变真空预压法在深层淤土地基中的应用

朱庆华，赵津磊

(江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127)

真空预压是软土地基处理常用技术之一，广泛应用于软土地基加固及围垦造地等类型工程[1,2]。众多学者已对真空预压技术施工工艺、地基加固效果、经济性进行了广泛研究[3- 6]。大量模型试验研究和工程应用已证明真空预压技术在软土地基处理中的有效性。但在工程实践中，真空预压技术也表现出一些自身的缺陷，具体表现为：排水板易发生淤堵，排水效果差，从而导致固结效果不理想；真空传递深度不足，对深层地基处理效果不明显；抽真空所需时间长，影响施工进度。鉴于真空预压技术自身的缺陷，部分学者提出了多种改进措施，如：增压式真空预压技术[7]，真空预压与电渗联合技术[8]等。

本文以淮河入江水道整治工程京杭运河西堤崇湾险段堤防为工程背景，提出变真空预压方法。首先，通过现场试验，对变真空预压法与传统真空预压法的固结效果进行对比。然后，将变真空预压法在主体工程中实施，进一步检验其对深层淤土地基的处理效果。

1 变真空预压技术

所谓变真空预压技术，首先是将传统真空预压方法中的砂垫层用管、气路系统代替。管、气路系统将每根排水板连接，以减小真空度的沿程损失。每根排水板都形成一个独立的负压排水通道，从而保证了出水率。其次，根据流态淤泥含水率高、排水性能差的特点，预压过程中，将真空荷载分级施加。如此，淤泥可在分级荷载下逐步形成稳定的骨架结构，避免排水板周围致密淤堵层的形成，从而确保真空可在土中均匀传递，提高地基的整体加固效果。另外，变真空预压方法中，在地面沉降速率明显降低时，开启增压系统。通过增大土体内部压力差来破坏软土结构，增大土体渗透性，提高土中水体流动速率，从而进一步降低土体含水率，增强固结效果，缩短固结时间。总的来看，相比传统真空预压方法，变真空预压方法的主要特点是管路系统代替砂垫层、分级施加真空荷载、后期增压系统提升固结速率。

2 研究背景及方案设计

2.1 工程背景

淮河入江水道整治工程京杭运河西堤崇湾险段堤防位于扬州市邵伯镇北约7km处，总长约800m，堤防等级为1级，设计堤顶高程11.90m(废黄河高程系)、宽8.0m。崇湾段堤防于1958年京杭运河整治时在软淤土(厚度为10～20m)地基上直接填筑修建，且受条件限制，筑堤土料质量较差。据记载，崇湾段堤防在施工期间多次塌坡，完工时堤顶仅筑至11.10m，随后堤身逐年下沉，两侧堤脚略有隆起。虽经多次加固，崇湾段堤防仍处于持续下沉状态，现状崇湾段北凹堤顶高程为10.08m，南凹堤顶高程为9.90m。现状崇湾段堤防不满足堤防工程设计规范的安全标准，存在着严重的安全隐患。

根据地质勘察报告中提供的地基土力学指标及水位情况计算得出，崇湾段堤身下部土层允许承载力为82.6kPa，堤身堆土的自重应力约为109.5kPa，因此地基允许承载力不足，地基发生剪切破坏。另外，本工程堤身以下20～30m深度范围内为软淤土，其具有天然含水率高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性小等特点。土体的物理力学性质表明其在自重和外荷载作用下，土体中的孔隙水会逐渐向往排出，从而引起土体压缩变形，但土体透水性差的特点又决定了该类型土达到完全固结是一个漫长的过程，现状地基仍为欠固结状态。从以上分析可以看出，堤身下地基允许承载力不足以及堤身下软淤土的欠固结状态，是崇湾段堤防自建设起至今不断发生沉降的主要原因。

鉴于真空预压技术在该类型软土地基处理中的优势，因此选用真空预压方法对崇湾段堤防及工程范围内地基进行加固处理，以期降低堤身及地基的含水率，提高地基允许承载力，从而保障堤防的稳定。考虑到该工程的地质条件、场地条件复杂，在地基处理过程中，将首先进行现场真空预压试验。现场试验目的是检验真空预压技术处理崇湾段堤防地基的适用性，并对比传统真空预压方法和变真空预压的地基加固效果。

图1 现场试验场地平面布置图

2.2 现场试验设计方案

根据真空预压技术的工艺特点及现场情况，选取运河西堤南凹段50+085～50+140区间为试验段。真空预压试验区为400m2，变真空预压试验区为600m2，如图1所示。排水板呈正方形布置，间距0.9m，根据地质条件，以试验场区南北中心线为界，南区排水板插设深度控制为13m，北区20m。

为了实时监测真空预压过程及地基加固效果，根据试验场区布置和地质分布特点，布设了多种监测仪器，主要监测类别有：真空度监测，孔隙水压力监测，地面沉降监测等。

2.3 主体工程加固设计方案

根据崇湾段堤防的现状及地质条件，主体工程北凹段地基处理范围为30m×285m，处理深度取13m，南凹段地基处理范围取35m×355m，处理深度分为13m和18m两种。排水板板宽100mm，板厚4.5mm，呈正方形布置，间距为0.9m。密封层采用土工布上覆3层密封膜的形式。增压管以间距1.8m布置，深度短于排水板3m。

3 地基加固效果分析

3.1 现场试验区地基加固效果分析

3.1.1膜下真空度

现场试验过程中，传统真空预压试验区与变真空预压试验区的真空荷载均一次性施加。如图2所示，射流泵上真空度在开始的第7天左右迅速增长至80kPa，随后逐步稳定在90kPa左右，该变化规律符合该类型施工真空度变化的一般规律。传统真空预压试验区膜下真空度在第3天增长至55kPa左右，随后真空度一直维持在这个范围。变真空预压试验区膜下真空度与泵上真空度的变化规律以及大小均保持近似一致。可以看出，变真空预压试验区膜下真空度明显高于传统预压试验区，而且数值上高出了近60%。两者巨大差异的原因要归结于变真空预压法中将砂垫层替换为管路系统的设计，管路系统相比砂垫层可大大减少真空传递过程中的损失，从而更流畅的传递真空荷载，提高地基加固效果。

图2 泵上真空度及不同试验区膜下真空度随时间变化曲线

3.1.2孔隙水压力

真空预压加固地基方法中，抽真空排水会降低地基中孔隙水压力，孔隙水压力的降低会引起有效应力的增加，从而增强地基的强度。传统真空预压试验区与变真空预压试验区地基孔压消散值在不同深度处的分布情况如图3所示。可以看出，变真空预压试验区地基孔压消散值明显大于传统真空预压试验区，这说明变真空预压技术的地基加固效果更好。从图3中的曲线还可以看出，地基深度小的位置孔压消散值大，而地基深度大的地方孔压消散值较小，这意味着真空预压方法对地基上部的加固效果较好，随着地基的深度增加，加固效果会逐渐降低。

图3 不同试验区孔压消散值沿深度方向分布曲线

3.1.3地面沉降

地基土在真空荷载下发生固结，地面沉降则是固结过程的直接体现。不同试验区地面沉降随时间变化的情况如图4所示，由图4中曲线可以看出，整体上各试验区地面沉降随时间逐渐增大。在施加真空荷载的第44天左右，各试验区地面沉降速度变缓至4mm/d左右。此时，变真空预压试验区地面沉降量为43.8cm，传统真空预压试验区沉降量为36.5cm，前者相比后者高出了20%左右。随后，开启增压系统，各试验区地面沉降进一步增大，至第75天时，变真空预压试验区沉降量达62.8cm，而传统真空预压试验区仅为48.5cm，后者与前者的差距增加至29.6%。总体看，整个加固过程中，变真空预压处理方法地面沉降量比传统预压方法大，而且达到相同沉降量所需时间短。

3.1.4地基承载力

为检验变真空方法处理后的加固效果，在现场试验前后分别对变真空预压试验区进行了静力触探试验，然后计算得出不同深度下地基允许承载力的值，如图5所示。对比加固前后地基允许承载力值可以看出，变真空预压处理后，地基的允许承载力显著提高，数值上平均提高了20%。

图4 不同试验区地面沉降量随时间变化曲线

图5 不同深度加固前后地基允许承载力

通过以上崇湾段堤防现场试验结果可以看出，真空预压法可有效增加地基淤土的固结度，提升地基的允许承载力。经过优化的变真空预压法比传统预压法地基加固效果更显著，在提升加固效果的同时，还可缩短工期，提高施工效率。

3.2 主体工程加固效果分析

在处理主体工程北凹段和南凹段的地基时，真空荷载均一次性施加。射流泵启动后，北凹泵上真空度与膜下真空度的差为11kPa，南凹泵上真空度与膜下真空度的差为16kPa。泵上与膜下的真空度相差较小，真空荷载在管路系统中的传递损失较小。

北凹段与南凹段在地基处理过程中，地表沉降随时间逐渐增大。北凹段地表最大沉降量为35.5cm，计算获得对应的地基平均固结度为96.8%。南凹段地表最大沉降为42.2cm，对应地基平均固结度为94.0%。由地表沉降结果可以看出，主体工程在地基处理过程中，沉降明显，这反应了地基淤土的固结过程明显，而且计算得到的地基平均固结度已超过设计要求90%的标准。

为检验主体工程地基加固前后强度的变化，加固前后分别进行了十字板强度试验。试验结果显示，北凹段表层0～8m的堤身填土和淤泥土层强度增长明显，十字板强度由加固前的30～58kPa提高至45～76kPa；加固后地基承载力提高了约51.2%。南凹段表层0～12m的堤身填土和淤泥土层强度增长明显，十字板强度由加固前的10～50kPa提高至35～60kPa，加固后地基承载力提高了约57.7%。由以上数据可以看出，变真空预压技术的地基处理效果明显，地基允许承载力显著提升，达到了设计要求的标准。

4 结语

根据淮河入江水道整治工程崇湾段堤防的现状及地质条件，分析得出该段提防常年发生沉降的主要原因是地基承载力不足以及下部深厚淤土层处于欠固结状态。为解决该工程的沉降问题，提出利用真空预压方法对其地基进行处理，并结合真空预压法的工艺特点，提出优化的变真空预压法。通过现场试验和主体工程的加固处理，得出主要结论有：真空预压方法适用于深层淤土的加固处理，可获得较好的加固效果；变真空预压法中，管路系统代替传统砂垫层的设计可增加真空荷载的传递效率，从而获得相比传统真空预压法更好的地基加固效果；地基处理过程中，当地面沉降速度变缓后，开启增压系统，可大幅加快地基固结速度，缩短施工工期；变真空预压方法在崇湾段堤防地基处理中，地基加固效果显著，地基平均允许承载力可提高约50%。