真空预压法加固软粘土地基的理论与适用条件

1、东北水利水电 2006年第 7期 (第 24卷 264期 收稿日期 2006-01-18作者简介 吴 跃 东 (1969-, 男 , 福 建 漳 州 人 , 副 教 授 , 从 事 软 基 处 理 的 教 学 与 科 研 工 作 。 真空预压法加固软粘土地基的理论与适用条件吴跃东 , 曹 杰 , 殷宗泽摘 要 本 文 介 绍 真 空 预 压 法 加 固 软 基 的 特 点 和 真 空 预 压 法 的 加 固 机 理 , 根 据 真 空 预 压 与 堆 载 预 压应 力 路 径 的 不 同 , 比 较 了 它 们 的 加 固 效 果 , 分 析 和 探 讨 了 真 空 压 力 随 竖 向 排 水

2、 体 传 递 的 变 化 规 律 , 以 及 在 淤 泥 层 底 部 孔 压 可 能 会 升 高 而 存 在 M a ndol 效 应 , 探 讨 了 真 空 预 压 的 适 用 条 件 。关键词 真 空 预 压 法 ; 加 固 机 理 ; 适 用 条 件 中图分类号 TV443+. 1文献标识码 A文章编号 1002-0624(2006 07-0006-03(河海大学岩土工程研究所 , 江苏 南京 2100981真空预压法的加固机理真空预压法属于排水固结法 , 通过真空压力 (负 压 使 土 体 中 的 孔 隙 水 压 力 产 生 不 平 衡 的 水 压 力 , 孔 隙 水 在 这 种 不

3、平 衡 力 的 作 用 下 通 过 竖 向 排 水 体 逐 渐 排 出 , 从 而 使 土 体 产 生 固 结 变 形 。 根 据太沙基的有效应力原理分析土体 , ! , u , ! 三 者 之 间 的 变 化 情 况 与 依 赖 形 式 以 及 和 固 结 的 关 系 , 可归结如下 :(1 静态平衡 , u=常量 , 如正常固结土体 。 (2 动态平衡 , 如稳定渗流土体 。(1 和 (2 u (势 都 保 持 平 衡 状 态 , ! 不 变 , 不 为固结 。(3 动态不平衡 。 ! 不变 , 当增高时引起 ! 降 低 , 则不称为固结 。 如在无砂井地基上筑堤时 , 由 堤心向坡脚传递

4、正孔压 , 引起坡脚处 ! 降低 , 将 会导致地基的失稳 。从 以 上 分 析 可 以 看 出 , 固 结 并 非 一 定 归 结 为 外 荷 的 作 用 , 固 结 应 归 结 为 一 切 能 够 引 起 土 体 内 孔 隙 水 减 少 及 孔 隙 水 压 力 (u 降 低 , 即 有 效 应 力 (! 增 加 的 作 用 。 ! 的 增 加 唯 一 来 源 于 u(势 分 布 的 不 平 衡 , 这 种 不 平 衡 必 然 伴 随 着 渗 流 促 使 孔 隙 水 流 动 ; 反 之 , 这 种 不 平 衡 能 够 促 使 孔 隙 水 流 动 但 不 能 引 起 孔 隙 水 减 少 时 ,

5、 则 不 会 导 致 固 结 。 所 以 , u(势 不 平 衡 是 固 结 的 必 要 条 件 , 而 土 中 水减少及 u 降低 , 使 ! 增加是固结的决定条件 。真 空 预 压 的 加 固 机 理 是 在 外 荷 不 变 的 情 况 下 , 通 过 抽 真 空 对 加 固 区 施 加 以 流 体 压 力 , 它 必 然 作 用 于 砂 垫 层 和 砂 井 内 孔 隙 流 体 , 在 短 时 间 内 砂垫层和砂井内的 u 迅速降低并排出水和气 。 由 于 土 和 砂 井 的 渗 透 系 数 的 极 大 差 别 , 土 体 内 在 刚 开始抽气时仍保持抽气前 u(势 分布状态 。 这样 ,

6、 土体内与作为边界的砂井和砂垫层间形成 u (势 差 。 孔 隙 水 在 势 差 的 作 用 下 , 伴 随 着 渗 流 使 水 排 出并使 u 降低 。 u(势 的不平衡逐渐由近及远地向 距 边 界 较 远 的 点 波 及 , 形 成 土 体 内 距 砂 井 和 砂 垫 层 远 与 近 各 点 间 的 u(势 差 。 在 总 应 力 ! 基 本 不 变 的 情 况 下 , u 的 降 低 值 即 为 ! 的 增 加 值 , 从 而 使土体固结压密 , 直到土体内与边界上达到 u(势 新的平衡为止 。根据应力路径的分析来比较真空预压与堆载 预 压 的 加 固 效 果 , 土 中 任 意 单 元

7、 体 的 应 变 、 强 度 和孔压都与应力路径有关 。 以竖向应力 v 和水平 向应力 h 代替 1和 3, 图 1绘出了真空与堆载 预 压 时 的 应 力 路 径 与 变 形 、 强 度 与 孔 压 的 关 系 。 堆 载 预 压 时 除 荷 载 中 心 区 以 下 浅 层 土 单 元 外 , 一 般 开 始 时 刻 侧 向 膨 胀 (h <0, 加 固 前 土 体 中 任 一 单元体处在 K 0固结的 M 点 , 如分三级加 荷 到 B 3点 , 总应力路径 (记作 TSP 为实线 M B 3, 有效应力62006年第 7期 (第 24卷 264期 东北水利水电排水板中的真空度 淤

8、泥层中的真空度 深度(m 真空度 (kPa 深度 (m 真空度 (kPa 2. 5732. 5605. 5605. 5458. 5518. 52011. 54311. 5014. 53214. 5017. 52117. 5路 径 (记 作 ESP 从 M 点 沿 虚 线 到 达 C 3点 , 最 终 接 近 B 点 。 故 堆 载 预 压 的 应 力 路 径 一 般 在 K 0与K f 线间变动 , 开始呈挤 出 变 形 , 随 孔 压 消 散 (如 由 C 3向 B 3移 动 , 侧 向 开 始 压 缩 , 需 分 级 加 荷 使 最大 剪 切 面 上 (或 破 坏 面 的 外 加 剪 应

9、力 始 终 小 于 土 的 抗 剪 应 力 , 以 保 证 两 者 协 调 发 展 。 对 于 饱 和 土 , 孔 压 增 量 由 前 项 球 应 力 与 后 项 偏 应 力 共 同 产 生 ; 真空预压时 TSP 线在 M 点基本不变 , ESP 线 为 M D 线 。 由 于 真 空 预 压 特 点 为 侧 向 压 缩 且 v >h , 图 1中 真 空 预 压 ESP 线 应 靠 近 M G , 但 在 M G与 K 0线间剪应力稍有增加 , 孔压降低主要引起球 应力变化 。 ES P 线的发展 K f 线 愈 来 愈 远 , 剪 应 力 越 来 越 小 于 土 的 破 坏 抗 剪

10、 力 , 故 不 需 分 级 抽 气 。 当 堆 载 预 压 和 真 空 预 压 相 同 时 , 真 空 预 压 的 水 平 附 加 应 力 大 于 堆 载 预 压 的 (此 时 ES P 认 为 C 3到 达 B 3, 如 图 1中 初 始 状 态 为 M 点 的 单 元 土 体 , 堆载与真空预 压 终 了 时 在 45°剪 切 面 上 的 强 度 分 别为 I B , I D 点 , 然后 , 两者卸荷后为 J B , J D , 因 I B >ID ,J B >JD , 故真空预压比堆载预压加固效果要好 。 图 1真 空 预 压 与 堆 载 预 压 的 应 力 路

11、 径 示 意 图在真空预压中 , 竖向排水体不仅起排水作用 , 而 且 还 起 着 传 递 真 空 压 力 的 作 用 , 由 于 竖 向 排 水 体 存 在 阻 力 , 真 空 压 力 沿 深 度 传 递 过 程 中 要 有 所 损 失 , 最 主 要 影 响 因 素 是 其 渗 透 系 数 。 真 空 压 力 的 传 递 规 律 直 接 影 响 到 土 体 的 加 固 效 果 , 为 了 研 究 真 空 压 力 的 变 化 规 律 , 在 某 试 验 段 进 行 了 监 测 , 结果如表 1。 试验段排水板打设深度为 17. 5m , 场地地层条件为淤泥和淤泥质粘土 。从表 1可 以 看

12、出 真 空 压 力 沿 深 度 逐 步 衰 减 , 上 部 衰 减 小 , 下 部 衰 减 大 , 从 监 测 资 料 也 可 以 得 到 前 期 衰 减 大 , 后 期 衰 减 小 ; 在 塑 料 排 水 板 底 部 17. 5m 处 还有 21kPa 的真空压力 , 说明真空预压加固深度 较 为 理 想 , 对 消 除 下 卧 层 沉 降 十 分 有 利 。 由 于 加 固 的 软 土 渗 透 系 数 都 较 小 , 因 此 淤 泥 层 中 的 真 空 压 力衰减很快 , 10m 以下没有观测到数据 , 可能与 监测手段和仪器的精度有关 。表 1竖 向 排 水 体 中 真 空 压 力 沿

13、深 度 传 递 规 律 真空预压加固软土地基的基本原理应该比较 清 晰 , 就 是 " 不 变 , u 降 低 , 来 提 高 " , 因 而 人 们 普 遍 认 为 抽 真 空 的 过 程 , 就 是 孔 压 下 降 的 过 程 , 但 是 在 孔 隙 水 压 力 实 测 的 过 程 中 , 发 现 淤 泥 层 底 部 存 在 孔 压 上 升 现 象 。 在 真 空 预 压 作 用 下 , 土 体 产 生 固 结 收 缩 , 但 淤 泥 层 中 竖 向 排 水 体 底 部 的 土 体 孔 隙 水 排 不 出 , 在 周 围 土 体 固 结 变 形 产 生 的 挤 压 作

14、用 下 , 为 了 维 持 有 效 应 力 不 变 , 它 的 孔 压 将 必然升高 , 这是典型的曼德尔效应 。 因此 , 利用真 空 预 压 法 加 固 渗 透 性 很 小 的 软 土 时 , 由 于 周 边 边 界 几 乎 不 排 水 , 加 上 土 体 向 内 收 缩 变 形 , 在 深 度 较 深 处 , 存 在 孔 压 上 升 现 象 , 即 曼 德 尔 效 应 , 随 时 间的延续 , 孔压将慢慢下降 。在抽真空后期 , 发现抽出的气多于水 , 根据分 析 这 些 气 有 以 下 几 方 面 来 源 :土 体 孔 隙 中 的 封 闭 气 泡 ; 孔 隙 水 中 的 溶 解 气 体

15、 在 压 力 降 低 时 析 出 ; 软 土 中 的 有 机 质 产 生 化 学 反 应 生 成 的 气 泡 ; 抽 真 空造成孔隙水汽化的水泡 。有些学者认为由于抽真空造成汽化可能导致 形 成 非 饱 和 区 。 其 实 这 是 不 可 能 的 , 除 非 被 汽 化 的 水 量 大 于 排 水 固 结 所 生 成 的 水 量 , 而 实 际 上 水 汽化的速度不可能有这么快 。 因此可以否定真空 预 压 加 固 区 范 围 内 存 在 非 饱 和 区 的 观 点 , 认 为 真 空 预 压 处 理 软 基 可 采 用 饱 和 土 体 固 结 理 论 进 行 计算 。2真空预压的适用条件软

16、土 地 基 处 理 的 目 的 是 改 善 地 基 土 的 性 质 ,7东北水利水电 2006年第 7期 (第 24卷 264期 提 高 地 基 土 的 抗 剪 强 度 , 减 少 沉 降 或 不 均 匀 沉 降 。 虽 然 地 基 处 理 方 法 很 多 , 但 没 有 一 种 万 能 通 用 的 方 法 , 必 须 进 行 技 术 经 济 比 较 加 以 选 择 。 最 近 真 空 预 压 引 入 高 速 公 路 软 基 加 固 中 , 取 得 较 好 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 , 但 也 存 在 一 些 不 顾 真 空 预 压 的 适 用 条 件 最 终 失 败 的 例 子

17、 , 从 而 造 成 巨 大 的 经 济 损 失 。 从 加 固 机 理 分 析 可 知 , 保 持 膜 下 的 真 空 度 是 真 空 预 压 的 关 键 , 而 膜 下 真 空 度 的 密 封 与 薄 膜 的 密 封 效 果 和 土 体 的 密 封 效 果 关 系 较 为 密 切 , 其 中 土 体 的 密 封 性 是 影 响 加 固 效 果 的 主 要 因 素 。 真 空 预 压 法 适 用 软 粘 土 地 基 的 处 理 , 但 由 于 地 质 条 件 变 化 很 大 , 在 施 工 中 必 须 对 其 在 真 空 预压加固效果的影响进一步加以研究 。(1 加固区范围内有强透水层或地下

18、暗河 。 由 于 加 固 区 内 的 含 水 层 与 外 界 连 通 , 且 渗 透 系 数 较 大 , 当 开 始 抽 真 空 时 , 由 于 竖 向 排 水 体 (塑 料 排 水 板或袋装砂井 的存在 , 相当于加固区与外界连 通 , 这样就不能保证膜下的真空度达到设计要求 , 从而影响加固效果 。 埋得较深的 , 加固区以外的水 不断流入加固区内 , 致使膜下真空度相对较低 , 若 埋深较浅 , 更会造成漏水漏气 , 在这种地质条件下 必须在加固区四周采用密封封堵技术 , 隔断内外 含水层的联系 , 否则将导致真空预压失败 。 (2 加固区内有杂填土层分布 。 当填土层为建 筑 垃 圾

19、或 杂 填 土 , 则 该 层 可 能 成 为 强 透 水 层 , 造 成 真 空 预 压 时 漏 水 漏 气 ; 若 埋 深 较 浅 , 应 将 密 封 沟 挖 至 填 土 以 下 0. 20.5m , 若 埋 深 较 深 时 , 应 采 用在填土中灌浆 , 形成防渗帷幕 。(3 浅层土为流土型土或分散性土 。 由于该类 型 土 体 粒 间 引 力 较 小 或 粘 性 较 小 , 在 抽 真 空 时 所 造 成 较 高 的 水 力 梯 度 作 用 下 , 容 易 在 土 体 内 部 形 成 的 裂 隙 和 空 洞 , 直 至 在 密 封 沟 边 或 土 体 表 面 的 薄 膜 中 形 成 漏

20、 洞 , 造 成 膜 下 真 空 度 不 能 达 到 设 计 要 求 。 一 般 来 说 , 由 于 土 体 的 流 失 而 造 成 土 体 密 封 效 果 不 佳 或 薄 膜 破 损 常 发 生 在 密 封 沟 边 , 为 防 止 密 封 沟 漏 水 漏 气 , 可 在 加 固 区 边 缘 50c m 范 围 内用粘土代替砂垫层 。(4 加固区产生较大的不均匀沉降 。 若下卧层 硬 土 层 面 坡 度 较 大 , 软 土 厚 度 较 大 时 , 极 易 造 成 土 体 不 均 匀 沉 降 , 使 水 平 排 水 滤 管 破 碎 , 降 低 膜 下 真 空 度 。 在 滤 管 连 接 处 可

21、采 用 柔 性 的 钢 丝 胶 管 , 以 适 应 不 均 匀 沉 降 。 加 固 区 若 存 在 压 缩 模 量 较大的桩体 , 应将桩头挖至可能的沉降面 。(5 是 否 会 对 邻 近 建 筑 物 产 生 危 害 。 根 据 真 空 预 压 法 的 加 固 机 理 , 被 加 固 土 体 向 内 收 缩 变 形 , 若 加 固 区 周 围 存 在 邻 近 建 筑 物 , 必 须 考 虑 对 其影响 。 可在加固区周围采用复合地基的方法消 除部分影响 。4结 语通过对于真空预压加固机理和施工工艺进一 步研究 , 可以得到如下结论 :(1 真空预压在加固过程中增加的是球应力 , 剪 应 力 并

22、 未 增 大 , 因 而 , 不 会 出 现 堆 载 预 压 中 因 有 效 应 力 增 加 导 致 抗 剪 强 度 降 低 的 现 象 。 另 外 , 在 大 主 应 力 相 等 的 条 件 下 , 真 空 预 压 比 堆 载 预 压 加固效果要好 。(2 真 空 度 沿 深 度 逐 步 衰 减 , 上 部 衰 减 小 , 下 部衰减大 , 而且前期衰减大 , 后期衰减小 。 根据监 测 资 料 在 塑 料 排 水 板 底 部 仍 有 一 定 的 真 空 压 力 , 说 明 真 空 预 压 加 固 深 度 较 为 理 想 , 对 消 除 下 卧 层 沉降十分有利 。(3 在 真 空 预 压 作 用 下 , 土 体 产 生 固 结 收 缩 , 但 淤 泥 层