（岩土工程专业论文）真空预压法加固软基的影响范围研究.pdf

摘要 利用真空预压法加固软土地基经常会引起影响区土体出现大的变形甚至裂 缝，对周围环境造成不利影响。对真空预压的研究，目前在加固区土体的固结机 理、固结沉降计算方法及影响深度等方面研究比较透彻，但对影响区土体的变形 机理及水平影响范围问题研究还不是很深入，现场试验和理论分析得出的结论还 不太一致。本文在前人研究成果的基础上，对真空预压的影响范围问题作深入探 讨。 在综合分析现有真空预压加固机理的基础上，本文对真空预压影响区土体的 变形机理进行了初步探讨，认为影响区土体的变形是竖向不均匀沉降和差异侧向 变形共同作用的结果，究其原因，主要是因为加固区真空度向影响区传递和影响 区地下水位线下降。 通过分析认为真空预压加固软基的固结过程可以用比奥( b i o t ) 固结理论进 行描述，并根据虚位移原理得到了比奥固结方程平面应变情况的有限单元法解 答。在此基础上，利用f o r t r a n 编制了有限元计算程序，并利用两个工程的实测 资料计算得到真空预压的加固效果，与实测结果进行多方面对比，证明了所编制 的有限元计算程序的正确性及合理性，计算所得结果是可信的，因此，可以将其 作为工具用于真空预压的各项研究。 利用编制的有限元程序，通过计算展开研究：对线弹性模型和d u n c a n c h a n g 模型进行了比较，发现利用o u n c a r l c h a n g 模型计算得到的结果与真空预压的工 程实际吻合较好；对影响区土体的变形规律进行了总结，与现场试验和理论分析 得出的结论基本一致；对真空预压影响范围的影响因素作了深入分析探讨，认为 加固面积、真空度、打板深度、打板间距及土体性质等均会对真空预压的影响范 围产生影响。 关键词：，真空预压；软基加固；影响范围；变形机理；加固面积；真空度； 打板深度；打板间距；土体性质 a b s t r a c t l a r g ed e f o r m a t i o ne v e nc r a c k sm a yb ec a u s e db yv a c u u mp r e l o a d i n gi ni m p r o v i n g t h es o f tc l a yf o u n d a t i o n , w h i c hw o u l db r i n gn e g a t i v ei m p a c tt ot h e s u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n t n o w ，t h e r ea r em a n ys t u d i e so nt h ei m p r o v i n gm e c h a n i s m ，t h ec a l c u l a t i o n o fc o n s o l i d a t i o na n dd i s p l a c e m e n t ，a n dt h ei n f l u e n c e dd e p t ho fv a c u u mp r e l o a d i n g ，b u t t h er e s e a r c h e sa b o u tt h ed e f o r m a t i o nl a wo ft h es u r r o u n d i n gs o i la n dt h eh o r i z o n t a l i n f l u e n c e dr a n g eo fv a c u u mp r e l o a d i n ga r ef e w , t h ec o n c l u s i o n sf r o me x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa r en o tv e r yc o n s i s t e n t t 1 1 i sp a p e rg i v e sap r e l i m i n a r ys t u d yo nt h ed e f o r m m i o nl a wo ft h es u r r o u n d i n g s o i lo fv a c u u mp r e l o a d i n gb a s e do nt h ep r e s e n ti m p r o v i n gm e c h a n i s m t h ea u t h o rt h i n k t h a tt h ed e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gs o i li sj u s tc a u s e db yt h eu n e v e nv e r t i c a l s e t t l e m e n ta n dt h ed i f f e r e n tl a t e r a ld e f o r m a t i o n , t h e r ea r et w or e a s o n sf o ri t ，o n ei st h e t r a n s f e ro ft h ev a c u u md e g r e et ot h ei n f l u e n c e da r e a ，t h eo t h e ri st h ed r o p p i n go ft h e u n d e r g r o u n dw a t e rl i n e b i o tc o n s o l i d a t i o nt h e o r yc a nb eu s e dt od e s c r i b et h e c o n s o l i d a t i o np r o g r e s so fs o f t c l a yf o u n d a t i o nu n d e rv a c u u mp r e l o a d i n g ，w i t ht h ep r i n c i p l eo fv i r t u a ld i s p l a c e m e n t ，t h e f m i t ee l e m e n tm e t h o da n s w e ro fb i o tc o n s o l i d a t i o ne q u a t i o nc a nb ec a r r i e do u t b a s e d o nt h ef m i t ee l e m e n te q u a t i o no fb i o tc o n s o l i d a t i o n , t h ea u t h o ru s e sf o r t r a nt og e ta f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a m i no r d e rt og e tt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s ，s o m em e a s u r e d d a t ao fv a c u u mp r e l o a d i n gp r o j e c t sn e e dt ob ei n p u t ，t h e nt h ep r o g r a mw i l ls h o wt h e r e i n f o r c e de f f e c t b yc o m p a r i n gw i t ht h em e a s u r e dr e s u l t s ，i ti sp r o v e dt h a tt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a mi sc o r r e c ta n dr a t i o n a l ，t h e r e f o r e ，t h ep r o g r a mc a nb eu s e da sa t o o lf o rv a r i o u ss t u d i e so nv a c u u m p r e l o a d i n g w i t ht h ep r o g r a m ，b yc o m p a r i n gt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa n dt h em e a s u r e dr e s u l t s ， s o m ec o n c l u s i o n sa r eb ee n u m e r a t e da sf o l l o w ：( 1 ) u s i n gt h ed u n c a n c h a n g em o d e lt o c a l c u l a t et h es o i l sd e f o r m a t i o n , f o re x a m p l et h ev e r t i c a ls e t t l e m e n ta n dt h el a t e r a l d i s p l a c e m e n t ，i sm o r es u i t a b l et ot h ev a c u u mp r e l o a d i n gp r a c t i c et h a nf l e x i b i l i t y m o d e l ；( 2 ) t h ec a l c u l a t e ds o i l sd e f o r m a t i o nl a wo ft h es u r r o u n d i n ga r e ai sc o n s i s t e n t w i t ht h em e a s u r e dr e s u l ta n dt h ec o n c l u s i o ne d u c e db yt h e o r e t i c a ls t u d y ；( 3 ) a r e ao f p r e l o a d i n g ，v a c u u md e g r e e ，d e p t ha n dd i s t a n c eo fp l a s t i cd r a i n ，s o i lp r o p e r t i e sa r ea l l t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so ft h ei n f l u e n c e dr a n g eo fv a c u u mp r e l o a d i n g k e yw o r d s ：v a c u u mp r e l o a d i n g ，i m p r o v e m e n to fs o f tf o u n d a t i o n ，i n f l u e n c e d r a n g e ，d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，p r e l o a d i n ga r e a ，v a c u u md e g r e e ，d e p t ho fp l a s t i cd r a i n ， d i s t a n c eo fp l a s t i cd r a i n ，s o i lp r o p e r t i e s 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，也不包含为获得叁鲞盘堂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： 羽一期：以年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎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) 导师签名：【、：牺、儿 签字日期：多邪扩年多月j 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国东南沿海大部分地区和内陆江河湖海的周围，特别是大江、大河河口附 近多为河相、海相或泻湖相沉积层，在地质上属第四纪全新纪q 4 土层，多属饱和 正常压密或欠压密的软粘土，该土层的主要特征为：含水率高、孔隙比大、压缩 性很高、密度低、抗剪强度弱、渗透系数很小、灵敏度较高的特点。随着工农业 建设的发展，大量建( 构) 筑物如工业厂房、码头、机场、仓库、堆场、高速公 路、房屋等都需要建设在这种软土地基之上。直接在这种软弱地基上修建各种建 构筑物，会发生较大的沉降和差异沉降，严重影响建构筑物的正常使用，并且施 工加载过程中常出现稳定问题，因此，对其进行预加固处理是必要的。 现在常用的软基加固方法有：排水预压法，如堆载预压法、真空预压法及真 空联合堆载预压法、真空联合电渗预压法、真空联合降水预压法等；复合地基处 理法，如粉喷桩、旋喷桩及碎石桩等。这些软基处理方法各具优点，同时也受限 于各种使用条件：( 1 ) 堆载预压易操作、经济，但软基的抗剪强度较低，限制了 填土速率，在施工工期方面存在明显不足，尽管作了一些改进，如薄层轮加法等， 但成效不显著；( 2 ) 复合地基处理方法虽然能缩短施工工期，但费用较高，处理 单价一般是堆载预压的2 - - - 3 倍，而且成桩的质量难以控制，尤其是利用超长桩处 理深厚软基。天津、上海、宁波、温州、连云港、福州、深圳、汕头等地的工程 实践表明，对软土地基加固处理的费用占整个工程总投资的比重相当大，约1 3 ， 因此，对各种加固方法进行综合比对，认真选取一种经济、有效的地基处理方案 对工程建设的有效实施至关重要。通过大量的工程探索与实践，真空预压法因其 设备简单、操作方便、加固面积大、能源消耗少、加固效果好、预压时间短等显 著优点而被定为一种行之有效的加固软土地基的方法大力推广，并取得了良好的 经济效益和社会效益。 大量采用真空预压法加固软土地基的工程实践表明，在使用真空预压法对加 固区土体实现加固的同时，常常在加固区周围一定范围( 以下统称为“影响区”) 的土体内产生较大的变形甚至开裂现象，如果真空预压区周围有房屋、危墙、地 下管线、道路等建构筑物，真空预压施工引起的影响区土体变形还有可能导致管 道断裂、围墙倒塌、路堤被毁等严重工程事故。对真空预压的研究，目前在加固 区土体的固结机理、固结沉降计算方法及影响深度等方面研究比较透彻，但对真 第一章绪论 空预压影响区的研究相对较少，特别是对影响区土体的变形机理及水平影响范围 问题研究不是很深入，部分学者通过理论分析计算得出的结论与工程实践得到的 结果还不是很一致。本文拟在理论分析的基础上，运用有限元程序对真空预压的 水平影响范围作一探讨，这一方面可以完善真空预压的理论研究，进而对真空预 压技术进行改进；另一方面还可以指导工程采取行之有效的防护措施以消除或减 小其负面影响，具有重要的理论意义和工程现实意义。 1 2 真空预压法及其发展与应用现状 1 2 1 真空预压法简介 真空预压法( v a c u u mp r e l o a d i n g ) 是指利用抽真空的方法，使土体中形成一个 局部的负压源，通过降低土体中的孔隙水压力而使孔隙水排出，从而增加有效应 力来压密土体的地基加固方法。真空预压法处理地基的工法为：首先，在原地基 表面铺设一定厚度( 通常为3 0 5 0 c m ) 的砂垫层，再在土体中打入砂井、袋装砂 井或塑料排水板( 以下如无特殊说明，均以“砂井 代指) 作为竖向排水体，同 时在砂垫层中埋设纵、横向p v c 管道，然后将不透气的薄膜铺设在砂垫层顶面上 ( 一般铺2 3 层) ，薄膜四周埋入不透水土中，借助埋设于砂垫层中的管道，通 过抽真空装置将薄膜下砂垫层中的空气抽出，使其在砂垫层中形成相对负压，由 于砂井的渗透性也较大，该负压能够快速沿竖向传递到砂井深部，使砂井中也形 成相对负压，而砂井周围土体因渗透系数较小，抽真空的影响较为缓慢，从而在 砂井和砂井周围土体之间形成孔压差，使土体中的孔隙水流入砂井并被排出，以 达到固结效果，其施工模型如图1 - 1 所示。 真空预压法具有以下主要优点： ( 1 ) 区别于堆载预压，抽真空形成的压差所产生的荷载，不会使土体产生剪应 力，故地基不会发生失稳破坏，载荷可一次快速施加，加固速度快，施工工期短； ( 2 ) 加固过程中土体除产生竖向压缩外，还伴随向着加固区的侧向收缩，加固 后土的密实度较堆载预压高，处理深厚软基效果更好； ( 3 ) 施工工艺、机具和设备简单，能耗低，作业效率高，加固费用低，适用于 大规模地基加固； ( 4 ) 不需要大量堆载材料，施工中无噪音、无振动、不污染环境； ( 5 ) 更适用于狭窄地段、边坡附近的地基加固等。 第一章绪论 图1 - 1 真空预压加固软基工法示意图 1 2 2 真空预压法的发展及其应用现状 真空预压方法最早的概念由瑞典皇家地质学院杰尔曼( w k j i l l m a n ) 于1 9 5 2 年提出，当时，他在美国麻省理工学院召开的加固土体会议上首次发表了“利用 大气压力的方法加固粘土 论文，在论文中，他提出了利用该方法加固地基的初 步力学模型【l 】。论文发表后立即引起了学术界和工程界的关注，国内外不少专家 学者和研究机构先后开展了一系列的理论研究和实践工作，但是多年来由于抽气 设备、密封材料、垂直排水通道打设技术等方面存在一定的问题，这一技术的发 展相当缓慢，没有得到大规模的实际应用。1 9 7 3 年，美国的威廉等人提出用二 维渗流网的概念来解释真空预压加固效果，但由于其没有对真空预压条件下孔隙 水压力和土体有效应力相互关系进行进一步研究，也未考虑加固土体本身的固结 过程，因而无法预估地基固结度即有效应力随时间的变化，也难应用于工程实践 中【2 j 。直到日本在某新干线工程中，采用膨润土密封，真空度上升至 9 0 k p a ( 6 7 5 m m h g ) ，真空预压法才取得了实质性成功。后经改进，美国费城国际机 场跑道扩建工程将真空预压、井点降水与排水砂井相结合【3 】，日本大阪南港采用 真空、降水、砂井联合处理方法加固软土【4 】，效果显著。前苏联还应用该方法解 决了土坡的滑动问题，提高了滑动楔体液化土的稳定性，取得了较好的效果【5 】。 2 0 世纪9 0 年代以来，该法在越来越多的项目中得到应用，如1 9 9 0 年法国 a m b e r s 的油罐工程与l a m e n t i n 的高速公路与机场护坦工程、韩国1 9 9 5 年的 k h i m a e 污水处理厂和1 9 9 6 年的j a n g y o o 污水处理厂工程、2 0 0 1 年德国 h a m b u r g 的机场仓库工程，目前，在荷兰、法国、日本、新加坡等地，真空预压 方法已应用相当广泛。 我国在2 0 世纪5 0 年代末和6 0 年代初开始对这一方法进行了研究，但未能 达到工程应用阶段，1 9 5 7 年8 0 7 部队和哈尔滨军事工程学院在室内和室外进行 了真空预压试验，1 9 5 9 年对真空预压加固淤泥地基的野外试验进行了总结；1 9 5 9 第一章绪论 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试验研究”的报告；同年南京水利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“用真空预压加固吹填土的试验小结 的报告，但由于试 验没有成功，大面积使用也就未能付诸实施，其原因除密封材料当时没有轻、薄、 不透气、易粘结的材料以外，主要是当时抽气用的都是真空泵，再配上气水分离 器，将分离出的水由离心泵抽走，效果不是很理想。直到2 0 世纪8 0 年代，以交 通部第一航务工程局为主，天津大学、南京水利科学院参加的联合攻关小组，对 该项加固技术又重新进行了探索、研究。在工程上采用射流泵代替真空泵，很好 地解决了水气分离问题，使抽真空的效率大大提高，膜下真空度稳定在5 3 0 m m i - i g ， 最大可达到6 0 0 m m h g ，从而使该项加固技术的施工工艺有了突破性进展，使之能 满足加固大面积软土地基的要求，该工法于1 9 8 5 年通过了国家技术鉴定，获得 国家“六五”科技进步奖。后又经多年的努力，在真空预压法的真空度和大面积 加固方面达到了国际领先水平，膜内真空度目前已能达到6 1 0 - - 7 3 0 m m h g ，相当 于8 0 一- - 9 5 k p a 等效荷载，经处理的地基能满足大多数货场、仓库、道路及一般工 业与民用建筑的要求，特别适用于荷载要求低于8 0 k p a 的软土地基加固。此外， 针对一些使用荷载大，承载力要求高的建筑场地，自1 9 8 3 年以来，国内陆续开 展了真空一堆载联合预压法的研究，开发了一套先进的工艺和优良的设备，并从 理论和实践方面论证了真空和堆载的加固效果是可以叠加的，并在一百多万平方 米软基上使用，取得了良好的效果。9 0 年代后，天津市水利科学研究所在传统 技术的基础上对真空预压法进行了改良，提出了“低位真空预压软土地基加固 法 ，并于2 0 0 0 年8 月获国家知识产权局颁发的专利证，达到了国际领先水 平【2 1 2 9 】。目前该项技术正在开展以下几个方向的实践和研究： ( 1 ) 真空一堆载联合预压法 即将真空预压和堆载预压两种方法结合起来，先按真空预压的工艺要求，铺 膜、埋管、挖沟，当膜下真空度稳定后，即可按堆载工艺的要求，在薄膜上进行 堆载。该法综合利用了真空预压和堆载预压两种方法的优点，使土体得到加固的 同时还减小了土体的不均匀沉降和侧向变形，能达到很好的预压效果。 ( 2 ) 水下真空预压法 本法用水来代替堆载，减少施工成本的同时还能提高密封效果，无疑是一项 成功的创举，但由于该法是水下施工，故必须考虑水位的涨落、波浪水流的冲刷 和水的压力，应选取合适的工艺和设备。 4 第一章绪论 ( 3 ) 真空一电渗联合加固法 本法也是真空预压和电渗两种方法的组合，由于电渗系数大于水力渗透系 数，故在真空和电渗作用下，可加速土体中水分的排出，并产生一系列的物理化 学反应和离子交换，改变土的结构，使加固后的强度更高，所需的时间更短，但 由于电渗过程需要消费大量的电力资源，成本较高。 ( 4 ) 超软地基的真空预压 随着东部沿海城市建设的推进，为了增加陆域，采取四周筑堤、中间吹填浮 泥的围海造陆方法是经济可行的。但由于浮泥含水量极高，可达3 0 0 以上，强 度基本为零( 称为超软地基) ，对该类地基进行处理必须首先要创造条件使人和 设备能进入现场工作，其次是填筑围堆，将场地分块，然后进行真空预压。通过 多项工程实验的比较，选定荆笆( 或者土工织物) 、砂石垫层进行表层处理，使 设备和汽车上去后再进行真空预压是可行的。 ( 5 ) 特殊环境条件下的真空预压 工程中经常遇到表面覆盖着一定厚度的渗透性高、气密性差的砂石，有时在 加固区和加固区外侧埋有漏水、漏气的管道和防空洞、地下室。对此类特殊条件 下的软土地基进行真空预压时，除表层覆盖气密性密封膜，使被加固土体表面与 大气隔绝外，还需在加固土体四周制造密封帷幕，以避免场地四周漏气使加固区 获得所需的真空度。帷幕目前主要由粘性土深层搅拌法或水泥土深层搅拌法形 成。 ( 6 ) 特殊建设形势下的真空预压 从一些地区的建设形势来看，一方面，原有的软基加固方法从时间、造价上 已不能适应快速建设的需要，如天津港目前的建设时间已成为关键因素；另一方 面，通常软基加固需要的砂源、土源随工程建设的发展越来越紧缺，存在砂、土 材料依靠外运成本高、难度大、大型机械无进场条件等诸多难题。因此，急需提 出能快速提高新进吹填地基土体强度的软基加固方法，实现尽快将超软土( 泥浆) 改变为工程用土的目的，从而提高施工效率节省工期、降低成本。 目前，真空预压法加固软基技术已被广泛应用于港口堆场、仓库、机场、高 速公路、市政设施、人工岛、堤坝边坡等工程的地基处理，并且随着真空预压法 理论水平的进步，该技术必将具有更广阔的发展空间和更良好的应用趋势，也正 因为此，我们更有必要对真空预压的理论进行完善。 1 3 真空预压影响范围的研究现状 我国对真空预压的工程实践和机理的研究在国际上处于领先水平。但就目前 第一章绪论 来看，设计计算理论仍然落后于真空预压的工程实践，特别是对真空预压影响范 围的研究，以往根据监测资料分析得到的结论揭示了真空预压对影响区土体产生 影响的部分规律，但由于土体性质复杂多变，不同地区、不同加固场地的土质条 件都不一样，这样就很难就某一问题得出指导性的结论，例如在同等条件下，改 变砂井的间距会对加固效果产生什么样的影响问题，由于实践中无法保证“同等 条件”，也就无法准确得出砂井间距对加固效果影响的规律，而这些在理论计算 上是可以实现的，因此，要对后续工程进行指导，必须在实践的基础上开展理论 研究。而目前理论研究得到的结果与实测值存在较大的出入，且对其影响因素缺 乏系统的研究。纵观国内外，对真空预压的影响范围问题目前尚无可借鉴的成果， 因此，有必要在这方面做大量深入细致的工作，才能进一步完善其理论体系，解 决实际工程中出现的问题。下面结合一些文献资料对该课题的研究现状作一简单 介绍： 1 3 1 真空预压影响范围的监测结果 工程实践表明，真空预压法加固软土地基会对周围环境产生影响，具体表现 为在真空预压影响区出现不均匀沉降、土体表面出现较大的裂缝或使周围建构筑 物发生变形破坏等，为此，很多工程人员和学者对一些真空预压工程进行了监测， 得到了一些结论。笔者在表1 中列举了部分工程的影响效果供分析 2 , 6 , 7 , 1 0 , 4 9 , 5 1 】。 表1 真空预压加固软土地基对周围环境影响的监测结果 出处工程地点对周围土体产生影响的描述 j q s h a n g ， 真空预压引起的地基土向预压区域的位移会在预压 m t a n g 天津新港区周围产生拉裂缝，产生影响的范围集中在加固区 z m i a o 周围2 0 m 以内 ( 1 9 9 8 ) 河海大学岩土所：真 沿加固区边缘外4 m 处出现长约3 0 m ，宽约l o c m 的 空一堆载加固高速公 京珠高速公路广珠段明显裂缝 路软基总结报告 ( 1 9 9 9 ) 李就好新( 会) 台( 山) 高 ( 1 9 9 9 ) 从k 1 6 + 6 0 0 断面的水平位移曲线来看，最大水平位 速牛湾大桥南岸 移发生在地表下4 6 m 处，约6 5 c m 闰澍旺等 ( 2 0 0 0 ) 天津菜油库储存站在距预压区l o m 之外的地表仍然有裂缝发生 6 第一章绪论 续表 出处工程地点对周围土体产生影响的描述 m t a n g在距加固区2 5 m 外的地表向加固区方向的位移 j q s h a n g 济南遥墙机场为l o c m ；距加固区7 5 m 外的地表向加固区方向 ( 2 0 0 0 )的位移为2 c m 于志强等距加固区1 7 m 外的侧向位移为4 1 c m ；真空预压 ( 2 0 0 1 ) 天津港保税区影响范围可达2 0 3 0 m ，变形较大区域主要在距 加固区边线2 0 m 以内，3 7 m 范围地表有开裂 赵勤勇京珠高速公路广珠东最大日水平位移2 5 c m ，3 0 天累计水平位移 ( 2 0 0 1 ) 线1 4 标段软基处理试3 0 c m ，加固区周边均有可见收缩裂缝产生，最大 验段第1 试验区连续裂缝长3 0 m ，缝最大宽度达l o c m 栾新顺、刘书星距密封沟4 m 的b 8 号测斜管，向区内位移量7 2 ( 2 0 0 1 ) 落马洲水闸软土7 5 5 c m ，主要发生在o - 7 m 深处，距密封沟l o m 地基处理的b 7 号测斜管，向区内位移量6 0 6 1 c m 曹永琅等地表以下2 0 m 的土体均产生向路中轴线的水平位 ( 2 0 0 2 ) 某高速公路移，地表下1 2 m 以上的土体变形相对较大，停止 抽气前地表的水平位移达3 0 c m 左右 对所有工程，在真空预压作用下，土体均产生向 着预压区的水平位移。在抽真空中心，水平位移 朱继伟对不同地区八个真空预为零，向外逐渐增大，至抽真空边缘处增大到最 ( 硕士论文)压工程实例的总结 大值。地面处水平位移最大，一般为几十厘米， ( 2 0 0 3 ) 随着深度的增加，水平位移逐渐减小。一般在l o m 以下，水平位移已经很小。水平位移随预压时间 而逐渐增大。 颜安平 深层水平位移主要发生在地表下1 2 m 的范围内， ( 2 0 0 2 ) 某污水处理厂最大水平位移接近3 5 c m ，发生在地表 紧贴密封沟，距加固区边界距离为2 5 m 地表的 浙江大学岩土工程研究最大水平位移可达3 2 4 c m ，距加固区7 5 m 地表 所：真空联合堆载预压路桥至泽国一级公路浃水平位移为9 4 c m ，距加固区1 2 5 m 地表的水平 技术在高等级公路中的里陈大桥桥头段位移可达5 8 c m ；距加固区最近的裂缝约距加固 应用及技术研究 区边缘l 2 5 m ，裂缝宽3 5 c m ；最远的裂缝离 ( 2 0 0 4 ) 加固区边缘约2 0 m ，缝宽0 5 l c m 7 第一章绪论 续表 出处工程地点对周围土体产生影响的描述 苗中海在真空预压加固区边缘2 0 m 范围内，影响区土向 喻志发 珠海发电厂6 0 万m 2 软加固区产生位移使表层产生许多裂缝，表层有硬 陈允进 基加固工程壳层时，裂缝更明显，本工程测得的沿深度侧向 ( 2 0 0 5 ) 水平位移一般在5 0 ，- - 7 0 c m 左右 真空预压加固软土地基将引起加固区外较大的 竖向沉降，距离加固区边界越近，沉降越大；加 固区外土体的水平位移，最大接近4 0 c m ；加固区 艾英钵：真空预压对周外的水平位移沿竖直向变化较大，影响深度主要 围环境影响的实验研究广州港南沙港区陆域软在1 7 米以内，在这一深度范围内，对于区外未 及计算分析( 硕士论文)基处理工程 加固土体的水平位移均大于2 0 m m ，表面的水平位 ( 2 0 0 6 ) 移最大，而1 7 m 以下土体的水平位移很小；加固 区外土体的土质条件是影响抽真空对区外土体 影响范围的主要因素；加固区外采取水泥搅拌桩 和水泥旋喷桩防护措施后，对区外上部土体影响 明显。 从表中的工程实例我们可以发现，真空预压施工对加固区周围环境产生影响 是明显的，而且广泛存在。 1 3 2 真空预压影响范围的试验及理论研究 目前，国内外对真空预压影响范围课题的研究主要有两种手段，一种是对真 空预压现场试验得到的监测资料进行分析，得到一些规律性的成果；一种是通过 理论计算得出结论。具体研究主要围绕以下几个方面展开： ( 1 ) 加固区边缘沿深度方向的侧向变形； ( 2 ) 影响区发生水平位移的范围，包括水平距离和竖向深度： ( 3 ) 侧向变形的影响因素； ( 4 ) 减小真空预压对周围环境产生影响的各防护措施的防护效果； ( 5 ) 真空预压影响区土体变形机理。 研究情况介绍如下： 闫澍旺、陈环( 1 9 8 5 ) 1 基于比奥( b l o t ) 固结理论，利用f o r t r a n 自行 编制的计算负压条件土体固结的有限元程序，计算得出：真空预压法处理软基产 第一章绪论 生的最大侧向位移发生在薄膜的边缘处，而且最大侧向位移发生在地表处。同时 还指出，由于受抽气影响，膜外的上部土层将会逐渐固结而塑性降低，可能会在 地表出现裂缝。 范须顺( 1 9 9 5 ) 【8 】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 根打入土层中排水板作为单个排水井考虑，假定地下水向承压排水井的运动为稳 定运动，假设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 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。 陈小丹( 1 9 9 9 ) p j 对深圳河三期真空预压对周围环境影响研究中，对边界 采用水泥搅拌桩防护措施时进行分析，认为水泥搅拌桩减少了土体向真空预压区 的水平位移，同时由于水泥搅拌桩的渗透系数比土小，真空度不容易向边界传递， 从而削弱了真空预压对周围土体的影响，使边界土体的附加沉降减少4 0 ，向 真空预压区的水平位移也大大减少。 于志强、朱耀庭、喻志发( 2 0 0 1 ) 【1o 】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，得到如下主要结论：( 1 ) 真空预压加固软土 地基对加固区外一定范围土体变形影响是显著的，加固后区外土质条件会得到一 定改善；( 2 ) 加固区外有建筑物时，预压加固对区外地表影响可根据施工区周围 地质条件、预压区理论计算最大沉降量s 。来进行设计或施工前估算，预测其影 响程度。加固区外2 0 m 以内一般最大水平位移与s 。的比值在1 0 一2 5 之间；( 3 ) 确定预压边线距主要构筑物间安全距离时，首先要考虑建( 构) 筑物变形的能力， 其次是地质条件，一般情况下建议在1 8 m 左右，不宜小于1 5 m ，同时应加强施工 观测。 彭劫、刘汉龙、陈永辉等( 2 0 0 2 ) i h 根据浙江杭金衢高速公路娄下陈段的真 空一联合堆载预压法的软基处理工程实践，报道了真空一联合堆载预压法对周围 环境影响的实测情况，并进行了有限元分析，指出：真空一联合堆载预压对周围 环境有较大的影响，在该工程中影响范围在加固区外3 0 m 左右；真空一联合堆载 预压周围土体侧向位移具有先向加固区内，然后向加固区外移动的特点。 陈远洪、洪宝宁、龚道勇( 2 0 0 2 ) u 2 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 l 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，较系统地介绍了利用有限元处理真空预压法加固软基的数值方法， 并以深圳河工程为例，计算分析了软基中应力、位移、孔隙水压力的变化与周围 环境相互影响，利用深层搅拌桩的支护和阻水作用，可以有效地减少周围土体的 不均匀沉降和最终沉降量，同时能较好地控制土体侧向变形，保证土坡的稳定性， 9 第一章绪论 说明在真空预压中采取防护措施可以明显减轻对周围环境的影响。 朱虹、朱建才、丁样洲( 2 0 0 2 ) 【” 采用试验与有限元的方法，研究了真空联合 堆载预压加固软基对周围环境的影响，结果表明：真空预压使影响区的土体向加 固区方向收缩，在水平方向，地表的水平位移影响范围可达2 0 m ，沿深度方向， 深层土体的水平位移在l o m 以上，1 5 m 以下基本上无水平位移。 余湘娟、吴跃东、赵维炳( 2 0 0 2 ) 【1 4 结合深圳河真空预压加固软基工程，采用 了比奥固结有限元法，在计算中采用了双屈服面粘弹粘塑性模型，应用了损伤 理论，研究砂井施工对土体扰动的影响，并考虑了土体流变的影响。采用平面应 变有限元进行计算，有限元计算结果表明，真空预压能加快地基固结，在有限的 工期内大幅提高地基土的强度，消除工后沉降；从侧向位移说明真空预压对周围 建筑物有一定的影响：当采用搅拌桩的支挡作用和止水作用，可以维持周围土的 稳定，减少其水平位移和不均匀沉降，从而可达到保证周围建筑物安全的目的。 童中、汪建斌( 2 0 0 2 ) 【l5 】报道了广肇高速公路k 5 4 + 3 5 0 一- - k 5 4 + 5 6 0 段软基采用 真空一联合堆载预压法加固过程中侧向位移的监测情况。监测结果表明：( 1 ) 在 近地表附近( o - - 一2 m 左右) 侧向位移一直指向场地内，并且有不断扩大的趋势，越 近地表，侧向位移越大，扩大趋势越明显；( 2 ) 在深度2 m 以下的区域，填土后位 移方向发生倒转，由向内转为向外：( 3 ) 在深度4 2 6 6 m 范围内，测斜曲线相 应出现较大波折，自6 6 m 以下侧向位移突然增大，在深7 m 处达到最大，在7 m 以下部分的侧斜曲线出现收敛的形态，最后尖灭于1 3 m 深处，文中从地质条件和 测斜管受力模式两方面对上述现象进行了分析；( 4 ) 在填土荷载加载之前的纯真 空预压时段，侧向位移向加固区内方向增加；但当填土荷载加到一定程度后( 约 2 0 k p a ) ，侧向位移向加固区外方向缓慢递减。在填土恒载期，侧向位移又向加 固区内方向增加。 闫澍旺、朱继伟、孙万禾( 2 0 0 3 ) 【1 6 】依据大量工程实测资料以及自行编制 的基于比奥( b l o t ) 固结理论的有限元分析程序，对固结系数、排水板打设间距、 真空度、预压面积等因素对真空预压处理地基的侧向变形的影响进行了研究，得 出：侧向位移的最大值与膜下真空度成正比，随排水板间距的减少而增大；排水 板打设深度越深，侧向变形越大；土体的水平固结系数c h 减小，侧向变形会增 大；在加固面积大于一定值( 以加固宽度大于l o m 为分界点) 时，加固面积的改 变对侧向变形影响很小。 董志良、胡利文等( 2 0 0 5 ) 【l7 】结合真空预压治理深圳河二期工程现场试验，分 析了真空预压对周围环境的影响及不同防护措施的防护效果。实测结果表明真空 预压影响范围可达4 0 m 以上，在距离加固区边缘8 m 处的最大侧向位移量可达 3 3 5 a m ，影响深度达1 4 m ：在距离加固区边缘1 4 m 处的最大侧向位移量可达 1 0 第一章绪论 2 3 2 c m ，影响深度达1 2 m 。采用水泥土搅拌桩可减少土体向加固区内的侧向位移， 降低真空预压对周围环境的影响其中格栅型水泥搅拌桩的防护效果明显好于采 用两排紧密布设的水泥土搅拌桩墙的防护效果。 陈兰云、朱建才( 2 0 0 5 ) 【18 】分析了不同深度的沟、不同模量的桩、不同渗 透系数的桩以及不同桩长等安全保障措施下真空预压对周围环境影响的效果。分 析结果表明：挖沟可较有效地减弱真空预压影响区土体的水平位移与竖向位移； 当桩土的模量比达到1 0 0 倍以上之后，桩土模量比的增加对影响区的沉降基本 上无影响；不同渗透系数的桩对影响区的沉降有一定的影响，随着桩体渗透系数 的减少，影响区的沉降量有不同程度的减少；随着桩长的增加，影响区的沉降量 随之减少。 王劲、陈晓平( 2 0 0 5 ) 【1 9 】基于真空预压加固软土地基的机理，研究了该方 法实施时对周边地基造成的影响，从侧向卸载的角度探讨了真空预压加固区外土 体的受力和变形情况。结合工程实测资料，分析了真空预压法加固软土地基时加 固区外土体水平位移和竖向沉降的特性。指出由于加固区边界无法做到完全封 闭，随着加固区内真空度增加和地下水位下降，加固区外地下水位也会存在不同 程度的下降，并导致土体在真空预压卸载后仍会继续发生固结和沉降。同时文中 还阐述了减少真空预压对周围土体影响的措施。 艾英钵、蔡树南、柯朝辉( 2 0 0 7 ) 【2 0 】结合某真空预压加固软基工程中出现的 临近建筑物拉裂问题，进行了真空预压对周围土体变形影响及减小其影响的防护 措施的现场试验研究研究结果表明，真空预压影响区范围与周围土体的土质条 件有关，超软土地基的影响距离超过5 0 m ，而加固区外土层条件较好时的影响距离 很小，在真空预压区外采取打设高压旋喷桩、水泥搅拌桩防护墙等技术措施可以 减小上部土层的侧向变形。 1 3 3 研究得出的结论及存在的问题 从上面给出的一些实际工程的监测资料和一些学者对监测资料的分析我们 可以看出，真空预压的影响效果因场地性质、土质条件、施工工艺等的不同而各 有差异，从监测资料得出的结论因为无法达成一致而缺乏普适性，但由此得出的 一些规律可以作为工程实践的参考，也可为理论研究提供支撑，归结为如下几点： 1 ) 在真空作用下，土体均是产生向着加固区的水平位移，在加固区的中心 侧向位移为零，向外逐渐增大，至加固区边缘增大到最大值，再由加固区边缘往 外，水平位移又逐渐减小，侧向位移值一般在地表处最大，为几厘米到几十厘米 不等； ( 2 ) 从加固区周围土体发生侧向位移的水平范围来看，最远可达3 0 4 0 m ， 第一章绪论 一般都集中在离加固区边缘2 0 m 内； ( 3 ) 从发生侧向位移的土体深度来看，加固区边缘土体发生侧向位移的深度 最大，而随着深度的增加，水平位移会逐渐减小，一般在离地表1 2 m 以下水平位 移已经很小，离加固区边缘越远，侧向变形的影响深度越小； ( 4 ) 水平位移也和沉降一样是随着真空度和预压时间的增加而逐渐增大的， 并且抽真空开始时侧向变形速率较大，以后变形缓慢，最后趋于稳定。同时二者 还存在一定的联系，一般情况下，当地面沉降大时水平位移也大，反之亦然； ( 5 ) 在加固区边界设置压膜沟或搅拌桩等防护措施可以削弱真空预压对周围 土体的影响； ( 6 ) 真空预压影响区土体的变形受加固场地面积、加固区土体性质、打板深 度、打板间距、真空度及影响区土体性质等因素的影响。 文献显示，目前对真空预压影响范围的理论研究还很少，远远落后于工程实 践，而且得出的结论与实测结果存在较大的差异。闰澍旺、陈环( 1 9 8 5 ) ，朱继 伟、闰澍旺( 2 0 0 3 ) 在比奥( b l o t ) 固结理论的基础上，利用f o r t r a n 编制的有 限元程序对真空预压影响范围的研究得出了一些规律性的成果，但由于其建立计 算模型时作了较多的简化，采用的是弹性本构关系，必然会使计算结果与工程实 际存在一定的差异；范须顺( 1 9 9 5 ) 依据库萨金公式提出的用于估计真空预压影 响范围的经验公式由于考虑的因素不是很全面，计算结果与实测值不是很对应， 应用存在一定的局限性；陈远洪、洪宝宁、龚道勇( 2 0 0 2 ) ，朱虹、朱建才、丁样 洲( 2 0 0 2 ) ，余湘娟、吴跃东、赵维炳( 2 0 0 2 ) 等利用有限元，分别采用不同的土体 本构模型，考虑了土的流变和损伤等因素，计算得出的结论与各自所列工程实际 较吻合，推动了对该课题的研究进程，但由于他们都只是对影响区的个别问题进 行了探讨，而且他们之间得出的结论也存在差异，无法形成统一认识。由此可见， 由于计算方法、计算模