瓯江口新区真空预压加固软土地基变形规律研究

李林云，韩其婷，王启贵

（1.温州市瓯江口开发建设投资集团有限公司，浙江温州，325026；2.浙江华东建设工程有限公司，浙江杭州，310014；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

瓯江口区域内拥有较为完整、规模较大的滩涂资源，其深厚的淤泥软土含水量高、孔隙比大、渗透性差、压缩性大、抗剪强度低、固结时间长、灵敏度高、扰动性大，且流变显著。不仅承载力低，而且在荷载作用下会产生相当大的沉降和差异沉降，必须对地基进行有效的加固处理才可以进行上部建筑物的建设。工程采用真空预压法处理大面积淤泥地基。探明瓯江口地区地基处理过程中地基的固结变形规律对指导沿海滩涂地区的软基处理工程的质量、技术、工期、造价等具有重要意义。

2 工程概况

瓯江口新区一期软基处理工程总面积1 508.52万m2，根据建设部门用地需求分不同区块和阶段开展实施。根据区块使用功能的不同，分为道路区及地块区分别处理。笔者研究重点为瓯江口新区内一期软基处理工程第八合同段经九路，共10个真空预压区块，每区块面积6 734～22 126 m2。各区块监测布置内容有：沉降板3块、孔隙水压力计1组（10个测点）、分层沉降1孔（11个磁环测点）。

图1 真空预压加固软土地基示意图Fig.1Consolidationofsoftsoilfoundationbyvacuumpreloading

2.1 地基处理设计与施工过程简介

研究对象中，地基处理采用真空预压结合塑料排水板法。首先铺设一层150 g/m2土工编织布，铺设50 cm砂垫层，机械插打C型塑料排水板作为排水通道，排水板打设底标高-16.0 m（场坪标高2.50 m），间距0.8 m，正方形布置。真空预压时间不少于180 d。

真空预压施工分为两个阶段。第一阶段为真空预压试抽气阶段，抽气7～10 d，预压区块开泵率30%～50%，区块膜下真空度30～60 kPa；第二阶段为真空预压正式抽真空阶段，预压区块开泵率达到设计要求80%以上，膜下真空度达到85 kPa。各区块地基在恒载181～184 d后达到设计要求。

2.2 工程地质条件

2.2.1 ①0层素填土（mlQ4）

灰色、松软，主要以淤泥质粘土为主，局部地段主要由块石、碎石、角砾及粘性土组成，块石、碎石、角砾呈棱角状，岩性为凝灰质粉砂岩，强～中等风化，块石最大可达80 mm以上，碎石粒径一般20～50 mm，该层属欠固结土，密实度及均匀性较差，呈松散状，力学强度低。

2.2.2 ①层粘土（al-lQ43）

灰黄色，软塑，无层理，有光泽，干强度高，韧性高，氧化斑点渲染。

2.2.3 ②1层淤泥质粉质粘土（mlQ42）

灰黄、棕褐色，流塑，无层理，局部含少量贝壳碎屑，有光泽，干强度高，韧性高。全场地均有分布，层面埋深为0.00～3.50 m，层面高程为0.39～3.58 m，厚度为1.80～10.80 m。有机质含1.557%。

2.2.4 ②1'层含粉砂淤泥（al-mlQ43）

灰色，流塑，无层理，夹粉砂团块及薄层含量一般5%～30%，土质不均，局部砂含量较高，达60%～70%，稍有光泽，干强度中等，韧性中等。层理埋深为 4.20～12.0 m，层面高程-8.45～0.25 m，厚度为0.70～9.80 m。有机质含量为1.389%。

2.2.5 ②2'层：淤泥（mlQ42）

青灰、灰色，流塑，无层理，局部含少量贝壳碎屑，有光泽，干强度高，韧性高。全场地均有分布，层面埋深6.10～16.90 m，层面高程为-12.90～-2.99 m，厚度为18.00～28.90 m。有机质含量1.761%。

2.2.6 ③1层淤泥质黏土（mlQ41）

灰色、流塑，鳞片状，片径2～3mm，偶见贝壳碎屑，有光泽，干强度高，韧性高。全场地均有分布，层面埋深为31.20～37.50 m，层面高程为-33.50～-27.17 m，厚度为1.00～18.50m。

3 软基处理固结变形规律分析

3.1 沉降变形规律

研究范围内共有10个区块，每区块共设置3个沉降板，共计30个沉降测点。各测点的沉降观测数据统计见表1、图2。

由表1、图2可以看出，研究区域内最大沉降量为1762mm，最小沉降量为802 mm，均值为1 286 mm，其中沉降值1 100～1 300 mm的测点占60.00%，沉降小于1 100 mm的测点占16.67%，1 300 mm以上测占23.33%。

同时，由于研究区域地质条件不同，部分区块的沉降差异较大。8-4、8-6、8-9区块靠近塘埂位置，整体沉降较小，8-2、8-3区块距吹填口较远，土性参数较差，含水率高，整体沉降较大。

真空预压施工中的地表沉降规律如图3、图4所示。抽真空开始10 d内，地基沉降速率较大，随着真空度的迅速增长，部分区域沉降速率达到100 mm/d，10 d内沉降量占总沉降的10.9%～31.8%，平均20.7%；10 d后沉降速率开始迅速回落并在30 d左右沉降速率逐渐平缓，沉降速率一般在8.3～47.0 mm/d之间，平均17.5 mm/d，此阶段地表沉降量约占总沉降量的11.9%～33.3%，平均占23.6%；30～100 d内地表沉降量约占总沉降量的32.1%～54.1%，平均占42.7%；100 d至达到设计要求期间的沉降量约占总沉降量的9.7%～16.3%，平均占13.0%。30 d内的沉降约在总沉降量的32.3%～55.6%，平均占44.3%，由此可以说明真空预压施工工艺中，地基沉降主要发生在抽真空前期，此时地基的固结速率最快，地基强度增加迅速。

3.2 孔压变化规律

根据有效应力原理，如果地基内某点的总应力为Δσ，有效应力增量为Δσ'，孔隙水压力增量为Δu，则三者之间的关系为：

原土体在受到真空压力作用时，土体发生渗流，改变了土层中原有的孔隙水压力分布，孔隙水压力Δu逐渐减小，在上部总应力Δσ不变时，土体的有效应力Δσ'增大，土体强度增大，强度提高。

由图5可知，加载前期随着真空度的变化，超静孔隙水压力迅速消散，原土体上部土层中超静孔隙水压力较下部土体中超静孔隙水压力的变化幅度大，说明上部土体渗流效果好，土体强度增长快。排水板处理区各深度超静孔隙水压力变化趋势相近，排水板处理深度范围外孔隙水压力变化缓慢，由于排水板的作用缩短了土体中孔隙水的渗流路径，孔压更易消散。

表1 地表沉降数据统计表Table 1 Statisticsofgroundsettlementdata

图2 地表沉降数据分布图Fig.2 Distribution of ground settlement data

图3 典型测点地表沉降速率历时曲线图Fig.3 Process curve of ground settlement rate at typical measuring points

图4 典型测点地表沉降量、真空度历时曲线图

图5 典型断面孔隙水压力、真空度历时曲线图Fig.5 Process curve of pore water pressure of typical sections and vacuum degree

3.3 分层沉降变形规律

分层沉降曲线如图6所示。由图6可知，分层沉降的变化过程和趋势与地表沉降曲线类似。随着真空压力的提高，地基分层沉降出现明显的增加；处理深度范围内的分层沉降变化在整个预压时间范围内都有变化，速率渐小，未出现明显的拐点和台阶现象。

由表2可以看出，研究范围内深厚软弱淤泥土在插板深度范围（排水板长约18.5 m）分层磁环的沉降变化明显，固结效果良好，占总区间压缩量的94.6%。磁环埋设越深，分层压缩量越小，排水板深度以下分层沉降无明显变化，土体未发生明显的压缩，土体压缩量仅占总压缩量5.4%，真空预压处理效果以插板深度内土体得到固结为主。

图6 典型断面分层沉降、真空度历时曲线图Fig.6 Process curve of layered settlement of typical sections and vacuum degree

表2 真空预压DL8-5区分层沉降情况统计表Table 2 Statistics of layered settlement in DL8-5

4 工后沉降预测分析

4.1 常用预测方法及其特点

软土地基沉降预测分析常用的方法主要为曲线拟合法，曲线拟合法是将地基沉降规律近似看成某种特定的曲线规律，对实测沉降数据进行拟合，建立与之相对应的曲线模型，采用适当的优化方法，反推出计算公式中所需要的参数，确定回归公式，再运用于后期的沉降预测和最终沉降预测。该方法需要的参数较少且易确定，在目前工程中得到了广泛的应用。

利用实测沉降进行曲线拟合的常见方法有指数曲线配合法（三点法）、双曲线法、指数曲线法、星野法等，如表3所示。

4.1.1 对数曲线法（三点法）

指数曲线配合法是从实测沉降的曲线上选择最大恒载时间段内的任意三个时间点及其对应的沉降量并使Δt=t3-t2=t2-t1，可得地基最终沉降量S∞为：

表3 常用沉降预测方法及其特点Table 3 Common settlement prediction methods and their characteristics

式中，S∞为最终沉降量；t1、t2、t3为某一观测时刻；为对应于t1、t2、t3的沉降量。

4.1.2 双曲线法

双曲线法假设在进入预压期后实测沉降过程线按双曲线变化，其基本方程式如下：

式中，St为t时刻的沉降量；S0为初期t0时刻的沉降量；a和b分别为关系图上的截距和斜率，其值可通过线性回归方程求出，也可用图解法直接求得。

4.1.3 指数曲线法

指数法认为沉降量是时间的指数函数，可表示为：

式中，t1为某一观测时刻；S1为对应于t1的沉降量；S∞为最终沉降量,为待定值；α、β为待定参数。

令tm=t+Δt/2，将上式对t求导后，写成增量形式为：

可得：y=A+Btm

再利用实测沉降数据确定拐点值（t0，S0）和（tmi，yi），对这些点进行曲线拟合，利用最小二乘法求出A、B，再计算出 α、β。当 t→∞ 时，St→S∞，可知：S∞=S0+α。

4.1.4 星野法

星野法根据现场实测值证明总沉降（包括剪切应变的沉降在内）与时间的平方根成正比：

式中，St、S0分别为t时刻对应的沉降量和假定的瞬时沉降量；t0为假定瞬时沉降对应的时间；A、K均为待定参数。

由上式利用图解法求出A、K的值，当t→∞时，St→S∞，可知：S∞=S0+A。

4.2 沉降预测

利用上述沉降预测方法，结合对研究范围内沉降测点的实测沉降数据，对沉降进行预测分析，结果如表4所示。

采用曲线拟合法对真空预压处理软土地基的沉降均有较高的预测效果，各方法预测结果相对误差介于-1.7%～1.6%之间，偏差较小，说明上述三种方法对短中期的真空预压处理均有一定的适用性。

由图7可以看出，双曲线法前期小于实测沉降值，后期大于实测值；指数曲线法预测值均小于实测值，预测最终沉降量也小于观测末期实测沉降量；星野法预测值与实测值接近，且平均相对误差相对于其他较小。此外，双曲线法和指数曲线法曲线偏离实测沉降曲线，星野法曲线不发散，收敛性好。因此，对于真空预压法，曲线拟合效果排序为：星野法＞双曲线法＞指数曲线法。

表4 不同曲线拟合方法沉降预测对比统计Table 4 Comparison of settlement predictions by each curve fitting method

图7 预测曲线与实测曲线对比图Fig.7 Comparison of predicted and measured curves

5 结语

（1）利用真空预压结合塑料排水板处理软土地基，改变了地基原有的排水条件，增加了孔隙水排出的通道，缩短了排水距离，使地基通过预压在较短时间内消除地基大部分的沉降；真空预压加速了地基土抗剪强度的增长，提高了地基的承载力和稳定性。

（2）真空预压加固软土地基过程中，地基的固结变形主要发生在预压前期，随着真空压力的增加，地表沉降、分层沉降的增幅较大，说明此阶段地基的强度和稳定性提高的幅度较大，随后各监测数据增加逐渐减小，地基的固结变形逐渐平缓，并逐步趋于稳定。

（3）相同真空压力条件下，同区块三个测点沉降一致性较好，但不同区块间因地质情况对区块沉降影响较大，部分区块沉降差距在40%以上。

（4）孔隙水压力、分层沉降的实测数据说明，真空预压施工过程中，地基土固结主要发生在排水板范围内，排水板处理范围外孔压、分层影响较小；受真空压力传递深度的影响，排水板处理范围内孔压、分层表现出表层变化幅度大、深层幅度小的规律。

（5）利用曲线拟合预测真空预压处理地基沉降的变化规律，分析表明：利用指数曲线法、双曲线法、星野法均有一定的适用性；指数曲线法、双曲线法离散性相对较大，对于180 d左右沉降预测，采用星野法预测沉降曲线与实测沉降曲线吻合性较好，曲线收敛性较快，适宜用于真空预压处理中期至后期的沉降预测。