以降低含水量為目標(biāo)的真空預(yù)壓設(shè)計(jì)探討

周嘉行

【摘要】通過運(yùn)用土的三相比例指標(biāo)，提出了對(duì)于為工程建設(shè)地下室服務(wù)的真空預(yù)壓，建議采用以降低含水量為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，以地表沉降量作為唯一停泵標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際工程算例表明通過計(jì)算地表沉降量推算含水量變化的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)接近。

【關(guān)鍵詞】真空預(yù)壓；含水量；淤泥；停泵標(biāo)準(zhǔn)

Discussion of Vacuum Preloading Design

Aims to Reduce the Moisture Content

Zhou jiaxing

Abstract： By means of appling the three phase proportion index of soil， a vacuum preloading design method is put forward， which aims to reduce the moisture content of soil. The settlement of the surface of the earth could be the only one standard of stopping the pumps. The engineering example shows the calculation result of the change of the moisture content of soil through the settlement of the surface of the earth is close to the testing result.

Keywords： vacuum preloading； moisture content； Silt； standard of stopping the pumps

真空預(yù)壓是通過對(duì)覆蓋于豎井地基表面的封閉薄膜內(nèi)抽真空排水使地基土固結(jié)壓密的地基處理方法，適用于處理以黏性土為主的軟弱地基，能加速地基的固結(jié)和強(qiáng)度增長(zhǎng)，提高地基的穩(wěn)定性，加速沉降發(fā)展，使基礎(chǔ)沉降提前完成。

1、設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

真空預(yù)壓設(shè)計(jì)中常以預(yù)壓完成后地基的平均固結(jié)度作為真空預(yù)壓處理效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，固結(jié)度越大，處理效果越好。影響固結(jié)度的因素包括排水豎井（塑料排水板）的尺寸、間距、預(yù)壓荷載大小、加載速率、真空預(yù)壓工期、土層豎向排水距離和土層排水固結(jié)系數(shù)等。

真空預(yù)壓的目標(biāo)可包括地基承載力、十字板剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度和含水量等，而停泵標(biāo)準(zhǔn)主要包括地表沉降量和地表沉降速率要求等。由于必須在真空預(yù)壓完成后才能對(duì)其處理效果進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)際工程中只能通過地表沉降量、地表沉降速率、真空度和孔隙水壓力等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷真空預(yù)壓的效果。只要停泵開展檢測(cè)，無論是鉆探取樣還是十字板剪切試驗(yàn)都必然對(duì)密封膜產(chǎn)生破壞，如果處理效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求也無法再直接繼續(xù)進(jìn)行真空預(yù)壓。真空預(yù)壓的成敗對(duì)項(xiàng)目建設(shè)關(guān)系重大，因此，停泵標(biāo)準(zhǔn)的確定就尤為重要。

規(guī)范[1]對(duì)以變形控制設(shè)計(jì)的建筑物和以地基承載力或抗滑穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)的建筑物提出了真空預(yù)壓的設(shè)計(jì)方法。通過確定對(duì)應(yīng)總荷載的地基平均固結(jié)度需求和計(jì)算總荷載下的地基沉降，確定真空預(yù)壓完成后的地表沉降量要求，以此作為主要的真空預(yù)壓停泵標(biāo)準(zhǔn)。

2、設(shè)計(jì)目標(biāo)

因城市發(fā)展的需要，近年在深厚淤泥的場(chǎng)地上建設(shè)地下室的工程越來越多，真空預(yù)壓地基處理的工程應(yīng)用也隨之越來越多。在這些工程中，先進(jìn)行真空預(yù)壓，再施工基坑支護(hù)，接著進(jìn)行樁基施工和土方開挖成為常見的施工順序。與以提高地基承載力和減少工后沉降為主要目標(biāo)的工程不同，這些工程進(jìn)行真空預(yù)壓的目的是便于后續(xù)基坑開挖及工程樁基礎(chǔ)施工，為后續(xù)施工提供工作面，確?；蛹皹痘┕ぐ踩?/p>

真空預(yù)壓降低淤泥的含水量從而改善淤泥性狀，可起到減少基坑支護(hù)主動(dòng)土壓力，提高基坑支護(hù)被動(dòng)土壓力，提高水泥攪拌樁強(qiáng)度[2]，提高基坑土方開挖便利性，提高承臺(tái)土方開挖安全度和降低基坑底淤泥上涌可能性等作用。在這種情況下，真空預(yù)壓的目標(biāo)是降低含水量，與以提高地基承載力和減少工后沉降為主要目標(biāo)的工程有以下區(qū)別：

1.真空預(yù)壓后不在淤泥上增加荷載，不需對(duì)淤泥提出承載力要求。平均地基承載力和十字板剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度不適宜作為真空預(yù)壓的目標(biāo)。

2.以降低含水量為目標(biāo)的工程實(shí)踐與固結(jié)度無直接關(guān)系，難以確定淤泥真空預(yù)壓后含水量目標(biāo)和固結(jié)度目標(biāo)的關(guān)系。淤泥含水量可對(duì)應(yīng)于不同預(yù)壓荷載下不同的固結(jié)度。

3.淤泥最終沉降量計(jì)算結(jié)果常常與實(shí)際情況差異較大，難以保證通過計(jì)算固結(jié)度和最終沉降量得出的地表沉降量作為主要停泵標(biāo)準(zhǔn)的可信度。

因此，以下提出以降低含水量為目標(biāo)的真空預(yù)壓設(shè)計(jì)方法。

3、以降低含水量為目標(biāo)的真空預(yù)壓設(shè)計(jì)

3.1地表沉降量

土由固相（土顆粒）、液相（水）和氣相（空氣）組成。在真空預(yù)壓前后，土顆粒的質(zhì)量不變，部分水和空氣排出原土體以外，從而導(dǎo)致地表沉降。根據(jù)土的三項(xiàng)比例指標(biāo)[3]，忽略土中空氣的質(zhì)量，假設(shè)真空預(yù)壓前后土的飽和度不變，則含水量變化

ω-ω′=Δmw/ms=ρwΔVw/（ρdV）= ρwSrΔVv/（ρdV）= ρwSrΔhv/（ρdh） （1）

式中，ω為真空預(yù)壓前含水量，ω′為真空預(yù)壓后含水量，Δmw為真空預(yù)壓抽出水的質(zhì)量，ms為土粒的質(zhì)量，ρw為水的密度，ΔVw為真空預(yù)壓抽出水的體積，ρd為真空預(yù)壓前土的干密度，V為真空預(yù)壓前土的體積，Sr為土的飽和度，ΔVv為土中孔隙體積的變化量，Δhv為真空預(yù)壓后地表沉降量，h為真空預(yù)壓有效影響深度。

整理式（1）可得

Δhv=ρdh（ω-ω′）/（ρwSr） （2）

因此，根據(jù)勘察報(bào)告提供的ρd、ω和Sr，結(jié)合工程需要的ω′和h，即可確定真空預(yù)壓后地表沉降量。

3.2停泵標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于以降低含水量為目標(biāo)的真空預(yù)壓，控制地表沉降量即確定了含水量的變化量，從而控制真空預(yù)壓完成后的含水量。因此，可以地表沉降量作為唯一停泵標(biāo)準(zhǔn)。沉降速率大小與塑料排水板間距、淤泥固結(jié)系數(shù)和顆粒大小有關(guān)，與含水量無必然聯(lián)系，不必作為停泵標(biāo)準(zhǔn)。

3.3真空預(yù)壓后含水量

土中的液態(tài)水以結(jié)合水和自由水兩種形式存在。淤泥的粘粒含量比較大導(dǎo)致其結(jié)合水占的比例較高，且粘粒越小，結(jié)合水占比越高。由于結(jié)合水在土粒的電場(chǎng)引力范圍內(nèi)，不傳遞靜水壓力，故真空預(yù)壓不能排出土中的結(jié)合水，僅能排出土中的自由水。

基坑支護(hù)和土方、承臺(tái)開挖的風(fēng)險(xiǎn)主要在于淤泥的含水量大，流動(dòng)性很高。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，淤泥處理后含水量在50%～55%范圍內(nèi)，有較好的效果，開挖的風(fēng)險(xiǎn)基本可控。真空預(yù)壓的目的是使淤泥狀態(tài)從流塑改善為軟塑，即處理后含水量低于液限，因此可以真空預(yù)壓前淤泥的液限作為預(yù)壓后淤泥含水量的目標(biāo)。

3.4真空預(yù)壓有效影響深度

工程實(shí)踐表明，塑料排水板深度范圍內(nèi)，真空預(yù)壓后的淤泥含水量均有所降低，越接近地表的淤泥含水量的改善效果越好，主要原因有以下幾個(gè)方面：

1.真空度往下傳遞有一定衰減，約為每延米（0.8～2.0）kPa[4]。

2.真空預(yù)壓過程中，由于土中的水以脈沖的形式通過塑料排水板排出，對(duì)塑料排水板產(chǎn)生向上的作用力，使得塑料排水板局部不可避免地向上位移，導(dǎo)致塑料排水板彎曲。處于塑料排水板底部末端的淤泥由于該部位的塑料排水板的移位，預(yù)壓效果大打折扣。

3.土壓力隨深度加大而加大，較大的土壓力壓縮了塑料排水板截面，使有效的排水通道縮窄。

4.真空預(yù)壓過程中，可能因土顆粒進(jìn)入塑料排水板芯板堵塞排水通道，也可能發(fā)生塑料排水板受拉斷裂的現(xiàn)象。這使得塑料排水板失效的概率隨深度加大而加大。

因此，在實(shí)際工程中運(yùn)用式（2）時(shí)，可沿深度方向分段計(jì)算沉降量后求和，以更真實(shí)反映實(shí)際含水量的變化情況，具體見式（3），等號(hào)右側(cè)均為淤泥沿深度方向分段范圍內(nèi)的參數(shù)：

Δhv=Σρdihi（ωi-ωi′）/（ρwSri） （3）

4、工程算例

某工程地處珠海市橫琴新區(qū)，設(shè)計(jì)兩層地下室，基坑開挖深度為6.5m。原狀地面上部為平均厚度2m的人工填土層，下部為平均厚度20m的淤泥層，工程特性較差，故先采用真空預(yù)壓進(jìn)行地基處理，再開挖土方至基坑底，然后錘擊預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。塑料排水板按正方形排列，間距1.2m，排水板打設(shè)深度為15m。真空預(yù)壓后的平均地表沉降量為1.185m。在基坑底對(duì)淤泥鉆探取樣，真空預(yù)壓前后淤泥含水量見表1，土工試驗(yàn)對(duì)比見表2。

表1真空預(yù)壓前后各深度段淤泥含水量對(duì)比表

標(biāo)高范圍 處理前含水量（%） 處理后含水量（%） 變化量（%）

0～-6.0m 71.6 51.1 20.5

-6.0～-10.0m 72.4 59.3 13.1

-10.0m～-15.0m 63.8 56.6 7.2

表2 真空預(yù)壓前后土工試驗(yàn)對(duì)比表

物理力學(xué)指標(biāo) 處理前 處理后

含水量（%） 68.1 56.3

干密度（g/cm3） 1.57 1.61

比重 2.68 2.68

孔隙比 1.877 1.608

飽和度（%） 97 94

液限（%） 50.2 54.1

塑限（%） 29.5 30.1

塑性指數(shù) 20.7 21.2

液性指數(shù) 1.90 1.22

粘聚力（kPa） 5.3 7.9

內(nèi)摩擦角（°） 1.3 3.7

忽略人工填土層的含水量變化，假設(shè)真空預(yù)壓后淤泥含水量變化量沿深度方向線性變化，淤泥面（-2.0m）處最大，塑料排水板底（-15.0m）為0。

由于取樣處（-6.5m）的含水量變化量為68.1-56.3=11.8，設(shè)-8.5m處（淤泥范圍內(nèi)的塑料排水板的中點(diǎn)）的含水量變化量為ω′，則

11.8/Δω=8.5/6.5

Δω為淤泥含水量平均變化值，可得Δω=9.0，所以所以ω′=68.1-9.0=59.1。

運(yùn)用式（2）可得真空預(yù)壓后地表沉降量計(jì)算值為1.134m，是實(shí)測(cè)地表沉降量的95.7%，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)接近。

結(jié) 語

對(duì)于為工程建設(shè)地下室服務(wù)的真空預(yù)壓，建議采用以降低含水量為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，以地表沉降量作為唯一停泵標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際工程算例表明通過計(jì)算地表沉降量推算含水量變化的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)接近。

參考文獻(xiàn)

[1] JGJ 79-2012.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]莫海鴻，楊小平.基礎(chǔ)工程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003：211.

[3]楊小平.土力學(xué)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001：15-18.

[4]龔曉南.地基處理手冊(cè)（第三版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：211