不同形式排水固結法加固機理及特性研究

陸 泓 劉紅軍 鄧乃勻

（五邑大學土木建筑學院，廣東 江門 529000）

1 概述

目前在大面積軟基處理工程中，排水固結法憑借其施工工藝簡單及工程造價低等優點而被廣泛采用。常見的排水固結法以加載荷載種類不同可分為堆載預壓法及真空預壓法，以及基于這兩種工法發展而來的真空聯合堆載預壓法。近年來隨著工程研究以及施工工藝的不斷發展，科研人員也研發出各種新型的排水固結法如增壓式真空預壓[1]、低位真空預壓[2]以及直排式真空預壓[3]等。盡管上述各種排水固結法施工由于施工工藝等有所不同，但就其加固原理而言排水固結法均是通過排出軟基土體中的孔隙水及壓實軟基土體以增加原有軟基土體的抗剪強度，從而達到提高地基承載力及減少殘余沉降的目的。本文從有效應力原理出發，針對目前工程中常用的三種排水固結法各自的加固形式、加固機理以及加固特性進行分析闡述。

2 加固機理

2.1 堆載預壓法

堆載預壓法由美國工程師Moran 在1925 年提出并在美國加州一軟基加固工程中得到應用。該法通過在軟基中打設砂井作為豎向排水通道并在軟基上堆載填土或其它重物以排出軟基中孔隙水，達到軟基加固目的。隨著技術與材料的不斷發展，目前工程中打設的豎向排水通道一般為袋裝砂井或塑料排水板。采用堆載預壓加固軟基施工簡圖如圖1 所示。

圖1 堆載預壓施工簡圖

堆載預壓施工中隨著堆載填土的進行，施加在軟基上的總應力不斷增加，軟基土體中產生正的超靜孔隙水壓力。當堆載結束后，超靜孔隙水壓力值逐漸下降直至為0，土體的有效應力隨著超靜孔隙水壓力的消散而增加。堆載預壓中對軟土地基施加的是豎向應力△σ1，地基土體發生的是k0固結。在堆載預壓瞬間，土體的豎向有效應力由σ10′變為σ1′，水平向有效應力由σ30′變為至σ3′。隨著偏應力的不斷增大，土體中剪應力增大，可能導致土體有效應力摩爾應力圓與剪切破壞線相接，從而造成土體剪切破壞。圖2 是以應力圓形式表示堆載預壓處理軟基過程中土體的強度增長原理，應力圓A 表示加固前土體處于k0狀態下的應力狀態，此時軟基土體強度為τ0，堆載填土后土體有效應力圓變化為A'，此時軟基土體強度增長為τ。當施工結束卸去堆載填土后，軟基土體強度沿C'O'一線退回至D 點位置，此時軟基土體處于超固結狀態，抗剪強度較原有抗剪強度提升了△τ。

圖2 堆載預壓軟基土體強度增長原理

由于堆載預壓中有效應力是伴隨堆載產生的，且由于在預壓期結束后一般不會將堆載填土完全卸載，故地基土體中的有效應力增量仍然存在。從微觀機理上看，堆載預壓中地基土體在上覆荷載作用下發生壓縮變形，土體中孔隙水被擠出，土體顆粒受外力作用下“被動”發生變形及重新排列，并在該過程中也伴隨著顆粒破碎及填充，當上覆荷載過大時會出現土體破壞。由于堆載預壓加固機理，采用該法處理軟基時，土體中孔隙水和氣排出較為緩慢，這就導致堆載預壓工期普遍較長。

2.2 真空預壓法

真空預壓法由瑞典W.Kjellman 教授在1952 年提出并在美國費城國際機場跑道軟基加固工程中得到應用。與堆載預壓不同，真空預壓法是通過建立排水及密封系統并利用真空泵進行抽氣，在真空膜上下表面形成壓力差。真空壓力通過排水系統向軟基深處傳遞擴展，軟土地基中產生負的超靜孔隙水壓力，實質上真空作用相當于對軟基施加一個負壓作用，真空預壓加固軟基施工簡圖如圖3 所示。

圖3 真空預壓施工簡圖

在真空預壓過程中，土體所受的總應力沒有變化，而是由于負壓作用使孔隙水壓力降低，土體的有效應力逐漸增加，土體強度得到提高。該加固過程為等壓固結過程，在真空預壓過程中，土體的總應力σ 不變，隨著孔隙水壓力減小，有效應力隨之增加。

在真空預壓過程中土體的剪應力沒有增加，故該工法處理軟基過程中并不存在穩定問題，真空荷載可一次加載至最大值。真空預壓過程中，產生的負孔隙水壓力為-△σ，由于孔隙水壓力為球應力，故有效應力增量為：△σ'1=△σ，△σ'3=△σ。加真空預壓后土體有效應力圓由A 變化為A',此時軟基土體強度增長為τ，當施工結束，停止抽氣后軟基土體強度沿C'O' 一線退回至D 點位置，軟基土體處于超固結狀態，此時抗剪強度提升了△τ。圖4表示以應力圓形式表示采用真空預壓處理軟基過程中軟基土體的強度增長原理。

圖4 真空預壓軟基土體強度增長原理

由于真空預壓中有效應力增長是由于真空作用帶來的負的超靜孔壓形成的，隨著真空作用的減小或消失，土體的有效應力也隨之減小或消失，當真空作用完全消失時，如無外加荷載，地基土體將處于超固結狀態。在真空預壓初期，在真空泵作用下，地基土體中的自由水和氣沿排水通道排出。從微觀機理上看，隨著真空作用的不斷進行，地基土體中的孔隙水逐漸排出，土體顆粒開始重新排列，在外因下土體顆粒“主動”重新調整排列，使得土體變得密實。在整個真空預壓過程中土體顆粒只是進行重新排列，土體顆粒并不會破碎，一次加載也不會出現土體破壞現象。

2.3 真空聯合堆載預壓法

真空聯合堆載預壓法是由我國學者于20 世紀80 年代提出的概念，該法最早于1985 年應用于天津新港碼頭堆場碼頭軟基處理工程中。由于真空預壓加固過程中不改變的土體的總應力，且真空荷載不超過一個大氣壓并依賴于豎向排水通道來傳遞真空度，對于荷載較大及承載力要求較高的地基，單一的真空預壓或堆載預壓往往無法滿足工程需求。真空聯合堆載預壓結合了真空預壓及堆載預壓的特性，聯合預壓加固軟基施工簡圖如圖5所示。

圖5 聯合預壓施工簡圖

聯合預壓法加固機理為真空預壓與堆載預壓兩者機理互補[4]：在真空負壓作用下地基中的孔隙水壓力降低至負值，而在堆載正壓作用下地基中孔隙水壓力逐漸回升，在正負壓耦合效應下土體中孔隙水加速排出，超靜孔隙水壓力消散比單一堆載預壓更快，采用聯合預壓處理效果好于單一預壓，聯合預壓加固軟基過程有效應力變化如圖6 所示。

圖6 聯合預壓有效應力變化

如圖7 所示，聯合預壓中前期的真空作用使土體有效應力圓由A 變化為A', 后續堆載填土后使得土體有效應力圓由A'變化為A''。當施工結束后，軟基土體強度沿C'O' 一線退回至D 點位置，軟基土體處于超固結狀態，此時抗剪強度較原抗剪強度提升了△τ。在聯合預壓加固后土體抗剪強度提升值△τ 均大于單一預壓增加的抗剪強度值。

圖7 聯合預壓軟基土體強度增長原理

從微觀上看，在聯合預壓加固軟基過程中，在真空作用下土體顆粒因負壓作用而“主動”重新調整排列，變的更加“緊密”；在堆載開始進行后，土體顆粒因正壓作用“被動”重新調整排列，細微顆粒之間孔隙被填充。相較真空預壓或堆載預壓，軟土地基經聯合預壓處理后，土體將被壓縮得更加密實，物理力學性質得到改善。綜上，真空聯合堆載預壓法進行軟基處理可以看作軟基在正負壓耦合效應下排水固結的過程，且由于正壓與負壓產生的超孔壓可以抵消一部分，這就使得在正負壓耦合效應下處理軟基變得更加高效。

3 加固特性

3.1 孔隙水壓力

堆載預壓中伴隨堆載產生的是數值上大于靜水壓力的孔隙水壓力，超孔壓的存在使得土體中的自由水與孔隙水沿排水通道排出，隨著超孔壓的消散，土體的有效應力也隨之增加。與堆載預壓不同，真空預壓中伴隨真空作用產生的真空滲流場使地基中產生的是數值上小于靜水壓力的孔隙水壓力，表現為負的超靜孔隙水壓力。

堆載預壓中利用超孔壓可以控制加載速率、推求地基固結度、確定下一級荷載大小與施加時機以及判斷土體加固效果。由于真空預壓不存在穩定性問題，工程中利用超孔壓可以判定土體中有效應力的變化時程、地基的強度增長、推求土體的固結度以及判斷土體加固效果。

3.2 土體側向位移

真空預壓過程中，表層土體受到的是等向的真空作用p 接近于等向固結，而對于較深土體更接近于一維固結。根據Chai[5]的試驗結果表明：當真空荷載大于土體的側向靜止土壓力時，土體會發生向加固區的側向位移。同時由于土體產生了向內的變形，故在真空預壓中真空作用帶來的土體豎向位移值將小于等效荷載的堆載作用。Chai根據研究結果得出了真空預壓下地基土體側向位移及土體裂縫的計算式。

上式中，Zw為地下水位深度；Zc為豎向裂縫深度；Yt為土體重度；c'為土體有效黏聚力；Ka為土體的主動土壓力系數。

堆載預壓過程中，地基土體在豎向附加應力的作用下產生向加固區外的側向變形，根據曾國熙的計算推導，對于堆載預壓中最常見的矩形均布垂直荷載作用下土體中某點側向變形可表示為：

上式中，L 與B 為矩形基礎的長與寬；p 為荷載大小。

而對于真空聯合堆載預壓過程中，地基中土體的應力狀態較單一預壓更加復雜，土體的側向變形是兩者的綜合。該工法中土體側向位移的變化分為兩個階段：真空預壓階段，地基土體在真空作用下產生沉降，加固區內土體發生向內的側向位移并在地基淺層產生裂縫；聯合預壓階段，在堆載作用下地基土體發生向加固區外的擠出變形且可能在地表產生隆起現象。故利用真空聯合堆載預壓處理軟土地基時，地基土體發生的向內變形與向外變形可以抵消一部分，減少單一預壓對周圍環境的影響，取得更好的加固效果。

4 結論

本文基于有效應力原理，對三種類型排水固結法加固軟土地基的加固機理、加固過程中軟基土體有效應力變化以及土體微觀機理變化進行闡述。由于加固機理與施工工藝的不同，不同的排水固結法的加固特性如側向位移及地基中超孔隙水壓力變化均有較大差異。而聯合預壓可以結合兩者的加固特性以達到更好的處理效果，但目前對于聯合預壓處理過程中穩定性控制值仍是沿用堆載預壓中的控制值，后續仍需要結合聯合預壓本身特殊性予以修改。