真空预压法在地基处理中的应用

真空预压法在地基处理中的应用[摘要]真空预压法作为一种软土地基处理方法，具有诸多优点。对于分布广、厚度大、工程性质差的典型软土地区而言，真空预压法已被证明是加固软土的有效的方法，并已被广泛应用。[关键词]真空预压地基处理加固机理[Abstract]Vacuumpreloadingmethodasakindofsoftsoilfoundationtreatmentmethod,hasmanyadvantagesforsoftsoilwidedistributioninthickness.Thetypicalengineeringpropertiesofdifferenceinsoftsoilareaisconcerned,andvacuumpreloadingmethodhasbeenprovedtobestrengtheningsoftsoilofeffectivemethod,andhasbeenwidelyused.[KeyWords]vacuumpreloading;foundationtreatment;strengtheningmechanism引言随着社会、经济的发展，地基处理工程的数量不断增大，地基处理的要求不断提高。作为排水固结法的真空预压法，由于它在软土地基加固中的显著优势，其工程应用日益增加，应用领域日益扩大。在真空预压的实践中，提出了许多真空预压法的新问题，这些问题的解答需要对真空预压法加固软基的机理及其施工技术有更深入的认识。一、真空预压法的加固机理如图1.1所示，真空预压法处理地基，首先在原地基表面铺设一定厚度的砂垫层，作为水平排水体，然后在土体中打入袋装砂井或塑料排水板（以下统称砂井），作为竖向排水体，再将不透气的薄膜铺设在需要加固的软土地基表面砂垫层上，薄膜四周埋入土中。通过抽真空装置产生负压，再借助于埋设在砂垫层中的管道，将薄膜下土体间的空气抽出，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，并且在砂井和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。图1.1真空预压法加固软基示意图首先在原地基表面铺垫一定厚度（通常为40.50cm）的砂垫层，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管道，将薄膜下砂垫层中的空气抽出，使其形成相对负压，由于砂井渗透性较大，该负压能够快速传递到砂井中，从而在砂井和砂井周围土体之间形成孔压差，使土体中的孔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。根据目前的工程经验，膜上下压差可维持在610—730mmHg，即80〜95kPa左右，一般可取75〜80kPa作为设计压差。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。二、真空预压法的特点和优缺点2.1真空预压法的特点从真空预压法的原理分析可知，真空预压法属于排水固结法。与刚性桩基础把荷载通过桩直接传递到深部地基土的机理不同，与复合地基通过置换桩体或强化桩体与地基士的共同作用承担荷载的机理也不同，排水固结法是通过排出地基中的液相水，提高地基的密度，从而提高地基的强度和刚度，最终达到提高地基的稳定性，减小地基的沉降量。排水固结法没有在地基中添加其他替代材料，因此可以节省地基处理的材料费用。但是排水固结法必须采取某种措施才能使土中的水排出，如堆载预压法必须借助载重，真空预压法必须借助抽真空设施。另外排水固结法处理地基比桩基和复合地基会产生附加沉降，从而增加消耗填筑材料。堆载预压法是最古老的，而且非常成熟的排水固结法，真空预压法仅仅是20世纪50年代初提出，20世纪80年代起才真正在工程中实施的排水固结方法。由于真空预压的研究和应用发展非常迅速，20世纪80年代起，真空预压法和堆载预压法已经成为排水固结法家族的两大主要成员，而真空联合堆载预压法的成功则大大推进了排水固结法。2.2真空预压法的优点堆载预压法和真空预压法都属于排水固结法，是固结问题，但各自产生水势差的原因不同，这就导致了两种方法有不同的特点和优点。真空预压法的优点主要体现在以下两个方面：（1）真空预压法通过真空度产生和维持系统与真空度传递排水系统来降低孔隙水压力，产生水势差，由于不增大总应力，因此不需要堆载。堆载需要大量的预压材料，并消耗大量运输量和劳力，而真空预压法主要消耗电能显得有优势，特别在缺乏预压材料的工程中这种优势尤为突出。真空预压法由于不要大量的堆载，因此施工环境相对较为文明。另外堆载预压（特别是超载预压）的卸载同样需要消耗大量的人力，但真空预压法卸载却是非常简便的，它是一个能够自动发生的过程，不需要消耗额外的资源，需要的时间也很短。（2）真空预压法是通过抽气产生真空，降低孔隙水压力，产生负的超静孔隙水压力来增大土体的有效应力。由于孔隙水压力是中性压力，加固中只产生球形有效应力增量，不产生剪应力增量，加固地基产生向加固区中心的侧向变形，所以真空预压法加固中不存在地基失稳的问题，膜下真空度可以一次性连续地加到设计值，大大提高施工速度。除上述两方面的基本优点外，真空预压地基还具有加固速率较快，压密效果较好和强度增长率较高的优点。2.3真空预压法的缺点当然真空预压法也存在本身的一些不足，主要体现在：（1） 由于利用大气压力来增加有效应力，所以其增加值有限，最多不会超过一个大气压，虽然对一般地基处理能够满足要求，但对一些要求较高的地基处理工程或含水率小于液限的超固结土的适用性减小，对这样的地基则往往还需要联合其他的处理方法。（2） 真空预压法中保持加固区内较高的真空度非常重要，而水平密封系统和垂直密封系统（视工程的地质情况决定是否需要）既增加了工程量，也增加了工程的复杂程度。（3） 由于真空预压地基产生向加固区的侧向位移，加固区外产生拉应力区，而土体材料的抗拉强度低，因此真空预压法对工程周围环境的拉裂影响较为严重。三、真空预压软基处理施工的基本程序在进行真空预压施工前，必须充分作好施工的准备工作，制定周密的施工技术措施。检验沙袋、聚氯乙烯薄膜及中粗砂是否符合技术标准及设计要求，并将检验报告提交监理工程师审核批准。在取得监理工程师批准后，开始进行真空预压的下一步施工。主要施工步骤有：测量放线——铺设主支滤排水管——铺设上层砂质层——砂面整平——铺设聚氯乙烯薄膜——施工密封沟——设置测量标志——安装真空泵——抽真空预压固结土层。真空预压工程一般包括十几个真空预压单元块和真空泵，具体步骤分析:（1）测虽放线：用经纬仪和水准仪进行单元块测量放样，用木桩或小竹杆和白石灰放出各加固单元边线的准确位置，并用红漆在木桩或小竹竿上标出砂垫层顶面的标高：木桩与小竹竿之间也可以用红尼龙绳连接。（2）铺设主支滤排水管：主支滤排水管分为主（干）管和支滤管。主管为4寸镀锌铁管，支滤管为2寸镀锌铁管，外包土工布滤水网。主管和支滤管间采用变径三通、四通连接，同管径的对接采用丝扣连接。全部吸水管均须埋入砂层中，并通过出膜器及吸水管与真空泵连接。在挖密封沟的同时，可进行主(干)管和支滤管的加工、连接和安装埋没。进行此道工序的同时，应将露出砂垫层表面的塑料排水板头埋入砂垫层中。按照设计要求，在真空预压范围内铺设砂垫层，按所需砂垫层铺设，采用含泥量少于5%中粗砂，一次铺设0.25米厚。摊铺方式采用人工分块摊铺平整。四、 施工监测通过对真空预压的整个施工过程进行了跟踪监测，分别在两个区块布设了如下的监测仪器：孔隙水压力计，表面沉降观测仪，深层分层沉降仪，压力计，测斜仪。沉降观测。沉降观测主要包括表层沉降及深层沉降观测，表层沉降观测采用的是沉降板，深层沉降观测采用的是深层分层沉降标，用来观测地基的沉降量和沉降速率。每块真空预压区都会布置几块面层沉降板。孔隙水压力观测。每块真空预压区中心都布置一组孔隙水压力计，按深度方向向下埋设一个探头，各深度位置的探头要求分孔埋设。孔隙水压力计用以观测软土层中孔隙水压力的变化过程，用以计算土体的强度增长、固结度，真空预压初期的观测频率为每天观测1次，稳定后2天观测1次，后期可调整为3〜4天观测1次。真空度检测。每块真空预压区布置几十个真空测头，平均位置按均布原则布置，进行膜下真空度检测。并选取其中几块进行竖向真空度检测，要求按深度方向每1m布置1个，分别测H出l〜2Om处的真空度，以便了解真空衰减情况。五、 加固效果的检测5.1室内试验数据及分析为了了解真空预压前后地基的物理力学性质的变化情况，在真空预压前后，对每个预压块都要进行两个勘探孔，并取样进行室内土样试验。为了比较方便，根据勘探资料和土样试验结果，将场地土划分为3层土进行统计，从上到下依次为淤泥质黏土、淤泥(淤泥质黏土)、淤泥质(粉质)黏土。土层预压前后物理力学性能比较，从分析中可以得出：(1)预压后的软基物理力学性质将有明显的改善。土的含水率降低、孔隙比缩小、液性指数降低、压缩系数减小。土的重度，压缩模量，强度指标等指标增大。尤其是液性指数、变形指标(压缩系数和压缩模量)、强度指标(内摩擦角、内聚力、无侧限抗压强度)等指标变化更加明显，无侧限强度指标变化量更大。(2)土的物理力学性质的改善沿深度变化的特征明显：物性指标变化量从上到下依次减小，说明真空预压的效果随深度逐渐减弱。5.2十字板剪切试验数据及分析在真空预压前后，针对每个预压块进行十字板剪切试验。调查数据显示在地表下20m左右，十字板剪切强度分层性不明显，说明在此范围内的土层强度差别不大，真空预压后，土层的十字板剪切强度将会有明显的提高。结束语真空预压法是软土地基加固处理既高效快速又经济环保的地基处理方法，已在工程中广泛应用，发挥了重要的作用。特别是真空预压法与其它方法的联合使用，如真空联合堆载预压法等，既可以发挥真空预压法不需要准备荷重，不存在稳定问题、可以连续加载的优点，又可以利用其它方法的优点，以弥补真空预压法最大有效荷载有限的缺陷。但不管是单独使用真空预压法还是联合其它方法一起处理地基，真空预压法的加固机理和真空预压地基变形基本