真空预压加固效果的影响因素研究

2015-08-28康旭辉

河南科技 2015年3期

康旭辉

（中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，上海201208）

软土是公路和民建工程中遇到最多的软弱基地，广泛分布在我国沿海地区，由于软土较为软弱，强度低，压缩性高，渗透性很小等特性，极易出现塑性流变等问题，给道路路基和民建地基处理带来了较大的技术难题，若对软土特性认识不足，地基处理不当，技术控制不严，就会在筑路过程中出现地基因破坏失稳而滑动，并产生较大的沉降和不均匀沉降，影响工程建设和正常的使用，因此，对软基合理而有效治理成为软土地区工程高质量的重要前提。

本文结合具体的工程实践，并通过现场监测，对真空预压软基处理中加固效果的影响因素进行了分析。

1 真空预压加固土体的机理

软土地基真空预压加固时，在抽真空后，首先在砂垫层形成的真空度，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其四周的土体传递与扩展，形成一个负压渗流场，引起土中孔隙水压力降低，形成负的超静孔隙水压力,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。当产生负的超静孔隙水压力达到膜下真空度值时渗流终止。而消散的孔隙水压力会相应引起有效应力的增长，因而达到加固地基的作用［1］。

2 真空预压加固效果影响因素

2.1 真空度的影响

2.1.1 真空度沿深度的传递。在真空预压抽真空过程中，由于塑料排水板井阻与涂抹的作用，从实测孔隙水压力变化资料可以看出，真空度的传递模式是复杂的，各学者提出的关于真空预压中真空度的传递模式相差较大。而真空度传递的不同，也显著的造成了分层沉降的不同，影响到真空预压的效果［2］。

为了找出真空度沿深度传递对真空预压的影响，我们找出在整个处理阶段中较为典型的真空度维持较好地22#地块的相关数据进行分析。

①由22#地块孔压变化率曲线可以看出，在真空预压开始的一周，孔压变化速度较快，与真空度变化趋势相近，其中2～8m浅部地层变化速率最快，8～16m变化速率适中，16m以上变化速率较慢，20m以上几乎无变化。可见负压渗流场在浅层较快形成，并逐渐向深层传递的。

②综合看各地块峰值孔压变化量并不是出现在最顶层土，而是一般在4～6m范围内。说明第一，这一土层中的渗透系数较高的黏质粉土夹层起到了较好的水平向排水体的作用，因而体现了密封墙的重要性；第二，孔压变化量并不完全由真空负压决定，与预压同时进行的抽水使地下水位降低造成了土层上覆压力的增大，即发生了“堆载效应”，土体加固是在“堆载”的正压和真空的负压的共同作用下完成的。

2.1.2 真空度的稳定性。真空预压由于其自身机制和较长时间的工期，真空度的稳定维持相对较为困难，真空度的变化将直接导致土体中孔压的变化，孔压的变化进一步导致有效应力的变化，进而影响到土体加固的进程，目前几乎没有针对真空度不稳定对土体加固的影响的研究。

在真空预压过程中影响真空度稳定性的因素主要是真空膜、密封沟及密封墙的密封性，施工工况，预压进行过程中的供电不足或者停电，射流泵工作异常等。

本文采用本次预压加固工程中较为典型的8#，10#两个地块进行对比研究。两个地块位置相近，地质条件相似，工况基本相同。

从上面地块各自典型的孔压变化量历时曲线可以得到：

①区块真空度传递分布比较类似，峰值孔压变化量均为-80～-90kPa,出现在8m以下浅层部分，8m以上部分发生相应折减。

②从区块的真空度波动上看，8号地块波动极大，并发生了多次停泵事件。主要缘由包括停电，供电不足以及不均匀沉降造成的真空膜破裂。10号地块相对波动较小，尽管发生了停泵事件但是短时间内进行了修复，孔压变化量曲线较为平稳。

通过统计两个区块达到设计沉降值的真空预压工期结果是8号地块所耗工期几近是10号地块的1倍多。可见真空预压施工过程中真空度的保持对工期有非常重要的影响。而工期是真空预压工程十分重要的一个前提，并且将影响相应工程造价。

2.2 排水板的影响

2.2.1 排水板长度。在软土地基中，随着深度的增加，真空度逐渐减少；而在真空度的传递过程中都要受到介质阻力，但不同介质阻力对真空度分布有较大影响，因为纵向通水能力和渗透系数的不同，一般在地基相同的深度处：膜下真空度＞塑排真空度＞砂井真空度＞淤泥真空度。其淤泥的渗透系数与通水能力与塑料排水板相差巨大，因此在地基中设置竖向塑料排水板以增大真空度的传递效率。而排水板长度对真空度的传递起到多大作用，以下将通过分析6#，7#地块的相关数据可以得到：

由6#地块可以得到在10m内，真空度传递效果较好，在8m左右仍能维持50～60kPa。这主要是受10m深度的密封墙影响，使真空度损耗降低，而在10～14m范围，真空度仍能维持在30～35kPa。但在14m以下深度，真空度快速衰减，到16m范围仅剩10～15kPa，20m以上已经小于10kPa。

由7#地块可以得到在10m范围内，真空度普遍维持在较高的70～80kPa，这主要是受10m的水泥土搅拌桩密封墙影响，在其下随深度减小，在10～16m范围内真空度逐渐衰减，在16m处为30～35kPa。而后衰减增速，18.5m处真空度整个处理过程中仅剩余20kPa，26m处为10～15kPa。

从以上地块的孔压变化值分布图可以看出真空度沿深度的传递主要分3个区间：

①密封墙桩端深度（10m）以上地层，真空度几乎无衰减或衰减很小。

②密封墙桩端以下深度至排水板插打深度范围内，真空度沿深度衰减，但衰减相对慢。

③在排水板插打深度以下，真空度衰减较快，在塑料排水板长度1.5倍以上深度处真空压力的影响已经较为微弱了。但同时可以看出，在塑料排水板以下一定深度范围内仍有一定的真空度存在。

由以上结论可知，排水板不仅有加强地基土体竖向排水能力，还可以增强真空度沿深度的传递效率，相同条件下，排水板长度越长，真空预压影响深度越深。可见在适当的排水板间距下，一定程度加长排水板长度可以有效地增加真空预压的有效作用深度。

2.2.2 排水板间距。对于不设置竖向排水体，直接对天然地基加荷预压时，采用太沙基一维固结理论方程。但对于地基中设置竖向塑料排水板进行真空预压时，采用太沙基三维固结理论计算。本工程径向固结为主要因素。

其中径向固结时间因素的表达式为：Th=Cht/de2

可以看出，固结时间与排水板影响范围直径的平方成正比例关系，而排水板影响范围直径是由排水板间距来确定的，即排水板间距越小，则相应固结时间越短。但在实际工程中，受到排水板的井阻作用和插打排水板时的涂抹作用影响，当排水板间距缩小到一定值时，进一步减小排水板间距将无法再缩短固结时间。

是将排水板间距考虑入影响真空预压工期的因素内，将各地块真空预压实际作用时间按t/de2来计算，将其与目标沉降值进行比较发现，在考虑排水板间距值后，目标沉降值与预压天数有更好的一致性，因此，在一定范围内减小排水板间距可以缩短真空预压工期。

2.3 加固区面积及形状影响

2.3.1 边界效应。真空预压中的边界效应，主要是指真空预压受预压处理的边界影响。真空预压中边界效应的产生是因为在现有的施工技术条件下，不能保证边界的膜面及深层土体的绝对密封，必然导致在边界处真空负压向加固区外扩散。这种边界损失不仅对加固区边缘有影响，对整个场地的加固效果的影响也是显著的。并且向外扩散的真空负压将导致加固区外不均匀沉降的产生而对周边环境造成不良的影响。

2.3.2 加固区形状及面积因素对本工程的影响

2.3.2.1 加固区形状对本工程的影响

27号地块与33号地块的处理面积相同，目标沉降值相同，27号地块场地呈不规则六边形，虽然27号地块的最终最大沉降值和平均沉降值都大于27号地块。但27号地块使用真空泵的数量和抽真空时间却明显大于33号地块，所以不能明显比较出二者形状不同带来的差异。

表1 27#33#地块相关施工参数表

2.3.2.2 加固区面积对本工程的影响

41号地块和43号地块的目标沉降值与面积大小、排水板插打深度以及排水板间距相同，但是由于两地块的形状有很大不同（一个长宽比接近1:1，一个长宽比接近1:3）导致二者布置的真空泵数量不同，但是41号地块的最大沉降值却比43号地块的最大沉降值大85mm，笔者认为这与地块所处位置有关，41号地块周围的其他地块对其沉降有增强的作用。

2.4 有关形状系数的讨论

2.4.1 传统形状系数γ

①上海市《地基基础设计规范》提出的场地形状系数：α=F/S

②娄炎（1990）提出的场地形状系数：β=F/n

式中：F—加固区面积；S—加固区周长；n—加固区长宽比，n=a/b（长/宽）。

2.4.2 传统形状系数的局限性。统形状系数在考虑面积和形状方面有三方面明显的缺陷：第一是面积周长与长宽比是分离的，第二是提出的形状系数的量纲问题，即两个形状系数的量纲均不平衡；第三是在最近的大面积真空预压工程中出现的，即当边界采取密封墙方式时，将极大影响边界效应的作用，继而影响形状系数的取值。

2.4.3 新形状系数的讨论。考虑到传统形状系数的局限性，针对局限性的前两点，我们采用与标准形状地块进行比较的方式取系数，这可以一方面解决量纲问题，另一方面对面积周长和长宽比进行整合。当然，在复杂大面积预压施工条件下，场地存在非常复杂的影响因素，因而形状系数很难精准定量化。因而参考相关资料，相对标准面积为F0的场地，对传统形状系数改进后如下：