真空堆載預壓法下飽和淤泥質(zhì)土的實際固結(jié)時間分析

盧書強，徐平波

（三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

20世紀八十年代中國開始把真空－堆載預壓[1]作為國家科技攻關(guān)項目，通過試驗得出真空預壓的加固機理[2，3]是通過降低土體中孔隙水壓力，也就是使加固區(qū)內(nèi)（真空膜所覆蓋區(qū)域）形成負的超靜孔隙水壓力，使加固區(qū)內(nèi)部與地基表層存在水頭差，形成滲流所需要的水力梯度。堆載預壓是由于堆載產(chǎn)生正的超靜孔隙水壓力，土的有效應力不變，堆載應力全部由孔隙水承擔，與排水邊界形成一個水勢差，使土體中產(chǎn)生一個向排水邊界的滲流場[4]，通過排水使得孔壓消散達到土體固結(jié)，強度得到提高。真空聯(lián)合堆載預壓法通過抽真空同時進行堆載的方法，二者聯(lián)合作用，使得土體與排水邊界間的孔隙水壓力的壓差增大，即增加水頭差，從而提高土體內(nèi)孔隙水的滲透速率，使孔隙水壓力消散更快，加快土體固結(jié)速率，提高加固效果。真空堆載聯(lián)合預壓的有效應力為真空預壓引起的有效應力與堆載預壓引起的有效應力的線性疊加。而真空預壓所產(chǎn)生的負壓會“中和”堆載預壓所產(chǎn)生的側(cè)向擠壓力，不會使加固地基因側(cè)向變形過大而產(chǎn)生失穩(wěn)問題。簡言之，土體壓縮固結(jié)取決于土中有效應力的變化，而有效應力的變化取決于土中靜水壓力的變化，土中靜水壓力的變化取決于土體排水的快慢，它是時間的函數(shù)。而這個時間從實際上來說，跨度是比較長的，并不是理論上所說的3月左右。時間的長短與加固地基淤泥質(zhì)土層的厚度有很明顯的聯(lián)系。

1 固結(jié)度計算法

從加固土層特性以及實際工程應用兩方面考慮，主要采用指數(shù)曲線配合法和Asaoka法這兩種經(jīng)驗公式來計算固結(jié)度，采用的主要指標就是地基沉降量和時間。

1.1 指數(shù)曲線配合法

真空－堆載預壓法下的地基沉降是由地基土層三向壓縮固結(jié)引起的，其沉降由瞬時沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部份構(gòu)成。固結(jié)過程通常指主固結(jié)過程，指數(shù)曲線配合法正是按主固結(jié)的理論解求出的，它的計算過程沒有考慮次固結(jié)沉降。由排水條件下土層平均固結(jié)度的理論解為：

Ut為固結(jié)度，α、β為與沉降量St有關(guān)的待定參數(shù)。在時間沉降曲線上取恒載時期的三點沉降量S1、S2、S3，且t3＝t2，t2＝t1。根據(jù)傳統(tǒng)固結(jié)度Ut＝St／S∞可得最終沉降量：

此法在原理上遵循了太沙基固結(jié)理論，但是在實際應用中要求實測沉降曲線在擬合后處于收斂階段才有意義，由于應力和應變關(guān)系是非線性的，所以線性化的假定會產(chǎn)生一定誤差，因此在預估沉降量時與起始時間t0以及Δt的選擇有直接關(guān)系。

1.2 Asaoka法

Asaoka法也叫做淺崗法[5]，是Asaoka提出的一種以等時間間隔所對應的沉降量來計算最終沉降的方法：

假設

計算步驟：

1）按等時間間隔（Δt、2Δt、3Δt...）讀取所對應點的沉降量（S1、S2、S3…）；

2）作出Si－Si－1曲線；

3）通過線性回歸得出β0、β1（tanθ）；

4）描出Si－Si－1曲線（沉降完成），找出沉降焦點；

此法在實際運用中也是主要考慮主固結(jié)沉降而忽略了次固結(jié)沉降。

2 工程實例分析

該工程地處珠海橫琴島，場地內(nèi)揭露土層主要有：人工成因耕植土；第四紀濱海相沉積土層，主要由軟弱土組成；沖洪積形成的土層，主要由粘性土及砂土組成；殘積成因的砂質(zhì)粘性土或礫質(zhì)粘性土；其基巖為燕山期花崗巖。土層性質(zhì)為飽和淤泥質(zhì)土，呈流塑狀，厚度由10.5～45.3m。表層有50公分厚的新近吹填土。監(jiān)測區(qū)域有多個，我們選取其中一個淤泥質(zhì)土層厚度大約為35m的區(qū)域監(jiān)測指標進行分析：

圖1 Asaoka法計算簡圖

表1 不同時間間隔以及計算法計算出來的該地基土層固結(jié)度

在真空 堆載預壓進行6個月使得各項監(jiān)測指標達到設計要求以后，場地進行了卸載，并且對所處理的地基做了十字板剪切實驗，承載力達到設計要求[6]，場地處理效果良好。

3 結(jié)語

1）由粘性土三維固結(jié)理論可知，真空－堆載預壓法在理論上的結(jié)合是科學合理的，并且由固結(jié)度計算過程中主沉降量與時間的曲線擬合關(guān)系可得選擇指數(shù)曲線配合法（三點法）和Asaoka法計算固結(jié)度是很適合工程運用的。

2）真空 堆載預壓法處理粘性土地基時間并不是一般所說的90d左右就夠了，對于淤泥質(zhì)土層厚度在35m左右的土層來說而是需要更長的時間6個月左右。吉勃遜（Gibson）對只有土層表面排水的情況下總結(jié)出了土層沉積規(guī)律：沉積土層厚度與時間成正比[7]。所以由于所處理的淤泥質(zhì)粘土的厚度大小會嚴重影響固結(jié)時間。

3）由本文工程實例為依據(jù)可知，當處理淤泥質(zhì)土層在40 m左右，固結(jié)度要求在80%的地基時，可以在5個月后開始試算固結(jié)度，并開始做卸載準備。（本文在6月后計算出的固結(jié)度平均為90.5%，大于設計值10個百分點）

4）由真空預壓原理可知，真空度的大小和密封性對土層固結(jié)速度有很明顯的影響。

5）在用真空 堆載預壓法處理軟弱土地基時，保證抽真空效果以及預測預壓時間5～6個月是保證施工組織設計和項目工程目標進度計劃正常運轉(zhuǎn)的首要條件。

[1]高志義.真空預壓法的機理分析[J].巖土工程學報，1989（04）：45-56.

[2]沈珠江，陸舜英，等.軟土地基真空排水預壓的固結(jié)變形分析[J].巖土工程學報，1986（03）：7-15.

[3]趙維炳，錢家歡，等.Semi-analytical Method for vacuum preloading of a foundation with sand drain[J].Science in Chiha，1989，32（3）：374-384.

[4]徐澤中、劉世同，等，真空堆載聯(lián)合預壓法的滲流分析[J].河海大學學報，2002.30（3）：85-88.

[5]李明英.真空聯(lián)合堆載預壓法軟基處理的固結(jié)特性及沉降研究[D].中國石油大學，2008.5.

[6]張永鈞，等，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（JGJ79－2002）[S].北京：中科多媒體電子出版社，2003.

[7]李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社，2009.5.