真空堆載聯合預壓處理印尼結構性軟土孔隙水壓力響應研究

趙 鋒，朱承全，許德永，吳紅兵

(中鐵四局集團第一工程有限公司，安徽合肥 230000)

真空聯合堆載預壓是軟基處理中應用較為廣泛的一項地基處理技術。在進行真空聯合堆載預壓時，通過采用地表沉降、孔隙水壓力、地下水位、真空度和深層水平位移等監測手段來評估地基加固效果。其中，孔隙水壓力的消散規律不僅影響著最終的加固效果，而且對地下水位的變化和土體的變形等地基土體的加固過程有較大的影響。很多專家學者對此進行了研究[1-3]。但是火山灰土由于其高含水率、高塑限、高壓縮性等獨特的結構性[4]，與一般軟土的物理力學性質區別開來，因而在采取真空聯合堆載預壓進行地基處理時，地基沉降速率和沉降量、孔隙水壓力消散過程均會有較大的差異。本文在印尼爪哇島萬隆地區的火山灰軟土進行真空聯合堆載預壓處理時，通過對其孔隙水壓力的觀測，分析孔隙水壓力在結構性軟土中的消散規律，并結合地下水位變化、地表沉降變形規律，探究孔隙水壓力與地下水位、土體變形的關系，為火山灰軟土的結構性研究提供參考。

1 工程概況

試驗區為中國中鐵印尼雅萬高鐵Tegal Luar Depot動車所所在位置，該地段位于山間盆地，地形平緩，主要有第四系全新統人工填土層(Qml)，包括填筑土、素填土和雜填土；第四系全新統湖積層(Ql)，包括淤泥、黏土、粉質黏土、粉土、粉砂、細砂和中砂；第四系更新統火山堆積層(Qyu)，包括黏土、細砂、細圓礫土、細角礫土、泥巖(半成巖)、砂巖(半成巖)和角礫巖(半成巖)。填土層的填筑土為棕褐色或者深褐色，成分以粉質黏土為主，夾較多碎石及白灰；素填土為黃褐色，呈軟塑狀，以粉質黏土為主，夾少量礫砂，層厚為1.0～4.0 m；雜填土為黃褐色、灰褐色或者棕紅色，呈軟塑、流塑狀，成分以黏土為主，夾少量混凝土碎屑，層厚為1.0～5.0 m。湖積層的上部普遍分布③11淤泥，層厚為0.7～22.2 m，普遍分布的③22和③23黏土呈深褐色或者灰褐色，呈軟塑狀，層厚0.8～13.4 m，屬于松軟土地層。表1為主要土層的物理力學性質參數。

表1 試驗段土層主要物理力學性質

加固區為長方形，如圖1(a)，面積約為1 380 m2，排水板插打深度為20 m左右，間距為0.8 m，正方形排布。現場監測內容包括地表沉降、孔隙水壓力、水位變化和真空度六項監測內容。其中孔隙水壓力選用JTM-V3000鋼弦式孔壓計測量，用頻率接收儀測試孔壓變化情況，采用一孔多計的埋設方式，如圖1(b)所示，埋設深度分別為地下0.3 m、2 m、4 m、6 m、9 m、12 m、15 m和18 m，以全面掌握地基土體中孔隙水壓力的增長與消散情況、土體的固結狀態。

(a)監測點排布平面

(b)孔隙水壓力計布設斷面圖1 試驗區各監測點排布平面和孔隙水壓力計布設斷面

試驗區抽真空開始時間為2018年12月11日，2018年12月14日，由于真空膜破損，導致真空度突然降為0 kPa，維修后重新抽真空，并于2019年2月13日膜下真空度達到80 kPa，72 d后開始進行土方堆載，并于2019年3月29日完成全部堆載。另外，抽真空期間，試驗區出現為期一個月的降雨。

2 孔隙水壓觀測結果

為了能直觀地看出孔隙水壓力在抽真空和堆載階段的變化情況，采用荷載-超靜孔隙水壓力-時間曲線來進行描述。從圖2中可以看出，各深度的超靜孔隙水壓力消散規律，總體上較為相似，這表明孔隙水壓力在同一位置沿不同深度的消散規律基本相近。在抽真空初始階段，隨著真空度值緩慢上升，各深度的孔隙水壓力分別從初始值12.6 kPa(0.3 m處)、24 kPa(2 m處)、41.1 kPa(4 m處)、59.8 kPa(6 m處)、88.4 kPa(9 m處)、109.6 kPa(12 m處)、142.3 kPa(15 m處)、179.8 kPa(18 m處)開始下降，之后由于真空度下降為0kPa，各深度的孔隙水壓力均出現回升；經過處理，真空度重新增長，孔隙水壓力也隨之下降。施加堆載壓力期間，受荷載影響，土體產生超孔隙水壓力，所測孔隙水壓力有一定增大，但很快上覆荷載產生的超孔隙水壓力開始逐漸消散，但此時的下降速率(平均0.9 kPa/d)要小于真空預壓初始階段(平均1 kPa/d)。分析看來，由于分級堆載的進行，產生了超靜孔隙水壓力，因而孔隙水壓力呈現上升的趨勢。當堆載全部結束，孔隙水壓力才快速下降(平均2.4 kPa/d)，最終趨于穩定，如表2所示。

圖2 不同深度的超靜孔隙水壓力與荷載關系曲線

表2 真空聯合堆載預壓各階段不同深度處的孔隙水壓力 kPa

值得注意的是，各深度的孔隙水壓力消散速率隨著深度的增長而遞減，呈現上快下慢的趨勢，即上部區域消散速率較快(0.3 m處孔壓消散速率平均1.4 kPa/d)，下部深層土體孔壓消散較慢(18 m處孔壓消散速率平均0.7 kPa/d)，這與真空負壓隨著深度逐漸衰減是對應的，上部區域負壓較大，孔隙水壓力消散速率也就更快。

土體的結構性使得孔隙水壓力在堆載期間出現了“曼德爾效應”。這是由于該地基土屬于火山灰沉積，其土質具有超高含水率(最大值283 %)、超高孔隙比(最大值7.043)、超高液塑限(Ip最大值87.8)、高壓縮性、低滲透性等特性，突然的真空度降低以及堆載壓力的上覆，使得超靜孔隙水壓力突然上升，一方面，火山灰土的低滲透性和超高含水率導致其消散速率很低，另一方面當超靜孔隙水壓力作用于土體時，土單元被這種球應力均勻施壓，土體外殼進一步收縮變形，土的結構性被破壞，造成短時間內土單元內部由于受限無法相對變形，無法轉變為有效應力，從而表現為孔隙水壓力不斷增長的現象[5-6]。

3 孔隙水壓力消散與土體變形、水位變化的關系

3.1 孔壓消散對地表沉降的影響

雖然不同深度的孔隙水壓力消散速率不同，但是孔隙水壓力的發展規律相似，這里選取中間監測點，即地下9 m處的孔隙水壓力的消散過程，來分析其與地表沉降量的關系，如圖3所示。隨著孔隙水壓力的不斷消散，地表沉降量不斷增大。孔壓消散前期，由于超靜孔隙水壓力的存在，地表沉降量很小，前25 d累計沉降量只有0.5 m左右，平均沉降速率為0.02 m/d。隨著孔隙水壓力的緩慢消散，沉降速率逐漸增大；后期由于超靜孔隙水壓力消散速率下降，地表沉降速率也隨之變緩，由原先的0.037 m/d下降到0.014 m/d。當堆載完成，孔隙水壓力快速消散，沉降速率也變大，達到0.043 m/d。值得注意的是，在分級堆載期間，孔隙水壓力消散速率小于超靜孔隙水壓力增長速率，導致孔隙水壓力不斷增加，但是在該階段，沉降速率卻是所有階段中最大的，達到了0.058 m/d，而且截止目前，其累計沉降量也已經超過3 m。這主要是因為火山灰軟土具有較大的壓縮性，而且在荷載作用下土體的結構被破壞。

圖3 孔隙水壓力與地表沉降量的關系曲線

3.2 孔壓消散對地下水位的影響

孔隙水壓力的消散情況，對地下水位的變化也有一定影響。從圖4可以看出，隨著孔隙水壓力的不斷消散，地下水位也逐漸下降，期間地下水位突然上升，主要是因為在該階段試驗區出現了降雨。當降雨結束，地下水位持續下降，下降速率達到0.044 m/d。在分級堆載期間，由于上覆荷載的作用，導致土的結構性遭到破壞，地下水位出現較大起伏，孔隙水壓力的持續消散與超靜孔隙水壓力的增長互相作用、影響抵消，地下水位下降速率較為平緩；分級加載結束后，地下水位才開始緩慢下降。但在分級堆載期間，通過分析地下水位變化和地表沉降的影響因素，可以發現，沉降受到外加荷載的影響更大，水位受到外加荷載和孔隙水壓力消散的共同影響時，不會發生較大的變化，這主要是因為，一是兩者的作用對象不同，沉降是相對于土體而言，而水位是相對于水而言；二是當孔隙水壓力的消散和外加荷載共同作用時，火山灰土的結構性在堆載荷載的作用下被破壞，土體更容易發生壓縮變形[7]。

圖4 孔隙水壓力與地下水位變化曲線

4 結論

通過對印度尼西亞火山灰軟土真空聯合堆載預壓處理段的監測，得到孔隙水壓力在結構性軟土中的消散規律，并分析得到孔隙水壓力的消散對地表沉降和地下水位的影響。結論如下：

(1)隨著真空壓力的增加，孔隙水壓力逐漸消散，當開始進行堆載荷載時，孔隙水壓力曲線不斷增加，同時在堆載期間出現了“曼德爾效應”，持續了20 d以上，主要是因為火山灰軟土結構性遭到破壞，滲透性降低，產生的超靜孔隙水壓力不能及時消散。

(2)地表沉降速率隨著孔隙水壓力消散速率的增大而增大，當進行堆載荷載時，孔隙水壓力升高，沉降速率明顯增大，一是因為火山灰軟土具有較大的壓縮性，外加荷載對土體的壓縮作用影響較大，同時產生超靜孔隙水壓力作用在土單元外殼，也使得土體內部壓縮變形；二是在堆載荷載的作用下，土的結構性被破壞，因而出現明顯的沉降變化。

(3)地下水位隨著孔隙水壓力的消散而降低，且消散速率越大，地下水位下降的越快。當進行分級堆載時，地下水位小范圍波動，但下降速率較為平緩，主要是因為外加荷載與孔隙水壓力的消散互相作用，土體的結構性被破壞，水位變化緩慢。

(4)在真空聯合堆載預壓的不同階段，結構性軟土的孔隙水壓力的消散規律是不同的，其不僅影響土體的變形、水位的變化，同時影響地基承載力，尤其是真空階段和堆載階段，結構性破壞前后土體的物理力學性質，需要作進一步分析 研究，以得到結構性軟土在真空聯合堆載處理時的加固效果與孔隙水壓力的相互關系。