（岩土工程专业论文）真空联合堆载预压法软基加固特性及边界影响研究.pdf

中文摘要 真空联合堆载预压法是从真空捧水预压法和常规的堆载捧水预压法基础上联 合发展起来的新一代有效的软基加固方法。目前，对真空联合堆载预压法的研究 大多在加固区以内，而对加固区边界及以外区域缺乏深入的研究，制约了该工法 的进一步发展和工程应用，因此，在对真空联合堆载预压的理论与工程实际资料 大量研究的基础上，针对学术界与工程界提出的主要问题，对真空联合堆载预压 加固软基的固结机理、边界效应、边界稳定性以及边界问题的防治措施等方面进 行了研究，主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 利用现场实测资料，分析了抽真空和联合堆载过程中真空度、表面沉降、 分层沉降、孔隙水压力、侧向水平位移的变化规律与相互关系，进一步研究了表 面沉降、孔隙水压力、侧向水平位移三者与真空联合堆载加荷和时间的关系。 ( 2 ) 基于t e r z a g h i 固结理论总结了负压条件下的一维解析解，并推导了负压 条件下的一维差分解；然后。结合真空预压法和堆载预压法加固机理，对真空联 合堆载预压法加固软基的机理进行了阐述；最后利用表面沉降、孔隙水压力、分 层沉降三种方法来推算固结度，得出基于表层沉降和分层沉降推算得到的不同时 刻的固结度比基于孔隙水压力推算得到的固结度要大，产生这个问题的部分原因 是表层沉降、孔隙水压力和分层沉降的测试手段不同。 ( 3 ) 针对真空联合堆载预压的边界效应边界效应及其影响因素和边界稳定性 进行了研究，首先对边界效应及其影响因素进行分析，然后基于极限平衡法的基 本理论，介绍了一些建立在其基础上的稳定性分析方法，如瑞典圆弧法、b i s h o p 法、j a n b u 法和m o r g c n s t e r n - p r i c e 法等，并对边界稳定性进行分析。最后，结合工程 实例，利用上述方法，采用g e o s l o p e 进行稳定性的模拟分析，得出安全系数均 大于1 ，边界稳定。 ( 4 ) 真空联合堆载预压的施工工艺，目前已基本成熟，但尚有待于进一步改 进，提出了砂垫层与排水管的改进、采用变真空能量法，无密封膜真空联合堆载 预压、复合土工膜等改进措施。在边界问题上，可采取挖应力释放沟、粘土灌浆、 打设水泥搅拌桩帐幕或钢板桩、优化加固区形状等防治措施。 关键词：真空联合堆载预压、加固机理、真空度、边界效应、加载速率、稳定性 分析、g e o s l o p e 分类号： a b s t r a c t v a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r c l o a d i n gi san o w g e n e r a t i o no fs o f tr e i n f o r c e m e n t e f f e c t i v em e t h o dd e v e l o p e df r o mt h ev a c u u md r a i n a g es u r c h a r g i n gm e t h o da n d c o n v e n t i o n a ld r a i n a g es u r c h a r g i n gs u r c h a r g em e t h o d a tp r e s e n t , t h er e s e a r c ho f v a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n gr e s e a r c hi sm o s t l yi nt h ea r e aw i t h i nt h e r e i n f o r c e m e n t , b u tt h es t u d i e so f b o r d e ra f 嘲o u t s i d et h er e g i o ni sl a c k , t h a tr e s t r i c t st h e f x l r t h e rd e v e l o p m e n ta n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s , a n ds oi nt h ev a c u u mc o m b i n e d s u r c h a r g ep r e l o a d i n gt h e o r ya n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e0 1 1t h eb a s i so fe x t e n s i v er e s e a r c h , e n g i n e e r i n ga n da c a d e m i at oa d d r e s st h em a i np r o b l e mw i t ht h ev a c ：i l mc o m b i n e d 娜c h a r g ep r e l o a d i n gc o n s o l i d a t i o nr e i n f o r c e m e n to ft h es o f tg r o u n d ，t h eb o r d e re f f e c t , b o r d e rs t a b i l i t y , a n db o r d e rp r o b l e mp r e v e n t i o nm e o b u r e sr e s e a r c h , m a i n l yo nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t a k i n gf u l la d v a n t a g eo f t h es i t em o n i t o r i n gd a t a , ia n a l y s i st h el a wa n dm u t u a l r e l a t i o n so f v a c u u m ，s u r f a c es u b s i d e n c e , d e e ps t r a t i f i e ds e t t l e m e n t , p o r ew a t e rp r e s s t t r e , d e e ph o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti nt h ep r o c e s so fd r a w i n gv a c u u l t ia n dd r a w i n gv a c u u m c o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g , a n df u r t h e rs t u d yt h er e l a t i o n s h i po fs u r f a c es u b s i d e n c e , t h ep o r ew a t e rp r e s s u r e , t h ed e e ph o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tw i t hp o s i t i v ea n dn e g a t i v e p r e s s u r el o a d sa n dt i m e ( 2 ) s u mu pt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no fc o n s o l i d a t i o nt h e o r yi nn e g a t i v ep r e s s u r e c o n d i t i o n sa n dd e d u c et h ed i f f e r e n c es o l u t i o no fc o n s o l i d a t i o nt h e o r yi nn e g a t i v e p r e s s u r ec o n d i t i o n sb a s e d0 1 1t e f z a g h it h e o r yc o n s o l i d a t i o n , t h e n , w i t hv a c u u m 跚c h a r g i n ga n dp r e a o a d i n gm e c h a n i s mo fr e i n f o r c e m e n t , e x p l a i n st h em o c h a n i s mo f v a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n gs o f t - r e i n f o r c e m e n t , l a s tm a k eu s eo fs l r f a c e s u b s i d e n c e ，p o r ew a t e rp r e s s u r e ，l a y e rs e t t l e m e n ti m p u t ec o n s o l i d a t i o nd e g r e e , a n dt h a t t h es e t t l e m e n ta n dt h el a y e r e ds u r f a c es u b s i d e n c eh a v ed i f f e r e n tp r o j e c t i o n sm o m e n to f t h ec o n s o l i d a t i o no ft h ep o r ew a t e rp r e s s u r et h a np r o j e c t i o n sb a s e do nt h ed e g r e eo f c o n s o l i d a t i o nm u s tb el a r g e , r e a s o no ft h i sp r o b l e mi ss u r f a c es u b s i d e n c e , a n dt h ep o r e w a t e rp r e s s u r et e s ts v a t i f i e ds e t t l e m e n tm e a l l sd i f f e r e n li np a r t ( 3 ) r e f e r r i n gt os t u d yt h eb o r d e rb o u n d a r ye f f e c ta n di n f l u e n c ef a c t o r sa n db o r d e r s t a b i l i t yo fv a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g , f i r s tb o u n d a r ye f f e c ta n d i n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r ea n a l y z e d , a n dt h e nl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d b a s e do nt h eb a s i c t h e o r y , i n t r o d u c e di nan u m b e ro fe s t a b l i s h e dt h es t a b i l i t yo nt h eb a s i so fi t sa n a l y s i s m e t h o d s , s u c ha ss w e d e na 蛾b i s h o p , j a n b u , m o r g e n s t e m - p r i c el a w , a n ds t a b i l i t yo f t h eb o r d e r f i m l l y t h ec o m b i n a t i o no f e n g i n e e r i n ge x a m p l e , u s i n gt h ea b o v em e t h o d s ， c o n d u c t e db yg e o - s l o p es t a b i l i t yo ft h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h es a f e t yf a c t o ra r e o b t a i n e dg r e a t 盯t h a no n e , s l o p es t a b i l i t y ( 4 ) c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fv 嵋咖c o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n gh a sn o w b a s i c a l l yr i p e , b u ts t i l ln e e dt ob ef t l r t h c ri m p r o v e da n dt h e s a n dc u s h i o na n dt h e i m p r o v e m e n to fd r a i n a g ep i p e s ，e m p l o y sv a r i a b l ev a c u u me n e r g ym e t h o d , w i t h o m v a c u u ms e a l i n gm e m b r a n ec o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n gp r e s s m e , c o m p o s i t e g e o m e m b r a n ei m p r o v e m e n t s o nt h eb o r d e rp r o b l e m , t h er e l e a s eo f s t r e s sc a nb et a k e n d i g # n gt r e n c h e s ，c l a yt i l t i n ga n df i g h t i n gf o rc e m e n tm i x i n gp i l et e n to rs t e e ls h e e tp i l c ， o p t i m i z i n gr e i n f o r c e m e n ta r e a ss u c ha sp r e v e n t i o na n d t r e a t m e n tm e a s u * e ss h a p e k e y w o r d s ：v a c u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g ；r e i n f o r c i n gm e c h a n i s m ； v a c i l b l nd e g r e e ；b o r d e re f f e c t s ；l o a d i n gr a t e ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；g e o - s l o p e c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：震主举 签字日期：盛句年口月c 妇日 导师签名： 喙；谚 签字日期：，口p 7 年肛月o 日 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 致谢 本论文是在尊敬的曾巧玲导师的悉心指导下完成的。在论文的选题、研究计 划的制定、阶段性成果的审查以及论文的最终定稿等方面，无不倾注了曾老师的 大量心血。导师渊博的学识、敏锐的洞察力和严谨的作风使本人受益匪浅，特剐 是导师在培养本人个人思考能力、解决问题的能力方面注入了大量精力和时间， 这将在以后的工作中时时鞭策着我去奋斗。在此表示衷心的感谢和崇高的敬意! 本文在完成过程中，得到了建研地基基础有限责任公司有关人员的热情指导 和无私帮助。在撰写及完成过程中，还得到师兄于海成和李业龙的热情帮助。另 外，还得到本教研室解廷伟、王国军、向科铭等同学的大力支持。在这里，向这 些同事和同学表示衷心的感谢! 最后，要特别感谢我的父母对我研究生学习的大力支持，感谢女友对我学习 的无私奉献和生活的关心照顾，感谢朋友对我的热心支持! 在此，对所有关心和帮助过我的老师、同学和亲友表示衷心的感谢和深深的 谢意! j e 塞銮煎太堂砸堂位论奎缝i 幺 1 1 研究的背景和意义 1 绪论 随着我国经济高速发展和进出口贸易增长速度加快，我国的海运市场和港口 得到了迅速的发展【。早在8 月，交通颁发的中国沿海港口发展规划，就已经对我 国“十一五”期间港口建设迸行了详尽布局。“世界工厂”的称号不仅把中国 的许多制造型企业推广国际市场的前沿，同样也牵动着国内港口敏锐的神经。继 2 0 0 4 年首次超过l 万亿美元后，2 0 0 5 年我国外贸进出口总额更是突破1 4 7 万亿美 元，达到1 9 7 8 年的6 8 倍左右，其中出口连续保持3 0 以上增幅；2 0 0 5 年中国港 口( 不含台湾和港澳地区) 吞吐量完成4 8 5 亿吨，集装箱吞吐量达7 5 6 4 万标准箱， 居世界第一位。 在需求的推动与国家政策的倾斜下，无论是各地政府还是外资，都有了巨大 的投资建港的动力。据不完全统计，目前，提出“以港兴市”的城市就有近2 0 4 ， 日照港就是最为典型的一个，日照港计划5 年完成投资1 5 0 亿元，蛰 2 0 0 7 年建成现 代化、国际化亿吨港：2 0 0 6 年上半年，日照港货物吞吐量增长4 0 ，增速超过全 国港口1 8 左右的平均增速，也超过，主要竞争对手青岛港和连云港的增长 速度。按照2 0 0 6 年l 4 月港口吞吐量数据计算，其中煤炭吞吐量居全国沿海港口 第4 位，铁矿石吞吐量居全国沿海港口第3 位。公司腹地钢铁公司众多，对铁矿石 的需求逐年增大。2 0 0 5 年公司采取与钢铁公司战略联盟的方式保证了货源的稳定， 同时也提高了公司的竞争优势1 2 j 。 在这样的形式下，港口建设用地日趋紧张，直接可利用的天然地基越来越少， 不少构筑物只能建造在松软地基上。港口：码头等构筑物可采用桩基，换填，强 夯，但造价高，因而，只能采用加固地基的方法解决。加之，目前工程建设中， 对地基的要求也越来越高，需要进行处理的工程不但数量大，技术难度很高，且 又要求“物美价廉”，因而提出的地基加固课题也越来越多，目前已有数十种方 法，但在港口大面积建设中，目前采用较多的是真空联合堆载预压排水加固法。 真空联合堆载预压法是从真空排水预压法和常规的堆载排水预压法基础上联 合发展起来的新一代有效的软基加固方法，如图1 1 ，真空联合堆载预压法在我国 港口建设的软基加固工程中己得到广泛应用，大大地推动了我国港口建设事业的 发展。鉴于真空联合堆载预压法在港口建设施工工艺上的成熟，以及该法与常规 堆载预压法相比在处理大面积港口软基上的优越性，真空联合堆载预压加固技术 j e 宝变退太堂亟掌焦论塞 绪论 抽真空装置 图i - i 真空联合堆载预压示意图 迅速在港口软基处理工程中得到了大面积的推广和应用，很好地解决了在超软弱 地基上进行港口建设工期短而质量要求高两者之间的矛盾，取得了明显的经济效 益和社会效益。 目前，对真空联合堆载预压法的研究大多在加固区以内，而对加固区边界及 以外区域缺乏深入的研究，实际工程的监测结果显示。加固区边界与加固区内真 空度、表层沉降、土体孔隙水压力等经常存有差异，有时差值还较大，在真空联 合堆载预压法处理软基的数值模拟上，因为边界问题的未知因素较多，常常难以 很好控制。因此，研究加固区边界及加固影响区的强度、交形和稳定性等特性很 有实际意义。 在这样的背景下，本人结合山东日照港集装箱码头辅建区软基处理工程，对 真空联合堆载预压加固软基的现场试验、真空负压下的固结理论、边界效应、边 界稳定性分析、边界问题的防治措施等问题进行了研究，对加固区边界的研究将 有利于全面认识真空联合堆载预压的加固机理和加固效果、改进真空联合堆载预 压技术，对加固区周围构筑物采取适当的防治措施具有重要的意义【3 1 。 1 2 真空联合堆载预压法处理软基的研究现状 国内外的研究人员和工程师们采用各种方法，从不同层次，不同角度出发， 研究了真空联合堆载预压加固软土地基技术，内容涉及以下各个方面：室内试验、 模型试验和现场试验研究、加固机理研究、固结解析理论、数值计算、设计方法、 监测技术、新技术新工艺的研究和工程实践总结等，也出现了一批有关真空联合 堆载预压加固软土地基的专利技术 4 1 。综合迄今为止的研究成果，对真空联合堆载 预压的研究现状可以从以下几个方面加以阐述。 2 北瘟交通太堂亟堂位j 金奎 绪论 1 2 ，1 室内试验 我国早在5 0 年代就开展真空预压及真空联合堆载预压技术室内试验的研究。 1 9 5 7 年8 0 7 部队和哈尔滨军事工程学院在室内做过真空预压试验。1 9 5 9 年天津大学 开展了室内真空预压试验研究来探讨真空预压的规律性和效果，提出了“吹填土 真空排水固结的试验研究”的报告 5 1 。2 0 0 4 年，刘汉龙，李豪，高玉峰通过室内试 验，验证了真空产生的负压和堆载产生的正压效果是可以叠加的，并对真空预压、 堆载预压、真空联合堆载预压的加固效果及量化差别进行初步探讨 6 1 。 1 2 2 模型试验和现场试验研究 在5 0 年代，我国同样也开展真空预压及真空联合堆载预压技术模型试验和现 场试验的研究。1 9 5 7 年8 0 7 部队和哈尔滨军事工程学院在室内试验的基础上同时也 在室外做过真空预压试验，于1 9 5 9 年对淤泥地基加固的野外试验进行了总结。1 9 5 9 年南京科学研究所在天津做了“电渗真空砂井联合作业法”的试验研究，于1 9 6 0 年提出“电渗排水加速海淤软土固结试验报告”。1 9 6 0 年同济大学和南京水利科 学研究院在上钢一厂做了小型现场试验，提出了“用真空预压法加固吹填土地试 验小结”的报告。由于机械设备与材料等方面的限制，早期的现场试验均不理想， 未达到工程应用的效果p j 。 到了2 0 世纪8 0 年，以交通部第一航务工程局为主，天津大学、南京水利科学 院士工所参加的联合攻关小组，对该项技术又重新进行了探索、研究。通过研究， 解决了关键的抽气设备问题，用射流泵代替了真空泵，解决了气、水分离问题， 大大提高了抽真空的效率，膜下真空度稳定在5 3 0 m m 汞柱，最大可达到6 0 0 m m 汞 柱，从而使该项加固技术的施工工艺取得突破性的进展，能满足于大面积加固软 土地基地要求。该法在天津新港软土地基处理经历了由探索试验f l l m x 2 4 m ) ，中 间试验( 5 5 0 m 1 2 5 0 m ) ，最后到生产应用( 3 0 0 噼，块) 的过程，逐步走向成熟。与此 同时，国内不少地方采用此项技术加固软土地基取得成功，施工工艺日趋完善。 交通部第一航务工程局提出了“真空联合堆载预压施工工艺”，并申请了国家专 利。1 9 8 2 年日本大阪南港在第二阶段的加固工程中，采用袋装砂井或排水纸板作 为垂直排水通道，采用抽真空与抽水相结合来降低水位的方法加固地基，由于较 好地解决了抽真空设备和场地密封等关键问题，第一期加固工程膜下真空度达到 5 0 0 - - - 6 0 0 m m 汞柱，第二期工程中管内真空度始终保持在6 3 0 m m 汞柱，说明在国外 该项技术的应用也达到了一个新的阶段p j 。 3 拙哀窑盟态堂亟堂僮论塞绮论 1 2 3 加固机理 在真空预压及真空联合堆载预压技术发展的过程中同时伴随着对真空预压机 理的探索。1 9 5 2 年杰尔曼教授( w k j e u m a n ) 提出了真空预压加固软基一维问题最 终效果图1 7 】，其后美国的p j v e l e n t 用流网解释真空预压的机理，苏联的 f e r - m e t i r o s y a n 采用拉普拉斯方程求解二维问题的最终效果i s ；日本的小林正树用 有限元方法求解二维问题的最终效果【9 】。以上研究主要解决真空预压加固软土地基 最终效果，属于稳定渗流问题。 在国内，1 9 8 1 年鲍秀清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 本相同的结论。1 9 8 4 年陈环，鲍秀清研究了负压条件下土体固结的有效应力问题； 随后阎澎旺、陈环用三轴仪也进行了正负压对比试验，认为正负压作用下的固结 过程是基本相同的。此后，陈环，杨国强，钱家欢、赵维炳继续研究了真空预压 下的固结问题，确立了负压下固结理论，认为真空预压加固软土地基时，地基土 的固结是在负压条件下进行的，它和在正压条件下即堆载预压固结问题基本相同， 只是边界条件有差别，因此负压下的固结可以沿用原有固结理论的方程。2 0 0 2 年 龚晓南，岑仰润在以上研究基础上总结认为：堆载预压有两个最基本的问题，一 是最终效果问题；二是预压时变形、孔压、有效应力、强度参数等随时间变化， 这属于一般情况下的固结问题。真空预压同样也存在这两个基本问题，认为只有 从最终效果和固结两方面出发，才能系统阐述真空预压加固软土地基的机理，正 确建立相应的分析模型和计算理论【l o 】。随后，岑仰润通过室内真空固结试验与加 载固结试验的对比，认为在圃结状态相同的情况下，真空周结和加载固结显示的 基本性状一致。分析了影响真空预压最终效果的因素。并在此基础上提出了一些 与真空预压加固地基相关的概念和处理方法，如定义了一个新的场地系数，提出 了通过现场实测资料反分析排水体中负压分布的方法等；在以往研究成果的基础 上，给出了有关真空预压加固地基的若干固结解析解；研究了在真空预压加固地 基数值计算中对初始条件和边界条件的界定和处理方法；在分层总和法思想的基 础上，提出了真空预压加固地基的沉降计算方法；对真空预压的加固机理作了较 为全面的总结与提耐1 1 】。2 0 0 4 年，朱建才通过真空预压与堆载预压在加固机理、 应力路径、强度增长的对比，更好地阐述了真空联合堆载预压法的加固机理【1 2 】。 真空预压与堆载预压的效果可以叠加，这己被室内外试验与工程实践所证实。 1 9 8 8 年，高志义等进行了真空预压的离心模型试验，将现场试验区的断面作为 平面应变情况进行了模拟，得出抽真空的同时进行压载的联合加固可以进一步提 高加固效果，两者产生的有效应力是可以叠加等结论。随后，t a n g ，y ，g a o ，z 描述 4 了近几年来在中国沿海地区大规模的真空预压实践效果，对在抽真空的同时进行 堆载的一种新型固结方法进行了研究，证实了当真空预压与堆载预压相结合，固 结效果能得到叠加【1 3 1 。1 9 9 4 年，c o g n o n j m j u r a n , 1 等通过现场试验，认为将真空 预压与堆载预压相结合可以提高加固效果。此后，b e r g a d o ，d t ；c h a i ，j c ； m i u r a , - n ；b a l a s u b r a m a n i a m , a s 对拟建中的第二个曼谷国际机场用真空联合堆载 预压法进行研究，结果表明该法可以减少预压的时间，在加固软土地基中可以降 低孔隙水压力【1 4 】。2 0 0 0 年，杨顺安，吴建中综合讨论了真空联合堆载预压法的基 本原理，加固特点与加固效果，该法利用真空预压法与堆载预压法加固效果可以 叠加的原理，在超软基上可以获得较真空预压法更大的预压荷重，获得更佳的加 固效果【阍。随后，李豪，金秀丽等总结了真空联合堆载预压法加固软基的特点， 对比分析了真空预压与堆载预压法加固机理及强度增长机理，研究表明，真空联 合堆载预压法加固软基效果明显，尤其适用于高速公路【1 6 1 。2 0 0 1 年，刘志丰分析 了真空堆载预压法的固结机理，分析了真空堆载预压的固结过程，给出了真空联 合堆载预压的沉降预测半经验半理论曲线。随后，龙正兴，彭杰介绍了真空联合 堆载预压法的原理，通过试验段数据分析，得出了真空联合堆载预压加固土体， 可以使地基具有更强的抗失稳性等结论【”】。m o h a m e d e l h a s s a n e ；s h a n g ，q 发展了 真空联合堆载预压的一维固结模型，研究结果表明，土的固结特征与固结压力的 性质无关，即不管是由真空预压，单独引起的固结，堆载预压单独引起的固结。 还是真空联合堆载预压引起的固结，固结的特性没有差别【1 8 1 。2 0 0 4 年，刘汉龙， 李豪，高玉峰通过室内试验，验证了真空产生的负压和堆载产生的正压效果是可 以叠加的【6 】。 1 2 4 真空预压及真空联合堆载预压固结解析理论 1 9 9 1 年，叶柏荣、董志良在砂井固结理论的基础上，通过改变初始条件和边 界条件，推导了真空预压的解析解【1 9 1 。在此基础上，董志良推导了真空联合堆载 预压砂井地基固结解析解 2 0 1 。此后，董志良在正负压砂井地基固结解析解的基础 上，导出了排水板的渗流量、加固区竖向固结渗流量及区内外进出渗流量的计算 公式b ”。2 0 0 1 年，黄腾、张迎春、杨春林等从应力状态入手分析真空联合堆载条 件下计算地基稳定的数学模型，提出抽真空作用下真空度衰减公式和土体抗剪强 度增量的计算公式，并应用于某真空联合堆载试验段的稳定分析中阎。此后，徐 泽中、刘世同、柴玉卿从b a r t o n 的砂井地基等应变固结解出发，建立了真空联合堆 载预压的渗流模型【2 3 1 。解析解便于工程的实际应用，但是分析的边界条件比较简 单，采用的土体本构模型也较简单，对井阻、涂抹作用不能较好地考虑。解析解 5 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 假设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。 1 2 5 真空预压及真空联合堆载预压数值计算 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 9 8 6 年，阎澎旺、陈环分析了真空预压加固软土地基的机制与二 维问题的有限元计算方法，分析过程中假定抽真空表面与砂井均为恒定负压例。 随后，林丰、陈环用边界元分析真空和堆载作用下砂井地基的固结过程嘲。同时， 沈珠江、陆舜英在b i o t 固结理论基础上采用不同的本构模型分析了一个5 0 m x 6 0 m 试验场地的软土在真空作用下的固结变形过程，计算结果表明弹性模型与实测值 最为接近，计算中假定真空表面为恒定负压，砂井并底真空度是顶部的三分之一， 中间按直线变化刚。1 9 9 3 年，梁志荣、曹名葆、叶柏荣用有限元分析比较了堆载 预压与真空预压加固软土地基的不同固结特性；此后，邱长林、阎澎旺用有限 元分析了真空联合堆载预压加固软基过程【2 8 】。随后，陈析、周卫、洪宝宁用有限 元分析了真空联合堆载预压加固软基过程【2 9 】。同时，李格平编制了以比奥固结理 论为基础，按平面应变问题分析地基加固效果的有限元程序，对工程实例及现场 试验进行了计算分析，并将程序计算结果和实测值进行比较，证明采用该程序计 算真空预压、堆载预压及真空联合堆载预压时，计算所得的变形是可信的，从而 为设计提供依据p o j 。2 0 0 1 年，杨海彤研究了正负压共同作用下土体的固结特性和 变形机理，介绍了有关真空预压的解析解及有限元数值计算理论。应用比奥固结 存限元方法，采用邓肯一张土体本构关系，模拟现场情况，计算分析了真空堆载 顶压下土体固结变形过程。最后，根据实测资料，采用一维反演分析法，推导了 最终沉降量计算公式，结合改进后的高木俊介固结度计算方法，建立真空堆载联 合预压的沉降预测模型。同时，周顺华、王炳龙、李尧臣等由固结理论出发，对 初始孔压采用迭加原理进行分解处理，建立了真空预压处理地基地沉降计算的有 限元方程p ”。此后，刘汉龙、陈永辉等根据浙江杭金街高速公路娄下陈段的真空 联合堆载预压法的软基工程实践，报道了真空联合堆载预压法加固对周围环境影 响的实测情况，并进行了有限元分析【3 2 】。随后，李豪、高玉峰、刘汉龙等在真空 预压机理和砂井地基圃结理论的基础上，根据固结度等效的原则，将复杂砂井地 基转化为无砂井成层地基，提出了真空联合堆载预压法的简化计算方法【3 3 1 。 目前主要有：一种是以轴对称固结理论为基础的解析法，如b a h o n 解、h a n s b o 解和曾国熙解：一种是半解析法，孔隙水压力由解析解求出，位移则用数值解法 计算；还有一种是以t 喇固结理论或b l o t 固结理论为基础的数值计算法，如有 6 限元法、边界元法和差分法等。 1 ) 解析法 真空预压法的解析解是在砂井理论上推导出来的。1 9 9 1 年，董志良在单井理 论的基础上，首次推导了单井在负压及正负压联合作用下的等应变解析解 2 0 l ，其 后，丁利对真空预压加固砂墙地基固结理论做了研究删。解析解便于工程实际的 应用，但是解析解分析的边界条件比较简单，采用的土体模型也比较简单。解析 解只能进行一维分析，对实际工程的复杂性反映不全面。由于解析解一般假设固 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， 它还无法对整个地基特别是加固区边界的固结变形进行计算。 2 ) 半解析法 半解析方法是赵维炳等在考虑土体流变的基础上提出的砂并地基固结分析的 简便方法。孔隙水压力由解析解求出，位移则用数值解法计算。这种方法计算比 较简便，同时也可以考虑比较复杂的情况【3 5 1 。 3 ) 数值解法 土的固结与流变闯题的基本偏微分方程，对于稍微复杂一点的边界条件就无 法获得其解析解。数值解法可以弥补解析解的不足，适应于土体的非线性、弹塑 性和各向异性等特点。1 9 8 6 年，沈珠江、陆舜英在b i o t 固结理论的基础上采用不 同的本构模型分析了一个5 0 r e x 6 0 m 试验场地的软土在真空作用下的固结变形过 程，计算结果表明弹性模型与实测值最为接近，计算中假定真空表面为恒定负压， 砂井井底真空度是顶都的三分之一，中间按直线变化【2 6 j 。随后，陈环等也进行了 有限元和边界元在真空预压计算方面的应用，并将各种计算方法所得的结果与实 测平均固结度进行了比较，发现以b l o t 固结理论为基础的有限元法和边界元法两 者比较接近，而以t e r z a g h i 固结理论为基础的有限差分法与实测结果偏差较大， 在计算时，陈环和沈珠江把砂井视为砂墙，将空间问题转化为平面问题，他们都 把砂井和砂垫层作为已知水头边界进行计算。陈环把砂井作为砂墙，沈珠江则按 砂墙间距放大系数的平方放大地基的渗透系数。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【4 】。 d t b e r g a d o 等在对曼谷机场真空联合堆载预压地基处理工程进行计算时，采用了 修正剑桥模型，得到的计算结果较好【1 3 】。 1 3 真空联合堆载预压法处理软基边界影响的研究现状 1 9 9 5 年，范须顺结合天津新港地区较厚的欠固结淤泥类土的真空排水预压工 程实践，假设只考虑施工区最边部排水板向施工区以外的影响距离，以边部一根 7 打入土层中捧水板作为单个搏水井考虑，假定地下水向承压排水井的运动为稳定 运动，假定单井排水引起孔隙水变化的边限为渗透影响半径，假定渗流为单向线 性连续渗流，以水文地质学中库萨金公式为参考，提出了估计真空预压影响范围 的一个经验公式i 刈。随后，于志强、朱耀庭、喻志发根据若干工程实测结果，对 真空预压法加固软土地基的影响区进行了分析，提出了利用理论计算最大沉降量 估算加固影响区可能发生变形的经验方法，指出加固区外2 0 m 以内地基土水平位移 约占总沉降量的1 0 - - 2 5 三l 问【3 7 1 。同时，刘汉龙、陈永辉等根据浙江杭金衙高速 公路娄下陈段的真空联合堆载预压法的软基处理工程实践，报道7 真空联合堆载 预压法软基加固对周围环境影响的实测情况，并进行了有限元分析【3 2 l 。2 0 0 2 年， 余湘娟、吴跃东、赵维炳结合深圳河真空预压加固软基工程实例，采用平面应变 有限元分析真空预压法对加固区边界的影响，计算中考虑了软土的流变特性和施 工扰动对结构损伤的影响p 】。此后，陈远洪、洪宝宁、龚道勇用有限元分析了真空 预压法对周围环境的影响，计算以平面b i o t 固结理论为基础，考虑了土的流变性， 采用了粘弹塑性本构模型，计算结果表明采用防护措施可明显减轻真空预压对周 围环境的影响【3 8 j 。随后，。童中、汪建斌报道了广肇高速公路k 5 4 + 3 5 0 - - k 5 4 + 5 6 0 段 软基采用真空联合堆载预压法加固过程中水平侧向位移的监测情况 3 9 1 。 1 4 真空联合堆载预压研究存在的问题及本文所做的工作 1 4 1 真空联合堆载预压研究存在的问题 尽管真空联合堆载预压加固技术在今天己能大面积付诸实践，但还存在一些 问题有待进一步研究与改进。我国对真空联合堆载预压的工程实践和机理的研究 在国际上处于领先水平【柏】，但目前来看，在模拟分析和计算理论上，仍然落后于 真空联合堆载预压的工程实践，存在以下问题： ( 1 ) 真空度在塑料排水板中和土体中的衰减规律，及其对加固效果的影响，加 固区内与加固边界的真空衰减差异，孔隙水压力变化规律【4 1 】和消散快慢及加固边 界土体的固结特性，真空联合堆载预压对影响区的变形特性都尚待解决。 ( 2 ) 在真空联合堆载预压的固结理论研究上，解析解便于工程的实际应用，但 是分析的边界条件比较简单，采用的土体本构模型也较简单，对井阻、涂抹作用 不能较好地考虑。解析解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。 ( 3 ) 真空联合堆载预压法造成表面成锅底状的理论分析仅停留在定性分析上， 加固中心沉降与边界沉降差异在定量上的预测还不够。 8 ( 4 ) 加固区形状对加固效果的影响以及是否存在最优加固形状的问题有待解 决【4 2 】。 ( 5 ) 在边界稳定性分析上，如何控制抽真空和联合堆载的时间间隔和加载速 率，来保证加固区边界的稳定。 ( 6 ) 在真空联合堆载预压的模拟分析上，还没有一套完整成熟的方法可供使 用。尽管目前己有些研究成果，但将其用来进行具体的计算还有一段距离。尤其 在计算真空联合堆载预压的边界参数条件选取时，大都借助于堆载预压的计算方 法来进行，虽然其结果都要乘上一个修正系数，但是由于修正系数的取值到目前 为止还没有较成熟的经验，因此据此计算出的边界系数就带有一定的人为性【4 3 】。 不能够准确地反映实际情况。 1 4 2 本文所做的工作 本文在对真空联合堆载预压的理论与工程实际资料大量研究的基础上，针对 学术界与工程界提出的主要闯题，对真空联合堆载预压加固软土地基的固结机理、 边界稳定性以及边界问题的防治措施等方面进行了研究，主要做了以下几个方面 的工作： ( 1 ) 结合山东日照港集装箱码头辅建区软基处理工程，参与了真空联合堆载 预压法加固软基的现场试验研究工作，利用现场实测资料，分析了抽真空和联合 堆载过程中真空度、表面沉降、分层沉降、孔隙水压力、侧向水平位移的变化规 律与相互关系，进一步研究了表面沉降、孔隙水压力、侧向水平位移三者与真空 联合堆载加荷和时间的关系。 ( 2 ) 基于t e r z a g h i 固结理论总结了负压条件下的一维解析解，并推导了负压 条件下的一维差分解。随后，结合真空预压法和堆载预压法加固机理，对真空联 合堆载预压法加固软基的机理进行了阐述。最后利用表面沉降、孔隙水压力、分 层沉降三种方法来推算固结度，从而判定真空联合堆载预压的加固效果。 ( 3 ) 针对真空联合堆载预压的边界效应及其影响因素和边界稳定性进行了研 究，首先对边界效应及其影响因素进行分析，然后基于极限平衡法的基本理论， 介绍了一些建立在其基础上的稳定性分析方法，如瑞典圆弧法、b i s h o p 法、j a n b u 法和m o r g e n s t e m p r i c e 法等，并对边界稳定性进行分析。最后，结合工程实例，利 用上述方法，采用g e o - s l o p e 进行稳定性的模拟分析。 ( 4 ) 在工法上，介绍了真空联合堆载预压的施工工艺，提出了工艺上的几种 改进措施。最后，指出了加固区边界问题的防治措施。 9 2 真空联合堆载预压现场试验及其成果分析 为了更深入地探讨真空联合堆载预压的加固机理、边界效应及其影响因素、 边界效应带来的边界与中心沉降指标的差异，边界稳定性和边界问题的防治措施 等问题，本人结合山东日照港集装箱码头辅建区软基处理工程洲，参与了真空联 合堆载预压法加固软基的现场试验研究工作，根据试验方案【4 5 】进行现场的仪器埋 设与监测，获得了大量的监测成果，包括真空联合堆载加固软基现场的真空度、 表面沉降、分层沉降、孔隙水压力和侧向水平位移等各项监测成果，同时对监测 结果进行了合理的分析。这对该方法在大面积港口地基处理的应用和推广，具有 重要的现实意义。 2 1 工程概况及工程地质条件 2 1 1 工程