（岩土工程专业论文）真空预压法加固机理和加固效果试验研究.pdf

摘要 真空预压法和真空一堆载联合预压法作为新兴的软土地基处理方法，已被广 泛应用于工程建设中，取得了良好的经济效益和社会效益，成为加固软土地基的 一个行之有效的、常规实用的方法。但是，在加固机理研究方面，还存在许多未 搞清楚的问题，如真空预压的有效加固深度、真空预压中地下水位是否变化、真 空预压法的卸荷标准、真空一堆载联合预压法对周围环境的影响等，这些问题的 存在制约了该方法的进一步推广应用。 本文在总结前人成果的基础上，通过室内试验和理论分析，对真空预压法加 固软土机理以及真空作用面位置对预压效果影响进行了较为深入的探讨和研究。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 通过室内试验和理论分析，探讨了真空预压过程中的地下水位情况。根 据真空预法的加固机理，将加固区内的出水量依据孔隙水排出机理的不同分成三 部分，并分别就这三部分孔隙水排出对地下水位的影响进行了分析，最终也验证 了试验的结论：真空预压过程中地下水位是基本保持不变的。 ( 2 ) 通过室内试验模拟上位抽真空和下位抽真空，分析了两种抽真空方式的 差异以及真空作用面位置对预压效果的作用。得出：无论上位抽真空还是下位抽 真空，对于改善土体的性质都有显著的效果，但下位抽真空比上位抽真空有更好 的加固效果，并从有效应力原理的角度对试验的结论进行了解释。对于有条件进 行下位抽真空的工程，如码头堆场、吹填造陆等工程，建议优先考虑采用下位抽 真空法进行软土加固。 ( 3 ) 在试验研究的基础上，对真空预压法的加固机理进行了进一步的研究和 分析。从真空预压过程中存在的三部分不同的孔压以及相互的作用，对真空预压 法的加固机理进行了新的解释；从真空的物理属性出发，认为真空度传递的实质 是气体分子由商密度区向低密度区运动的过程，分子在运动过程中要克服阻力做 功，并遵循一条基本的原理一最小作用量原理；分析了真空预压过程中硬壳层形 成机理，主要原因是真空度在传递过程中存在损失以及毛细水区状态的改变，不 存在地下水位下降形成非饱和区的原因；根据真空预压和堆载预压加固机理的差 异，对现有的将真空荷载等效为堆载进行强度计算的方法进行了修正，提出更符 合真空预压加固机理的计算方法。 关键词：真空预压室内试验真空作用面加固机理地下水位 非饱和土抗剪强度硬壳层 a b s t r a c t v a c u u mp r e l o a d i n ga n dv a c l u mc o m b i n e dw i t hs u r c h a r g ep r e l o a d i n ga r en e w m e t h o d st oi m p r o v et h es o f tf o u n d a t i o n t h e s et w om e t h o d sh a v eb e e nu s e dw i d e l yi n c o n s t r u c t i o n , o b t a i n i n gp r o m i n e n te c o n o m i cp r o f i ta n ds o c i a lb e n e f i t ，w h i c hh a v e b e c o m ee f f e c t i v ea n dg e n e r a ls o f tf o u n d a t i o ni m p r o v e m e n tm e t h o d s b u tt h e r ea r e s t i l lm a n yp r o b l e m so nr e s e a r c ho fi m p r o v e m e n tm e c h a n i s m , s u c h 蠲t h ee f f e c t i v e i m p r o v e m e n td e p t hb yv a c u u mp r e l o a d i n g , w h e t h e rg r o u n d w a t e rl e v e lc h a n g e sd u r i n g v a c u u mp r e l o a d i n g ，u n l o a d i n gs t a n d a r di nv a c u u mp r e l o a d i n g , t h ee f f e c to fv a c u u m c o m b i n e dw i t hs u r c h a r g ep r e l o a d i n gt os u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t t h e s ep r o b l e m s h a v er e s t r i c t e dt h e i rp o p u l a r i z a t i o n b a s e do nt h es u m m a r yo ft h e f o r m e r s s t u d y , t h em e c h a n i s mo fv a c u u m p r e l o a d i n ga n dt h ee f f e c to fv a c u u ml o c a t i o nt ot h ei m p r o v e m e n to fs u b s o i la l e s t u d i e db yl a b o r a t o r yt e s ta n dt h e o r ya n a l y s i s 。t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra s f o l l o w i n g ： f i r s t l y , g r o u n d w a t e rl e v e ld u r i n gv a c u u mp r e l o a d i n gi sd i s c u s s e dt h r o u g h l a b o r a t o r yt e s ta n dt h e o r ya n a l y s i s b a s e do nd i f f e r e n tr e a s o n so fp o r ew a t e r sd r a i n , d r a i n a g ef l o wi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s , a n dw h i c ha r ca n a l y z e da b o u tt h e i re f f e c to n g r o u n d w a t e rl e v e l a tl a s t ，t h er e s u l to fl a b o r a t o r yt e s ti sp r o v e d ：g r o u n d w a t e rl e v e l d o n tc h a n g eb a s i c a l l yd u r i n gv a c u u mp r e l o a d i n ga tt h et o p s e c o n d l y , v a c u u mp r e l o a d i n ga tt h et o pa n dv a c u u mp r e l o a d i n ga tt h eb o t t o ma r e s i m u l a t e db yl a b o r a t o r yt e s t d i f f e r e n c eo ft w om e t h o d sa n dt h ee f f e c to fv a c u u m l o c a t i o nt ot h ei m p r o v e m e n to fs u b s o i la r ca n a l y z e d ，t w om e t h o d sh a v eg r e a te f f e c to i l s u b s o i li m p r o v e m e n t ，b u tv a c u u mp r e l o a d i n ga tt h eb o t t o mi sb e t t e rt h a nv a c u u m p r e l o a d i n ga tt h et o p ，t h e s er e s u l t sa r ee x p l a i n e db yt h ep r i n c i p l eo f e f f e c t i v es t r e s s t o t h ep r o j e c t ，s u c ha sw h a r fs t a c ky a r d ，r e c l a m a t i o ne n g i n e e r i n g ，v a c u u mp r e l o a d i n ga t t h eb o t t o mi sp r e f e r e n t i a lc o n s i d e r e dt oi m p r o v et h es o f tf o u n d a t i o n f i n a l l y , b a s e do nt h er e s u l t so fl a b o r a t o r yt e s t , t h ei m p r o v e m e n tm e c h a n i s mo f v a a ：i t u np r e l o a d i n gi sm o r na n a l y z e d v a c u u mp r e l o a d i n gi se x p l a i n e dw i t hn o vi d e a f r o mt h r e ep o r ep r e s s u r e sa n da c t i o no ft h r e ep o r ep r e s s u r e s f r o mt h ep h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i co fv a c u u m ，t h el a wo fv a c u i t yt r a n s f e ri st h e0 0 u l s eo fa i rm o l e c u l e m o v i n gf r o mh i g hd e n s i t yt ol o wd e n s i t y , a i rm o l e c u l em u s to v e r c o m er e s i s t a n c ea n d a b i d eb yb a s i cp r i n c i p l e m i n i m u mp o t e n t i a le n e r g yt h e o r e m f o r m a t i o nm e c h a n i s m o fc r u s tl a y e ri nv a c u u mp r e l o a d i n gi sa n a l y z e d ，p r i m a r yr e a s o n sa r et h el o s so f v a c u i t yd u r i n gt r a n s f e ra n dt h ec h a n g eo f s a t u r a t i o nd e g r e ei nt h ec a p i l l a r yz o n e ，d o n t h a v er e a s o no fu n s a t u r a t e da r e ac a u s e db yf a l lo fg r o u n d w a t e rl e v e l c o m p a r i n gt h e m e c h a n i s mo f v a c u u mp r e l o a d i n ga n ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g ，c u r r e n ts t r e s sc a l c u l a t i o n m e t h o do fv a c u u mp r e l o a d i n gb yt r a n s f o r m i n gv a c u u ml o a dt os u r c h a r g el o a dd o n t a c t u a lr e f l e c tv a c u u mp r e l o a d i n g sc h a r a c t e r i s t i c an e wc a l c u l a t i o nm e t h o di sp u t f o r w a r d k e yw o r d s ：v a c u u mp r e l o a d i n g ”l a b o r a t o r yt e s t ，v a c q t l u i nl o c a t i o n , i m p r o v e m e n t m e c h a n i s m ，g r o u n d w a t e rl e v e l ，u n s a t u r a t e ds o i l s ，s h e a rs t r e n g t h , c r u s tl a y e r 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：当乳錾l哆年 多月be l 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者 ( 签名) ：二塾生耻庐哕年 多月侈 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究课题的提出 软土是指由天然含水率大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖 质所组成的土，主要有淤泥、淤泥质土、泥炭及泥炭质土等“】。在软土地基上进 行工程建设存在着诸多问题：第一，由于软粘土的强度较低，往往地基承载力和 稳定性都不能满足工程需要；第二，由于软粘土的高压缩性和低透水性，必然会 使地基产生较大的沉降且沉降时间相对较长。这将给工程建设带来不利影响，甚 至造成危害，因此必须对软土地基进行加固处理。目前常用的软基处理方法嘲嘲 主要有：( 1 ) 浅层处理法。如换土法、抛石排淤法、反压护道法及排水砂垫层法 等；( 2 ) 排水固结法，如堆载预压法、真空预压法及真空一堆载联合预压法、井 点降水预压法等；( 3 ) 复合地基法，如水泥搅拌桩、碎石桩、旋喷桩及粉喷桩等。 这些软基处理方法各有优缺点，同时也受到工程条件的限制。而大量工程实践证 明，真空预压法和真空一堆载联合预压法是较为有效的办法，不仅能够大大提高 地基的稳定性和承载力，也能很好地解决工期较长的问题。 真空预压法是利用抽真空来加固软土地基的一种地基加固方法，属于排水固 结法。最早是由瑞典皇家地质学院杰尔曼( w k j e l l m a n ) 教授于1 9 5 2 年提出“3 ， 该方法提出后即引起了学术界和工程界广泛关注，起初由于旋工工艺方面的问 题，主要是抽气设备、密封材料、垂直排水通道等方面的原因，使这一技术的发 展相当缓慢，没有得到大规模的工程应用，过去的几十年仅仅在少数几个工程中 采用吲。 1 9 5 8 年美国费城国际机场跑道扩建工程，首次采用真空预压法与深井降水 联合加固获得成功；1 9 7 3 年美国怀尼米海军试验室的威廉等人在现场试验的基 础上，提出了用渗流流网的概念来说明二维条件下真空预压的最终效果；2 0 世 纪7 0 年代，日本东北地区新干线在加固第七号谷地的泥炭土和混有有机物的淤 泥土地区时，加固区内打设了垂直排水通道一纸板，加固区四周打设钢板桩并施 加了膨润土溶液进行密封，解决了漏气问题；1 9 8 0 年，日本大阪南港的填筑工 程也采用了该方法并取得较好的加固效果。我国从2 0 世纪5 0 年代末开始研究这 一方法，首先在几个工程中进行小范围的试验研究，但都未能取得良好的加固效 果，直至八十年代航局科研所在塘沽新港进行了几次现场试验，解决了一些施 工工艺问题后才在工程应用方面取得突破，并于1 9 8 5 年通过了国家技术鉴定脚。 经过国内外几十年的不断探索和研究，使该法不断完善，早已开展大面积应用， 并取得了良好的经济效益，成为目前加固软土地基的一个行之有效的、常规实用 的方法m 嗍。 河海大学硕士论文 为满足某些使用荷载大、承载力要求高的工程需要，在真空预压法基础上又 发展出真空一堆载联合预压法。我国从1 9 8 3 年开展了真空一堆载联合预压法的 研究，室内离心模型试验0 1 和现场大面积试验“”表明，抽真空产生的负压和堆载 所产生的正压是可以叠加的，从而形成了真空一堆载联合预压法。该方法具有真 空预压和堆载预压的双重效果，但不等同于二者的简单叠加。由于抽真空产生负 压，使土体产生向内的收缩变形，可以抵消因堆载产生的向外的侧向挤出变形， 地基不会因填土速率过快而出现稳定性的问题，因此可以提高加荷速率，缩短工 期；同时，该方法可以将填筑的路堤作为堆载加以利用，不仅具有很好的加固效 果，而且经济效益很明显。 虽然真空预压法和真空一堆载联合预压法已成功应用于工程实践中，但其在 理论研究方面还有许多问题尚未得到解决，如真空预压法中的地下水位是否变化 以及与真空度的关系、对加固效果的影响，还有土体沉降估计、卸荷标准等；同 时，现有的设计与施工很大程度上依赖于以往的工程经验，使工程技术人员在实 际的工作中难以准确把握。因此，对该方法的加固机理、地下水位是否变化及强 度变化规律进行深入的理论研究，具有较大的理论和应用价值。 1 2 真空预压法研究现状 1 2 1 真空预压法简介 真空预压法处理地基，首选在原地基表面铺挚5 0 a m 左右厚的砂挚层，作为 水平排水体，再将袋装砂井或塑料排水板打入土体，作为竖直排水体，将不透气 的薄膜铺设在需要加固的软土地基表面的砂挚层上，薄膜四周埋入土中，借埋设 于砂垫层中的管道，将薄膜下土体中的空气抽出，使其形成相对负压，由于砂井 渗透性较大，该负压能够传递到砂井深处，从而在砂井和砂井周围土体之间形成 压力差，使土体中的孔隙水注入砂井并被排出，从而使土体达到固结，其示意图 如图卜1 所示。真空预压系统由抽真空系统、排水排气系统和密封系统三部分所 组成，排水系统主要改变地基原有的排水边界条件和传递真空压力，增加孔隙水 排出的路径，缩短排水距离，减少加固时间。根据工程经验，膜内外压差可维持 在6 1 0 7 3 0 m m h g ，即8 0 9 5 k p a 左右，一般可取8 0 k p a 作为设计压差。 第一章绪论 图卜i真空预压法示意图 1 2 2 真空预压法加固机理研究现状 真空预压法加固软土地基时，对地基施加的不是实际重物，而是把大气作为 一种荷载。抽气前，薄膜内外受大气压力作用，土体孔隙中以及地下水面以上的 气体都处于大气压力状态，抽气后，薄膜内砂垫层中气体首先被抽出，其压力逐 渐下降到p r ，而薄膜外仍然保持大气压力状态，薄膜内外就形成一个压力差p ， 使薄膜紧贴于砂楚层上，砂垫层中形成的真空度通过垂直排水通道逐渐向下延 伸，同时真空度又由垂直排水通道向其四周的土体传递与扩散，引起土中孔隙水 压力降低，形成负的超静孔隙水压力，所谓负的是指形成的孔隙水压力小于原大 气状态下的水压力，其增值为负，从而使土体中的气和水由土体向垂直排水通道 的渗流，最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被泵抽出，地基土因而发生固结 沉降并使强度增长。总体而言，在真空预压法加固机理的研究中，主要有两种 代表性的观点：一种观点是把膜内外压差作为等效荷载作用在地基土上，明显带 有堆载预压的思维方式“”；另一种观点认为真空预压中地基的固结是在负压条件 下进行的，它和正压条件下的固结问题基本相同，只是边界条件有差别，即负压 下的固结理论“”。 此外，龚晓南“”在多孔介质理论基础上阐述真空预压加固软土地基机理，认 为抽真空在土体较大孔道中形成真空渗流，土体中较小孔道中的孔隙水与较大孔 道中流动的“真空流体”由于压差作用而排出，产生固结现象。真空预压法加固 软土地基是由真空渗流场引起的真空预压作用和地下水位下降引起的排水固结 作用两部分所组成，其中前一种作用范围仅限于降低后的地下水位线以上。董志 良“”通过对真空预压法的加固机理、设计方法、施工工艺的深入研究，提出：真 空预压过程实际是地下水、气被抽出的同时，真空度不断向地基土中传递、扩散 并在地基土中形成一定的真空负压及其负压力梯度的过程，真空预压是地下水位 不断降低的过程，造成地下水位以上土体处于非饱和的真空负压状态，也即地下 水位以上的土体符合真空预压的加固机理，而地下水位线以下的土体仍处于饱水 河海大学硕七论文 的真空负压状态，虽然该部分土体中也有真空度，但真空负压是由土体中的孔隙 水所承担，并未转化为土体的有效应力，土体有效应力的增加，实际上是由于上 部水位下降区土体的浮容重与湿容重转化所增加的自重引起的，因此地下水位以 下的土体符合真空降水预压的加固机理。李青松“5 1 认为真空预压法是真空渗流场 作用下的渗透固结，通过在地基土中建造排水系统，给排水系统提供负压，使竖 向排水通道发展成为动态完整井，并以其为中心，产生不同于通常抽水所形成的 降落漏斗，减小孔隙水压力，在有效加固范围内土体产生渗透固结，并以堆载预 压的形式作用于其下影响范围内的土体上，达到加固地基的目的。 1 2 3 加固机理的有效应力解释 真空预压法属于排水固结法，在外荷不变的情况下，通过抽真空对加固区土 体进行加固，它作用于水平排水通道和竖直排水通道中的孔隙流体，在短时间内 砂垫层和竖直排水板中的孔隙水压力迅速降低并排出水和气。由予土和竖直排水 板的渗透系数的极大差别，土体在刚开始抽气时仍保持抽气前孔隙水压力分布状 态，这样土体内与作为边界的排水板和砂挚层之间形成孔压差，孔隙水在压差的 作用下产生渗流，伴随着孔隙水的排出u 势降低。u 势的不平衡由近及远地向距 离较远的点波及，形成土体内距竖直排水板和砂垫层远与近各点问的u 势差。根 据太沙基有效应力原理，在总应力基本不变的情况下，孔压的降低值即为有效应 力的增加值，从而使土体固结压密，直到土体内与边界上的u 势达到新的平衡为 止，其有效应力变化如图1 - 2 所示。由于孑l 压是球应力，所以真空预压时减少的 孔压是各向等压的，地基中土体单元的莫尔圆大小并没有改变，只是向右发生移 动，加固后剪应力大小没有改变，强度由t 。为t ，卸载后被加固土体由j 下常固 结状态变为超固结状态，地基土的强度超固结包络线o a 退到b 点。和加固前相 比强度增加td 6 p 如图1 - - 3 所示。真空一堆载联合预压法具有真空预压和堆载 预压双重效果，其理论上的有效应力变化如图卜4 所示。 真宅度 鬟 叁 z 楚瓮、原有效应士 者加的有x 乡 矜州 孜应力 x 晦怔后的 图1 - - 2 真空预压有效应力图 ( 引自h o l t z ，1 9 7 5 ) p 图1 - 3真空预压法莫尔圆变化图 ( 引自p i l o t ，1 9 8 1 ) 第一章绪论 p 线 耵原地下水位 加固过程中 地下承位最高点 地下水位线 区域 ， i，i 区域i 下水位 高点甥 线 空提球 地下水位最低点 度线 一砂井或氇 一砂井或塑一区域 图i - 4 真空一堆载联合预压有效应力图 ( 引白杨顺安，2 0 0 0 ) 图i - 5 真空预压中地下水位情况 ( 引自李豪硕士论文，河海大学，2 0 0 3 ) 1 2 4 地下水位问题 真空预压过程中地下水位是一个复杂的问题，存在着较大的争议，目前主要 有两种观点：一种观点认为，根据现场观测和离心模型试验的某些结果，抽真空 过程也是地下水位不断降低的过程，形成降落漏斗，如图i - 5 所示，因此地下水 位以上土体处于非饱和的真空负压状态，在地表形成一强度较高的硬壳层“”；另 一种观点认为地下水位是不变的，土体中的孑l 隙水压力包括大气压力p a 和静水压 力弘h ，即u = p 。+ 讪，真空预压时，孔隙水压力降低的是p a ，而位置水头讪并没 有改变，因而地下水位是没有变化的“”。国内的学者做了大量的工作，提出了一 些新的见解，主要概括如下： 董志良“圳州从砂井固结理论出发，推出堆载及真空预压砂井地基固结理论 解析解，探讨了加固区渗流量和地下水位的理论计算方法。在水位计算过程中， 董志良通过计算从静水位到水位管底范围内的平均超孔隙水压力，再转换成位置 水头，通过与静水头对比求出水位管内的水位高度。由于该法求出的是测水管深 度范围内的平均超孔隙水压力，得出的位置水头也只是该透水段的平均水头，是 一种理想状态，实际上孔压是受抽真空效果影响的，是沿着深度不断变化的，其 变化规律也各不相同，因此该法求出的水位并非真实的地下水位，只是一个近似 的估计。因此，该法的实用性和可靠性还有待改进。 龚晓南“4 利用多孔介质理论和真空渗流场理论来解释真空预压的加固机 理，认为真空渗流场各处，由于土中较大孔道中流动的“真空流体”与土中较小 孔道中的水存在压差，使得较小孔道中的水在这种压差作用下被吸出，直至在该 处较大孔道中的压力和较小孔道中的压力重新达到平衡为止，从而产生固结。而 地下水位线以下土体中充满了水，所以真空渗流不可能扩散到降低后地下水位线 以下的土体，换句话说，真空度为0 的位置即为地下水位的位置。但是现场监测 结果与该理论有一定的出入，所以此观点有待进一步研究。 河海大学硕士论文 明经平“”从地下水位概念出发，认为在选取适当的参照面后，土体中的土 水势只有压力势和荷载势，而压力势就是静水压力，荷载势就是超静孔隙水压力， 两者之和即为总孔隙水压力，在对真空预压中加固区内的孔隙水压力场分布进行 分析和对加固效果进行计算时，采用的量应该是总孔隙水压力，而在分析加固区 内地下水位变化引起的加固作用时，只要考虑土中水由于重力作用而产生的压力 的变化，即静水压力的变化，故可定义地下水位就是土中水由于重力作用产生的 压力为0 的线( 面) ，即静水压力为0 的线( 面) 。在真空预压中，转化为有效应 力的只是减小的超静孔隙水压力，而孔隙水受重力作用产生的压力并没有变化， 加固后的土体孔隙中仍然充满重力水，真空预压中地下水位不会下降，加固区仍 然是饱和区，只是孔隙体积比加固前减小了而已。真空预压的效果只是真空度转 化为有效应力的加固效果，不存在真空预压和降水预压双重效果的作用。同时， 提出用电极埋设法可正确测出地下水位在真空预压过程中的变化情况。 陈小丹。”认为，真空预压时孔隙水压力u 虽然降低了，但是其中的位置水 头y - z 没有改变，降低的部分只是大气压力r ，因此加固区内地下水位并不会下 降。真空预压时，砂井的作用不能简单等同于抽水井，抽水井抽水时，井中水位 在大气压力作用下将下降，并导致周围土体中的地下水位随着下降，形成一降落 漏斗；真空预压时，地面的压力比砂井和土体中的压力小，在压差作用下，孔隙 水向砂井和地面发生双向渗流并产生固结变形。用水位管量测加固区的静水位 时，认为水位管水面就是加固区的水位，其实这是不合理的，因为加固区作用真 空压力，丽水位管中却作用大气压力，水位管实际上相当于测压管，其中水位只 反映该处压力的大小，而不是真正的水面高度。 即使认为地下水位是下降的，对水位的降幅也有不同的看法啪删，有的文献 提出地下水位最大降幅可以达到4 4 5 m ，有的则认为地下水位下降不会超过 1 8 m ，也有人通过有限元进行数值模拟，由于其参数和模型的选取比较复杂，所 以其结论的可靠性有待进一步论证。现在有学者提出从抽真空时加固区内真空渗 流场的形成机理，以及渗流场与土体问的应力应变状态之间的动态变化关系，通 过应用真空渗流场应力耦合理论进行地下渗流和水位变化研究。 1 3 真空预压法研究方法 1 3 1 计算理论及计算方法研究 真空预压和真空一堆载联合预压都属于排水固结问题，真空预压和堆载预压 的区别在于其边界条件不同：真空顸压是保持土中初始条件与预压前相同，用降 低边界孔隙水压力形成水力梯度和渗流；堆载预压是保持边界条件孔隙压力不 变，升高土体中孔隙水压力形成渗流，因此可以用各种固结理论进行计算“。目 前，真空预压法及真空一堆载联合预压法的计算方法主要有解析法、数值解法及 第一章绪论 半解析法“1 。解析法比较简单实用，但是土的固结与流变问题的基本偏微分方程， 对于稍为复杂一点的边界条件就无法获得解析解，数值解法可以弥补解析解的不 足，能考虑土体的非线性、弹塑性、粘性和各向异性等特点。 ( 1 ) 解析法 陈环”1 提出了负压作用下一维情况的太沙基固结解，认为负压与正压条 件下的固结问题除边界条件外基本相同，因此仍可以用太沙基固结方程求解。在 其固结计算中，分别以渗流应力和总的孔隙水压力作为初始孔隙水压力，得到两 种边界条件解的结果是相同的，但未考虑砂井的作用，将真空预压处理的地基视 为均质地基，此种分析与实际有较大的差异；董志良嘲在单井理论的基础上，通 过一系列基本假定，首次推出单井在正压、负压及正负压联合作用下的等应变解 析解，不过对于在正、负压叠加及正负压联合作用下卡里罗定理是否适用，在理 论上没有得到证明，其解也比较复杂。解析解便于工程实际应用，但其分析的边 界条件比较简单，只能进行一维或轴对称分析，对实际工程的复杂性反映不全面。 由于解析解一般假定固结过程中总应力不变，所以无法考虑固结过程中孔压与变 形的耦合关系，此外，它还无法对加固区边界的固结变形进行计算。 ( 2 ) 数值分析及半解析法 土的固结与流变问题的基本偏微分方程，对于稍为复杂一点的边界条件就无 法获得解析解。数值解法可以弥补解析法的不足，能考虑土体的非线性、弹塑性、 粘性和各向异性等特点。沈珠江啪1 首先用b i o t 固结有限元理论分析了软土地基 在真空作用下的固结变形过程，为了研究土骨架的应力应变模式对固结计算的影 响，分别用线弹性模型、剑桥模型和南水模型进行计算，结果表明土体本构模型 对计算结果影响较大，且没有一种方法能够与实测结果很好的吻合。总体而言， 南水模型比较符合实际，但由于其计算工作量较大，建议对一般的工程采用变弹 性模型即可计算。陈环。”也进行了有限元和边界元在真空和堆载作用下的应用分 析，把边界元法应用于真空压力和堆载压力作用下的软粘土砂井地基固结变形的 平面应变问题，推导了线性比奥圃结理论的边界积分方程，并将各种计算方法所 得的结果与实测平均固结度进行比较，发现以比奥固结理论为基础的有限元法和 边界元法比较接近，而以太沙基固结理论为基础的有限差分法与实测结果偏差较 大。陈环把砂井作为砂墙，沈珠江则简单的采用砂井间距放大倍数的平方来放大 地基的水平向渗透系数，以保持水平向相对的渗径长度不变，将空间问题转化为 平面问题，且把砂井和砂垫层作为已知水头边界进行计算；陈环令砂垫层和砂井 在初始时刻同时达到负的真空压力，沈珠江则根据部分实测结果对砂井孔压进行 假设。两者在计算时都没有考虑井阻的作用，实际上砂井中的孔压变化是很复杂 的，它与膜下真空度、砂井阻力、地基情况、加固时间和砂井间距等都有很大关 系。此外，余志顽等。2 1 用粘弹一粘塑性三维有限元分析方法对某工程进行了固结计 河海大学硕上论文 算，考虑了土体的剪胀、剪缩和粘滞性，理论和实测结果吻合较好，但砂井地基 的三维有限元分析工作量较大，难以在实际工程中推广应用。 钱家欢、赵维炳阻蚓在考虑土体流变的基础上提出了砂井固结分析的半解析 法，即孔隙水压力由解析解求出，位移由数值解法求出。该法计算比较简便，可 以考虑比较复杂的情况，如土体的粘弹性、砂井井阻和涂抹的影响。 总的来说，计算理论的发展经历了一个从一维到三维，土体本构模型也从线 弹性到弹塑性再到考虑软土流变性的粘弹塑性模型，计算方法不断改进，计算精 度不断提高。尽管真空预压的机理研究尚待深入，计算精度尚待进一步提高，但 从指导工程实践的角度来说，其计算精度已基本可以满足工程需要。 1 3 2 室内试验研究 室内试验虽然不能完全地反映实际工程的情况，但由于它具有可重复性、易 操作性，因此在岩土工程中得到广泛应用。我国开展了室内模型试验、正负压对 比试验、轴对称和三维真空固结试验以及离心模型试验，国外也相继开展了一 些模型试验，对真空预压加固机理研究做出了重要的贡献，迄今为止进行的主要 室内试验及主要结论简述如下： ( 1 ) 一维负压固结试验 陈环、鲍秀清o ”用一维负压固结仪进行了抽气试验。得出了在相同的压差下， 正压与负压下的试样在加固后有基本相同的土体参数，即其加固效果基本相同， 土体强度的增长也基本相同的结论。 ( 2 ) 真一维负压固结试验 鲍秀清o o 采用真一维负压固结仪模拟真空预压。仪器直径2 0 0 m m ，试样高 5 0 m m 。试样直接填入，其上置滤纸和透水面，透水面高出仪器上口约l o m m ， 其上覆橡胶薄膜。膜与外壁密封，在膜的中部设抽气孔。抽气时，膜内外的压差 作用在透水面上，通过透水面传递于土样。除量测垂直变形外，还在试样中部和 底部侧壁上安装了量测孔隙水压力的传感器。试验结论认为，正、负压加固的最 终结果是一样的。 ( 3 ) 室内负压固结试验 阎澎旺、陈环0 7 1 在三轴仪上做负压固结试验。试样高度2 0 m m ，直径3 8 1 m m 。 试样装在压力室之中，用橡皮膜与压力室中的水相隔离。三轴仪中原来接排水管 的管路与抽真空系统相连接。利用体变管和孔隙水压力量测系统来测定试样在负 压作用下固结时的体积变化与试样底部的孑l 隙水压力变化。试验结果表明，经过 真空处理后，土样的含水量减少，孔隙比降低，容重增加，土的强度提高，工程 性质得到改善：同时认为软基在负压作用下发生的排水固结变形过程与正压荷载 作用下的过程是相似的，可以用固结理论进行分析计算，在用太沙基固结理论计 算时，负压作用下地基崮结度的计算公式与正压相同。 第一章绪论 李豪”1 通过改制后的三轴蠕变仪模拟了真空预压、堆载预压以及真空一堆载 联合预压，主要结论：三种情况下的沉降量真空一堆载联合预压情况最大，是单 独的真空预压或堆载预压的1 2 一1 3 倍；真空预压明显快于真空一堆载联合预压 和堆载预压，真空一堆载联合预压固结速度较真空预压慢，在用太沙基理论计算 时必须对总沉降量进行修正：三种方法均能使土体的物理力学性质得到改善，三 种加固方法均能使土体的抗剪强度提高近一倍以上。具体而言，真空一堆载联合 预压优于堆载预压，而堆载预压优于真空预压；真空一堆载联合预压能有效地减 少工后沉降，达到预压和超载的目的，特别适用于高速公路软基处理，根据试验 结果，建议在工程实际中采用达到固结度9 0 以上作为卸真空标准。 ( 4 ) 室内正负压对比试验 鲍秀清、严弛1 在三轴仪上进行了正负压对比试验。试样直径3 8 - - 3 9 m _ m ， 试样高度2 0 m m 和8 0 m m ，对三种土进行了试验。试验结果表明，负压与正压的 加固效果是基本相同的，正负压作用下的固结过程也基本相同，加荷前期负压的 固结过程稍快，而后期正压反而快些。 ( 5 ) 模型槽试验 张诚厚等”1 通过模型槽研究了真空作用面位置及排水管间距对预压效果的 影响。试验分成三组，槽宽l m ，深0 8 m ，其中二组试验槽长1 7 m ，其真空作用 面分别在顶面及底面，以试验真空作用面位置的影响，另一组槽长3 4 m ，在底 部抽真空与槽长1 7 m 的进行比较。试验土料是取自连云港海底的淤泥质粘土， 试验中测定砂垫层内的真空度、淤泥中的真空吸力、沉降及出水量的时间过程线， 还测定了试验前后的含水量变化及十字板抗剪强度。结果表明，真空作用面在底 部的加固效果要比真空作用面在顶部好，井点管间距的影响与真空作用面位置的 影响相比，真空作用面位置的影响是主要的。 ( 6 ) 轴对称模型试验 严弛等。”进行了轴对称模型试验。在巾= 2 5 0 m m ，h = 5 5 0 m m 的圆柱试样轴 心处埋设d = 1 0 m m 的砂井，顶部铺3 0 m m 砂，试样用橡皮膜包围，由顶部抽气。 量测试样变形及孔隙水压力，试验结果与其它试验结果相类似，体积变化、出水 量等均与预计的相符合，孔压量测数据偏低且有滞后现象。 ( 7 ) 真空预压下的应力路径试验 李丽慧等h 0 1 进行了真空预压下的应力路径试验。在三轴仪上对真空排水预压 下土体变形特性进行了应力路径分析，测定软土地基在真空预压加固后应力路径 的改变对沉降量的影响，论证了真空预压加固软土地基不能消除其剪应力引起的 剪切变形，认为土体在经过真空预压后再承受正压，其应力路径发生改变，土体 产生较大的后期沉降，该部分沉降量主要是由正压所产生的剪应力所引起的，且 其值远大于理论计算的残余沉降量，因而在真空预压加固软土地基的最终沉降量 河海大学硕士论文 计算中，应考虑到应力路径的改变对最终沉降量的影响，即应把正压所产生的剪 应力引起的剪切变形导致的附加沉降量考虑在内，得出一个估算最终沉降量的简 便公式，即对理论计算的最终沉降量s 。乘上一个修正系数r l ，根据室内试验及 现场观测数据的综合分析，建议q 取值在1 1 1 4 之间。 ( 8 ) 微观结构试验 吴桂芬“”通过电子扫描显微镜( s e m ) 和计算机断层扫描仪( c t ) 分析了土颗 粒微观结构，提出：真空预压、堆载预压和真空一堆载联合预压后土颗粒面积比 例均增大，前两种方法预压后的颗粒面积比例增加幅度差不多，真空一堆载联合 预压下颗粒面积比例则犬于前两种方法；真空预压、堆载预压和真空一堆载联合 预压后颗粒的欧拉数减小，颗粒在几何形态上向扁长方向发展；真空预压、堆载 预压和真空一堆载联合预压后颗粒和孔隙在各个方向的百分比发生变化，虽然集 中发生变化的方向不同，但是变化的规律都是各方向上颗粒增多，孔隙减少，而 且预压后颗粒的定向度增大，说明预压后颗粒排列得更加有序；由颗粒和孔隙的 平面分布分维数知道，真空预压、堆载预压和真空一堆载联合预压后颗粒的平面 分布面积增大，表明预压后颗粒之间更加密实。 ( 9 ) 国外开展的相关试验研究 j u d i t hafh a r v e y “”进行了室内模拟试验。试验在三轴仪上进行，试样直径 1 0 0 m m ，围压保持在1 8 0 k p a 且外部各向等压，中间打入直径6 m m 的砂井，并 使砂井保持在较低的压力状态下( 3 0 k p a ) ，用来模拟真空排水的原理。试验表明 固结过程中，在砂井周围的土先固结，因而形成一低渗透系数带，严重阻碍了离 砂井较远土的排水固结。同时表明砂井打设深度对加固效果影响很大。 e c l c o n g 等“”用固结仪和压力盘装置研究了相同压力下( 分别为正、负压 力) 土样剪切强度增长的情况，得出了在等效的加载条件下，堆载预压提高土体 的强度比真空预压加固的效果好。并认为真空预压条件下，抗剪强度的最大值出 现在低于1 0 0 k p a 真空吸力作用下，继续增大吸力，抗剪强度会出现下降情况。 e m o h a m e d e l h a s s a n 和j q s h a n g 3 通过自制设备模拟了一维条件下真空预 压、堆载预压以及真空一堆载联合预压三种情况。试样直径为7 0 m m ，试样高度 为2 5 m m ，对两种土进行了试验。试验结果表明：太沙基一维固结理论同样适用 于真空预压法，一维固结条件下，真空预压与堆载预压具有基本相同的加固效果， 加固后的土体参数相近。 1 4 目前真空预压法中所存在的问题 经过几十年的不断探索和研究，真空预压法和真空一堆载联合预压法已成为 加固软土地基一种较为有效的方法，并已在工程中被广泛的使用，但相对于工程 应用，其理论研究明显滞后。主要表现在以下几个方面： 第一章绪论 ( 1 ) 真空度在砂井和土体中的传递规律及真空预压法有效加固深度争议较 大，还没有一个较统一的认识。 ( 2 ) 真空预压加固区地下水位是否变化，以及对水位以上和水位以下加固 效果的区别还不清楚。 ( 3 ) 真空度在土体中的衰减规律还未取得系统性成果。 ( 4 ) 真空预压法的卸载标准缺少系统的理论研究，大多是根据工程经验来 判断。但是，这些经验没有广泛的适用性。 ( 5 ) 目前所有涉及真空预压规范都是将真空荷载等效为堆载进行沉降量预 测，其实际应用效果并不是太理想，缺乏有效的真空预压及真空一堆载联合预压 计算方法和设计理论。 ( 6 ) 真空预压法和真空一堆载联合预压法对周围环境的影响、评价标准及 有效处理方法，目前对这方面的研究相对较少。 ( 7 ) 真空预压法和真空一堆载联合预压法加固后土体的再加荷变形特性及 工后沉降控制问题，目前对这方面还缺少系统的理论研究。 1 5 本文的主要工作 结合当前真空预压法研究现状和所存在的问题，本文以室内试验研究为主要 手段，主要研究工作集中在以下几个方面： ( 1 ) 通过室内模型试验模拟真实情况下抽真空过程，比较分析不同真空度 条件下模型容器中水位情况，以及真空预压中地下水位与轴向变形量、真空度、 排水量等的关系，得出真空预压过程中地下水位是不变的结论。 ( 2 ) 在第一部分试验结论的基础上，分别从试样的项部和底部抽真空，通 过比较试验后土体的物理力学性质，以及预压过程中沉降量、排水量、孔压值， 来说明真空作用面位置对加固效果的作用，并从有效应力原理的角度对两种抽真 空方式下加固效果的差异进行解释。 ( 3 ) 在试验研究基础上，尝试对真空预压法加固软土的机理进行进一步分 析，包括真空预压法加固软土的机理，还分析了真空预压过程中表层硬壳层的形 成原因和真空预压法中土体强度增长机理。 第二章真空预压中地下水位研究 第二章真空预压中地下水位研究 2 1 引言 经过国内外专家几