泥封法水下真空预压室内模型试验及数值模拟

闫澍旺，李亚奇，林澍，闫玥，朱福明，纪玉诚

泥封法水下真空预压室内模型试验及数值模拟

闫澍旺1，2，李亚奇1，2，林澍1，2，闫玥1，2，朱福明3，纪玉诚1，2

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.天津大学建筑工程学院，天津300072；3.天津港建设公司，天津300452）

现有的水下真空预压技术主要适用于潮间带的软基加固，并非完全意义上的水下真空预压。针对全水域水下密封存在的问题，文章提出用泥封法代替传统铺膜方法进行水下真空预压的密封，通过室内模型试验对泥封法水下真空预压进行了研究，通过对土体沉降、强度增长和含水率变化的分析，验证了泥封法的可行性，并提出几种增强真空预压加固效果的方法。结合数值模拟进行了泥封法水下真空预压的计算方法研究，并探究上覆水荷载对于真空预压效果的影响。最后，对泥封法水下真空预压技术在工程中的运用方法进行了讨论并提出一定的建议。

全水域；软黏土；水下真空预压；泥封法；数值模拟

0 引言

在天津滨海地区覆盖着大量的软黏土，因其含水量高、强度低，使得该地区容易出现岸坡失稳、围埝失稳、桶形基础失稳等问题。究其原因，主要是因为地基土过于软弱而无法承担上部荷载。对于这一问题，真空预压无疑是目前最为经济、对环境影响最小的有效方法之一。自1953年引进我国至今，真空预压在陆域软土地基处理方面的应用已经相当成熟，并且出现了许多的改进。然而，基于陆上真空预压而提出的加固海底软基的水下真空预压法，至今仍然发展缓慢。

制约水下真空预压发展的一大技术难点是水下密封技术。目前，在水下进行铺膜主要存在两方面问题：一方面是塑料膜会在水的浮力作用下浮起，难以与水下土体表面贴合；另一方面是大面积预压只能分区域进行铺膜，但各区域间密封膜的粘结在水下难以实现。由于水下铺膜困难，一旦出现问题又难以进行维护，常水位水域的水下真空预压到目前为止在国内还未出现成功案例。

对水下真空预压技术的研究，早期的日本、英国、美国等国家有过一些试验或构想[1]。2000年，挪威学者和工程人员研制出新型水下铺膜装置并进行了现场试验[2]，利用锚桩和大型滚轴在水深约10 m的试验区域进行了水下铺膜。该试验成功地对试验区域进行了加固，并验证了全水域水下真空预压的可行性，同时对水深和预压荷载的关系进行了一定程度的讨论。然而，该试验面积较小，且没有涉及水下塑料膜的连接、修复等问题。该铺膜方法的施工工艺仍然沿用陆域真空预压的思路，在实际工程中推广应用的可能性仍有待考察。

在国内，潮间带真空预压已经形成了比较成熟的工艺。天津、连云港、厦门、广州、深圳等地[3-7]都成功地进行过潮间带真空预压施工。然而该方法受潮汐影响巨大，对施工环境要求较为严格，并非完全意义上的水下真空预压，其应用范围和推广存在局限性。对于水下铺膜的研究，国内学者的思路与挪威的水下真空预压现场试验类似，主要关心如何将塑料膜贴附于海底地面上[8-9]。然而，由于现有施工技术及施工设备发展相对滞后，上述研究大多处于设想阶段，缺乏试验结论支持，因此也没有在实际工程中推广。

针对水下真空预压铺膜存在的困难，本文提出一种用泥层代替塑料膜进行密封的方法。泥封法是在地基土表面铺上一定厚度的泥层，将上部水和空气与地基土隔离开，以此代替塑料膜来进行密封，然后再真空预压。根据上述思路，本文进行了泥封法室内模型试验，并对试验结果进行了有限元数值模拟分析和讨论，最后对泥封法的工程应用提出了建议。

1 试验模型和方法

1.1 试验土样

试验土样取自天津港港区，属于海相沉积黏土，其孔隙比大、压缩性大、含水量高，基本物理特性如表1所示。试验中，将泥层分为2个部分：底部为试验土体，模拟待加固的地基土；上部为密封泥层，代替塑料膜进行密封。由表1可知，密封泥层含水率略低于试验土体，塑性指数也略高于试验土体。

表1 试验中土样的基本物理性质Table1Basicphysicalpropertiesofexperimentsoil samples

1.2 试验装置

本次试验的模型由试验槽、塑料排水板、水环式真空泵、真空气罐和采集装置组成，见图1。试验槽为单面封口有机玻璃圆桶槽，高1 m，直径50 cm。试验土体厚60 cm，密封泥层厚20 cm，上覆水深10 cm。塑料排水板40 cm，加固深度为试验土体表面至土中40 cm深度处。真空气罐用于调节真空压力，同时收集真空预压抽出的水。采集装置包括孔压计、真空表、百分表和采集仪。孔压计测量试验时土中孔压变化，真空表测量真空气罐和排水板中的负压大小，百分表用于监测土表面沉降。

图1 试验模型示意图Fig.1Illustration of experiment model

1.3 试验方法

在试验槽中装填60 cm厚饱和软黏土，将表面抹平后覆上10 cm水。静置2～3 d，待水层变澄清之后，在槽子中间插入40 cm塑料排水板，布置真空表和孔压计，再装填20 cm密封泥，水下抹平，并着重在边缘和管子引出的部分将泥抹匀，减少漏气的可能。静置48 h，然后开始抽气加固。由于工程现场的尺寸往往较大，地表起伏不平，因此需要更厚的封泥厚度，一般为60～80 cm，虽然本试验采取的封泥层厚为20 cm，但二者在真空预压过程中的作用相当，结果误差极小，因此可以忽略模型尺寸效应。

试验分为2个阶段：第一阶段，从第1天到第4天，真空度基本保持在-60 kPa以下；第二阶段，从第5天开始直到试验结束，真空度均保持在-90 kPa左右。

试验过程中，监测水面、密封泥表面和试验土体表面的沉降，同时监测排水板中真空度变化及土中孔压变化情况。当泥面的日沉降量连续5 d小于2 mm/d后，停止抽气，进行十字板剪切试验，测量加固后土体的剪切强度，并取不同深度的土样进行含水率试验。

2 试验结果分析

2.1 沉降分析

试验过程中的水表面沉降、密封泥层表面沉降和原始土表面沉降如图2所示。

图2 沉降曲线Fig.2Curves of settlement

由结果可知，试验结束时，密封泥层表面最终沉降约为8 cm，试验土体表面最终沉降比密封泥层表面沉降略大，约为8.2 cm，水表面最终沉降较大，约为9.8 cm。当阶段一测得的沉降速率开始减小后，增大真空压力，沉降速率又开始变大。另外，在阶段二中，大约从第15天开始，水面沉降逐渐大于密封泥层表面沉降和试验土体表面沉降，且其沉降速率基本保持不变，说明除了蒸发以外，密封泥层表面的水逐渐渗透到了土中。密封泥层表面沉降和原始土表面沉降大致相等，且两者沉降速率均逐渐减小至2 mm/d以下，即沉降逐渐趋于稳定。

2.2 孔压及真空度分析

图3所示为试验过程中孔压曲线及真空度变化情况。其中，孔压曲线表示距排水板不同位置处的孔压变化情况，两处初始孔压均在5 kPa左右，随着试验的进行，孔压曲线整体上表现出逐渐消散的趋势。在阶段一中，两处的孔压均降至-5 kPa左右。在阶段二中，距板5 cm处的孔压最低降至约-38 kPa；距板10 cm处的孔压最低降至约-13 kPa。

图3 孔压曲线及真空度曲线Fig.3Curves of pore pressure and vacuum degree

试验过程中，对真空气罐及排水板中的真空度进行了监测，如图3所示。其中，真空表1表示排水板中部的真空度，真空表2表示排水板底部的真空度。试验阶段一，真空压力基本控制在较低水平（约-20～-60 kPa之间）；试验阶段二，真空度均保持在-80～-100 kPa之间。

由图可知，整个试验过程中，真空气罐的真空度始终大于排水板中的真空度，差值基本保持5～10 kPa之间；真空表2的真空度基本低于真空表1的真空度，差值基本保持在2～3 kPa之间。在整个试验过程中，随着真空水平的增加，各真空表间的差值均有所减小，说明真空水平越高，真空度传递效率越高。另外，由于真空表1比真空表2测量位置高出约20 cm，静水压力差值约为2 kPa，二者在真空度上的差值也在2 kPa左右。因此，可认为排水板中两真空表间真空度存在差异的原因是静水压力作用。

2.3 十字板强度分析

试验所用软黏土在加固前强度很低，不排水强度在0～2 kPa。密封泥层的不排水强度略微高一些，为2～3 kPa。从图4可以看出，经过加固之后，离板越近，加固后土体的十字板强度越高，即加固效果越好。排水板周围加固效果最好，强度最大可达26 kPa左右；距板5 cm处加固效果次之，最大强度可达15 kPa；距板10 cm处最大强度约为9 kPa，且沿排水板自上而下强度基本一致；距板15 cm处土体强度提高较少，最大达到6 kPa左右。

图4 试验前后土体十字板剪切强度Fig.4Vane shear strength of soils before and after experiment

由于排水板位于土体20～60 cm深度处，该范围内的土体强度提高较多；表层0～20 cm处不属于排水板加固范围，且上覆水会渗透进表层的土中，因此0～20 cm深度范围内土体的十字板强度提高不太明显。另外，深层土体由于上部土层的荷载作用，加固效果比浅层土体更好一些。深度大于60 cm的土体也不在排水板加固范围内，因此强度提高程度也有限。

2.4 含水率分析

加固完成后，取距排水板5 cm不同深度处土样进行含水率试验，结果如图5所示。

图5 试验前后土体含水率Fig.5Water content of soils before and after experiment

加固前，试验土层含水率约为71.6%，密封泥层含水率约为58.2%。经过加固，试验土体含水率显著下降，排水板加固范围内基本可降至35%～45%之间，下降幅度基本在42%～48%之间；密封泥层的含水率变化不明显，试验结束后基本处于50%～60%之间，下降幅度在10%以内。造成上述现象的原因，一是密封泥层不在排水板加固范围内，加固效果较差；二是上覆水层的渗透效应，造成密封泥层与水体接触范围内含水率下降不多，甚至有上升的现象。因此，在使用泥封法进行密封时，上覆密封泥层厚度不宜过大，建议不超过1 m。

2.5 出水量分析

试验阶段一中，在试验开始后第3天起，沉降速率开始出现减缓的趋势。到第4天时，沉降曲线出现一个小拐点，说明当前真空荷载水平作用下土体沉降速率已开始减小，相应的出水量也不断减小。另外，在与排水板相连的真空抽水管中可以看见，水平面基本保持不动（如图6），仅有少部分水被缓慢抽出，出水量累积曲线出现近乎水平的曲线段，如图7所示。

图6 真空管中水位及气泡Fig.6Water level and bubble in the vacuum drainage pipe

图7 试验中累积出水量曲线Fig.7Curve of cumulative dewatering volume in the test

试验进行到阶段二时，真空压力增加到-90 kPa左右，出水量明显增大，同时沉降速率加快，孔压曲线也逐渐明显地下降。随着阶段二的进行，即使真空度保持不变，沉降速率也将逐渐减小，真空管中将再次出现图6所示的现象。

真空管出现水平面时，一方面说明现有真空压力不足以将水从管中抽出，另一方面说明真空管管径过大，难以形成连续水流。通过上述现象可以看出，真空压力、出水量和沉降三者间有着密切联系。真空压力足够时，若出水量足够大，即真空预压从土中抽出的水能及时排出，则土体将不断产生沉降；反之，若抽出的水无法及时排出，沉降速率将减小甚至降为0。

通过上述现象分析，笔者认为增强真空预压加固效果的方法有以下几种：1）增大真空压力；2）保持出水通畅，如减小真空管管径、增加排水路径（排水板）等；3）增加上覆荷载。

3 上覆水作用讨论

3.1 作用机理分析

对于水下真空预压上覆水的作用问题，目前主流思想认为其应该作为预压荷载考虑[2，11]。在施工设计阶段，当上覆水深度不大时，通常将其作为安全储备，在计算时不作为荷载考虑[11]。然而，对于泥封法真空预压，由于会发生上覆水的渗透，上覆水荷载作用应该是一个变化的过程，即开始一段时间内可以作为荷载考虑，随着渗透的进行，上覆水的作用逐渐减弱，最终完全消失。

假定地基土始终饱和，地基变形量与水下真空预压抽出的水量相等；上覆水作用下的沉降S水与真空作用下的沉降S真空分开考虑，两者叠加即为总的土体沉降（即S=S水+S真空）。因此，当渗透速率与上覆水作用下的沉降速率相等时，可认为上覆水荷载对土体沉降不再起作用。根据上述思想，可得到如下表达式：

式中，驻S水表示在上覆水作用下土体产生的沉降量；驻Q表示与驻S水在同等时长内的上覆水渗入量；A为加固区面积。当式（1）成立时，认为上覆水不作为荷载考虑，即此时水下真空预压过程仅考虑真空荷载作用。

根据上述思路，对本试验的结果进行分析。结果显示，在试验过程中，上覆水作用下的土体沉降速率不断减小，而渗透速率不断增大，但整个试验过程中，上覆水产生的土体沉降速率始终大于其渗透速率。因此，可认为本试验中上覆水可一直作为荷载考虑。

3.2 数值模拟分析

为了更好地模拟实际情况，考虑三维效应，基于上覆水荷载的作用机理，通过ABAQUS建立三维模型，负压采用施加孔压边界的方法，进行数值模拟分析，研究上覆水的作用效果。本次模拟分为3种情况：1）不考虑上覆水荷载，仅考虑真空荷载作用；2）部分考虑上覆水作用，即开始一段时间内考虑水荷载作用，后一段时间仅考虑真空荷载作用；3）完全考虑上覆水作用，即认为整个过程中上覆水均当作荷载考虑。其中，部分考虑上覆水作用时，由于试验中大约在第15天时发现上覆水明显地渗入土体，因此荷载作用时间取0～15 d，此后不考虑上覆水的荷载作用。各方案如表2所示。土体模型如图8所示，采用剑桥模型进行模拟，参数如表3所示。

表2 数值模拟方案Table 2Schemes of numerical simulation

图8 数值模拟土体模型Fig.8Soil model in numerical simulation

表3 剑桥模型土体参数Table 3Soil parameters of Cambridge model

各方案的数值模拟沉降结果与模型试验沉降结果的对比如图9所示。如图可知，不考虑上覆水荷载时的沉降结果与试验结果相差比较大。部分考虑水荷载和完全考虑水荷载两种情况下所得的沉降曲线与试验结果重合度均比较好。另外，由于本试验中上覆水荷载作用较小，部分考虑和完全考虑时的结果相差不大。由此可见，水下真空预压中，为了更准确地预测地基沉降，上覆水应作为荷载考虑。如果打算将上覆水荷载作用作为安全储备时，可以采用部分考虑水荷载作用的方法。

图9 数值模拟中各方案的沉降结果与试验结果对比Fig.9Comparisons between the results of numerical simulationandmodeltestresultofdifferentscheme

4 结论与建议

本文针对全水域水下真空预压密封存在的困难，提出用泥封法代替塑料膜密封法，通过室内模型试验验证了泥封法的可行性，并对试验结果进行了数值模拟分析。根据研究结果，得出如下结论与建议：

1）泥封法水下真空预压具有可行性。在该方法作用下，土体沉降、土体强度增长和含水率的下降均比较明显，土体加固效果比较理想。在实际工程中，密封泥层的厚度不宜过大，建议不超过1 m。本方法为全水域水下真空预压的研究提供了新思路，对实际工程的施工工艺发展提供了一定的参考。

2）真空预压的沉降和出水量有关，当出水较为顺畅时，土体沉降较快。为保证真空预压能取得良好效果，可通过加大真空压力、减小真空管管径、增加上覆荷载等方法，来增强真空预压的加固效果。

3）上覆水在水下真空预压中应作为荷载考虑，但随着上覆水向地基中缓慢地渗透，其荷载作用会发生变化。当上覆水的渗透速率大于其作用下的土体沉降速率后，上覆水的预压荷载作用消失。为了较为准确地估算水下真空预压中的土体沉降，同时又偏于保守地进行估计时，可部分地考虑上覆水荷载作用。

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Indoor model experimental research and numerical simulation of underwater vacuum preloading with clay-sealing method

YAN Shu-wang1,2,LI Ya-qi1,2,LIN Shu1,2,YAN Yue1,2,ZHU Fu-ming3,JI Yu-cheng1,2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 3.Tianjin Port Construction Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China）

The existing underwater vacuum preloading technology,which is suitable for the soft soil foundation reinforcement in intertidal zone,is an incomplete underwater vacuum preloading.Considering the problems of underwater sealing for full waters,we put forwoard clay-sealing method to substitute the plastic membrane sealing method to seal for underwater vacuum preloading,performed indoor model test to investigate the method.Through the analysis on changes of soil settlement,strength increase and water content,we verified the feasibility of the clay-sealing method,and put forward several methods to enhance the effect of vacuum preloading.We carried out numerical simulations to study the calculation method of underwater vacuum preloading with clay-sealing method,and investigated the influence of overlying water load on vacuum preloading.Moreover, some advices are given to the application of the underwater vacuum preloading with clay-sealing method in engineering projects based on the discussion.

total water area;soft clay;underwater vacuum preloading;clay-sealing method;numerical simulation

U655.544.4；TU43

A

2095-7874（2017）09-0005-06

10.7640/zggwjs201709002

2017-06-30

2017-07-26

国家自然科学基金项目（41272323，41372291）；天津市自然科学基金重点项目（13JCZDJC35300）

闫澍旺（1950—），男，天津市人，教授，博士生导师，主要从事岩土工程地基处理方面的教学和科研工作。E-mail：yanshuwang@tju.edu.cn