（水利工程专业论文）真空预压加固数值分析方法的研究.pdf

中文摘要 天津港是我国北方最大的港口，不仅肩负着海上交通运输、国际航运的重担， 还承担着天津市与环渤海地区经济发展龙头的作用。随着经济和社会的发展，港 区对土地的需求量越来越大，围海造陆是缓解土地资源不足和基础建设需要这一 矛盾的重要途径。人工吹填形成陆域的特点是地基土本身的工程质量很差，且具 有低强度、高压缩性等特点，其中的人工吹填淤泥质土的工程性质更差，吹填初 期的强度几乎为零，而吹填土在自重应力作用下固结需要很长时间。因此，对人 工吹填淤泥及其下的软土地基采用怎样的地基处理方法，将是影响人工吹填造陆 如何实施的关键。真空预压是加固软土地基行之有效的方法之一，工程应用发展 迅猛，而对其加固机理的理论研究明显滞后于工程实践。 本文在回顾总结真空预压技术的历史发展和研究现状基础上，结合大量的试 验资料，通过理论分析和数值模拟，对真空预压法加固软基过程中土体变形的变 化规律进行了深入研究。通过对监测数据的分析，主要探讨了真空预压作用下土 体的变形机理；在现场试验的基础上，对真空预压加固区内土体变形特性进行了 综合分析。 介绍并采用有限元软件p l a x i s 进行实际工程的模拟计算及分析，采用莫尔一 库仑土体本构关系，模拟真空预压的加固机理和真空预压下土体的固结变形过 程。模拟过程中，采用了两种加荷方式进行对真空预压中真空荷载的模拟，结果 显示，真空加荷计算结果比较符合真空预压工程实际，而直接加荷法的误差较大， 无法体现真空预压的实质。 通过对真空预压变形特性的模拟的结果表明，施加真空荷载的模拟结果比较 符合实际情况，地表沉降最大值发生在加固区中心点处且其沉降过程与实测资料 拟合良好；等效外荷载所得结果显示，侧向位移并不符合真空预压工程实际所得 的侧向位移的变化趋势。 关键词：真空预压；固结理论；现场试验；有限元 a b s t r a c t t i a n j i np o r ti st h el a r g e s tp o r ti nn o r t hc h i n a i tp l a y st h ev e r yi m p o r t a n tr o l ei n e c o n o m i c w i t ht h ed e v e p l o m e n to fc h i n a ，w en e e dm o r el a r g ep o r tt os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fd e v e l o p m e n t i nt i a n j i np o r tw eo f t e nn e e dt oi n c l o s es e aa n df i l is o i l t om a k el a n d t h ef i l l e dl a n di sv e r ys o f t v a c u u mp r e i o a d i n gi sa ne f f e c t i v em e t h o do f r e i n f o r c e m e n to fs o f t s o i l ，e n g i n e e r i n g ，r a p i da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ，a n d s t r e n g t h e n i n gt h em e c h a n i s mo ft h e i rt h e o r e t i c a ls t u d i e si nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e h a sl a g g e df a rb e h i n d i nt h i sp a p e r ，v a c u u mp r e l o a d i n gr e v i e w e dt h eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y a n dr e s e a r c hb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t at h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ev a c u u mp r e l o a d i n gm e t h o df o r s t r e n g t h e n i n gt h ep r o c e s so fs o f tg r o u n dd e f o r m a t i o nc h a n g e si n c h i n aa n dt u r k e y c o n d u c t e da ni n - d e p t hs t u d yo ft h el a w t h r o u g ht h ea n a l y s i so fm o n i t o r i n gd a t a ， f o c u s e do nt h er o l eo f t h ev a c u u mp r e l o a d i n gs o i ld e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t h eb o d y ； i nt h ef i e l dt e s t ，b a s e do nt h er e i n f o r c e m e n to ft h er e g i o no fv a c u u mp r e l o a d i n g d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i lw e r ea n a l y z e d w ei n t r o d u c e da n dt h eu s eo fp l a x i sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef o rs i m u l a t i o no ft h e a c t u a lp r o j e c ta n dt h ea n a l y s i s t h eu s eo fm o h r - c o u l o m bc o n s t i t u t i v es o i lt os i m u l a t e t h ev a c u u mp r e l o a d i n gm e c h a n i s ma n dt h er e i n f o r c e m e n to fv a c u u mp r e - c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r eo fs o i ld e f o r m a t i o n s i m u l a t i o nu s i n gt h et w ow a y so fl o a d i n gp r e - v a c u u m p r e s s u r ei nv a c u u ml o a ds i m u l a t i o n ，r e s u l t ss h o wt h a tl o a d i n gv a c u u ml o a dc a l c u l a t i o n m e t h o dr e s u l t si nl i n ew i t ht h ea c t u a lv a c u u mp r e l o a d i n g t h r o u g hv a c u u mp r e l o a d i n gd e f o r m a t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el o a d i m p o s e db yt h ev a c u u m i nl i n ew i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p a r et h ea c t u a ls i t u a t i o n ， t h em a x i m u ms u r f a c es u b s i d e n c eo c c u r r e di nt h er e i n f o r c e m e n ta r e aa n di t sc e n t r a l p o i n tt h ep r o c e s so fs e t t l e m e n tag o o df i tw i t ht h em e a s u r e dd a t a ；t oi m p o s ee q u i v a l e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a te x t e r n a ll o a d ，l a t e r a ld i s p l a c e m e n tv a c u u mp r e l o a d i n gd o e s n o tc o m p l yw i t ht h e p r o j e c tf r o m t h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to f t h ea c t u a lt r e n d s k e yw o r d s ：v a c u u m p r e l o a d i n g ，c o n s o l i d a t i o n , i n - s i t ut e s t ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 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，也不包含为获得苤盗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己在论文中 作了明确的说明亓丧示了谢意。 学位论文作者签名：与仓泠签字同期：加刁年夕 月7f t 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。 特授权苤盗盘堂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浼明) 学位论文作者签名：j 仓 导师签名： 学位论文作者签名：习仓兮 导师签名： 签字r 期：矽7 年多月弓r签字日期： 芸溯 砂雄夕月；日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 天津港是我国北方最大的港口，不仅肩负着海上交通运输、国际航运的重担， 还承担着天津市与环渤海地区经济发展龙头的作用。随着经济和社会的发展，港 区对土地的需求量越来越大，围海造陆是缓解基础建设需要和土地资源不足这一 矛盾的重要途径。人工吹填形成陆域的特点是地基土本身的工程质量很差，具有 低强度、高压缩性等特点，其中的人工吹填淤泥质土的工程性质更差，吹填初期 的强度几乎为零，而吹填土在自重应力作用下固结需要很长时间。因此，对人工 吹填淤泥及其下的软土地基采用怎样的地基处理方法，将是影响人工吹填造陆如 何实施的关键。 自软土地基加固问题出现以来，国内外广大科研工作者和相关技术人员对于 软土地基加固的机理及措施进行了多方面研究，实践证明，采用真空预压法处理 软土地基是较为有效的处理方法之一，可以很好的缩短工期，经济效益和社会效 益都很明显，已成为人工吹填造陆区地基处理的首选施工技术。天津港地区的地 质情况多为淤泥质粘土与淤泥质土组成，含水量极大，淤泥层的天然含水量高达 6 2 ，天然容重低，土质很软。为了使土体能够承受上部各种建筑物荷载，需要 对这种吹填淤泥进行加固处理。 天津港针对软土地基处理开展了大量的理论研究和现场应用的科研工作，通 过研究和不断摸索总结，目前主要采用高密度化和固结化等手段进行处理。在东 突堤新建工程中，近8 0 万平方米面积，采用了塑料板排水加真空预压这一处理 工艺，以及引进日本的深层水泥拌合法，加固码头接岸部分的新技术等，标志 着天津港软土地基处理技术已达到了国际先进水平。天津港软土地基处理技术的 开发与应用大体分3 个阶段。第一阶段( 1 9 5 0 1 9 7 2 年) ：对堆场、道路及房建工 程主要采用置换法，即以砂石屑、灰土等垫层替换坏的土层，个别工程采用石 灰桩，对码头和仓库采用钢筋混凝土桩，增加地基承载能力。第二阶段( 1 9 7 3 - 1 9 8 0 ) ：对堆场，道路及铁路路基主要采用砂井排水加堆载预压，袋装砂井加堆 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 载预压，以及采用短密砂井、短密石灰桩等方法。在高层房建工程中一般采用特 殊基础，加混凝土灌注桩或预制桩对码头和仓库工程采用预应力钢筋混凝土桩。 第_ 一阶段( 1 9 8 0 年至今) ：堆场及道路主要采用塑料板排水加真空预压， 塑料板 排水加堆载预压。 1 2 本课题的目的和研究路线 本课题的目的是在回顾总结真空预压技术的历史发展和研究现状基础上，结 合大量的真空预压法处理软土地基试验资料，通过理论分析和数值模拟，对真空 预压法加固软基过程中土体变形的变化规律进行研究。通过对监测数据的分析， 主要探讨真空预压作用下土体的变形机理；在现场试验的基础上，对真空预压加 固区内土体变形特性进行综合分析，论证真空预压法加固软基的效果。 为达到以上目的，本课题拟采用以下研究路线：采用地质勘察、室内土工试 验、采用有限元软件p l a x i s 进行实际工程的模拟计算及分析，采用莫尔一库仑土 体本构关系，模拟真空预压的加固机理和真空预压下土体的固结变形过程。通过 现场地质勘察可以了解软基处理地区土体的分布情况；通过室内的土工试验可以 知道土体的物理、力学性质，并为数学分析模型提供可靠的土体参数；通过数学 模型分析并比较不同荷载下真空预压效果；通过现场土变形监测、孔隙水压力监 测和地下水位监测，不仅可以为有限元数值模拟准备充足的原始数据，还可以作 为数值模拟的验证和补充，为软基加同工作提供科学依据。 1 3 本文主要研究工作 目前真空预压技术已相对成熟，但真空预压的理论研究却落后于工程实践。 由于软土地基地质条件的复杂性，真空预压法在工程应用中遇到了很多的问题需 要解决，有不少理论问题至今仍未能得到解决。因此，对真空预压法进行深入研 究具有很大的理论价值，它有助于真空预压法工程实践的进一步发展成熟。 结合当前的研究现状和存在的问题，本文拟在实际工程的背景下，着重开展 以下工作： ( 1 ) 分析了真空预压的加固机理，对真空预压与堆载预压的不同进行对比 分析。 ( 2 ) 以两个港口码头真空预压工程的现场试验为背景，对真空预压现场试 验检测成果进行分析。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 介绍并应用p l a x i s 软件对真空预压机理进行模拟，将模拟结果与实测 数据进行对比分析。运用该软件对真空预压工程现场试验进行变形模拟，并对比 实测数据进行分析。对真空预压的数值模拟方法进行了探讨。 1 4 真空预压法加固软土地基研究现状 1 4 1 真空预压法发展简史 真空预压法最早是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 出的，随后有关国家相继进行了探索和研究，但因密封问题未能很好地解决，又 未研究出合适的抽真空装置，因此未能很好地用于实际工程【1 】。该法于1 9 5 8 年 用于美国费城国际机场跑道扩建工程中，采用真空深井降水和砂井联合作用，抽 真空4 0 d ，其中1 8 d 真空度达到3 8 1 m m h g ( 相当于5 0 k p a 等效荷载) 。2 0 世纪7 0 年代日本东北地区新干线在第七号谷地采用真空预压时，加固区四周打设钢板桩 并施加了膨润土溶液进行密封，使泵后真空度保持在7 0 0 m m h g ，最高达到7 2 0 m m h g ，但膜下真空度仅达到4 7 8 m m h g 。1 9 8 2 年，日本大阪南港的第二阶段的 加固工程中，采用抽真空与抽水相结合来降低水位的方法，加固面积达到1 0 0 万 平方米，其中初期试验阶段真空度达到4 3 0 m m h g ，第一期工程加固工程中达到 5 0 0 - - 6 0 0 m m h g ，经过对泵设备的进一步改进，在第二期工程中管内真空度始终 保持在6 3 0m m h g 。 我国于2 0 世纪5 0 年代末至6 0 年代初对该法进行过研究。国内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，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“电渗真空沙 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【司吹填土的试验小结”的报告，在此之前真空预压现场 试验仍未取得理想的加固效果。 根据我国港口发展规划，沿海的大量软土地基必须进行加固，为此我国于 1 9 8 0 年起开展了真空预压法的系统研究，1 9 8 5 年通过了国家鉴定。目前，在真 空度和大面积加固方面其膜下真空度达6 1 0 7 3 0 m r n h g ，单块膜面积已达 3 0 0 0 0 m 2 ，处于国际领先地位。为了满足某些使用荷载大、承载力要求高的建筑 物的需要，1 9 8 3 年起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，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 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的，并已在软土地基上应用，均取得了满意结果。 直到2 0 世纪8 0 年代，交通部第一航务工程局、天津大学和南京水利科学院 等单位对这项技术进行室内和现场试验研究，并成功地将这项技术应用于天津新 港软基加固工程中【2 4 】。2 0 世纪9 0 年代末，天津市水利科学研究所在传统真空预 压技术的基础上，改良后提出了“低位真空预压软土地基加固法”。低位真空预 压法，是由水平向排水系统( 滤管网) 设在泥封层之下而得名。利用真空系统使泥 封层下能长期保持8 0 k p a 以上的真空负压，在真空负压的巨大吸力和泥封层产生 的附加荷载双重作用下，使软土中的孔隙水迅速地通过塑料排水板、水平滤管网 集水排出，在地基土发生固结的同时，泥封层也逐渐固结，经9 0 - - - 1 2 0 d 的真空 负压作用后，实现地基加固与回填加高的两大目的。 经过国内外几十年的不断探索和研究，使该法不断完善，并已开展大面积应 用，取得了良好的经济效益，成为目前加同软土地基的一个行之有效的、常规实 用的方法。 1 4 2 真空预压法研究现状 ( 1 ) 真空预压固结机理分析方面 娄炎( 1 9 9 0 ) 分析了真空排水预压法的加固机理 5 ，并分析了真空预压加固软 土地基的有效应力路径；李丽慧、王清、王剑平 6 等( 2 0 0 0 ) 通过室内三轴试验， 对真空排水预压下土体变形特征进行了应力路径分析；张泽鹏、李约俊、冯淦清 等 7 ( 2 0 0 2 ) 分析了塑料排水板在真空预压加固软基中的作用，认为采用塑料排水 板作为纵向排水体，其加固效果要优于采用袋装砂井；丁绿芳、郭志平、赵维炳 8 ( 2 0 0 2 ) 研究了真空预压加固软基时土体的损伤问题；张再武、余萍 9 ( 2 0 0 5 ) 分析和比较正压( 堆载预压) 和负压( 真空预压) 使土体固结的途径、特征及应力路 径等方面的差异，同时分析正压和负压均具有孔压分布的不平衡性以及满足共同 的固结微分方程，从而得出正、负压加固效果上的等同性，阐述和分析土体在二 者共同作用下的固结特性，并结合工程实例进行有限元计算分析：陈小丹、赵维 炳、周智勇 1 0 ( 2 0 0 5 ) 介绍了真空预压的加固原理，分析了土体的强度和变形特 征，并就真空预压时地下水位、有效加固深度和效果等问题进行了深入的研究； 龚晓南、岑仰润i n ( 2 0 0 2 ) 在现有真空预压的研究和多孔介质渗流理论的基础上， 提出了真空渗流场理论来解释真空预压加固软土地基的机理。 ( 2 ) 真空预压数值计算方面 根据负压下固结理论，其分析过程与堆载预压数值分析过程相同，所不同之 处主要在于边界条件和初始条件的界定；闫澍旺，陈环 1 2 ( 1 9 8 6 ) 分析了真空加固 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 天津大学硕士学位论文第一章绪论 井均为恒定负压。林丰、陈环 1 3 ( 1 9 8 7 ) 用边界元分析真空和堆载作用下砂井地基 的固结过程；沈珠江、陆舜英1 1 4 ( 1 9 8 6 ) 在b l o t 固结理论基础上采用不同本构模型 分析了一个5 0 6 0 m 的试验场地的软土层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，计算中假定抽真空表面为恒定负压，砂井 底真空度是顶部的三分之一，中间按直线变化：邱长林、闰澍i 珏1 s j ( 1 9 9 7 ) 用有限 元分析了低位抽真空加固软基在不同边界条件下的固结效果；陈析、周卫、洪宝 宁【1 6 】( 2 0 0 0 ) 用有限元分析了真空一堆载联合预压加固软基过程；周顺华、王炳 龙、李尧臣f 1 7 】等( 2 0 0 1 ) 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的沉降计算的有限元求解方程。 ( 3 ) 真空预压实际工程监测和数据资料分析方面 娄炎t 1 8 1 ( 1 9 8 8 ) 根据某工程实践孔压和真空度等实测资料，分析了负压条件下 软土地基的孔隙水压力的形成、负压与砂井内真空度及地基土中真空度的关系、 负压下的曼德尔效应、负压与地基加固特征、负压对地基变形的影响等问题；孔 德金、苗中海 1 9 1 ( 2 0 0 0 ) 分析了真空预压加固软基过程中影响孔压现场测试的因 素，如孔隙水压测头埋设产生的、测头自身沉降、土的非线性特性、浅层土的的 垂直水平双向固结，测头在塑料板问的位置、仪器的观测精度等，并对各影响因 素进行了具体分析；聂跃高、赵维炳、施建勇、洪宝宁【2 0 】( 2 0 0 2 ) 分析了地基砂垫 层、袋装砂井深度、排水滤管布置形式及路堤填筑等因素对膜下真空度的影响； 岑仰润、龚晓南、温晓贵 2 1 ( 2 0 0 3 ) 总结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。 ( 4 ) 真空预压加固深度方面 目前在采用真空预压大面积加固软基方面我国已处于国际先进行列。目前在 不少工程中与真空预压联合使用的塑料排水板都达到了2 0 m 的深度，最深己达 到了2 6 m f 2 2 j 。黄生文等人1 2 3 1 2 0 0 5 年通过对加固区的水平位移曲线和数据的分析， 得出了其拟合曲线方程为s 一0 2 8 h 0 0 1 2 5 。根据实测的水平位移沿深度的变化曲 线表明，真空预压的影响深度可达到2 7 m 以上。加固区的分层沉降观测数据说 明，软土地基中9 0 以上的固结沉降发生在地表下1 7 5 m 的深度范围内，但在地 表下2 0 m 以上的深度范围内的土层仍有明显沉降，因此真空预压排水对软粘土 的加固深度可达2 0 m ，而不是通常所认为的l o m 以内。 闫澍旺【矧等人以弹簧模拟真空预压作用机理为基础，设计了一套真空预压模 型演示装置，利用该模型进行试验，表明真空预压有效加固深度与真空提水极限 深度是不同的，探讨了真空度与真空预压有效加固深度的关系，从而从直观上充 分认识真空预压的作用过程。主要得出，真空预压的有效加固深度只与真空度的 传递有关，与真空压力的大小无关，证实了真空预压的有效加固深度可超过l o m 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 若要更好地传递真空度，则应使用高渗透性、高排水能力的竖向排水板以减小真 空度的损失，提高加固效果。 ( 5 ) 砂井地基研究方面 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己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。 在2 0 0 3 年，李豪、高玉峰、刘汉龙【2 5 】等在真空预压机理和砂井地基固结理 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， 提出了真空堆载联合预压法的简化计算方法。 ( 6 ) 真空预压加固地基新技术新工艺的研究方面 陈锦庆( 2 0 0 1 ) 报道了在治理深圳河二期工程中，真空预压联合沙井桩加阎软 基技术在混凝土重力挡墙基础区地基处理中的应用。 顾培、赵亚南( 2 0 0 1 ) 介绍了真空预压加固潮间带软土地基的施工技术。林鹏、 许镇鸿、苏锦文( 2 0 0 2 ) 介绍了一种新的软土地基处理方法一真空降水联合加载预 压法，与传统的方法相比，其主要工艺特点为加宽排水带、取消密封膜等。 谢弘帅、宰金璋、刘庆华( 2 0 0 3 ) 介绍了一种真空井点降水堆载联合加固软土 地基的新方法，并对方法的机理做了基本阐述。 夏玉斌、刘强、邓磊( 2 0 0 8 年7 月公开) ：直排式真空预压地基处理方法( 专 利申请号：2 0 0 7 1 0 3 0 6 0 7 2 9 ) 。本发明公开了一种直排式真空预压地基处理方法， 在真空装置上设有主管，主管上分出若干支管，每个支管通过连接管与排水板相 连接，将排水板内的水分直接抽出。本发明直排式真空预压地基处理方法除去了 现有处理方法中水平排水砂垫层和真空虑管、滤膜，直接用连接管将软基中的塑 料排水板与真空管相联接，大大减少了真空压力传递的沿程损失，提高了真空传 递效能和加固效果，降低了加固费用。 包建国( 2 0 0 7 年5 月公开) ：“短程超载真空预压动力排水固结联合法1 ( 专 利申请号：2 0 0 6 1 0 0 9 7 7 0 4 0 ) 。在常规的真空预压法的真空膜上建造围堰，并进 行腹水超载，对每个沉降观测点按照真空预压操作规程进行观测，在预压沉降量 达到计算沉降值的8 0 以上时，继续预压5 1 0 日，确认完全平稳后停止腹水超 载真空预压；在真空膜拆除并晾晒l 2 天，然后进行排水固结，快速排出真空 预压时砂垫层中的存水，在水位达到1 5 m 以下后进行强夯或振动碾压。 刘松玉、洪振舜、章定文等( 2 0 0 5 年6 月公开) 提出气压劈裂真空预压法 加固软土地基的操作方法( 专利申请号：2 0 0 5 1 0 0 3 8 6 4 4 0 ) 。采用高压空气通过 导气塑料排水板输入深部地基内部，从内部产生挤压力；同时通过气体劈裂作用， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 使深部土体产生劈裂，形成裂隙，迅速增大深部土层的渗透性，并与排水板联通， 在顶部真空压力作用下，大大提到排水固结速率，缩短加固时间并有效地加固深 厚软基。 张敬、苗中海、刘爱民等( 2 0 0 7 年9 月公开) ：水下真空预压加固软基技术 方法( 专利申请号：2 0 0 6 1 0 0 1 3 2 6 4 6 ) 。由以下步骤顺序进行：第一次水下铺砂 水上打设塑料排水板，铺设滤管，第二次水下铺砂，铺密封膜，连接抽真空设备， 抽真空。其优越性是睡下真空预压加固软基技术可以应用与水下开挖工程、高桩 码头的岸坡处理工程、防波堤施工等领域，应用前景广阔。 汤连生、梁永根( 2 0 0 8 年2 月公开) 提出一种无密封快速真空预压强夯法 ( 专利申请号：2 0 0 7 1 0 0 2 9 5 4 5 5 ) ，比较适用大面积软土地基处理。本方法根据 图层情况为滤管设置滤孔，且不需要使用砂垫层( 或使用很薄砂垫层) ，因此， 其不仅施工工期短、真空度损失小、节省施工材料，且可阻断砂层的横向排水， 经济节约，加固效果好。 陈江涛( 2 0 0 8 年5 月公开) ：一种复合电渗、真空降水、真空预压加固地基 的方法( 专利申请号：2 0 0 7 1 0 0 5 0 7 2 4 7 ) 。本发明方法所用装置，采用了复合管 和开孔冗余膜或网状帽眼膜或带连接器的网状帽眼真空膜。本发明方法是集电 渗、真空降水、真空预压三项工作程序并行实施也可分项实施的加固地基方法 它具有处理均衡、施工简便、工程短、性价比高等优点。 张志铁、叶吉( 2 0 0 6 年8 月公开) 提出了双真空预压及动力挤密法联合加 固软土地基的方法( 专利申请号：2 0 0 6 1 0 0 3 8 7 8 2 3 ) ，适用于大面积软土加固并 利用吹填泥浆提高其高程的围海造地或低洼地填高工程。 天津大学硕士学位论文第二章真空预压法加固软基的理论研究 第二章真空预压法加固软基的理论研究 2 1 真空预压法基本原理 软基处理方法不仅对工程质量和施工工期有着重大影响，而且直接关系到投 资和管理单位的经济效益和社会效益，因此，高效、经济的软基处理技术已成为 建设和管理单位关心的焦点之一。作为排水固结法的一种，真空预压法加固软基 已经在我同推广应用，在工程实践中取得了良好的效果。 2 1 1 排水固结法简介 排水固结处理方法使地基土的大部分沉降发生在建筑物建造之前，减少建筑 物的下沉量，提高了地基土的抗震性能。具有施工效率高、运输量小、对土的扰 动小和施工质量有保证等优点。并且由于机械轻便，使在大面积的超软土地基上 进行机械化施工成为可能，经济效益也是十分显著的。是一种值得推广的有效的 软土地基加固方法。排水固结法包括真空预压法、堆载预压法、真空一堆载联合 预压法、电渗预压法和降水预压法，工程上常见的是前三种。排水固结法的机理 如下： 饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙体积慢慢的减 小，地基发生同结变形。同时，随着超静水压力消散，有效应力逐渐提高，地基 土强度逐渐增长。由图2 1 可见：当土样的天然固结压力为6 j 时，其孔隙比为 e o ，在e o g j 曲线上其相应的点为a 点；当压力增加幻，固结终了时，变为c 点，孔隙比减小a e ，曲线a b c 称为压缩曲线。与此同时，抗剪强度与固结压力 成比例的由a 点提高到c 点。所以，土体在受固结压力时，一方面孔隙比减小 产生压缩，一方面抗剪强度也得到提高。如果从c 点卸除压力a c s 。，则土样发生 膨胀，图中c e f ( e o o ! 曲线) 为卸荷膨胀曲线，如果从f 点再加压舾，土样 发生再压缩，沿虚线变化到，从再压缩曲线f g c ( e o a j 曲线) 可以看出， 固结压力同样从6 j 增加a c ，而孔隙比减小值为多，乡比a e t j s 得多。 天津大学硕士学位埝文 第二章真空预压洼加固软基的理论研究 二 r 司 t e ， 6 0 n i 1 d 月蜊自广， # m 一 图2 - 1 排水同结法增大地基圈密度的原理圈 经分析可知：如果在建筑物场地现加一个和上部建筑物相同的压力进行预 压，使土层固结( 相当于在压缩曲线上从a 点变化到c 点) ，然后卸除荷载( 相 当于在膨胀曲线上由c 点变化到f 点) ，再建造建筑物( 相当于在再压缩曲线上 从f 点变化到( | 点) ，这样建筑物所引起的沉降即可大大减小。如果预压荷载 大于建筑物荷载，即所谓超载预压，则效果更好。因为经过超载预压，当土层的 固结压力大于使用荷载下的固结压力时，原来的正常固结粘土层将处于超固结状 态，从而使土层在使用荷载作用下变形大为减小。 排水固结法加固土地基，土体中孔隙水的排走通常有三种途径： ( 1 ) 软地基表面预加荷载，加载初时刻荷载全部由饱和粘性土中的孔隙 水压力承拦，造成土体中很大的超孔隙水压力，从而在土体内部和排水边界之间 造成一个压差，迫使孔隙水向预先设置排水边界( 水平滤层和竖向排水体) 排走， 对应工法为堆载预压法。 ( 2 ) 降低加固土体中排水边界上的流体压力( 水压力或空气压力) ，这样也 亨- ” b 吼 小 e _ f g； 天津大学硕士学位论文第二章真空预压法加固软基的理论研究 能在加固土体内与排水边界( 水平滤层和竖向排水体) 中造成一个压差，导致孔 隙水向预设排水边界集中排走，对应工法为降水预压法和真空预压法。 ( 3 ) 利用电能在土体内造成一个电势差，使孔隙水排走，对应工法为电渗 预压法。 可看出排水固结法的排水途径主要是构成加固土体与排水边界之间流体的 压力差，从而导致预压地基流体流动而排出孔隙水，流体可以是空气、水和气水 混合物，当流体为地下水时，流体压力差等效地下水水头差，可见排水加固地基 中必构成流体压差的条件，预压地基中流体是处于运动状态。 2 1 2 真空预压法加固机理 真空排水预压法示意图如图2 2 所示，在地基中打设竖向排水通道，如砂井、 塑料排水板等，地而铺砂垫层，将不透气的薄膜铺设砂垫层上，并将四周埋设至 压膜沟内，经竖向排水通道、砂垫层和射流泵将膜下的空气抽出。在射流泵开始 工作后，膜下的大气压力迅速减少，膜下真空度增加。由于竖向排水体与膜下砂 垫层的连通性较好，阻力较小，因此竖向排水体中的真空度迅速提高，导致竖向 排水体中的孔隙水压力迅速降低，而淤泥地基中的真空度基本保持不变，孔隙水 压力变化相对较小。因此，在淤泥与竖向排水体之间产生孔压差，软土地基中的 孔隙水在孔压差的作用下，经竖向排水体、砂垫层、滤管、主管与射流泵排出。 随着不同深度处各土层中真空度的增加，地基中的孔隙水压力彩值也随之降低。 l 一竖向排水通道2 一滤管3 一砂垫层4 一塑料密封膜 5 一膜上覆水6 一射流泵7 一围埝8 一压膜沟 图2 2 真空预压施工断面图 在总应力仃不变的条件下，值的降低必然导致有效应力g 的增加，根据太 沙基有效应力原理，当地基内某点的总应力增量a ( r 为0 ，设有效应力增量为 天津大学硕士学位论文第二章真空预压法加固软基的理论研究 a ，孔隙水压力增量为，则满足以下关系： a c = a u 由于a 6 的增加而使土体压密，直到土体内与边界上达到势新的平衡位置 这个过程即为真空预压的加固过程。 2 1 3 真空预压法与堆载预压法比较分析 在堆载预压时，由于堆载的作用，在土体中形成一个附加应力场，这个附加 应力场开始时由孔隙水承担，即形成了一个超静孔隙水压力场，随着孔隙水的排 出，超静孔隙水压力场消散，超静孔隙水压力转化为有效应力，导致土体变形和 强度增加。堆载预压的效果由超静孔隙水压力场的大小和分布决定，与堆载的大 小，分布以及土体力学性质有关。堆载预压下固结的快慢由超静孔隙水压力场的 消散决定，与排水条件、土体渗透系数有关。虽然真空预压法和堆载预压法虽然 都是通过减小孔隙水压力而使土的有效应力增加，但两者的加固机理并不相同， 由此而引起的地基变形、强度增长的特性和影响因素也不尽相同，表2 1 从几 个方面对两者之间的异同进行了比较。 此外从应用角度看，堆载预压法要取得良好的加固效果，首先必须掌握正确 的加载方法。荷载过小( 如仅靠路基填土预压) ，有时达不到设计要求。而一次 加载过大则可能使地基产生塑性蠕变，甚至造成地基破坏，因此每次的加载量需 要合理控制。此外还需要良好的排水条件和合理的排水固结时间，工期较长，目 前虽然作了一些改进，如采用薄层轮加法，但成效不显著。再者若是超载预压， 预压完成后还需卸除超载部分的填土。真空预压法则可大大缩短超载预压时间， 与堆载预压法相比，它不存在弃土与地基稳定问题，加上其质量比较容易控制、 造价低、耗能少、材料省、无噪音、无污染的特点，故在大面积软土地基处理中 被大量采用。 天津大学硕士学位论文第二章真空预压法加固软基的理论研究 表2 1 真空预压和堆载预压的比较 项目堆载预压真空预压 总应力增加，随着超静孔隙水总应力不变，随着相对超静孔 土中应力压力的消散而使有效应力增隙水压力的消散而使有效应 加力增加 加载过程中剪应力增加，可抽真空过程中，剪应力不增 剪切破坏 能引起土体剪切破坏加，不会引起土体剪切破坏 加载速率需控制加载速率不必控制加载速率 加载时预压区土体产生向外预压区土体产生指向预压区 侧向变形 的侧向变形中心的侧向变形 土体同结，有效应力提高，土土体固结，有效应力提高，土 强度增长 体强度增长体强度增长 与土的渗透系数、竖向排水体与土的渗透参数、竖向排水体 固结速度 以及边界排水条件有关以及边界排水条件有关 主要与堆载面积和荷载大小 与抽真空作用强度、竖向排水 处理深度体、土的孔隙分布情况以及相 有关 关边界条件有关 降低地下水位，地下水位的降 地下水位地下水位不变化低将使相关土层产生排水固 结 2 2 真空预压法固结理论简介 土体在荷载作用下，内部孔隙水缓慢渗出，体积逐渐减小，这一现象称为土 的固结。随着土体的固结，土体的压缩变形和强度逐渐增加，粘性土渗透系数很 小，透水性弱，在预压时往往打设垂直向的排水通道，以减小渗透路径。真空预 压法加同地基的过程也是土体的固结过程，因此计算真空预压作用下饱和软粘土 固结变形的理论主要有以下几种： 2 2 1 太沙基单向固结理论 饱和土受到压力作用，其骨架就要产生压缩，孔隙体积因之减小，并促使孔 隙水被挤出，其挤出的快慢，取决于孔隙通道的微细程度。对于饱和砂土，孔隙 天津大学硕士学位论文第二章真空预压法加固软基的理论研究 较大，水很快披挤出，故沉降速度和干砂相差不多。至于饱和粘土，由于颗粒微 细，孔道非常狭窄，再加上孔隙中充满着与颗粒紧密结合的结合水，则自由水就 更难通过，所以粘土的压缩稳定需要的时间更长，影响饱和粘土沉降速度的因素 很复杂。为简化起见，假定饱和粘土的沉降快慢，取决于孔隙水的渗流速度；在 沉降过程中孔隙体积的改变量，等于孔隙水的渗出量。从这些前提出发可以建立 饱和粘土的沉降随时间变化的理论。这个理论的要点是：伴随着孔隙水被挤出， 孔隙体积产生压缩，从而使土体趋于密实，故称它为渗透固结理论。 太沙基在下列基本假设下，建立了固结基本微分方程，并获得了一定初始条 件和边界条件下的解析解，基本假设为： ( 1 ) 土体是均质的，完全饱和的； ( 2 ) 土粒与水均为不可压缩介质； ( 3 ) 外荷载一次瞬时加到土体上，在同结过程中保持不变； ( 4 ) 土体的应力与应变之间存在线性关系，压缩系数为常数； ( 5 ) 在外力作用下，土体中只引起上下方向的渗流与压缩； ( 6 ) 土中渗流服从达西定律，渗透系数保持不变； ( 7 ) 土体变形完全是由孔隙水排出和超静水压力消散所引起的； 以上假设中将实际情况理想化，近似地反映了实际情况。当地面上的加荷面 积比压缩土层厚度大得多，或压缩层埋藏较深时，侧向变形和渗流量就较小：土 骨架的结构粘滞性小时，主固结压缩占主要成分；施工期短且土的渗透系数较小 时，可认为是瞬时加荷。 基本方程的建立：设土体完全饱和，土颗粒和孔隙水不可压缩，则单元土体 的体积压缩量变化量粤么理论上等于孕彦，即： o lo z 譬d z ：孚应 ( 2 1 ) o lo z 式中，为体积应变，矿为单位面积流量。 根据达西定律，知 ：一竺一o u ( 2 - 2 )以2 一一_ 了f 凹 式中：形一渗透系数； 丫。一水重度： 一孔隙水压力。 由总应力不变情况下提及的变化与竖向变化等同。结合( 2 - 1 ) 和( 2 2 ) 式得： 堡：堕：一n 丝( ，2 一- 3 一)o = o = 一) 天津大学硕士学位论文第二章真空预压法加固软基的理论研究 式中： 一竖向正应变； 形一体积压缩系数，以= q 0 + 力； z ，一压缩系数； f 一孔隙比。 联立( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 得太沙基单项固结基本微分方程： 丝一r 堕 o t 、劳 式中c 为固结系数，c ，= 纠丫。以= ( 1 + e ) k y ， 2 2 2 巴隆轴对称固结理论 软土处理过程中，通常采用砂井或塑料排水板打入软土层来加速软土地基的 固结。这时固结由两种排水作用引起：( 1 ) 沿垂直方向( z 轴) 的渗流：( 2 ) 垂直于 z 轴的平面内的轴对称渗流。考察两部分的同结作用，得到轴对称固结理论的基 本微分方程： 鲁鲁+ g ( 等弓鲁) 式中，为离开砂井轴线的水平距离，随研究点的位置而改变。 巴隆( b a r t o n ) 系统的研究了砂井地基的排水固结问题。他考虑了在固结时的 两种变形情况：( 1 ) 自由竖问应变；( 2 ) 等竖向应变。前者认为地基表面的荷载分 布是均匀的，后者则认为地面的变形是单一的。实际上，固结时，靠近砂井的土 体固结较快，该区域的地面沉降降较大，必然要使地面的接触压力发生再分布。 如果作用荷载的材料在该下陷部分有产生拱作用的趋势，情况更是如此。如果完 全发挥拱作用，很可能更接近于等应变情况。 基于以上考虑，巴隆给出了轴对称固结问题的解析解，在砂井地基设计中得 到广泛应用。 2 2 3 比奥固结理论 比奥饵l o t ) - - 维固结理论正确反映了孔隙压力消散与土体骨架变形之间的相 互关系，可同时求解孔隙压力和位移。比奥取固结过程中的总应力及孔隙水压力 皆为未知数，建立平衡方程与渗流连续方程。求解这些方程可得出随时间及位置 坐标而变的总应力与孔隙水压力方程，并可得到任意时刻与位置的土体水平变形 和垂直沉降。但限于数学上的困难，在电子计算技术问世以前，此理论一直没有 得到实际应用，只有极少数边界条件简单的问题得到解决。近年来，随着有限元 天津大学硕士学位论文 笕二章真空预压法加固软基的理论研究 理论的发展和电子技术的广泛应用，该理论已逐渐被用于解决工程实际问题。 1 9 6 9 年，桑德霍( s a n d h u ) 和威尔逊( w i l s o n ) 依据变分原理，提出了求解比奥 ( b