理工大學的曾芳金等[10]（2014）通過采集溫州圍海造陸現場的土樣進行室內試驗，試驗證明，由于氣體通入時會向土體四周擴散，所以對土體增壓時要采用間歇性增壓的方法效果會更好。由于在試驗過程中豎向排水板發生了一定程度的淤堵，距離豎向排水板越遠的土體，十字板抗剪強度越低。相對于傳統真空預壓法，增壓式真空預壓法能進一步降低土體含水率。

軟土地基在沿海地區大范圍存在，在傳統真空預壓技術的基礎上，劉浩等[11]（2014）在天津新港北中心站進行真空預壓與增壓防堵真空預壓的試驗，丁海龍等[12]（2015）在連云港地區的圍堤吹填未處理區進行真空聯合堆載預壓試驗和增壓式真空預壓試驗。兩位學者通過對比分析表明，增壓真空預壓通過改進防淤堵排水板和真空管的直連技術獲得了更高的超孔壓，加速了土體中孔隙水的排出，加快了軟土地基固結變形，使得地表沉降量大幅度增加。由于無需堆載，取消了真空預壓技術傳統工藝中的砂墊層，因此能夠更加有效地傳遞真空度，縮短了施工工期，獲得良好的經濟效益。

由于相關理論及具體操作參數的不確定，增壓式真空預壓法仍然具有很大的發展和改進空間。針對增壓形式、增壓時機和增壓時間等問題，謝志偉[13]（2017）采用室內試驗與現場試驗相結合的方法，研究了增壓式真空預壓法具體參數的優化問題。增壓管的材料對于土體加固效果沒有顯著的影響效果。在增壓時機方面，在土體固結度為40%的時候增壓，土體含水率最低，十字板剪切強度最大。在增壓時間方面，增壓1.5小時時，土體強度得到了較大的提高，加固效果較好。

除了宏觀的室內試驗與現場試驗以外，對土體進行微觀試驗也是重要的研究手段。莫海鴻等[14]（2013）通過對珠海金灣地區軟土的微觀試驗表明，通過真空預壓后土體黏聚力有較大增長，土體顆粒間的大孔隙變成小孔隙，固結壓密效果明顯。彭劼等[15]（2016）采用電子顯微鏡研究了真空預壓和堆載預壓加固后的軟土微觀結構，試驗表明，真空預壓時土體顆粒重新排列，但堆載預壓時土體顆粒破碎后重新排列。鄭偉[16]（2016）通過溫州地區大面積吹填淤泥土地基的新型真空預壓試驗研究表明，分階段抽真空的加固效果優于一次性抽真空，并通過SEM進行了驗證。

天津大學的雷華陽等[17]（2019）通過傳統真空預壓法和增壓式真空預壓法兩組模型試驗對比超軟土層的加固效果，結果表明，后者處理過的軟土沉降量和強度明顯大于前者處理過的軟土。在微觀試驗方面，采用電鏡掃描試驗和壓汞試驗分別對比兩種方法加固后超軟土層的微觀結構，定量分析表明增壓式真空預壓法加固后的軟土，土體顆粒排列更密實，骨架顆粒主要接觸形式呈現面接觸形式，骨架顆粒間的孔隙更小，小孔隙數量更多。

二、增壓式真空預壓法理論研究

沈宇鵬等[18]（2012）通過采用PLAXIS有限元軟件對增壓式真空預壓法的相關設計參數進行優化研究表明，增壓管的增壓作用可以通過降低地下水位進行有效模擬。在模擬時，通過采用1m的排水板間距、增加增壓式裝置的功率和加大排水板的滲透系數，可以增加增壓式真空預壓法預期的沉降量。此外，改變排水板規格并能加快固結效率，而增加排水板的長度可以增加處理軟土的壓縮層范圍。

雷華陽等[19]（2017）基于對真空預壓法易淤堵問題的認識，利用PFD2D對吹填淤泥真空預壓過程進行模擬，結果表明，土體中細顆粒越多，越容易導致滲透路徑發生堵塞。基于此，雷華陽等[20]（2019）又提出了交替式真空預壓法。通過室內交替式真空預壓試驗和數值模擬軟件PFD2D建模分析表明，排水量、沉降量和加固后土體強度較常規真空預壓法均有較大提升，該法擴展了排水板附近淤堵泥層的滲透路徑，增大了淤堵泥層的滲透系數，提高了真空傳遞效率，改善了土顆粒的不均勻性。

將實際工程問題轉化為數學問題進行理論研究歸納總結方面，沈宇鵬等[21-22]（2019）基于等應變理論和Newman—Carrilo方程，利用分離變量法和積分變換法，推導了適用于單層均質土經過增壓式真空預壓處理后固結度的解析解。排水板地基的固結度隨著時間因子的增加呈快速增長的趨勢，排水板固結速率隨著井阻的增加而呈現出減小的趨勢。理想井和無井阻的固結曲線變化規律與固結變化速率呈現基本一致的規律，但理想井的固結度會略大，建議在實際工程中排水板的井徑比不應大于10。通過數學理論與數值模擬對比分析表明，增壓式真空預壓法比常規軟基處理技術效果更好。

三、增壓式真空預壓法工程應用與施工工藝研究

從大量實際工程中來看，真空預壓法利用大氣壓作為預壓荷重，橫向排水通道易堵塞與變形，開放式系統使得土體深處真空度的處理效果越來越差，加固工期長且效果不理想，真空度受各種因素影響有所衰減，抽真空時間過長導致成本大量增加，在實際應用中具有局限性。采用增壓式真空預壓法時，首先需在軟土地基表面鋪設砂墊層，埋設垂直排水通道，通過砂墊層內埋設的吸水管道，鋪設噴抽真空管路和噴氣管理系統，插入增壓管，然后在地表砂墊層及豎向排水通道內逐漸形成負壓，使土體內部與排水通道、墊層之間形成壓力差，提高排水效率，克服真空荷載在土體深處的衰減，優化真空傳遞路徑，加速土體固結，提高土體強度，有效縮短地基處理工期，故該法具有較好的經濟性。增壓式真空預壓法主要適用于淤泥土、沖填土等高壓縮性的軟弱地基，在軟弱土層厚度大時更具有加固效果好的優勢。

楊子江等[23]（2011）以珠海西站軟基處理工程為依托，詳細闡述了增壓式真空預壓法中塑料排水板施工、增壓管施工和連接、真空系統的連接和密封體系覆蓋的施工工藝，介紹了真空預壓施工和增壓施工的難點，提供了施工過程中所需的各類參數和關鍵技術，并且利用珠海西站場地設置不同的塑料排水板間距、排水板布置方式、塑料排水板長度與增壓管長度，對處理效果進行對比與分析。整個工程軟基處理效果較好，為增壓式真空預壓法的設計與施工提供了指導性的意見。

將理論應用到工程實際的過程中，沈宇鵬等[24]（2012）依托某一站場軟土地基處理工程，闡述了增壓式真空預壓法處理軟土地基的加固機理。增壓式真空預壓法實質是真空預壓在發揮加固地基的作用，通過設置增壓管，可以縮短土體加固時間，并且減小了工后沉降問題。此外，通過實際工程應用情況的研究表明，在條件允許的前提下，盡量加大增壓管的長度并且將排水板間距設置為1m，這樣能獲得較好的土體加固效果。寧波工程學院的馬永政等[25]（2016）將新型增壓式真空預壓法應用于軟基處理項目中，對地基沉降位移、真空度變化、孔隙水壓力、周邊高聳建筑物位移等情況進行監測和分析，表明增壓式真空預壓法在大面積軟基處理過程中平均固結度和地基承載力均達到設計要求，該法經濟性好、工程效率高，同時保護了周邊建筑物。

蔡云晟等[26]（2016）以連云港某專用鐵路工程路基工程為例，研究了增壓直排真空預壓技術在工程中的應用問題。該工程通過采用直排、增壓等技術，增加設置新型排水板和采用水氣分離真空泵工藝，通過與連云港地區其他常規真空預壓技術相比，表明該工程具有土體加固效果好，工期短等優越性，為其他地基處理類似工程提供較好的參考依據。

為進一步推動增壓式真空預壓法在海相吹填土的應用，河海大學的胡建斌[27]（2018）依托溫州某吹填土的施工實例進行了增壓式真空預壓法和常規真空預壓法的現場對比試驗研究，重點分析了真空度和土體表層沉降，研究了土體深層地基承載力的變化規律。增壓式真空預壓法能夠較好地提高吹填土表面下1.5m～3m的土體強度和加固效果，地基沉降量較傳統真空預壓法明顯增大，表明在工程實際中，增壓式真空預壓法具有一定的可行性和優勢。隨著增壓式真空預壓法的不斷發展，國內學者也逐漸開始對此技術的施工工藝進行改進。黃宏寶[28]（2019）以天津臨港經濟區某吹填工程區為例，詳細闡述了水氣分離聯合增壓式真空預壓法的工藝流程，研究表明，水氣分離抽真空設備比一般抽真空設備更具有穩定性，利于施工質量控制，有效降低經濟成本和消除工后沉降問題，但是此工法不利于孔隙水壓力的消散，故需進一步的研究和改進。

四、結語

綜上所述，增壓式真空預壓法作為一種新型處理軟土地基的預壓技術，改進了傳統真空預壓法的技術和工藝。通過與傳統真空預壓法及其他技術的對比，增壓式真空預壓法在試驗與理論研究方面取得了長足的進步，在工程實踐方面得到了廣泛的應用。

（1）在室內試驗、現場試驗和微觀試驗方面的對比分析表明，增壓式真空預壓法能有效提高土體真空傳遞效率，加快軟土地基的固結，使加固后的土體顆粒排列更密實。

（2）在數學理論和數值模擬方面，排水板地基的固結度隨著時間因子的增加呈快速增長的趨勢，固結速率隨著井阻的增加而呈現出減小的趨勢。改變排水板的規格以及使用交替式真空預壓可以提高真空傳遞效率。

（3）在工程應用與施工工藝方面，經過增壓式真空預壓法處理后的軟土地基，土體深層承載力有較大程度的提高，土體加固效果好，平均固結度和地基承載力均能達到設計要求，有效縮短地基處理施工工期，具有良好的經濟效益。對于特定工程條件下的增壓式真空預壓處理技術仍需進一步的研究和改進，以期更好地降低經濟成本和消除工后沉降問題。

（4）在利用三維數值模擬軟件建模分析增壓式真空預壓法作用機理方面還不充分，針對膜下真空度、土體固結度、孔隙水壓力消散、地基沉降量、深層土體位移和土體強度等指標的變化過程與變化規律研究內容較欠缺。建議開展增壓式真空預壓法有限元理論的深入研究，以期建立可靠的土體本構和沉降預測等模型，更好地指導設計和施工。