新型真空预压法在软基处理工程中的应用研究

李文勇，张晓杰，曹胜敏

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）



新型真空预压法在软基处理工程中的应用研究

李文勇，张晓杰，曹胜敏

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

本试验性工程采用新型真空预压法，将水平向排水通道设置为排水板与滤管的直接连接，以及增铺地表排水板和三维土工格栅，从而缩短真空压力传递路径，提高能源利用率，以及节约成本，并达到地基处理的目的。通过对新型真空预压法软基处理的监测与效果检验，表明各项指标均满足设计要求。

新型真空预压；固结度；孔隙水压力；十字板抗剪强度

引 言

常规真空预压法地基加固处理技术虽减少了中粗砂的使用，但其仍无法彻底摆脱对砂源的依赖，对外部资源要求较高，砂源紧缺，使工程成本大幅增加。而且粉细砂垫层在真空压力传递过程中易产生较大的阻力，影响真空度的传递效率。新吹填形成的陆域地基大部分是人工吹填土，主要土层有淤泥、淤泥质粘土、粉质粘土，沉积历史短，且层序杂乱，具有含水率高、孔隙比大、强度低、高压缩性、透水性差的特点。若采用常规真空预压法，其局限性和弊端愈发明显。

新型真空预压法换吹砂为铺设水平向排水板和三维土工格栅，弃用砂料，工程造价相比进一步降低，且施工速度快，工期短；垂直排水板与滤管紧密缠绕，可靠性高；三维土工格栅可重复利用，节约资源，环保效益高；施工过程中能量损失小。

1 设计标准及新型真空预压的特点

1.1 设计标准

排水板间距 1.0 m，正方形布置，底高程-13.2 m，膜下真空度大于85 kPa，抽真空有效时间约90 d。卸载时要求按实测沉降曲线推算的固结度大于85 %。

1.2新型真空预压的特点

1）抽真空方式

新型真空预压法加载速度应严格控制。在试抽气阶段，真空泵采用每次开启总数量四分之一，且每两天轮流交替，直至孔压匀速消散。这样可以避免滤管在负压作用下压扁破坏，导致后期无法正常排水。另外，对于海相沉积的土体或者吹填土，因其是在含水量极高或者是静水中发育而成，固结程度相当低，土体结构多呈不稳定状，土体颗粒在真空压力作用下，会向垂直排水板聚拢，使垂直排水板周围很小范围内的土颗粒处于相当密实的状态，这样也不利于排水。

2）表层土体加固效果改善

新型真空预压法中，铺设水平向排水板和三维土工格栅方案能使表层形成通畅的真空压力传递空间和排水通道，缩短了表层土体排水距离，改变渗流路径。表层土体固结模式由径向固结转变为三维固结，这对于改善表层土体的加固效果有很大的帮助。

2 监测数据分析及效果检验

2.1 固结度分析

1）理论计算土层固结度

按规范要求［1，2］，取径向固结系数 Ch=1.15× 10-3cm2/s；受压土层厚度20.2 m；排水板间距1.0 m，正方形布置；真空预压荷载 90 kPa；排水板宽度100 mm，厚度4.0 mm；有效排水直径113.0 cm，则当量换算直径为66.2 mm；井径比取dw=dp，则n=17.1；参数2.099。

在不考虑涂抹和井阻影响下，竖井地基径向排水平均固结度按照90 d的有效抽真空时间，理论计算土层径向排水平均固结度为93.1 %。

2）实测土层固结度

利用实测沉降资料计算最终沉降量及固结度选用双曲线法。公式如下：

式中：St为满载t时间的实测沉降量（cm）；S0为满载开始时的实测沉降量（cm）；S∞为最终沉降量（cm）；t为满载预压时间（s），从满载时刻算起；为 t时间地基应变固结度（%）；α、β为与地基及荷载有关的常数。

卸载前，地表沉降推算固结度结果见表1。

表1　地表沉降推算固结度

由表1可知土层平均固结度为96.8 %，与理论计算土层固结度较为吻合，并且大于设计要求的85 %，满足试验方案提出的关于固结度的要求。

2.2 孔隙水压力观测

真空预压法的作用原理是，在预压加固的土层中形成负压，使孔隙水压力不断消散，土体相应的有效应力增加，产生固结，土体强度增长，从而达到改善土体性质。根据监测数据绘制孔隙水压力变化曲线图及其消散值如图1和表2所示。

图1　预压期间孔隙水压力消散过程曲线

表2　孔隙水压力消散值

从图1中可见，孔隙水压力在早期消散速度均较快，后期消散速度较均匀，这与新型真空预压法对抽真空方式的调整有密切关系，即兼顾消散时长与消散速度，并且同早期地表沉降速率大，后期沉降速率均匀的监测数据结果相一致。另外，孔隙水压力大幅度消散，意味着土体的有效应力增加，土体强度提高。

2.3 效果检验

真空预压前后各布置十字板剪切试验孔1个、原状取土孔1个。加固前后土体十字板抗剪强度对比见图 2，预压后十字板强度随深度增长比率见图3。

图2　预压前后十字板强度对比

图3　预压后十字板强度随深度增长比率

通过图表可见，预压前后土体的抗剪强度得到了大幅度的增长，且表层土体的抗剪强度增幅较大，增幅达700 %～900 %，随着深度增加，十字板强度增长比率逐渐降低，但增幅基本在80 %以上。这意味着新型真空预压法在改善表层土体性质有良好的效果。原状孔取土室内试验证明：地基处理深度范围内土质均有不同程度改善，含水率、孔隙比、液性指数、压缩系数均有不同程度的减小，而抗剪强度（粘聚力值、内摩擦角）均有一定幅度的增加。

综合原状取土孔、十字板试验孔等资料，确定真空预压加固后各地基土层的承载力特征值均满足设计要求，具体结果如下：

表层冲填土：f =95 kPa；

①2粘土：f =100 kPa；

②2粘土：f =120 kPa；

③1粉质粘土：f =125 kPa。

3 结 语

1）通过对加固地基的监测与效果检验，相关数据表明各项指标均满足设计要求。

2）新型真空预压法中增铺水平向排水板和三维土工格栅不仅工艺上可行，而且在软基加固效果方面也有巨大优势，具有承载力提高快，成本费用低的特点。

2）针对该港区域地基薄弱，粉土、粉砂夹层较多的特点以及特有海岸地理环境特征，采用新型真空预压法进行软基处理不仅积累了宝贵的试验数据，也为今后该法在该地区进行大面积的推广、应用积累了扎实、丰富的工程经验。

［1]JTJ147-1-2010 港口工程地基规范［S］.

［2]JTJ79-2012 建筑地基处理技术规范［S］.

［3]地基处理手册: 第二版［M］. 中国建筑工业出版社，2000.

［4]李新召， 王桂松， 张晓杰. 直排式真空预压法在软基处理工程中的应用［J］. 港工技术， 2014， 5: 68-71.

［5]孙治林， 牛恩宗. 黄骅港堆场软基真空预压效果及监测［J］. 水运工程， 2005， 4: 37-30.

Research on Application of New Vacuum Preloading Method in Soft Base Improvement Project

Li Wenyong，Zhang Xiaojie，Cao Shengmin
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

New vacuum preloading method is applied in this experimental project. The horizontal draining passage adopts the direct connection between drain boards and filters. Meanwhile， the surface drain boards and 3D geotechnical grids are added in order to shorten the transmission path of vacuum pressure， improve energy utilization， decrease cost and satisfy the requirement for foundation treatment. The monitoring work effect test are carried out for the soft base treatment by using new vacuum preloading method， which shows that all relevant indices meet the design requirements.

new vacuum preloading method； consolidation degree； pore water pressure； vane-shear strength

TU472.3+3

A

1004-9592（2016）03-0095-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160324

2015-12-16

李文勇（1982-），男，工程师，主要从事港口与岩土工程方面的检测、监测及勘察方面的工作。