真空預壓法加固機理及設計要點

賀亞飛 楊芳

（重慶交通大學，重慶 400074)

真空預壓法加固機理及設計要點

賀亞飛 楊芳

（重慶交通大學，重慶 400074)

公路工程基礎面臨軟弱地基的加固問題，地基處理的核心是處理方法的正確選擇與實施。本文針對軟土地基處理和加固，根據排水固結法原理，著重介紹真空預壓法的加固機理，通過進一步剖析土體真空度變化，研究真空預壓法對地基周圍土體變形的影響，揭示地基土體內部有效應力的變化，從而推導出真空預壓法的設計要點。通過本文的分析，正確選擇軟土地基加固的真空預壓法，規避施工過程中的不利因素，從而達到采用真空預壓法的預期目的。

排水固結法；真空預壓法；加固機理；土體變形；設計要點

1 真空預壓法

真空預壓法是軟弱地基加固中排水固結法的一種。在預壓荷載作用下，經過一定的作用時間，地基土被壓密、沉降、固結，從而提高地基土的強度，減少沉降量。待沉降基本穩定后，卸去預荷載，再建造上部結構，從而有效保障地基的穩定性要求和沉降變形要求。若天然土層的滲透性較小，可設置豎向排水通道，如砂井、排水板等，縮短滲透固結的時間，加速固結速率。施作的預荷載，常利用建筑物自身荷載、堆載或真空預壓等。

1.1 真空預壓法的加固機理

真空預壓法是先在待加固的軟土層頂面鋪設砂墊層，埋設垂直排水管道，然后用不透氣的封閉膜將地基土與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，再用抽氣裝置經過砂墊層內預先埋設的管道進行抽氣，形成真空層,增加地基的有效應力[1]。

抽氣時，地表砂墊層及豎向排水通道內逐步變成負壓，而地基土內部壓強變化不明顯，這樣就使土體內部與砂墊層、排水通道之間形成壓強差。在此壓強差作用下，土體中的水滲向排水通道，土體逐漸固結。

在土體總應力基本上不變的情況下，真空預壓法加固機理的實質是降低加固區邊界上的 u值，形成 u（勢）的不均衡分布，通過最大限度發揮土體有效應力的方法來加固土體。理論上，因密封膜將土體與大氣隔絕，則 u最大可降至絕對壓力零點。而實際情況中，各工作要素不可能完全處于理想狀態，因此 u的降低值有下限，故其加固效果也有限。

1.2 真空預壓法對地基土體的影響

1.2.1 加固區內土體的固結

加固區內土體的固結收縮會造成加固區邊緣一定范圍內土體的位移，這種附加位移會對周邊構筑物造成不良影響，但由于該位移僅通過土體本身的粘聚力傳遞，故一般不會造成現場構筑物的開裂，裂縫也不可能發生在遠離加固區的位置，而多半發生在加固區邊緣。

1.2.2 加固區外土體的固結

真空預壓開始后，加固區內地下水位不斷下降，造成加固區外的水位隨之降低，其降低值隨距加固區邊界距離的增大而減小。這有利于加固區周圍土體的固結，但卻容易造成加固區外土體的不均勻沉降[2]。

1.2.3 側向卸載作用

對于地基來說，加固區外的天然土體處于K0固結狀態即σ30= K0σ10，但由于真空的負壓作用，靠近加固區一側的土體相當于荷載降低，此時處于側向卸載狀態發生固結收縮。

抽真空時，加固區內是負壓，加固區外是正常氣壓，因此必然存在著“ 0 ”真空度點。在軟土地基中，真空度沿水平方向和豎直方向都存在沿程損失，故密封溝外某一距離的土層中必然存在 “ 0 ”真空度點，且從豎直方向上看，“ 0 ”真空度點自上而下連接起來應為向加固區傾斜的一條斜線。對加固區邊界和“ 0 ”真空度點之間的土體分析，如圖 1所示，由于側向卸載作用，該土體將受到加固區內的“吸”力作用，因而具有向內發生位移的趨勢，當土體所受剪應力超過其抗剪強度時，土體將會產生裂縫。

圖1 加固區外土體受力分析

圖 1所示僅為一種理想狀況，在實際工程中，砂墊層透水性較強，水平方向的真空度傳遞與淤泥層必然有較大差別。另外，由于密封溝的阻斷作用，沿豎直方向的真空度分布也比較復雜的，側向卸載情況各有不同。再次，影響深度以下的土層會在一定程度上阻礙影響深度內的土層位移。根據現場觀測結果，裂縫通常產生在加固區外 10～20m處。據此推斷，在該范圍土體未發生改變的情況下，該處土體承受的剪應力最大，最易產生裂縫，且裂縫是延續到地下一定深度的。當裂縫產生并逐漸擴大后，由于土體一定深度內無法傳遞真空度，所以對裂縫外土體的影響將大大降低。

2 真空預壓法設計要點

真空預壓法的設計內容除排水系統外，主要包括：密封膜內的真空度，加固土層要求達到的平均固結度，豎向排水體的尺寸，加固后的沉降和工藝設計等。

2.1 膜內真空度

密封膜內達到的真空度是影響真空預壓效果的重要因素。根據國內一些工程的經驗，當采用合理的工藝和設備，膜內真空度一般可維持600mmHg左右，相當于80kPa的真空壓力，此值可作為最大膜內設計真空度。

2.2 加固區內要求達到平均固結度

一般可采用 80%的固結度。如工期許可，也可采用更大的固結度作為設計要求的固結度[3]。

2.3 豎向排水體

真空預壓法加固軟土地基時，必須設置豎向排水設施。由于砂井（袋裝砂井或塑料排水板）能將真空度從砂墊層中傳至土體，并將土體中的水抽至砂墊層然后排出，因此一般采用砂井或塑料排水板。若不設置砂井等就起不到加固的作用和目的。

豎向排水體的間距和地基土質條件是抽真空時間的主要影響因素。為達到相同的固結度，豎向排水體的間距越小，則抽真空的時間越短。

2.4 沉降計算

先計算加固前構筑物荷載下天然地基的沉降量，然后計算真空預壓期間所完成的沉降量，兩者之差即為預壓后在構筑物使用荷載下可能發生的沉降。

預壓期間的沉降可根據設計要求達到固結度推算加固區所增加的平均有效應力，從e-p曲線上查出相應的孔隙比進行計算。

真空預壓的總面積不得小于基礎外緣所包圍的面積，一般真空的邊緣應比建筑物基礎外緣超出2～3m，另外，每塊預壓的面積盡可能大，彼此間可搭接或有一定間距。加固面積越大，加固面積與周邊長度之比也越大，氣密性也越好，真空度也越好。

當在加固區發現有透氣層和透水層時，一般可在塑料薄膜周邊采用另加水泥土攪拌樁的壁式密封措施。

3 討論及結語

真空預壓法在工程實際中運用較多，但使用范圍限于軟土、粉土、雜填土、沖填土等。對于有機質含量較高土體的適用性還有待進一步實驗確定。另外，對于含水率很高的土體，真空預壓法的固結時間是工程進度必須考慮的因素。

真空預壓法對軟土地基加固是非常高效的處理辦法，可以有效降低軟土地基的工程造價。通過本文對真空預壓法的簡單分析，希望能正確選擇地基處理方案，正確使用真空預壓法，綜合考慮各種影響因素，確保工程質量、合理工程造價、保障安全適用。

[1] 高志義.真空預壓法的機理分析[J].巖土工程學報，1989,11：47-49

[2] 王勁，陳曉平.真空預壓法對周邊地基變形影響的研究[J].巖石力學與工程學報，2005,24：5492-5494

[3] 趙明階.土力學與地基基礎[M].北京：人民交通出版社，2010：327-354

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1007-6344（2015）08-0115-01