真空預壓加固深度分析與探討

吳春勇

（南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

0 引 言

真空預壓中軟土路基的加固深度一直是研究的熱點問題之一，目前工程界與學術界仍存在較多的爭議，文獻[1]中對此作了歸納，主要有以下幾種觀點：1）認為真空預壓法只對10 m以上的土層有加固效果，豎向排水體打設超過10 m以下部分基本上不起作用；2）認為真空預壓法的有效深度與豎向排水體的打設深度有關；3）認為真空預壓法的有效深度只在水位以上是真空預壓作用的有效區域，而對地下水位以下無作用。在這3種觀點中，目前爭論較多的是前面兩種觀點。從已有的工程實測資料證明，第三種觀點是錯誤的。水位下降的極限深度一般最大在5 m左右，而許多實測資料表明，水位線以下仍存在較大的沉降與水平位移。

從真空預壓加固軟基的理論分析認為，其加固深度的判斷應著重于以下幾個方面[2]：1）負壓傳遞的深度；2）深層土體側向位移沿深度的分布規律；3）土體產生固結沉降的深度分布。下面結合現場實測數據來分析真空聯合堆載預壓的加固深度。

1 真空預壓設計

1.1 工程地質條件

1）地層分布

依據現場鉆孔地質資料結果，該地區粘土層自上而下，依次分為：

在該地區，軟土層分布隨山勢起伏較大，具有平面分布不規則、厚度變化大、不連續且土性不均勻等特性，基巖出露地段軟土層基本缺失，本文主要針對厚度近20 m的軟土層進行研究。從勘察資料的統計結果分析，軟土層主要以第③層淤泥、淤泥質土為主，根據工程實際情況，施工中將②③④層一起作為壓縮層進行處理，所以本文中研究將針對這三層土的性質，其中③層為重點研究對象。

2）主要土層物理力學指標

本工程軟土層具有高孔隙比、高含水量、低強度等特點，因此在軟基加固處理設計中要充分考慮加載過程中的地基穩定性，同時兼顧后期工后沉降的控制。本路段軟土層以③④層為主，具體物理力學指標見表1。

2.2 軟基處理設計

1）主要設計參數

該路段采用真空預壓法進行軟基處理，為確保密封系統在填土加載過程不受損壞，砂墊層上部采用兩層土工布與三層密封膜（見圖1），上部填土高度為4 m；排水板間距1.2 m，打設深度20 m；水平排水體為60 cm厚的中粗砂墊層；真空預壓邊界采用粘土密封墻處理（見圖2），確保真空效果。

表1 研究區軟土基本物理性質均值指標

主要施工工序如下：清基整平→鋪設砂墊層→打設塑料排水板→安裝真空設備→鋪設濾管→鋪設第一層土工布→鋪設三層密封膜→抽真空→鋪設第二層土工布→上部填土至設計標高。

圖1 密封系統大樣圖

圖2 粘土密封墻平面布置圖

2）加荷計劃

本工程中根據土體強度增長的室內試驗，通過穩定計算，結合以往真空預壓法的施工經驗，確定了路基加荷計劃，見表2。

表2 真空預壓（聯合堆載）加荷計劃表

2.3 監測儀器布置

該路斷軟土層平均厚度23 m，路中軟土層最厚處達到25 m，排水板打設深度為21 m，該斷面共埋設孔隙水壓力測點8個，分層沉降磁環8只，深層土體水平位移測點1個，具體位置見圖3。其中在排水板底部的軟土層中分別埋設了孔隙水壓力計與分層沉降磁環。

圖3 監測儀器布置圖

3 現場監測數據分析

3.1 超靜孔隙水壓力

由圖4曲線可知，在真空預壓初期，土體中超靜孔隙水壓力在真空荷載作用下逐漸降低，直至路基荷載開始填筑，才有所回升，停止填筑一段時間后，超靜孔隙水壓力又開始下降，該現象表明真空荷載加固的效果較為顯著。真空預壓過程中雖然超靜孔隙水壓力沿深度分布的規律性不強，這和測點與排水體的距離、土體的滲透系數有關。但土體中的超靜孔隙水壓力均呈現為負值[3]～[6]，表明負壓（指負的超靜孔隙水壓力）在加固區域中土體內基本處于滿布狀態，地表下23 m孔壓測點（排水板底部土體）的變化值表明負壓荷載在土體的傳遞深度至少可以達到排水板打設的深度，甚至對排水板以下2～3 m左右的土體范圍仍產生影響

3.2 分層沉降

由圖5曲線可知，土體沉降量主要集中地面下16 m的范圍之內，占總沉降量的70%，排水板以下尚有一定的沉降量，約占總沉降量的12%。從不同深度土層時間-沉降規律分析可知，施工期間土體沉降以排水板范圍內的土體為主，同時排水板對其底部軟土仍存在一定影響，下部2～3 m厚的軟土層在真空預壓期間沉降量達到40 cm。

3.3 深層土體水平位移

圖4 超靜孔壓-荷載-時間過程線

圖5 分層沉降-荷載-時間過程線

由圖6曲線可知，在整個真空預壓過程中，土體的深層水平位移先是指向加固區內，隨著路基填高的增大，后期表現為指路基外側，該現象表明后期產生了剪切變形，但總的位移量并沒有超過埋設時的位置。結合分層沉降曲線分析，認為整個加固區內土地體變形主要表現為向內收縮，即固結變形為主。

4 加固前后土體微結構變化

對真空預壓前后土體的SEM進行掃描，其取樣平面位置與深度基本一致。真空預壓前軟土結構呈現蜂窩-架空結構，說明土體顆粒間的孔隙較大，這與宏觀力學中的孔隙比測得的結果是一致的。從掃描結果可以發現，加固前軟土的顆粒呈現團聚狀結構，顆粒間的連接清晰可見；加固后，土體呈現疊片-絮凝狀結構，顆粒間的孔隙明顯減少，顆粒的粒徑也變小，但小顆粒出現重組現象，表現為更大顆粒的狀態，顆粒之間大的結構不再出現；加固前后SEM掃描結果表明，真空預壓過程中土體顆粒之間的狀態由疏松變為緊密，顆粒之間并沒有出現明顯擠壓滑移現象，而是孔隙減小，顆粒向內收縮成緊密狀態，這與現場土體出現位移指向加固區的現象是一致的[2]。

5 結論與建議

圖5 分層沉降-荷載-時間過程線

1）從以上分析可知：真空預壓過程中，負壓至少可以達到排水板打設深度以下1 m范圍內；深層土體水位移在整個加固過程中其位移值為負，即土體沉降以固結變形為主；分層沉降曲線表明排水板以下土體仍存在固結沉降。因此，現有數據表明真空聯合堆載預壓加固深度至少可以達到23 m。

2）加固深度與排水板的打設深度相關，由于受現場條件限制，現有測試結果表明至少可以達到排水板以下2～3 m范圍。

3）認為真空預壓加固只能達到10 m的觀點是錯誤的。

4）真空預壓法的有效深度與豎向排水體的打設深度、真空邊界的密封性等條件有關。

[1]朱建才.真空聯合堆載預壓加固軟基機理及工藝研究[D].杭州：浙江大學博士學位論文，2004.

[2]吳春勇.真空聯合堆載預壓軟土路基穩定控制與沉降預測[D].長春：吉林大學博士學位論文，2007.

[3]岑仰潤，俞建霖，龔曉南.真空排水預壓工程中真空度的現場測試與分析[J].巖土力學，2003，24（4）：603-605.

[4]陳環.真空預壓加固軟基機理研究[R].天津：天津大學，1985.

[5]陳環，鮑秀清.負壓條件下土的固結有效應力[J].巖土工程學報，1984，6（5）：39-47.

[6]吳躍東，余湘娟，殷宗澤.負壓條件下考慮土體損傷和流變的有限元分析[J].巖土力學，2002，23（2）：137-141.