預壓固結法加固地基機理的模擬實驗研究

閆澍旺，陶琳*，紀玉誠

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300072；2.天津大學建筑工程學院，天津　300072）

預壓固結法加固地基機理的模擬實驗研究

閆澍旺1，2，陶琳1，2*，紀玉誠1，2

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；2.天津大學建筑工程學院，天津300072）

真空預壓、堆載預壓和降水預壓是加固飽和軟土地基的常用方法。研制了一套模擬各種固結預壓方法機理的模型實驗裝置，可以直觀地觀察各種預壓法加固過程中孔隙水應力與地基土骨架應力的相互轉換和傳遞過程，從而可以明確3種預壓方法的加固機理。該裝置還可以模擬這3種預壓法聯合作用的過程和效果，通過孔隙水應力與地基土骨架應力的轉化過程，可以明確預壓法聯合作用的機理。

預壓演示模型；堆載預壓；真空預壓；降水預壓；聯合預壓

0　引言

預壓固結法是提高飽和軟土地基承載力、減小工后變形的常用方法。預壓荷載可采用堆載、抽真空或降水等，相應的固結方法分別稱為堆載預壓法、真空預壓法和井點降水法。這些方法對各類軟弱土地基均有效。因其施工工藝簡單，加固效果較好，所以預壓法是軟基加固最常采用的方法。

吳桂花等[1]通過室內實驗模擬真空預壓法和堆載預壓法加固不同深度的土體，認為兩種方法均能使土體的物理力學性質得到改善。周顯貴等[2]通過對井點排水方法的總結，闡明井點降水系統的布置、計算方法和經驗參數的選擇。王緒民等[3]根據有效應力原理，從土體應力路徑的角度研究堆載預壓與真空預壓加固軟土地基的機理。賈向新等[4]基于某真空井點降水綜合試驗，提出了真空井點周圍真空及重力場耦合區、耦合場與重力場過渡區和重力場區3個區的概念。吉隨旺等[5]通過上海浦東某工程降水預壓試驗的孔壓測試，分析降水預壓加固軟土地基原理及孔隙水壓力效應。

本文研制了一套模擬不同固結加固飽和軟土地基方法的實驗裝置。該裝置可對真空預壓、堆載預壓以及井點降水的過程進行演示，直觀地看到3種預壓法在加固土體過程中孔隙水壓力、土骨架應力和土骨架變形三者的耦合關系。還可以對3種預壓法的聯合作用進行模擬。本文通過實驗，闡明3種不同預壓法的加固機理，并對3種預壓方法聯合作用的機理及加固效果進行討論。

1　實驗模擬裝置

1）主體模型

模型原理圖如圖1所示。

圖1 模型原理圖Fig.1　The principle diagram of themodel

主體模型由6部分組成：①由有機玻璃制成的容器，內徑30 cm，高100 cm，壁厚為1 cm，內壁打磨光滑；②用來模擬土骨架受力和變形特性的彈簧，用不銹鋼鋼絲特制；③用來模擬土層的隔板，共分4層，由有機玻璃制成，厚1 cm，直徑30 cm，隔板側壁與容器側壁緊密接觸，但可以上下自由運動，類似于工作活塞，最上面的一層隔板起密封作用，中間引出抽氣管路，抽氣管為直徑10 mm的硬塑料管，其余3層隔板上均有若干直徑2 mm的小孔，用以模擬土層的滲透特性；④用蒸餾水將容器充滿，用來模擬土體中的孔隙水；⑤測壓管，用于測量各層的孔隙水壓力變化；⑥截水閥門，用于從裝置底部排水。

2） 附加裝置

①真空泵。模擬真空預壓時，用于向儲壓罐提供真空壓力。②儲壓罐。模擬真空預壓實驗中，用于向模型提供穩定的、大小可控的真空壓力，并收集由固結模型排出的水。罐內壓力由點結點控制的真空表控制，當罐內真空壓力低于設定值時，點結點啟動真空泵，補充罐內壓力損失，以保證罐內壓力穩定于某一設定值范圍。在模擬堆載預壓實驗中，用于抽出堆載過程中排出的水。③砝碼。在模擬堆載預壓實驗中，用于向固結模型提供預壓荷載。

主體模型及附加裝置如圖2所示。

圖2　主體模型及附加裝置Fig.2　Them ainmodeland additional devices

2　實驗方法及步驟

2.1堆載預壓實驗

堆載預壓實驗中，采用三層圓板-彈簧系統，以2 kg砝碼作為外加預壓荷載，以圓板上的透水孔為排水通道，排出的水從上部抽出，采用一次性加荷方式，當圓板-彈簧系統沉降穩定后即停止實驗。

實驗步驟如下：1）在模型容器中注滿水，使隔板、彈簧和孔隙水處于穩定平衡狀態，記錄各個隔板的初始位置和測壓管水頭（簡稱注水）；2）在頂層圓板中間放置砝碼，使外加荷載壓力傳遞到模型中；3）打開儲壓罐閥門，將裝置頂部排出的水抽出；4）記錄不同時刻各個隔板位置以及測壓管的讀數（簡稱記錄）。

2.2真空預壓實驗

真空預壓實驗中，采用三層圓板-彈簧系統，實驗過程中需要1臺真空泵以及1個儲壓罐，用軟管將真空泵和儲壓罐一側閥門連接，同時使儲壓罐的另一側閥門與模型頂層圓板上的抽氣管路相連接。實驗過程中，使真空壓力保持為-50 kPa，當頂層圓板與水面分離時，即結束實驗。

實驗步驟如下：1）開啟真空泵，使儲壓罐內的真空壓力保持在設定值；2）注水；3）打開模型與儲壓罐連接管路的閥門，使真空壓力傳遞到模型中，并且將排出的孔隙水輸送到儲壓罐中；4）記錄。

2.3井點降水實驗

井點降水實驗中，采用三層圓板-彈簧系統，以模型底部的閥門為排水通道，以外界大氣模擬不斷抽水的降水井，以閥門開度模擬土體的滲透性。實驗過程中，閥門開度始終保持為30°，當頂層圓板與水面分離時即停止實驗。

實驗步驟如下：1）注水；2）打開模型底部閥門開始降水，閥門開度為30°；3）記錄。

2.4堆載-井點聯合預壓實驗

堆載-井點聯合預壓實驗中，采用下部三層圓板-彈簧系統，以2 kg砝碼作為外加預壓荷載，以圓板上的透水孔為排水通道，排出的水從上部抽出，采用一次性加荷方式，同時以模型底部的閥門為降水預壓的排水通道，以外界大氣模擬不斷抽水的降水井，以閥門開度模擬土體的滲透性。閥門開度保持為30°，當頂層圓板與水面分離時即停止實驗。

實驗步驟如下：1）注水；2）在頂層圓板中間放置砝碼，使外加荷載壓力傳遞到模型中，與此同時打開模型底部閥門，進行降水，閥門開度為30°；3）使儲壓罐內保持一定負壓，實驗過程中打開儲壓罐閥門，將裝置頂部排出的水抽出；4）記錄。

2.5真空-堆載聯合預壓實驗

真空-堆載聯合預壓實驗中，采用三層圓板-彈簧系統，以2 kg砝碼作為堆載預壓荷載，以圓板上的透水孔為排水通道，采用一次性加荷方式，同時在裝置頂部抽負壓，使真空壓力保持在-50 kPa。當頂層圓板與水面分離時即停止實驗。

實驗步驟如下：1）開啟真空泵，使儲壓罐內真空壓力保持在設定值；2）注水；3）打開模型與儲壓罐連接管路的閥門，使真空壓力傳遞到模型中，并將排出的孔隙水輸送到儲壓罐中，與此同時在頂層圓板頂部加放砝碼；4）記錄。

3　實驗結果與分析

3.1堆載預壓實驗結果與分析

堆載預壓實驗過程中，每隔5 s對測壓管的讀數進行1次記錄，根據所得數據可以繪制出3支測壓管讀數隨時間變化曲線即圖3，測壓管編號從左到右依次為1、2、3，1號測壓管對應裝置最底層孔隙水壓力，3號測壓管對應裝置的最上層的孔隙水壓力。

圖3　堆載預壓情況下測壓管讀數隨時間變化曲線Fig.3　In the case of stack preloading,the curve ofpiezometric tube readings changewith time

由圖3可以看出，在加載瞬間3支測壓管讀數會瞬時增加，達到同一峰值，隨后測壓管讀數開始逐漸減小，3號測壓管減小的速率最快，2號測壓管次之，而1號測壓管讀數下降最為緩慢。這說明在加載瞬間，模型中的彈簧來不及變形，外界壓力全部由孔隙水承擔，產生超孔隙水壓力，且不同深度的超孔隙水壓力大小相等。而隨著孔隙水從圓板上的透水孔逐漸排出，超孔隙水壓力逐漸消散，外界壓力逐漸轉變為由彈簧和孔隙水共同承擔。3號測壓管讀數下降最快，1號測壓管讀數下降最慢，這是由于排水通道位于模型頂部，使得上層超孔隙水壓力最先消散，底層超孔隙水壓力最后消散。根據有效應力原理可知，堆載預壓過程中，在總應力不變的情況下，隨著孔隙水壓力的消散，有效應力會逐漸增加，使土體達到加固的效果。因為上層孔隙水壓力最先消散，所以上層土會最先被加固。

3.2真空預壓實驗結果與分析

真空預壓實驗過程中，實驗開始后每隔10 s記錄1次測壓管讀數，根據所得數據可以繪制出測壓管讀數隨時間變化曲線，如圖4所示。

圖4為3只測壓管讀數隨時間的變化曲線，由圖可以看出，實驗開始后，隨著模型中的水被抽出，各個測壓管的讀數不斷下降，而3號測壓管的讀數下降的較快，且一直低于其他測壓管，2號測壓管次之，1號測壓管讀數下降相對比較緩慢。這說明裝置最上層的真空壓力最大，在向下傳遞的過程中依次遞減。由于測壓管讀數代表孔隙水壓力的大小，可知裝置上層的孔隙水壓力減小的速率大于裝置下層的孔隙水應力減小的速率，根據有效應力原理可知，在真空預壓的情況下，在總應力不變的情況下，上層土體的孔隙水應力減小的最快，有效應力增加的最快，即上層土體最先被加固。

圖4　真空預壓情況下測壓管讀數隨時間變化曲線Fig.4　In the case of vacuum p reloading,the curve of piezometric tube readings changew ith time

3.3降水預壓實驗結果與分析

降水預壓實驗過程中，實驗開始后每隔10 s記錄1次測壓管讀數，根據所得數據，可以繪制出測壓管讀數隨時間的變化曲線，如圖5所示。

圖5　降水預壓情況下測壓管讀數隨時間變化曲線Fig.5　In the case of p recip itation preloading,the curveof piezometric tube readingschangew ith time

由曲線可以看出，當底部閥門打開后，3支測壓管的讀數都開始下降，且1號測壓管的讀數下降最快，2號次之，3號測壓管讀數下降的最慢。測壓管的這種變化趨勢恰好與真空預壓相反。這說明裝置底部產生了真空壓力，且真空壓力隨著高度的增加而逐漸減小。在真空壓力作用下，裝置底部孔隙水應力減小的最快，裝置頂部孔隙水應力減小的最慢。根據有效應力原理可知，裝置底部的有效應力增加的最快，越往上有效應力增加的越慢。此理論不考慮由于地下水位下降使得上部土體重度由浮重度變為天然重度，從而導致下部土體有效壓力增大得到加固這一部分機理。

3.4堆載-井點聯合預壓實驗結果與分析

堆載-井點聯合預壓實驗過程中，每隔10 s對測壓管讀數進行1次記錄，根據所得數據可以繪制出測壓管讀數隨時間變化曲線，如圖6所示。

圖6　堆載-井點聯合預壓測壓管讀數隨時間變化曲線Fig.6　In the case of stack-precipitation preloading,the curve of piezometric tube readings change with tim e

由圖6可以看出，在開始實驗后，3支測壓管讀數達到同一峰值隨后開始下降，最初3號測壓管讀數下降最快，1號次之，2號最慢，而隨著實驗的進行3號測壓管的下降速率開始變緩，逐漸小于1、2號測壓管，且與1、2號測壓管分別產生一個交點。測壓管的這種變化趨勢說明，在實驗開始時，堆載的作用大于井點降水的作用，使得上層的孔隙水壓力最先消散，所以3號測壓管讀數最先下降，而隨著上層孔隙水應力的消散，3號測壓管的下降速率逐漸減小，井點降水的作用占據了主導地位，使得1、2號測壓管的讀數持續下降，逐漸超越了3號測壓管，也即下層的孔隙水應力不斷降低，逐漸小于上層的孔隙水應力。所以在堆載-井點降水聯合作用的情況下，根據有效應力原理可知，開始時堆載預壓起主要作用，隨著時間的推移井點降水開始占據主導作用，使得下層的孔隙水應力持續下降，從而增加了有效應力，這就是堆載-井點降水聯合作用的機理。聯合作用使得上下層土體的孔隙水應力同時消散，大大縮短了加固的時間。

3.5真空-堆載聯合預壓實驗結果與分析

真空-堆載聯合預壓實驗過程中，每隔20 s對測壓管讀數進行1次記錄，根據所得數據可以繪制出測壓管讀數隨時間變化曲線，如圖7所示。

圖7為3支測壓管讀數隨時間變化曲線，由圖可以看出，在開始實驗后，3支測壓管讀數達到同一峰值隨后開始下降，最初3號測壓管讀數下降最快，2號次之，1號最慢，在60 s左右時，3號測壓管讀數的下降趨勢開始變緩，在80 s左右時，1、2號測壓管讀數的下降趨勢開始變緩，3支測壓管讀數幾乎要達到穩定狀態，這一階段測壓管讀數的變化趨勢類似于堆載預壓。此后3支測壓管的讀數變化趨勢與真空預壓相同。測壓管讀數的這種變化趨勢說明，在實驗開始時，堆載預壓起主要作用，使得3支測壓管讀數的變化趨勢與堆載預壓相似，當3支測壓管讀數快要達到一個穩定的狀態時，表明堆載預壓引起的超孔隙水壓力已經消散完成，此后真空預壓起主要作用，所以測壓管讀數的變化趨勢與真空預壓一樣。

4　結語

1）此套模型能夠模擬各種固結預壓方法機理，且模型實驗具有可重復性、實驗條件易于控制和改變等優點。

2）堆載預壓實驗闡明了堆載預壓加固地基的機理，即外加荷載施加瞬間會產生超靜孔隙水壓力，隨著超孔隙水壓力的消散，有效應力逐漸增加，使得土體被加固。

3）真空預壓實驗解釋了真空預壓加固地基的機理，即隨著抽真空的進行，真空壓力逐漸作用在裝置頂部并逐漸向下傳遞，隨著真空壓力的增加孔隙水應力逐漸減小，使得有效應力逐漸增加，從而達到加固土體的效果。

4）降水預壓實驗解釋了降水預壓加固地基的機理，即隨著孔隙水的排出，在裝置底部逐漸產生負壓，并逐漸向上層土體傳遞。隨著負壓的不斷增加孔隙水應力逐漸減小，根據有效應力原理可知，有效應力會漸逐增加，使得土體被加固。

5）堆載-井點聯合預壓法的機理結合了堆載預壓和降水預壓的機理，即堆載預壓和降水預壓同時起作用，加快了土體的固結。

6）真空-堆載聯合作用的機理為，開始時遵循堆載預壓的加固機理，在堆載預壓引起的超孔隙水壓力消散后，開始遵循真空預壓的加固機理。

[1]吳桂芬，高玉峰，魏代現,等.真空和堆載兩種預壓法的室內試驗研究[J].巖土力學，2005（S1）：95-98. WUGui-fen,GAOYu-feng,WEIDai-xian,etal.Study on laboratory testofvacuum and surcharge preloading[J].Rock and SoilMechanics,2005(S1):95-98.

[2]周顯貴.井點排水法降低地下水位方法的探討[J].西北水力發電，2005（S2）：21-22. ZHOU Xian-gui.The discussion of well point drainage method reducing the underground water level[J].Journal of Northwest Hydroelectric Power,2005(S2):21-22.

[3]王緒民，趙若華，苗永剛.堆載預壓與真空預壓加固軟土地基機理的比較分析[J].工程勘察，2009（9）：9-12. WANG Xu-min,ZHAO Ruo-hua,MIAOYong-gang.Comparative and analysisofmechanism ofsoftclay consolidation by thevacuum preloading and heaped preloading[J].Geotechnical Investigation& Surveying,2009(9):9-12.

[4]賈向新，聶慶科，王英輝，等.真空井點降水試驗分析與數值模擬[J].巖土力學，2014（S2）：607-612. JIA Xiang-xin,NIEQing-ke,WANGYing-hui,etal.Analysisand numericalsimulation ofvacuum wellpointdewatering test[J].Rock and SoilMechanics,2014(S2):607-612.

[5]吉隨旺，張倬元.降水預壓軟基處理技術中孔隙水壓力效應研究[J].工程地質學報，2001（4）：368-372. JISui-wang,ZHANG Zhuo-yuan.Study on the effect of pore water-pressure in technology of dewatering soft soil foundation treatment[J].Journalof EngineeringGeology,2001(4):368-372.

Simulation experiment on themechanism of preloading consolidation m ethod to reinforce foundation

YANShu-wang1,2,TAO Lin1,2*,JIYu-cheng1,2
（1.State Key Laboratory ofHydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Schoolof CivilEngineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

The vacuum preloading,stack preloading and precipitation preloading are the commonly used methods to reinforce saturated soft soil foundation.We developed a set of test apparatus for simulating various consolidation preloadingmethods' mechanism,which can intuitively observe the mutual conversion and transfer process of pore water and the foundation soil skeleton stress,consequently can clear the reinforced mechanism of three kinds of preloadingmethod.The device also can simulate the process and effects of the combined action of three preloadingmethods.Through the transformation of the pore water stressand the soil skeleton stress,we clearly defined themechanism of the combined action of the preloadingmethods.

preloading demonstrationmodel;stack preloading;vacuum preloading;precipitation preloading;joint preloading

U655.544.4

A

2095-7874（2016）10-0031-05

10.7640/zggw js201610007

2016-06-14

2016-08-29

國家自然科學基金資助項目（41272323）

閆澍旺（1950— ），男，天津市人，教授，博士生導師，主

要從事軟弱地基處理方面研究。

陶琳，E-mail：851597751@qq.com