真空預壓加固深厚軟土效果的影響因素分析

汪國賢， 蘇銀強， 楊倩

(1.珠海交通集團， 廣東 珠海 519060；2.東南大學 交通學院， 江蘇 南京 211189)

中國沿海地區廣泛分布著由淤泥沉積物及各類腐殖質組成的海相軟弱土層，其具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度、滲透性差、結構性顯著等特點。軟土中具有代表性的有淤泥和淤泥質土，主要由極細的黏土顆粒、有機物、氧化物等固相物質和水組成。軟土地基所呈現出的低承載能力和高壓縮性影響各類基礎設施的穩定性，施工前必須穩定軟土，以防出現差異沉降及過大的工后沉降。真空預壓是目前常用加速軟土地基固結速率、提高軟土地基抗剪強度的處理技術之一，它通過土工膜密封軟地面，不需增加總應力即可減少孔隙壓力、增加土體的有效應力，是一種經濟有效的軟土地基加固方法，廣泛應用于機場跑道、復墾土地、軟基路堤、水庫地基調節等工程中。真空預壓法從工程應用角度已較成熟，但其理論研究遠滯后于工程實踐，許多理論問題仍存在較大爭議。該文通過對真空預壓重點關注問題的分析，從真空預壓環境下滲流情況、地下水位、排水板、側向變形及加固區等方面對真空負壓加固效果的影響因素進行分析。

1 排水板真空預壓加固機理

1.1 真空預壓理論基礎

真空預壓法通過改變土內孔隙壓力，增加有效應力而加固土體。孔隙水壓力降低是逐步實現的，水平排水墊層中的真空度通過打設在地基中的橫向排水體逐漸向下延伸，又通過豎向排水體向其四周土體中擴散(見圖1)。在真空度及吸力梯度的作用下，土體孔隙中的水、氣由土體→流向豎向排水通道→流向地表水平排水墊層→匯集到濾管、主管→射流泵抽出，地基土體因發生固結而得到加固(見圖2)。真空預壓和堆載預壓一樣都是固結過程，只是其邊界條件不同，真空預壓是保持土中初始條件，降低邊界孔隙水壓力形成滲流。

圖1 真空預壓現場示意圖

圖2 真空預壓滲流示意圖

與堆載預壓相比，真空預壓的特性如下：1) 與吸力壓力相關的有效應力呈各向同性增加，相應的側向運動為壓縮。即使在較高的路堤填筑速度下，剪切破壞的風險也可降到最低；2) 真空可通過排水系統傳播到更深的地層；3) 根據現場真空系統的效率，可減少堆填以達到相同的沉降量；4) 由于可降低堆載高度，真空預壓產生的超孔隙壓力小于常規堆載法；5) 真空預壓可改善土-水界面不可避免的非飽和狀態，提高固結速率。

1.2 真空預壓下土體固結理論

文獻[13]在Terzaghi固結理論的基礎上提出真空與堆載相結合的一維固結模型，并探究了真空與堆載復合加載的機理可由堆載預壓與真空預壓的疊加規律來確定的可行性。真空和堆載聯合預壓下固結度的平均值為：

(1)

Tvc=cvct/H2

(2)

式中：Tvc為真空-堆載聯合預壓時間因子；cvc為真空-堆載聯合預壓固結系數。

圖3 真空壓力在水平和垂直方向上的分布規律

(3)

(4)

2 真空預壓處理軟基的關注問題

2.1 滲流與固結

采用堆載預壓加固軟土地基時，達西定律基本適用。但采用真空預壓加固時，真空滲流場范圍內流動的是真空流體。真空流體包含氣、水兩相，具有一定真空度，加之土體微觀結構的復雜性，其滲流固結過程復雜。此外，真空預壓土中固體顆粒對孔隙水流動的阻力對土體的固結和孔隙水的耗散起著重要作用。然而均勻非變形多孔介質流動阻力系數的計算公式是否適用于真空預壓土的流動目前尚不清楚。真空預壓土的流動阻力與均勻多孔介質的流動阻力有很大不同，均勻填充層流動阻力系數的計算公式不適用于真空預壓土的流動，粒徑、均勻系數和孔隙度對真空作用時的阻力也亟待進一步明確。

2.2 地下水位

真空預壓過程中持續的抽氣、抽水作用使地基中的地下水位下降，直到預壓地基周圍的補充水和排出的水達到動態平衡為止。地下水位下降將使相應土層的上覆土重增加，并產生排水固結現象。而真空壓力下的流體根據不同外界條件以單相流、兩相流或多相流的方式運動，且根據現場試驗結果，真空預壓中真空壓力在地面達到最大值，并隨著深度的增加迅速下降，垂直方向的壓力梯度各有不同。隨著地下水位的下降，非飽和帶逐漸擴大，非飽和帶內存在氣、水兩相流動，且流體壓力與真空壓力隨深度產生變化。真空壓力誘導土體進行各向同性固結，并引起周圍土體向處理區向內的側向位移，對加固軟土地基的效果有很大影響。抽真空作用的強度、土體滲透特性及地基中薄砂層及水源補給等影響地下水位下降的因素都應加以考慮。

2.3 排水板

在真空預壓地基加固中，通常采用塑料排水板加速軟黏土地基的固結，提高軟土地基的抗剪強度。而軟土地基的固結速率與排水板的通水能力密切相關。理論和試驗研究及現場實踐均表明，排水板的通水能力受其材料和形狀、排水截面積、圍壓、滲透性和耐久性等因素的影響。空間尺度上，土體圍壓隨埋深的增加而增大，導致通水能力隨深度而下降(見圖4)。

圖4 不同文獻中真空度下降規律對比

為考慮井阻對軸對稱平面應變匹配過程的影響，文獻[23]建立通水量線性遞減的解析模型，得到了超靜孔隙水壓力隨深度的分布。排水板通水量隨時間變化，即排水板在生命周期內淤堵累積作用及圍壓作用下排水性變形等因素對排水板的通水能力同樣有著不可忽視的影響。文獻[24]提出考慮通水能力隨深度和時間變化對單元格內軟土沉積物固結行為的數學模型，模型假設通水能力隨深度線性減小或非線性變化對孔隙水壓力的影響，結果表明通水能力隨深度和時間的變化對超靜孔隙水壓力分布有顯著影響，當通水能力隨深度和時間變化時土體的超靜孔隙水壓力將進一步降低。

2.4 側向變形

真空預壓過程中，排水板之間的土體不僅會產生豎向沉降，還會產生側向變形，這種縱橫向聯合位移形成圍繞排水板的土柱和真空預壓后的V形土表面，即“土柱”現象。膠體顆粒隨水氣運動，從大孔隙逐漸遷移到小孔隙并堵塞通道，其微觀機理見圖5。真空預壓中土體的最終側向變形由排水板打設間距、深度、真空度、土體性質等因素決定。由于側向位移的最大值與膜下真空度成正比，隨排水板間距的減少而增大，排水板打設越深，側向變形越大。而側向變形的大小與真空度水平、加載速率及土體環境因素等密切相關。

圖5 “土柱”現象微觀機理示意圖

2.5 加固影響區大小

真空預壓處理軟基的加固范圍是現場構筑物的抗變形能力、構筑物的基礎結構、加固區內外土質條件等因素綜合影響下產生的。由于加固區內負壓作用使區外地下水向區內滲流，地下水位下降，在負壓、地下水位下降聯合作用下區外土體向加固區位移，并伴隨沉降發生。加固影響區大小關系到排水板通水設計，與真空壓力在土體中的傳播范圍及土體孔隙水壓力的消散相關。

3 影響真空固結性能的相關因素分析

3.1 真空度的影響分析

真空預壓法加固軟土地基技術運用以來，理論研究在不斷完善。但由于實際工程中密封不足、土體介質不同等引發的真空度在橫向及縱向上的衰減程度仍存在較大不確定性，在時間上真空度的衰減速率前期較大而后期較小、在空間上真空度隨深度的增加而衰減得到普遍認同，但在徑向的衰減規律未得到統一。如文獻[3-4]認為真空度傳遞過程中的衰減在深度上呈線性變化；文獻[29]通過試驗證明真空度在橫向及縱向上的衰減可以系數的形式表示，并得到衰減系數大小與土的滲透系數有關。影響真空度傳遞的因素如下：

(1) 土體介質。膜下真空度形成后，真空度傳遞到塑料排水板、淤泥與砂井中，在不同介質中所受到的阻力不相同，總體上膜下真空度>塑料排水板真空度>砂井真空度>淤泥真空度。在不同介質中，真空度隨時間的變化規律不同：塑料排水板中的真空度變化曲線基本與膜下真空度變化曲線相同，在抽真空的開始階段，真空度迅速上升，之后處于相對穩定；砂井中的真空度隨著時間的增加開始迅速上升，之后隨著抽氣時間的增加緩慢上升，最后接近塑料排水板中的真空度；淤泥中的真空度隨著時間的增加開始迅速上升，之后隨著抽氣時間的增加逐漸下降，最后趨于相對穩定的低真空度值。

(2) 真空度的維持與損失。真空度的作用效果為負壓，通過抽真空降低孔隙水壓力，提高土體的固結度。一般真空預壓中抽真空設備的設置情況為(800～1 500) m2/臺，而隨著土體真空度的提高，地下水位降低，抽真空所帶來的水氣混合體的傳輸歷程增大，開泵量的增加對真空度的提高效果不再明顯。隨著抽真空時間的加長，砂墊層不斷被壓密，排水管濾膜也不斷貼緊壓薄，從而使真空壓力在砂墊層中傳遞阻力加大，濾膜通透性降低，負壓差加大，膜下真空度降低。真空預壓結合砂井地基同步進行，由于不同于天然土體的砂井的存在，膜下真空度的傳遞受阻，隨著深度伴有不同程度的降低。

3.2 井阻影響

隨著真空度在排水板和土體中的不斷傳遞和擴散，排水板和土體中將形成連通的真空滲流場，并不斷向深處和遠處土體發展。真空度隨深度增加而衰減的特性表明砂井阻力的實際存在，并阻礙真空度在豎直方向上的傳遞，影響土體排水固結的進行。且砂井材料滲透系數越小，砂井長細比越大，井阻作用越顯著，砂井地基固結越慢。

(1) 側向土壓力的影響。文獻[33-34]通過試驗論證了側向土壓力的存在會降低排水板的通水能力。土體中自然的土體側壓力作用在排水板上，使排水板長期受壓，排水通道受力變形進而縮減排水通道。真空吸力作用時，分體式排水板的濾膜向芯板靠近緊縮，從而進一步減小排水通道，影響真空吸力在土體中的傳導作用。

(2) 排水板淤堵及彎曲。土體中由于真空吸力帶來的水氣流體在通過顆粒孔隙時會攜帶微小土顆粒并附著在排水板的外層，形成致密的淤堵泥層。文獻[35]認為由于細顆粒沿滲透路徑遷移的過程中在沿途不斷滯留，導致滲透路徑變短、變窄，最終滲透路徑完全堵塞形成淤堵泥層。泥層的滲透系數低，產生的淤堵效應嚴重阻礙真空壓力的傳導。此外，排水板的彎曲也會導致通水能力降低。

3.3 涂抹區的影響

在打設砂井或排水板時，小而細的土壤顆粒被拖拽移動，從而在砂井或排水板周邊的土體環境中形成滲透性降低的區域，即涂抹區。文獻[36]提出通過降低固結系數的整體值降低滲透性的概念，預壓引起的水力梯度在固結過程中擠壓孔隙水，使其水平向排水板快速流動，垂直向滲透至排水層排出。但涂抹區的存在會降低水平滲透率，同時不同程度降低豎直方向的滲透性。由于滲透性降低，涂抹區起到向排水板流動的屏障作用，降低排水固結速率。

3.4 真空加載方式的影響

文獻[43]利用大型固結儀試驗，通過分階段短時間釋放真空壓力，研究真空卸載和再加載的影響。結果表明隨著排水深度的增加，吸力水頭逐漸減小；真空壓力的加載、卸載影響排水板中吸力向下衰減的傳播，對于沉降的影響存在時間滯后效應。文獻[44]通過改進真空預壓法，利用多次真空預壓法和改進的同步、交替真空預壓法，得到比傳統預壓法分別提高近15%的排水量。在總侵入體積、孔隙率相近的情況下，采用改進的交替真空預壓法可將超軟土地基處理得更均勻。

3.5 排水不飽和問題

通過排水板施加真空壓力，排水板附近土體可能會發生不飽和現象。文獻[43]通過一系列模型描述試驗中孔隙壓力耗散的明顯井阻作用，并考慮排水土界面的非飽和影響。結果表明，相對干燥排水的存在加上氣隙的產生會阻礙固結初期超靜孔隙壓力的耗散。

4 有待進一步研究的問題

實際工程中，由真空預壓引起超凈孔壓及其引起的固結過程和理論極其復雜。上述僅從單影響因素進行分析，而現場加固效果往往由多方面因素共同作用，在進行固結解析和分析計算的過程中，考慮由真空吸力引起孔壓、滲透變化導致固結的影響仍需進一步研究。具體如下：1) 對真空預壓法中真空壓降與孔隙壓降的差異進行量測與量化，使之可適用于真空預壓工程中土體固結分析。2) 對負壓條件下地下水位進行精準量測。普適性的地下水位的定義不適用于真空預壓后土體，如何結合真空預壓水位的特點進行分析以改良監測技術有待研究。3) 真空度在土體范圍內的傳遞效果仍存在爭議，如何結合土體滲透性、井阻效應、增壓式改進等對負壓環境下地基固結進行計算分析有待研究。4) 排水板和板周土體淤堵為真空預壓處理中關鍵難題，如何從材料、滲流特性出發提出適用于各類土體的排水材料和設計方法有待研究。