（岩土工程专业论文）真空—堆载联合预压加固软基效果的试验研究.pdf

摘要 摘要 真空预压法及真空一堆载联合预压法作为一种新的软土地基处理方法，广泛应用于 道路、码头、工民建、机场等工程中。但其理论研究相比于工程实践较落后，不少理论 问题还未得到解决。如：真空预压法的有效加固深度、真空预压和堆载预压法加固效果 的差别、真空预压及真空一堆载联合预压下土体的微观结构的变化等问题。 本文在总结前人工作的基础上，通过室内试验、现场试验和微观试验分析，对真空 一堆载联合预压加固软土地基效果进行了较为深入的探讨和研究。本文的主要工作如 下： f i ) 通过室内试验模拟了真空预压、堆载预压、真空一堆载联合预压。分析真空预压 和堆载预压法对不同深度土体的加固效果；在相同的预压荷载下，比较真空预压和真空 一堆载联合预压法对土体的加固效果；对不同围压下真空预压和堆载预压的加固效果以 及不同真空压力与堆载压力比值的联合预压下的加固效果进行比较分析。 ( 2 ) 通过分析现场试验资料得出，珠江三角洲地区某软基在真空一堆载联合预压下 的有效加固深度可以达到排水管以下4 m ；沉降盆曲线的变化除了与边界的密封情况有 关，还与加固区土质情况、加载大小等因素有关；在未填土之前的抽真空期间，各深度 的孔隙水压力下降速度较快，开始填土后，由于真空负压的抵消作用，超孑l 隙水压力的 增长幅度较小，并且在停止加载后迅速下降。 ( 3 ) 通过定量分析大量的预压前、真空预压后、堆载预压后和真空一堆载联合预压 后土样的微观图像发现：真空预压法和堆载预压法的加固效果是可以叠加的；真空预压、 堆载预压和真空一堆载联合顸压后土体颗粒的形状变得狭长；真空预压、堆载预压和真 空一堆载联合预压后土体颗粒的定向度增大，孔隙的定向度减小；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，孑l 隙的平面分布面积减小，表明预 压后颗粒之间更加密实。最后从微观角度对预压前后体物理力学性质指标及真空预 压、堆载预压和真空一堆载联合预压之间的加固效果进行了解释。 关键词真空预压堆载预压真空一堆载联合预压加固效果室内试验现场试验 微观结构试验 a b s t r a c t v a c u u m p r e l o a d i n g a n dv a c u u mc o m b i n e d m e t h o d st o i m p r o v et h e s o f tf o u n d a t i o n t h e s e w i t h s u r c h a r g ep r e l o a d i n g a r ee f f e c t i v e t w om e t h o d sh a v eb e e nu s e dw i d e l yi n f r e e w a y , d o c k ，b u i l d i n ga n da i r p o r t ，e t c b u tt h et h e o r yo fv a c u u mp r e l o a d i n gd e v e l o p sm o r e s l o w l yt h a ni t se n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h e r ea r em o r eq u e s t i o n st os o l v e ，s u c ha st 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 ，d i f f e r e n c e b e t w e e nv a c u u m p r e l o a d i n g a n d s u r c h a r g ep r e l o a d i n g ，t h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r e o ft h es o i la f t e rv a c u u mp r e l o a d i n ga n d v a c u 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 g ，a n ds oo n b a s e do nt h es u m m a r yo ft h ef 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 mc o m b i n e dw i t h s u r c h a r g ep r e l o a d i n gi ss t u d i e dt h r o u g hl a b o r a t o r yt e s t ，f i e l de x p e r i m e n ta n dm i c r o s t m c t u r e a n a l y s i sb y t h ea u t h o r t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , v a c u u mp r e l o a d i n g ，s u r c h a r g ep r e l o a d i n ga n dv a c u u mc o m b i n e dw i t hs u r c h a r g e p r e l o a d i n ga r es i m u l a t e dt h r o u g hl a b o r a t o r yt e s t t h em e c h a n i s ma n de f f e c t b e t w e e nt h e v a c u u m p 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 go f t h es o i li nd i f f e r e n td e p t ha r ea n a l y z e d t h e s t r e n g t h e n i n g r e s u l tb e t w e e nv a c u u mp r e l o a d i n ga n dv a c u u mc o m b i n e dw i t h s u r c h a r g e p r e l o a d i n g u n d e rt h es a m e p r e l o a d i n g i ss t u d i e d s e c o n d l y , s o m e u s e f u lc o n c l u s i o n sa r ed r a w nt h r o u g ht h e a n a l y s e s o ft h ef i e l d e x p e r i m e n td a t a ，s u c ha s ，t h ee f f e c t i v ei m p r o v e m e n td e p t hu n d e rv a c u u mc o m b i n e dw i t h s u r c h a r g ep r e l o a d i n g i s4m e t e r s d e e p e rt h a n t h e d e p t h o fd r a i n p i l e i n z h u j i a n g t h e b a s i n c u r v eo fs e t t l e m e n th a sr e l a t i o nn o to n l yt ot h ec o n d i t i o no fb o u n d a r y sa i r p r o o f , b u t a l s ot ot h ec o n d i t i o no fs o i la n dt h em a g n i t u d eo fp r e l o a d i n g t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ei n d i f f e r e n td e p t hf a l ld o w nf a s td u r i n gv a c u u m p u m p i n gb e f o r ef i l l t h ep o r ew a t e rp r e s s u r e i n c r e a s e ss l o w l yd u r i n gf i l l i n gb e c a u s eo ft h ev a c u u mn e g a t i v ep r e s s u r e ，a n di tw i l ld e c r e a s e d e e p l y w h e nt h ef i l lf i n i s h e s f i n a l l y , t h r o u g ht h ea n a l y s e so ft h em i c r o s t r u c t u r ep h o t of r o mt h eo r i g i n a ls o i ls a m p l e ， v a c u u m p r e l o a d i n gs o i ls a m p l e ，s u r c h a r g ep r e l o a d i n g s o i ls a m p l ea n dv a c u u mc o m b i n e dw i t h s u r c h a r g ep r e l o a d i n gs o i ls a m p l e ，s o m eu s e f u l c o n c l u s i o n sa r ed r a w n ：t h es t r e n g t h e n i n g r e s u l tf r o mv 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 gc a nb ea d d e di nm a t h e m a t i c s t h e s h a p e o fs o i lg r a i na f t e rv a c u u m p r e l o a d i n g ，s u r c h a r g ep r e l o a d i n g a n dv a c u u mc o m b i n e dw i t h s u r c h a r g ep r e l o a d i n gb e c o m e sl o n ga n dn a r r o w t h eo r d e ro ft h es o i lg r a i na f t e rp r e l o a d i n g b o o s tu pa n dt h eo r d e ro ft h ep o r es p a c ea f t e rp r e l o a d i n gg r o w sl o w e r t h ed i s t r i b u t i n ga r e ai n o n ep l a n eo ft h es o i l g r a i n a f t e rv a c u u mp r e l o a d i n g ，s u r c h a r g ep r e l o a d i n ga n dv 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 gg e t sl a r g e ra n dt h ed i s t r i b u t i n ga r e ai no n ep l a n eo ft h e p o r es p a c e b e c o m e ss m a l l e r , i e t h es o i l sg r a i n sg e t sm o r ed e n s ea f t e rp 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 ，s u r c h a r g ep r e l o a d i n g ，v a c u u mc o m b i n e dw i t hs u r c h a r g e p r e l o a d i n g ，i m p r o v i n ge f f e c t ，l a b o r a t o r yt e s t ，f i e l de x p e r i m e n t ，m i c r o s t m c t u r e t e s t i i 河海太学顺士论文 第一章绪论 1 1 研究意义 随着改革开放的不断深入，国民经济中基本建设得到了日新月异地发展，厂房、码 头、港口、机场、高速公路等建筑物不断增多，尤其是高速公路近数十年来得到了飞速 发展。1 9 8 8 年1 0 月，沪嘉高速公路建成通车，全长1 8 5 公里，标志着我国大陆地区高 速公路零的突破。到2 0 0 2 年底，我国高速公路总里程已达2 5 2 万公里，创造了高速公 路发展的奇迹【l j 。我国已有及在建的高速公路主要集中与东南沿海一带。而我国沿海除 山东部分地段外，大部分的海岸线为淤泥质海岸，多为河相、海相或泻湖相沉积层，在 地质上属第四纪全新纪瓯土层，多属于饱和的正常压密粘土。土的类别多为淤泥、淤泥 质粘土、淤泥质亚粘土，在南方少数地区还有淤泥质粉砂层。这类土具有高含水量、大 孔隙比、低密度、低强度、高压缩性、低透水性、中等灵敏度等特点。在这种软弱地基 上建设高速公路，由于其压缩性高、透水性差，地基会产生相当大的沉降和沉降差，而 且沉降过程持续的时间很长，影响了高速公路的正常使用。另外，由于其强度低，地基 承载力和稳定性往往不够，不能满足工程要求而容易发生地基破坏。为保证高速公路在 施工和使用期间的地基承载力和稳定性安全及消除过大的沉降和沉降差，必须对这种地 基进行加固处理【2 】。目前常用的软基加固方法有：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；排水预压法，如堆载预压法、真空预压法及真空一堆载联 合预压法等：复合地基法，如水泥搅拌桩、旋喷桩及粉喷桩等。对高速公路软土路基处 理而言，真空堆载联合预压法是较为有效的处理方法p i 。 真空预压法由瑞典皇家地质学院杰尔曼f w k j e l l m a n ) 教授于1 9 5 2 年在美国麻省理工 学院召开的加固土会议上提出1 4 l ，该法随后引起了学术界和工程界的关注，1 9 5 7 年美国 费城国际机场跑道扩建工程( 5 】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【6 】；2 0 世纪7 0 年代日本东北地区新干线r 7 l 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【8 】；法国、前苏联也开 展了真空预压法的研究应用，为了提高滑动楔体液化土的稳定性，利用该方法较好地解 决了土坡的滑动问题1 9 8 4 年日本港湾技术研究所在锦海湾进行了真空预压的现场试 验，并采用了通常的等应变的砂井固结理论进行了计算，计算结果沉降速率较实测值快 【1 0 】。 我国在5 0 年代末和6 0 年代初开始对这一方法进行研究【l l j l l 2 i ，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做过真空预压试验，王仁 权就探讨过用真空预压加固淤泥地基，1 9 5 9 年他们对淤泥地基加固的野外试验进行了总 第一章绪论 结；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试验研究”的报告；同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“电渗排水加固海淤软土固结试验 报告”。1 9 6 0 年同济大学和南京水科院1 1 习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的试验小结”。直到1 9 8 0 年交通部一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后才在工程应用方面获得成功，成功地在天津新 港地区实际加固软基6 8 万平方米【1 4 1 1 1 5 1 【1 6 】【1 7 】，并于1 9 8 5 年1 2 月通过了国家技术鉴定。 目前我国真空预压法的工艺技术在真空度和大面积加固方面处于国际领先水平，由于该 方法在处理软土特别是超软土时，不会因土体的侧向挤出变形而破坏，同时施工期较短 和对环境污染小，所以得到了广泛的应用。 真空堆载联合预压法是在真空预压法基础上发展而来。为了满足某些使用荷载大、 承载力要求高的建筑物的需要，我国从1 9 8 3 年开展了真空一堆载联合预压法的研究。通 过室内离心模拟试验【1 8 】和现场大面积【1 5 l 试验表明，真空产生的负压和堆载产生的正压效 果是可以叠加的，从而形成了真空堆载联合预压法。该方法具有真空预压和堆载预压 的双重效果，但又不完全等同于二者的简单叠加。通过抽真空形成负压，当真空度达 8 0 k p a 以上，相当于一次性施加4 。5 m 的填土荷载。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，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。 1 9 9 8 年8 月起，广东珠江三角洲地区开始引入真空一堆载联合预压加固高速公路软 基方法，从几段高速公路的试验情况看，该处理方法效果是比较理想的u ”。所以在广东、 浙江、江苏、上海的高速公路建设中真空预压法已得到了广泛的应用 2 0 l 。除了在高速 公路建设中的应用，真空一堆载预压法也广泛应用在码头、港口、机场、工民建等工程 建设中【1 4 】1 1 7 i z l - 4 7 1 。 虽然真空一堆载联合预压法已成功应用于工程实际中，但其加固效果上还有一些问 题未得到解决，如真空预压和堆载预压对不同深度土体的加固效果、真空一堆载联合预 压法的有效加固深度、土体沉降的变形特性等，特别是加固效果的微观解释，在此之前 只有分析猜想的研究，并没有试验证明，所以为了对真空一堆载联合预压法有更加详尽 和全面的认识，有必要对以上问题进行探讨。 1 2 国内外研究现状 多年来，国内外不少专家学者和研究机构对真空预压法及真空联合堆载预压法都通 过室内试验、现场试验、理论计算等来进行研究1 3 2 11 3 3 【4 8 锄】，现阶段有学者通过土体的 微观结构【5 6 j 分析加固机理和加固效果，取得了许多有价值的研究成果。下面结合本文的 2 河海大学顺士论文 内容，主要介绍室内试验、现场试验、微观结构和加固机理这几方面的研究动态。 1 2 1 真空预压法简介 真空预压法处理地基，首先在原地基表面铺垫( 通常为4 0 5 0 c m ) 砂垫层，作为 水平排水体，再在土体中打入袋装砂井或塑料排水板( 以下一律称为砂井) ，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垫层上，薄膜四周埋入土中， 借埋设于砂垫层中的主管和滤管，将薄膜下土体问的空气抽出，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中，从而在砂井和砂井周围土体之间形成孔 压差，使土体中的孑l 隙水流入砂井并被排出，以达到固结。其示意图如图1 1 所示。真 空预压系统由抽真空系统和排水排气系统两部分组成。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； 加压系统则是起固结作用的荷载，是地基土的有效固结应力增加而产生固结。 图1 - 1 真空堆载联合预压加固软基示意图 根据目前的工程经验，膜上下压差可维持在6 1 0 7 3 0 m m h g ，即8 0 9 5 k p a 左右。 一般可取7 5 8 0 l 【p a 作为设计压差。真空联合堆载预压是在真空预压施工的基础上，在 膜上下压差真空度达设计要求并稳定1 2 周后进行堆载预压施工，若天然地基特别软 弱，可适当推迟堆载时间。在堆放第一级荷载时，应采取可靠措施保护密封膜。堆载施 工完毕后，真空和堆载联合作用，直到满足固结度要求或者沉降速率要求时可以卸除真 空荷载f 2 】。 1 2 2 室内试验的研究现状 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，国外也相继开展了些模型试验，对真空预压 加固效果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： 陈环、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，土体强度的增 第一章绪论 长也基本相同的结论口”。 鲍秀清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 r a 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1 0 m m ，其上覆橡胶薄膜。 膜与外壁密封，在膜的中部设抽气孑l 。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样的【5 2 】。 阎澎旺、陈环在三轴仪上做正负压固结试验。试样高度2 0 m m ，直径3 8 1 r a 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孔隙水压力变化。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，负压作用下地基固结度的计算公式与 正压相同p “。 鲍秀清、严弛在三轴仪上进行了正负压对比试验。试样直径3 8 0 3 9 0 r a m ，试样高 2 0 r a m 和8 0 r a m ，对三种土进行了试验。是一维渗流固结，但是轴对称变形。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是基本相同的， 开始时负压的固结过程稍快，而后正压反而快些口“。 林丰等进行了模型试验。试验在1 2 1 8 m 的模型槽中进行，在模型槽中铺设了 7 0 0 m m 厚的初始含水量为7 1 2 的新港扰动粘土。粘土上部铺l o o m m 砂垫层，距粘土 底部1 5 0 m m 埋设9 个摊水砂并，井距3 0 0 m m ，成正方形布置。抽气进行了1 7 天，平 均负压为9 5 k p a 。量测不同深处的孔压、沉降量、出水量、试验前后容重与含水量和试 验后的十字板强度。试验后表层土含水量有较大的降低，而十字板强度有不同程度的提 高。试验结果表明固结排水量与沉降压缩的变形体积基本相当：砂垫层中已非饱和状态 5 2 1 。 严弛等进行了轴对称模型试验。在庐= 2 5 0 m m ，h = 5 5 0 m m 的圆柱试样轴心处埋设 d = 1 0 r a 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 5 2 1 。 高志义等进行了离心模型试验。试验将现场试验区的一横断面作为平面应交情况进 行了模拟。从试验结果得到如下初步结论：1 ) 试验结果的规律性与现场实测的基本一 致。说明用离心模型试验可以模拟现场情况。2 ) 抽真空的同时进行堆载的联合加固， 进一步提高了加固效果。说明两者产生的有效应力是可以叠加的。3 ) 砂井长度为2 0 m 时，在2 0 m 附近仍有一定加固效果。4 ) 采用刚性密封膜，密封膜顶端固定，抽真空时 4 河海大学硕士论文 膜不下沉而土发生下沉，膜顶与土面逐渐脱离。5 ) 抽真空达稳定时用钽丝测量的地下 水位下降了2 7 m 1 5 “。 j u d i t h a f h 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 l 【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【4 9 l 。 e c l e 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，如果继续增大吸力，抗剪强度会出现下降情况 5 0 1 。 张诚厚等用固结仪研究了正负压力( 数值相等) 下土样剪切强度增长的情况，得出 的结论是堆载预压加固效果要好于真空预压的加固效果唧】。 李丽慧等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 t ( 5 5 1 。 李豪、彭劫等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，得出了结论：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 1 3 倍，而堆载预压和真空预压的沉降量差别不大；进一步 明确了真空预压及联合预压实际上也是一种固结过程，因此采用太沙基固结理论进行计 算是可行的，但同时也存在一定的差别，真空预压明显快于联合预压和堆载预压，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指标得得以改善，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；从微观角度对试验过程和现象进行了解释分析，并根据试验结果，对实际工 程中的施工提出了一些改进的建议以提高加固效果 5 6 , 5 7 】。 第一章绪论 1 2 3 现场试验的研究现状 在进行室内试验的同时，很多学者也通过了大量的现场试验来研究真空预压法。现 简要介绍如下： 唐弈生等结合天津港池后方堆场软基加固工程，对真空预压的施工、监测进行了研 究，结果表明该法对于一般软粘土地基包括超软地基均能获得满意的加固效果，真空预 压的过程中，地基水平变形向着预压区收缩，真空荷载可以一次抽到最大值而不会产生 侧向挤出现象i “】。 吴跃东等在京珠高速公路软基处理中采用了真空一联合堆载预压法，加固效果较 好，在对地基中孔压检测过程中，发现抽真空能引起地基软土的曼德尔现象【1 9 】 5 s l 。 程欣等结合京珠高速公路广珠段软基试验，对真空预压加固高速公路软基过程的分 层沉降、孔隙水压力、表面沉降和水平位移等随真空度和时间的变化进行了分析。得出 如下结论：1 ) 真空度在纵向排水体( 袋装砂井或塑料排水板) 中传递的衰减率明显低于应 力在土体中传播的衰减率，因此，从有效应力增长角度看，真空预压的加固效果应该强 于堆载预压。另外，真空预压加固深度取决于纵向排水体的打设深度，对于深厚软基该 种处理方法更显优越性。2 1 抽真空产生负压，使土体产生向内收缩变形，可以抵消因堆 载引起的向外挤出变形，因此，从稳定性计算角度看，在路堤填土过程中真空预压比堆 载预压稳定。3 1 由于用堆载预压法加固高速公路，为了减少工后沉降，堆载高度往往超 过路床很多。从这个角度比较，真空预压法不仅可以减少重复施工，而且具有较好的经 济效益。 彭劫、刘汉龙等根据真空一堆载联合预压现场试验及孔压、沉降测试结果，对抽真 空时地下水位的变化过程和加固深度范围等进行了探讨，结果表明：真空预压的直接作 用范围可达地表以下1 8 m ；真空预压期间地下水位是下降的，且其幅度小于2 m ；停止 抽真空使地基横向约束放松，从而导致向外变形，且此变形会消除卸真空引起的回弹现 象；负孔压的恢复需要一个过程【删。 温晓贵、朱建才、龚晓南通过对浃里陈大桥桥头试验段的真空度、地下水位、流量、 孔隙水压力、地表沉降等现场监测结果的分析认为真空预压与堆载预压的联合方式不是 真空荷载与堆载荷载的叠加，而是真空预压引起的孔压差与堆载压力引起的孔压差的叠 加【6 l 】。 王强、顾长存、张伟东结合江苏省淮河入海水道卢扬涵闸软土地基加固工程，从沉 降速率、孑l 隙水压力变化和强度增长等方面研究了真空堆载联合预压加固区形状对加固 效果的影响，认为加固区形状对加固效果也有较大影响，应避免不规则加固区形状，使 加固区形状尽量接近正方形、面积尽量大 6 2 1 。 朱建才等分析了真空排水预压法中真空度分布与密封性、真空能量、深度、介质阻 力、地下水位线等因素的相关联系，结果表明：地下水位线对真空度的分布起阻挡作用； 6 河海大学颇士论文 水位线以上的真空度是由抽气直接形成，而水位线以下的真空度主要是由于地下水位的 下降或部分封存气体从软管末端逃逸引起的【6 3 1 。 岑仰润、龚晓南、温晓贵总结了真空排水预压工程中决定孔压变化的因素，分析各 因素在真空排水预压过程中对孔压变化的影响模式。提出了一种由真空排水顸压工程孔 压现场实浏资料来推算抽真空在地基中形成的负压渗流场分布模式的方法f 。 于志强等根据钻孔试验结果，分析了真空预压法加固软土地基时对周围土体土性指 标的影响及加固区一定范围内土体水平位移、地表沉降大小及影响因素，指出在加固区 外有构筑物时，预压边线与构筑物间应预留一定的安全距离或应采取防止过大变形措施 【“。结合工程实例，根据现场试验结果彭劫、刘汉龙等研究了真空一堆载联合预压法对 周围环境的影响，指出在影响范围内应该对其进行检测或护理。 1 2 4 土体微观结构的研究现状 微观结构是指各种电子显微镜和x 光衍射仪等现代化技术手段揭示的结构特征。结 构单元体小于0 0 0 5 m m ，它由单粒、团聚体、叠聚体和孔隙等组成。微观结构包括这种 微小单元体的特征、在空间的分布状况以及它们之间的接触连接特点和微观孔隙特征。 通过微观结构的研究可以认识土的许多工程性质的本质| 6 “。 粘性土微观结构的研究历史和发展水平与观察和测试的技术水平是密切相关的，分 析国外发表的论文和研究成果，其发展过程大致可分为以下几个阶段。第一阶段( 1 9 2 5 1 9 3 0 ) ：这阶段是土的微观结构概念形成时期，所采用的观察技术手段主要用肉眼和低 倍放大镜。第二阶段( 1 9 3 5 1 9 5 8 ) ：这阶段采用的观察技术手段是光学显微镜， c a s a g r a d e ( 1 9 3 2 ) 发展了t e r z a g h i 的蜂窝结构，提出了蜂窝结构中基质粘土和键合粘土 的概念。i i o n o b ( 1 9 4 4 ) 对经受压密或其它变形的粘土( 主要是高岭粘土) ，提出了隐结 构概念。第三阶段( 1 9 5 9 1 9 7 0 ) ：这阶段由于电子显微镜特别是扫描电镜的应用，大 大加速了土结构的研究进展。第四阶段( 1 9 7 1 1 9 8 4 ) ：继续深入地对土的微观结构开 展定性研究，定量化研究也取得实质性的进展。第五阶段( 1 9 8 4 ) 开发了一系列软件 进行微观结构的定量化研究【。 我国开展粘性土微观结构的工作比国际上晚了几十年【删，直到7 0 年代末才真正开 展起来，但是研究起点较高，许多学者均利用较先进的电子扫描技术来进行工作，综合 文献共有以下一些研究成果。 温耀霖等通过洲内几个地区软土的试验分析，初步得出结论：珠江三角洲软土微观 结构多为粒状链接结构或絮状结构，土的结构基本单元体距离较大，单元体间多为长链 连接：软土的力学特性取决于土的微观结构特征、排水条件、先期固结压力和固结强度 6 7 1 。 细粒土团粒的方向性对于细粒土各向异性及工程特性是非常重要的一个因素，施斌 等为了更好地研究细粒土的特性，提出了定位熵砌和土颗粒方向的发放函数臼陋，两个 新的定量性参数，利用这两个参数和各向异性指数历分析细粒土得到如下结论：砌是 7 第童绪论 比如更重要的定量参数，因为它能反映出土结构方向和排序的自然性，因此它有更多 的应用潜力；通过微观模型发现对于大部分是粘土颗粒的土来说，函数口陆j 能够反映 其方向特征i “j 。 施斌等用计算机断层扫描仪( c t ) 分析了膨润土、高岭石、砂土、硅粉和玻璃珠在 轴向加载、水平向加载以及直剪试验下的微观图片，结论如下：医用c t 法由于不破坏、 不侵入试样的优点，可以应用于岩土分析，它的观察范围在1 0 i l l 到1 0 c m 之间【删。 施斌等提出了一种新的试样准备方法一冷冻刀切干燥法，该法比常用的冻千法对试 样的微观结构性扰动小，保证了土样的原有结构，并且截面是一个新鲜光滑的平面，而 冻干法不仅扰动了土样的微观结构，还可能导致错误的孔隙与方向。冷冻干切法特别适 用于高含水量的土样，在泥浆和海相沉积物的s e m 分析中可能会有较大的应用 7 0 l 。 通过对中国地区六种膨胀土试验前后的微观结构分析，旆斌等评价了它们的工程地 质特性，结论指出：膨胀土的工程地质特性即膨胀性、收缩性和力学性质都与它们的形 成地质年代、形成材料和微观结构息息相关【7 “。 土体的微观结构还有许多研究成果【7 2 舶】，但真空堆载联合预压下土体微观结构的 研究很少，李豪【5 6 】曾对预压过程中土体的微观结构变化做了阐述，但预压前后土体的微 观结构具体怎样变化，需要继续研究。 1 2 5 加固机理和加固效果的研究现状 通过室内试验、现场试验及微观试验等分析，真空预压及真空一堆载联合预压的加 固机理及效果可以从以下几方面加以阐述。 a 加固机理的有效应力原理及强度增长解释 堆载预压以土料、块石、砂料或建筑物本身( 路堤、坝体、房屋等) 作为荷载，对 被加固地基进行预压。软土地基在此附加荷载作用下，产生正的超孔隙水应力。经过 段时间后，超孔隙水应力逐渐消散，土中有效应力不断增长，地基土得以固结，强度得 以提高。有时为了缩短加固时间，加快固结过程，在地基中打设一定深度的竖直排水通 道( 如砂井、袋装砂井或塑料排水板等) 。 对于工程上需要处理的软土地基，大多属于正常固结士或灵敏性粘土，其孔隙水应 力系数a 值大于零。在加固前，土体中任意一点m 的有效应力圆可用图中的a 圆表示， 强度可近似用其平均应力p o7 对应的强度to 来表示。当0 o ，o3 = u o 。 增加的负超孔隙水压力降低到最低，土体主固结完成。此时，该点的有效应力圆见图1 - 4 中的d 圆所示，与其相对应的强度可近似用其平均应力p 对应的强度t 来表示。由图 1 - 4 可知，在真空预压过程中，有效应力圆的直径不变，位置沿轴向右移动，逐渐远离 破坏线，直至达到d 圆位置。在加固过程中不会出现地基失稳的情形，所以不必控制加 荷速率，可连续抽真空至最大真空度。当真空卸去后，被加固的土体由正常固结状态变 成超固结状态，土的强度沿超固结强度线e o 返回到f 点，f 点比g 点有更高的强度。 因此，经过真空预压后土体的强度有了提高m 。 t p o o3 p ol o 图1 - 4 真空预压法加固软土地基强度的增长 b 加固机理的真空渗流场解释 龚晓南1 8 8 】在多孔介质渗流理论的基础上，提出真空渗流场理论解释了真空预压加固 9 第一章绪论 软土地基的机理。 如图i - 5 所示，砂垫层中形成的真空度，通过垂直排水通道逐渐向下延伸形成连通 的真空渗流场，真空渗流场的流动介质以气体为主，夹杂着一定量的水。为了便于理解， 可将真空渗流场中的流动介质看做类似水和气的流动介质一“真空流体”。真空渗流场 的形成类似于不混溶流体在多孔介质中的驱替现象一水中通过“指迸”作用打开一条路， “指进”以后逐渐分枝，最后形成连通的网络。“真空流体”只在较大的土中的孔道中 流动，并形成连通的网络，此时，虽然排出了水，但这些水主要是分布于土体中较大孔 道中的重力水，土中重力水的排出，并不产生通常意义上的固结现象。而是在地下水位 下降后，改交了土层中竖向自重应力，由于上覆土重的增加，使得土中更为细小孔道中 的水承受了超静孔隙水压力，并逐渐排出，产生固结现象。真空渗流在地基土中较大的 孔道中扩散并形成连通的真空渗流场的同时，持续的抽气抽水作用会导致原有地下水位 线由i - i 下降到2 2 ，并继续下降。 1 2 爿爿 巾kk 一爿 十 kk 地下水渗流 圈i - 5 真空预压渗流场形成阶段 地下水渗流 7 7 7 7 7 7 7 7 丁了 图i - 6 真空渗流场稳定预压阶段 如图1 - 6 所示，在真空预压稳定阶段，抽真空作用最终在地基土中较大的孔道中形 成一定范围定真空度分布的网络连通体系一真空渗流场，并使地下水位降到3 - 3 位置。 在真空渗流场各处，由于土中较大孔道中流动的“真空流体”与土中较d , t b 道中的水存 在压差，使得较小孔道中的水在这种压差下被吸出，直到在该处较大孔道中的压力和较 , b t b 道中的压力达到重新的平衡为止，这就产生了固结现象。与堆载预压情况下土中孔 隙水被压出的圃结过程相比，真空预压情况下土中孔隙水是被吸出的。由于降低后的地 下水位线以下的土体中充满了水，所以真空渗流场不可能扩散到降低后的地下水位线 3 3 以下的土体，也就是说，真空渗流场直接产生土体固结作用的范围仅限于降低后的 地下水位线以上。伴随着真空渗流场的形成，地基中的地下水位线由i - i 下降到3 3 ， 地下水位的下降将导致地基土体的固结。上述真空渗流场理论表明，真空预压加固地基 机理包括以下两点：真空渗流场直接使土体固结和地下水位下降导致土体圆结。需要补 充说明的是，由于地基土中的孔道大小实际上无法明确界定，认为“真空流体”首先 在地基土中较大i l 道中形成连通的网络，而后再在更为细小的孔道中的孔隙水吸出而产 生固结，这是在固结理论基础上为便于说明真空渗流场及其作用机理而提出的一种描 述。实际上也可以将真空预压情况下的固结过程看作“真空流体”在更为细小的孔道中 i o 河海大学硕士论文 扩散，或者说“真空流体”对土中更为细小的孔道中的孔隙水的驱替，而这种扩散和驱 替与时间有关，其结果导致土颗粒之间的重组和土体的压密。此外，当接近于抽真空表 面的真空渗流场开始形成时，真空渗流场范围内的圃结现象也同时产生了，这可以认为 真空渗流场的形成和固结是一个耦合的过程，也可以认为真空渗流场在较大孔道中的扩 散和在较小j l 道中的扩散是同步的。 c 真空度传递规律 真空预压把大气作为荷载，在抽气前，薄膜内外都受大气压作用，土体孔隙中的气 体与地下水面以上都是处于大气压力状态。抽气后，薄膜内砂垫层中的气体首先被抽出， 其压力逐渐下降至p 。，薄膜内外形成一个压差卸，使薄膜紧贴于砂垫层上，这个压差称 之为“真空度”。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孔隙水压力，其增 值是负的。从而使土体孔隙中的气和水由土体向垂直排水通道渗流，最后由垂直排水通 道汇至地表砂垫层中被泵抽出。在堆载排水预压中，虽然也是土中孔隙的水向垂直排水 通道中汇集，然而二者引起土中的水发生渗透的原因却有本质的不同。真空排水预压法 是在不施加外荷的前提下，以降低垂直排水通道中的孔隙水压力，使之小于土中原有的 孔隙水压力，形成渗流所需的水力梯度：面堆载排水预压法却是通过施加外荷载，增加 总应力，增加软士中孔隙水压力，并使之超过排水通道中的孔隙水压力，使土中的水向 垂直排水通道中汇