淤泥在真空预压加固下的土柱形成试验研究

李晗峰 许 峰 占 宏

(1.杭州交通投资建设管理集团有限公司，浙江 杭州 311301；2.浙江省三建建设集团有限公司，浙江 杭州 310016； 3.浙江工业大学工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

真空预压法是目前常用的软土地基处理方法。该方法被广泛应用于海涂围垦、机场等各种工程的软土地基处理当中[1,2]，但同时该方法也存在一些问题。真空预压的过程中，排水板(PVD)周围会形成致密的“土柱”。土柱会导致PVD发生淤堵，阻碍真空荷载的传递，减慢固结速率。现有研究的关注重点集中在不同类型的PVD、滤膜的通透性以及淤堵的防治措施[3,4]。近年来，有许多学者对淤堵形成的原因进行了理论分析，但对土柱的形成解释都是基于特定的假设[5,6]，没有直接观察到土柱的运动发展趋势。为了对土柱的形成机理进行进一步的研究，对土柱的形成进行直观的可视化研究是十分必要的。粒子图像测速(PIV)技术作为一种数字图像测量方法，在许多流体试验中得到了很好的运用[7]。为了探究真空预压中淤泥的变形特性，开展室内模型试验进行了研究，通过结合PIV结果与土体的孔隙水压力消散、排水量等方面的数据进行分析，获得土柱的形成原因。

1 模型试验

1.1 试验所用的土样参数

试验所用土样取自台州某真空预压地基处理现场。通过室内试验得出土样基本性质如表1所示。采用激光粒度仪对土样的级配进行了测定。土样主要由粉粒组成，土样的D10和D60分别为4.2 μm和33 μm，粒径分布较为均匀，属于粘性土。

土体级配曲线如图1所示。

1.2 试验仪器以及方案布置

表1 土样基本性质

试验装置如图2所示。模型试验装置由三部分组成，包括模型箱、真空驱动系统和监测系统。模型箱尺寸为56 cm×30 cm×64 cm，采用2 cm厚的钢板加工而成，上部设有密封框，通过法兰连接将真空膜与箱体进行密封，保证模型装置的气密性。在模型箱的侧面设有抽真空的管道和阀门，通过管道对模型箱内进行抽真空。模型箱的前侧壁上设有观察窗，用于观测淤泥的运动情况。观察窗上设有标定点，用于图像坐标与物理坐标的转化。真空驱动系统主要由真空泵，水汽分离瓶，真空管，手型接头和等效孔径为75 μm的PVD组成。监测系统分为孔隙水压力测量装置、出水监测装置和图像采集装置。孔隙水压力测量装置采用微型孔隙水压力传感器，量程为-100 kPa～100 kPa，精度为0.1%，分别水平对称布置于距PVD 2.5 cm,5 cm,10 cm的位置处。出水监测装置为放置于水汽分离瓶下方的高精度电子秤。图像采集装置由相机、相机支架、数据采集线和计算机构成。相机固定在与观察窗平面平行的位置，在观察窗一定距离处使用相机拍摄某一确定视野范围区域的图像，通过USB数据采集线把图片传输到计算机中，储存图片并进行后续分析处理。为了得到清晰图像，在试验模型箱前方布置了光源。根据拍摄需要，调整相机的光圈与焦距，使成像清晰。拍摄窗口如图3所示，窗口大小为207 mm×114 mm，位于PVD的中上部，试野上边缘达手型接头处，覆盖范围包括PVD右侧191.26 cm，至PVD左侧1.15 cm范围内。

实验开展前，事先在模型箱前侧观察窗上人工喷洒粒径约为100 μm的染色砂，用于PIV技术计算土体的位移场。如图4所示，由于染色砂喷洒密度稀疏，渗透性远大于土壤，因此对径向排水和土壤固结的影响很小。观察窗粒子喷洒完成后，将PVD紧贴观察窗并垂直放置。采用手型接头将PVD和钢丝软管进行连接。安装孔隙水压力传感器，将制备好的土样缓慢装入模型箱当中，而后在土体表面铺设一层土工布以及两层塑料密封膜。钢丝软管从模型箱侧壁穿出与水汽分离瓶相连，同时将水汽分离瓶的抽气口连接至射流式真空泵上，真空泵提供的真空压力为80 kPa。

2 试验结果分析与讨论

2.1 淤泥运动规律

图5为0 h～3 h内土体在真空预压情况下的位移场云图。为便于分析，将位移场分为A,B,C，3个区域，A区为从PVD至距PVD 5.5 cm处；B区为距PVD 5.5 cm～15.5 cm处；C区为距PVD 15.5 cm～19.2 cm处。由图5a)得，试验前3 h中，A区内发生较大径向位移，最大径向位移为4.5 mm，土柱开始形成。B区内，径向位移较小，且分布不均匀。C区中的土体基本未发生径向位移。产生这种现象的原因是，0 h～3 h内，A区内的土体受真空压力作用，产生较大径向位移。B区内真空压力传递不均匀，导致径向位移较小且分布分散。C区因真空压力未到达，基本未产生径向位移。由图5b)得，A区内的土体基本未发生竖向位移。B区内土体竖向位移较大，最大竖向位移为4.0 mm。C区内土体竖向位移值分布为0 mm～0.89 mm。产生这种现象的原因是：A区内的土体受到的水平力较大，发生径向位移；而B区内的土体由于真空度传递到该区域内，因此产生较大竖向位移；C区真空度未传递到，其竖向位移产生的原因可能是自重固结。

图6为3 h～27 h内土体在真空预压情况下的位移场云图。如图6a)所示， 3 h～27 h内，最大径向位移距PVD约6.53 cm处，位移值为7.7 mm。该时间段内，距PVD 38.36 cm范围内土体的径向位移很小。由图6b)得，上述A区范围内，基本未发生竖向位移。而PVD远端，竖向位移较大，且最大竖向位移发生在距PVD 13.83 cm处，位移值为14 mm。产生这种现象的原因是：在3 h～27 h内，随着真空预压的进行，真空度已传递到距离PVD更远的地方，从而在远端产生了较大的径向位移和竖向位移。而在距PVD近处，由于土柱已经生成，导致PVD附近土体的径向位移较小。

图7为27 h～77 h内土体在真空预压情况下的位移场云图。如图7a)所示，在距PVD 5.6 cm范围内，基本没有径向位移。径向位移最大值距PVD 12.3 cm，且最大位移值为5.9 mm。该值为土体在50 h内产生的径向位移值，小于上阶段24 h内产生的最大径向位移值。说明土柱的形成阻碍了土体径向位移的发生。如图7b)所示，距PVD 7.36 cm范围内，土体基本不发生竖向位移。随着真空预压的进行，土体竖向位移最大值距PVD 18.46 cm处，且最大值约为14 mm。

2.2 孔隙水压力变化

图8为孔隙水压力随时间变化曲线。由于孔隙水压力传感器水平对称布置，因此选用一侧结果进行讨论。为与PIV结果进行比较，选取试验前77 h土体孔隙水压力数据进行分析，该时间内土体未完全加固，因此孔隙水压力消散值最大仅约17 kPa。由图8得，距PVD 10 cm处土体孔隙水压力值消散平缓。距PVD 5 cm处初期与10 cm处土体消散情况大致相同，约10 h后消散速度加快。这与PIV结果相似，试验初期，真空度未传递到很远的地方，孔隙水压力消散慢。随试验进行，距PVD 5 cm处受真空压力影响，孔隙水压力消散加快。距PVD 2.5 cm处孔隙水压力消散速度较快，但在大约52 h后，消散速度降低，产生这种现象的原因可能是因为土柱的形成，导致PVD附近发生淤堵，从而降低了孔隙水压力的消散速度。

2.3 土体排水量

图9为排水量以及排水速率随时间变化曲线。可以看出，在试验开始的0 h～6 h内，排水速率较快；在6 h～77 h内，排水速率缓慢下降。产生这种现象的原因是，在试验开始的前6 h内，PVD附近生成的土柱较小，但随着时间的进一步推进，土柱变大，淤堵现象发生，排水速率下降。试验过程中，77 h内的总出水量为5 000 mL。

3 结语

本文开展了真空预压室内模型试验，通过PIV技术观察了排水板附近土体在试验过程中的变形特性。另结合孔隙水压力值、排水量及排水速率得到如下结论。试验初期，真空压力影响范围有限，排水板附近土体主要发生径向位移，排水板远端土体主要发生竖向位移。随试验进行，径向位移最大值向远离排水板移动。整个试验过程中，距排水板5.6 cm范围内的土体竖向位移值很小，试验过程竖向位移最大值为距排水板最远端。土柱形成的一个重要原因是因为土体的径向位移。