真空堆載聯(lián)合預(yù)壓地基沉降分析有關(guān)問題探討

韓志霞,崔俊杰,王 凱,劉 浩

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

目前，真空預(yù)壓加固地基的沉降分析計算仍按照傳統(tǒng)的堆載預(yù)壓方法進行。但國內(nèi)外試驗研究與工程實踐均表明，真空預(yù)壓的作用機理、真空度(附加荷載)衰減規(guī)律、有效加固深度等與堆載預(yù)壓均有相當(dāng)大的差異，按堆載預(yù)壓相關(guān)規(guī)定及計算方法分析得到的真空預(yù)壓地基總沉降、固結(jié)度等與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)有較大差距；對于為加快地基固結(jié)沉降，采用真空、堆載聯(lián)合預(yù)壓的工程，單純地把真空預(yù)壓荷載等效為堆載荷載，進行地基沉降分析，其計算結(jié)果與現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異則更大[1]。擬從分析真空預(yù)壓的作用機理入手，結(jié)合現(xiàn)場試驗與監(jiān)測[2]，對真空預(yù)壓的真空度衰減規(guī)律、有效加固深度等進行研究，分析其與堆載預(yù)壓的附加荷載傳遞規(guī)律、計算壓縮層厚度的差異，進而探討真空堆載聯(lián)合預(yù)壓沉降分析的合理規(guī)定與計算方法，旨在提高其計算準(zhǔn)確度。

2 堆載預(yù)壓與真空預(yù)壓機理

真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓同屬于排水固結(jié)法，排水固結(jié)法加固軟土地基的基本原理為Terzaghi有效應(yīng)力原理。在分析真空預(yù)壓的作用機理之前，有必要了解堆載預(yù)壓的加固機理[3]。

2.1 堆載預(yù)壓機理

堆載預(yù)壓是在建筑場地臨時堆填土石或以建筑物荷載等對軟土地基進行加載預(yù)壓。在附加荷載的作用下，地基中首先產(chǎn)生正的超靜水壓力，孔隙中的水隨著時間緩慢排出，孔隙體積隨之減少，地基發(fā)生固結(jié)變形。同時，隨著超孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基土強度逐漸增長。在工程實踐中，通常需打設(shè)豎向排水通道(塑料排水板)縮短排水路徑，或采用超載預(yù)壓措施，以加快固結(jié)過程的發(fā)生。

2.2 真空預(yù)壓機理

真空預(yù)壓是在地基總應(yīng)力不變的條件下，孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增加的過程，一般可看作是利用大氣壓差作為預(yù)壓荷載，使地基逐漸固結(jié)的過程。抽真空時，由于密封膜把地基和大氣隔離，使得砂墊層和豎向排水通道(塑料排水板)內(nèi)的孔隙水壓力迅速下降，逐步形成負壓，并導(dǎo)致地基中的孔隙水壓力和豎向排水通道內(nèi)的孔隙水壓力形成壓差。在壓差作用下，地基孔隙中的水通過豎向排水通道迅速排出，孔隙體積減小，完成固結(jié)過程。

3 堆載預(yù)壓沉降分析基本方法與規(guī)定

3.1 基本思路與方法

采用排水固結(jié)法加固軟土地基，其沉降主要由瞬時沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降組成。一般情況下地基沉降主要是固結(jié)沉降，對于新近吹填造陸形成的吹填土地基，其瞬時沉降會占相當(dāng)?shù)谋壤?，對于泥炭土、有機質(zhì)土或高塑性黏土，其次固結(jié)沉降則不可忽視。

采用堆載預(yù)壓法加固軟土地基，其沉降分析的基本假定：壓縮時地基土不產(chǎn)生側(cè)向變形，地基最終固結(jié)沉降量等于壓縮層范圍內(nèi)各土層壓縮量的總和。沉降計算通常如下：先計算地基固結(jié)沉降，見式(1)，再乘以一個大于1.0的綜合修正系數(shù)，以考慮瞬時沉降、次固結(jié)沉降以及土工試驗精度等因素的綜合影響，得到地基總沉降，見式(2)。

(1)

S∞=msSc

(2)

式中，Sc為地基固結(jié)沉降量；n為地基壓縮層范圍內(nèi)土的層數(shù)；e0i為第i層土中點處自重壓力對應(yīng)孔隙比；e1i為第i層土中點處自重壓力與附加應(yīng)力之和對應(yīng)孔隙比；hi為第i層土厚度；ms為綜合修正系數(shù)；S∞為地基總沉降量。

3.2 附加應(yīng)力計算與壓縮層厚度確定

3.2.1 附加應(yīng)力計算

對于堆載預(yù)壓，附加荷載在地基中產(chǎn)生附加應(yīng)力，附加應(yīng)力隨深度擴散，在地基中形成附加應(yīng)力場。附加應(yīng)力的計算，一般采用Boussinesq半無限表面上作用集中力的彈性解。

3.2.2 地基壓縮層厚度確定

軟土地基壓縮層厚度在不同行業(yè)的常用確定方法不同：建筑行業(yè)，常采用某一深度處一定厚度土層的變形占地表以下該深度范圍內(nèi)總變形的比值不大于0.025，作為判定標(biāo)準(zhǔn)；鐵路行業(yè)，主要利用路基附加應(yīng)力與地基自重應(yīng)力之比進行壓縮層厚度判斷，根據(jù)鐵路軌道類型和地基土性質(zhì)，一般取0.1～0.2，作為判定標(biāo)準(zhǔn)。

以上沉降分析與計算方法簡便易行，相關(guān)假設(shè)和規(guī)定較合理，在工程中廣泛應(yīng)用，積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗，普遍被相關(guān)規(guī)范采納。

4 真空預(yù)壓的真空度衰減與有效加固深度

國內(nèi)外學(xué)者在大量科學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，對真空預(yù)壓加固機理進行了研究，目前主要存在正壓固結(jié)、負壓固結(jié)、真空滲流場等固結(jié)理論[4-6]。無論哪種固結(jié)理論，真空預(yù)壓沉降分析與計算的主要方法，都是基于Terzaghi有效應(yīng)力原理，均采用單向壓縮的分層總和法。但鑒于真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的機理不同，其真空度衰減(等同于附加應(yīng)力傳遞)規(guī)律、有效加固深度(等同于堆載預(yù)壓的壓縮層厚度)的確定非常關(guān)鍵。

分析真空預(yù)壓作用機理，主要是研究負壓在豎向排水通道及地基中的擴散、衰減規(guī)律，即豎向排水通道中的真空度衰減與地基土中真空分布規(guī)律。一方面真空在地基土中的擴散與在豎向排水通道中的衰減有很大差異；另一方面由于豎向排水體井阻與涂抹作用的存在，真空在豎向排水通道中的分布也是復(fù)雜的。理論分析確定地基中的真空分布規(guī)律較困難，通過工程實際監(jiān)測，可間接分析豎向排水通道及地基中的真空分布規(guī)律，進而可以研究負壓的擴散、衰減規(guī)律[7]。

真空預(yù)壓時，與堆載預(yù)壓壓縮層厚度確定相對應(yīng)的問題，就是真空預(yù)壓有效加固深度的確定。以前有一種觀點，認為其有效加固深度與真空提水的極限深度一致，為10 m 左右。另一種理論認為真空預(yù)壓加固地基的作用由兩部分組成，真空滲流場引起的真空預(yù)壓作用，以及地下水位下降引起的排水固結(jié)作用，其中，前者的作用范圍僅限于降低后的地下水位線以上部分地基[5]。

5 真空堆載聯(lián)合預(yù)壓試驗與真空度測試

5.1 工程概況

天津新港北鐵路集裝箱中心站先期工程(以下簡稱“新港北鐵路工程”)總面積約70萬m2，場區(qū)所在位置原為天津東疆港的濱海灘涂，地基土為剛完成圍海造陸的吹填土，厚13～22 m。地基土呈層狀分布，以淤泥、淤泥質(zhì)土為主，含水量高、靈敏度高，具流變性和觸變性，工程性質(zhì)極差[8]。

新港北鐵路工程包括到發(fā)區(qū)、裝卸區(qū)、集裝箱區(qū)以及雜貨堆場等區(qū)域，場區(qū)內(nèi)根據(jù)需要設(shè)置環(huán)形道路和鐵路正線、到發(fā)線、裝卸線、機走線[7]。場區(qū)內(nèi)的箱區(qū)、堆場根據(jù)選定的聯(lián)鎖塊鋪面類型，其沉降控制標(biāo)準(zhǔn)確定為50 cm，道路、鐵路等按其等級，并考慮與相鄰工程的協(xié)調(diào)，確定沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為20～30 cm。

考慮到吹填造陸工程剛完成，地表仍有未排干的海水，施工機械和人員進場困難；地基以淤泥、淤泥質(zhì)黏土為主，地下水具硫酸鹽、鎂鹽、氯鹽等侵蝕性，攪拌樁等水泥土樁復(fù)合地基成樁質(zhì)量難以保證。設(shè)計選擇真空堆載聯(lián)合預(yù)壓作為本工程的地基處理方法，同時考慮到天津濱海一帶中粗砂來源困難，采用了無砂墊層的增壓防堵直排真空預(yù)壓技術(shù)[9-13]。

5.2 真空度測試

為分析真空預(yù)壓階段、真空堆載聯(lián)合預(yù)壓階段吹填土地基的變形規(guī)律，確定真空預(yù)壓的卸載時間，對真空預(yù)壓過程進行質(zhì)量監(jiān)控，評估真空堆載聯(lián)合預(yù)壓效果，施工期間埋設(shè)了分層沉降管、孔隙水壓計、真空計等元件進行了綜合監(jiān)測。下面著重分析地基中真空度的測試數(shù)據(jù)，探討地基中真空場的分布規(guī)律，進而分析真空預(yù)壓的有效加固深度[14]。

5.2.1 密封膜下真空度隨時間變化規(guī)律

圖1為密封膜下真空度隨時間變化曲線。由圖1可以看出，初始階段隨著空氣被迅速抽出，密封膜下真空度隨時間快速上升，隨后穩(wěn)定在85 kPa左右，整個抽真空期間膜下真空度變化不大，卸載以后密封膜下真空度快速下降。

圖1 密封膜下真空度隨時間變化曲線

5.2.2 塑料排水板中真空度隨時間變化規(guī)律

圖2 塑料排水板中真空度隨時間變化曲線

圖2為塑料排水板中真空度隨時間變化曲線。由圖2可以看出，塑料排水板(設(shè)計深度13 m)中的真空度，初始階段，幾乎與密封膜下真空度一樣，快速上升；隨著抽氣時間增加，塑料排水板中各深度處的真空度均趨于相對穩(wěn)定，淺部真空度隨時間變化曲線與密封膜下真空度幾乎一致。

5.2.3 淤泥中真空度隨時間變化規(guī)律

圖3為淤泥中真空度隨時間變化曲線。由圖3可以看出，淤泥中的真空度隨著深度增加迅速減少，遠小于密封膜下真空度；隨著深度增加，淤泥中真空度的衰減梯度很大，遠大于塑料排水板中真空度的衰減梯度。上述現(xiàn)象說明淤泥中真空擴散阻力很大。且淤泥中真空的擴散存在滯后現(xiàn)象，不同深度淤泥中的真空啟動時間差異明顯，深度越深滯后現(xiàn)象越明顯。

圖3 淤泥中真空度隨時間變化曲線

5.2.4 塑料排水板中真空度隨深度變化規(guī)律

圖4為抽真空15，30，60，90 d時，塑料排水板中真空度沿深度變化曲線，地基表層以下上部真空度衰減較快，下部真空度衰減相對較慢，真空度沿深度衰減的平均值約為4 kPa/m，塑料排水板底部處真空度接近40 kPa，說明真空預(yù)壓的有效加固深度可達整個塑料排水板的打設(shè)深度。

另外，本項目測試的真空度沿塑料排水板深度衰減值約為4 kPa/m，相對偏小，說明設(shè)計采用的防淤堵無紡布濾膜整體式排水板的加固效果良好。

圖4 塑料排水板中真空度沿深度變化曲線

5.2.5 淤泥中真空度隨深度變化規(guī)律

圖5為抽真空30，60，90 d時，淤泥中實測真空度沿深度分布情況，從圖5可以看出，抽真空開始，淺部淤泥中的上升幅度相對較大，深部出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。抽真空歷時30 d時，淤泥中5 m深度以下仍沒有真空度；抽真空歷時90 d時，淤泥中5 m深度處的真空度也不到20 kPa。說明淤泥中真空度沿深度衰減相當(dāng)明顯。

圖5 淤泥中真空度沿深度分布變化曲線

從圖1～圖5中可以發(fā)現(xiàn)，真空預(yù)壓的有效加固深度可達整個塑料排水板的打設(shè)深度。地基中淤泥內(nèi)的真空度隨著深度增加則迅速減少，遠小于密封膜下真空度；淤泥內(nèi)的真空度衰減很快，遠大于塑料排水板中的真空度衰減梯度；淤泥中真空度存在滯后現(xiàn)象，其有效加固時間遠少于塑料排水板。以上現(xiàn)象表明：對于真空預(yù)壓，豎向排水通道(塑料排水板)的作用，不同于堆載預(yù)壓時的僅限于縮短排水路徑，更為重要的是其決定了真空場的空間分布，構(gòu)成了真空預(yù)壓所必須的負壓邊界，決定了真空預(yù)壓的有效加固深度[15]。

6 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓沉降分析方法探討

6.1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓沉降分析方法優(yōu)化

綜合前述理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證，地基在堆載作用下形成正壓附加應(yīng)力場，對于鐵路工程，軟土地基的壓縮層可采用附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比等于0.1計算其厚度；在抽真空作用下形成穩(wěn)定負壓滲流場，穩(wěn)定負壓滲流場的作用范圍限于豎向排水體(塑料排水板)的加固范圍[16](圖6)。

圖6 真空堆載聯(lián)合預(yù)壓沉降分析示意

另外，真空預(yù)壓期間，由于地下水位下降，在地基中產(chǎn)生額外正附加應(yīng)力，新地下水位線以下部分的地基土，受此影響也會產(chǎn)生額外固結(jié)沉降，其加固效果與單純由抽真空引起的加固效果可以看作是獨立的，其壓縮層厚度可按堆載預(yù)壓的相關(guān)規(guī)定計算。不過，要注意其起算面為下降后新的地下水位線[17-18]。

根據(jù)上述分析，真空堆載聯(lián)合預(yù)壓的固結(jié)沉降可表示為

Sc=Slc+Svc+Swc

(3)

式中，Sc為地基總固結(jié)沉降量；Slc為堆載預(yù)壓固結(jié)沉降量；Svc為真空預(yù)壓固結(jié)沉降量；Swc為地下水下降引起的固結(jié)沉降量。

地基總沉降則可按式(2)計算。

6.2 新港北鐵路工程總沉降修正系數(shù)建議

通常計算堆載預(yù)壓地基總沉降時，修正系數(shù)ms一般取值1.1～1.4，以考慮瞬時沉降和次固結(jié)沉降的影響。由于真空預(yù)壓加固地基屬于等向固結(jié)，因此，ms不能簡單參照堆載預(yù)壓的取值[19]。

選取新港北鐵路工程ZY-3真空預(yù)壓區(qū)作為研究對象，吹填土厚度12.5 m，打插塑料排水板深度13 m。其荷載組成包括：真空荷載85 kPa；堆載荷載包括密封膜下施工土墊層厚0.9 m、密封膜上覆水深0.5 m、后期場區(qū)填土厚1.0 m；地下水下降幅度平均2.0 m。

根據(jù)不同荷載的影響深度和作用時間[20]，施工期間的沉降分析結(jié)果見表1，結(jié)合新港北鐵路工程的其他監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，建議類似地基條件下真空聯(lián)合堆載預(yù)壓(聯(lián)合預(yù)壓的堆載換算高度按2.0 m計)的修正系數(shù)可取0.85。

表1 新港北鐵路工程修正系數(shù)取值建議

7 結(jié)論

(1)通過真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓內(nèi)在作用機理分析發(fā)現(xiàn)，該兩者屬排水固結(jié)法，其沉降分析與計算的主要方法均基于Terzaghi有效應(yīng)力原理，建議采用單向壓縮的分層總和法進行計算。

(2)探索了真空預(yù)壓有效加固范圍的決定因素。真空預(yù)壓豎向排水通道(塑料排水板)的作用不同于堆載預(yù)壓時的僅限于縮短排水路徑，其決定了真空場的空間分布，構(gòu)成了真空預(yù)壓所必須的負壓邊界，決定了真空預(yù)壓的有效加固深度。

(3)明確了真空和堆載預(yù)壓因加固機理不同導(dǎo)致有效加固深度存在明顯差異。真空預(yù)壓的有效加固深度為整個塑料排水板的打設(shè)深度，軟土地基堆載預(yù)壓的壓縮層深度以地基表面為起算面，并采用附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比為0.1進行計算。此外，地下水下降引起的壓縮層深度可采用附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比為0.1計算，起算面為新的地下水位線。

(4)優(yōu)化了真空堆載聯(lián)合預(yù)壓沉降計算方法。真空-堆載過程可看作真空荷載、堆載荷載、地下水下降分別預(yù)壓的過程，分別對其進行固結(jié)沉降分析，再進行疊加并修正計算其地基總沉降。考慮真空預(yù)壓屬于等向預(yù)壓，真空堆載聯(lián)合預(yù)壓的總沉降修正系數(shù)通常要小于單純堆載預(yù)壓修正系數(shù)。