淤泥在真空預壓加固下的土柱形成試驗研究

李晗峰 許 峰 占 宏

(1.杭州交通投資建設管理集團有限公司，浙江 杭州 311301；2.浙江省三建建設集團有限公司，浙江 杭州 310016； 3.浙江工業大學工程設計集團有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

真空預壓法是目前常用的軟土地基處理方法。該方法被廣泛應用于海涂圍墾、機場等各種工程的軟土地基處理當中[1,2]，但同時該方法也存在一些問題。真空預壓的過程中，排水板(PVD)周圍會形成致密的“土柱”。土柱會導致PVD發生淤堵，阻礙真空荷載的傳遞，減慢固結速率。現有研究的關注重點集中在不同類型的PVD、濾膜的通透性以及淤堵的防治措施[3,4]。近年來，有許多學者對淤堵形成的原因進行了理論分析，但對土柱的形成解釋都是基于特定的假設[5,6]，沒有直接觀察到土柱的運動發展趨勢。為了對土柱的形成機理進行進一步的研究，對土柱的形成進行直觀的可視化研究是十分必要的。粒子圖像測速(PIV)技術作為一種數字圖像測量方法，在許多流體試驗中得到了很好的運用[7]。為了探究真空預壓中淤泥的變形特性，開展室內模型試驗進行了研究，通過結合PIV結果與土體的孔隙水壓力消散、排水量等方面的數據進行分析，獲得土柱的形成原因。

1 模型試驗

1.1 試驗所用的土樣參數

試驗所用土樣取自臺州某真空預壓地基處理現場。通過室內試驗得出土樣基本性質如表1所示。采用激光粒度儀對土樣的級配進行了測定。土樣主要由粉粒組成，土樣的D10和D60分別為4.2 μm和33 μm，粒徑分布較為均勻，屬于粘性土。

土體級配曲線如圖1所示。

1.2 試驗儀器以及方案布置

表1 土樣基本性質

試驗裝置如圖2所示。模型試驗裝置由三部分組成，包括模型箱、真空驅動系統和監測系統。模型箱尺寸為56 cm×30 cm×64 cm，采用2 cm厚的鋼板加工而成，上部設有密封框，通過法蘭連接將真空膜與箱體進行密封，保證模型裝置的氣密性。在模型箱的側面設有抽真空的管道和閥門，通過管道對模型箱內進行抽真空。模型箱的前側壁上設有觀察窗，用于觀測淤泥的運動情況。觀察窗上設有標定點，用于圖像坐標與物理坐標的轉化。真空驅動系統主要由真空泵，水汽分離瓶，真空管，手型接頭和等效孔徑為75 μm的PVD組成。監測系統分為孔隙水壓力測量裝置、出水監測裝置和圖像采集裝置。孔隙水壓力測量裝置采用微型孔隙水壓力傳感器，量程為-100 kPa～100 kPa，精度為0.1%，分別水平對稱布置于距PVD 2.5 cm,5 cm,10 cm的位置處。出水監測裝置為放置于水汽分離瓶下方的高精度電子秤。圖像采集裝置由相機、相機支架、數據采集線和計算機構成。相機固定在與觀察窗平面平行的位置，在觀察窗一定距離處使用相機拍攝某一確定視野范圍區域的圖像，通過USB數據采集線把圖片傳輸到計算機中，儲存圖片并進行后續分析處理。為了得到清晰圖像，在試驗模型箱前方布置了光源。根據拍攝需要，調整相機的光圈與焦距，使成像清晰。拍攝窗口如圖3所示，窗口大小為207 mm×114 mm，位于PVD的中上部，試野上邊緣達手型接頭處，覆蓋范圍包括PVD右側191.26 cm，至PVD左側1.15 cm范圍內。

實驗開展前，事先在模型箱前側觀察窗上人工噴灑粒徑約為100 μm的染色砂，用于PIV技術計算土體的位移場。如圖4所示，由于染色砂噴灑密度稀疏，滲透性遠大于土壤，因此對徑向排水和土壤固結的影響很小。觀察窗粒子噴灑完成后，將PVD緊貼觀察窗并垂直放置。采用手型接頭將PVD和鋼絲軟管進行連接。安裝孔隙水壓力傳感器，將制備好的土樣緩慢裝入模型箱當中，而后在土體表面鋪設一層土工布以及兩層塑料密封膜。鋼絲軟管從模型箱側壁穿出與水汽分離瓶相連，同時將水汽分離瓶的抽氣口連接至射流式真空泵上，真空泵提供的真空壓力為80 kPa。

2 試驗結果分析與討論

2.1 淤泥運動規律

圖5為0 h～3 h內土體在真空預壓情況下的位移場云圖。為便于分析，將位移場分為A,B,C，3個區域，A區為從PVD至距PVD 5.5 cm處；B區為距PVD 5.5 cm～15.5 cm處；C區為距PVD 15.5 cm～19.2 cm處。由圖5a)得，試驗前3 h中，A區內發生較大徑向位移，最大徑向位移為4.5 mm，土柱開始形成。B區內，徑向位移較小，且分布不均勻。C區中的土體基本未發生徑向位移。產生這種現象的原因是，0 h～3 h內，A區內的土體受真空壓力作用，產生較大徑向位移。B區內真空壓力傳遞不均勻，導致徑向位移較小且分布分散。C區因真空壓力未到達，基本未產生徑向位移。由圖5b)得，A區內的土體基本未發生豎向位移。B區內土體豎向位移較大，最大豎向位移為4.0 mm。C區內土體豎向位移值分布為0 mm～0.89 mm。產生這種現象的原因是：A區內的土體受到的水平力較大，發生徑向位移；而B區內的土體由于真空度傳遞到該區域內，因此產生較大豎向位移；C區真空度未傳遞到，其豎向位移產生的原因可能是自重固結。

圖6為3 h～27 h內土體在真空預壓情況下的位移場云圖。如圖6a)所示， 3 h～27 h內，最大徑向位移距PVD約6.53 cm處，位移值為7.7 mm。該時間段內，距PVD 38.36 cm范圍內土體的徑向位移很小。由圖6b)得，上述A區范圍內，基本未發生豎向位移。而PVD遠端，豎向位移較大，且最大豎向位移發生在距PVD 13.83 cm處，位移值為14 mm。產生這種現象的原因是：在3 h～27 h內，隨著真空預壓的進行，真空度已傳遞到距離PVD更遠的地方，從而在遠端產生了較大的徑向位移和豎向位移。而在距PVD近處，由于土柱已經生成，導致PVD附近土體的徑向位移較小。

圖7為27 h～77 h內土體在真空預壓情況下的位移場云圖。如圖7a)所示，在距PVD 5.6 cm范圍內，基本沒有徑向位移。徑向位移最大值距PVD 12.3 cm，且最大位移值為5.9 mm。該值為土體在50 h內產生的徑向位移值，小于上階段24 h內產生的最大徑向位移值。說明土柱的形成阻礙了土體徑向位移的發生。如圖7b)所示，距PVD 7.36 cm范圍內，土體基本不發生豎向位移。隨著真空預壓的進行，土體豎向位移最大值距PVD 18.46 cm處，且最大值約為14 mm。

2.2 孔隙水壓力變化

圖8為孔隙水壓力隨時間變化曲線。由于孔隙水壓力傳感器水平對稱布置，因此選用一側結果進行討論。為與PIV結果進行比較，選取試驗前77 h土體孔隙水壓力數據進行分析，該時間內土體未完全加固，因此孔隙水壓力消散值最大僅約17 kPa。由圖8得，距PVD 10 cm處土體孔隙水壓力值消散平緩。距PVD 5 cm處初期與10 cm處土體消散情況大致相同，約10 h后消散速度加快。這與PIV結果相似，試驗初期，真空度未傳遞到很遠的地方，孔隙水壓力消散慢。隨試驗進行，距PVD 5 cm處受真空壓力影響，孔隙水壓力消散加快。距PVD 2.5 cm處孔隙水壓力消散速度較快，但在大約52 h后，消散速度降低，產生這種現象的原因可能是因為土柱的形成，導致PVD附近發生淤堵，從而降低了孔隙水壓力的消散速度。

2.3 土體排水量

圖9為排水量以及排水速率隨時間變化曲線?？梢钥闯?，在試驗開始的0 h～6 h內，排水速率較快；在6 h～77 h內，排水速率緩慢下降。產生這種現象的原因是，在試驗開始的前6 h內，PVD附近生成的土柱較小，但隨著時間的進一步推進，土柱變大，淤堵現象發生，排水速率下降。試驗過程中，77 h內的總出水量為5 000 mL。

3 結語

本文開展了真空預壓室內模型試驗，通過PIV技術觀察了排水板附近土體在試驗過程中的變形特性。另結合孔隙水壓力值、排水量及排水速率得到如下結論。試驗初期，真空壓力影響范圍有限，排水板附近土體主要發生徑向位移，排水板遠端土體主要發生豎向位移。隨試驗進行，徑向位移最大值向遠離排水板移動。整個試驗過程中，距排水板5.6 cm范圍內的土體豎向位移值很小，試驗過程豎向位移最大值為距排水板最遠端。土柱形成的一個重要原因是因為土體的徑向位移。