真空预压法地基处理影响范围分析

张兴明，黄志滨，宇 珂，王 栋

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

引 言

真空预压法加固深厚层软土地基是国内优势明显的一种地基处理方法[1-3]，该法具有快速、经济、效果好的优点，并且无堆载预压引起的边坡失稳等问题。但是目前关于真空预压施工对周边建筑物、构筑物等环境的影响程度及其规律等问题尚没有成熟、明确的结论。陈远洪[4-5]等在现场试验的基础上，结合有限元计算，得出真空预压加固区外没有防护措施时，沉降大于5 cm的范围约为40 m；打设搅拌桩防护时沉降大于5 cm的范围约为20 m。董志良[6]等通过理论计算和现场试验，得出真空预压对周边环境的影响范围可达 40 m以上，距加固区边缘 8 m处的位移量可达33.5 cm，影响深度超过14 m，在加固区边缘14 m处的位移量可达23.2 cm，影响深度超过12 m。但是这些理论，只能作为特定场地条件和搅拌桩支护条件下的研究结论，都不能为广州南沙地区的深厚软土地基加固提供技术支持。本文在已有研究的基础上，对广州南沙地区真空预压法地基处理沉降影响范围进行新的分析和探讨。

1 真空预压理论分析

真空预压技术，其机理就是通过真空射流泵使加固区域范围内的土体形成负压，使边界的孔隙水压力降低，土体中的初始孔隙水压力便与该边界的孔隙水压力形成一定的压力差，进而发生不稳定渗流现象，随着时间不断增长，土体的孔隙水压力逐渐降低。

由σ=σ'+u，等式左边总应力保持不变的情况下，降低的孔隙水压力即转为有效应力。真空度（负压）越高，沿深度方向衰减越小，则增加的有效应力就越大，加固效果越好。由于孔隙水压力是球状应力，所以真空预压引起减少的孔隙水压力即增加的有效应力是各向相等的。因此，地基土体单元的莫尔圆的大小不发生变化，只是向右侧平移了，当“荷载”卸除后，被加固土体由欠固结状态或正常固结状态变为正常固结状态或超固结状态。因为真空预压时土体不会产生剪应力，所以真空荷载可以一次性施加，地基土也不会发生剪切破坏。周围土体的变形主要是由于真空负压产生收缩变形而开裂，裂缝一般表现为平行于加固区边线。随着时间延长，土体固结度提高，裂缝也产生发展态势，逐渐加宽加深，数量随之越来越多[7]。

天然地基土在施加真空荷载下，土中的水将产生渗流。当开始抽真空时，砂垫层中的气体首先被抽走，而先形成真空，接着接近砂垫层的地基土中较大的连通网孔中的水和气由于真空形成的压力差作用被吸出。这时，在土体中连续的较大网孔中逐步形成真空渗流场，真空渗流场的流动介质以气体为主，并夹杂一定量的水。这个流动介质我们称之为“真空流体”。真空渗流场的形成与不混溶流体在多孔介质中的驱替现象相似：“真空流体”作为驱动相，在被驱动流体――水中通过“指进”作用打开一条通道，“指进”以后逐渐分枝，最后形成连通的网络。土体排出的水主要是储存于较大网孔的重力水，地下水位下降，改变了土层的自重应力，使其下土层的上覆自重应力增加，土体中更为细小孔网中的水承受了超孔隙水压力，然后逐渐排出，从而土层产生固结。由于抽真空不断进行，真空渗流现象得以持续，地下水位也随着时间的延续而渐渐下降[8]，此过程如图1所示。

图1 真空预压机理

真空预压加固软土地基的过程实际上应属于三维空间渗流问题，三维固结理论中最出名是比奥理论[7]，它是一种真三向固结理论。该理论的基本假设是把土体视为一种均质、各向同性的饱和土单元体dx、dy、dz，受外力作用，满足平衡方程。当以整个土体为隔离体（土骨架+孔隙水），则平衡方程为：

如果以土骨架为隔离体，以有效应力表示平衡条件，根据有效应力原理，则有：

式中：pw=(z0-z)γw+u，为超孔隙水压力与该点静水压力之和。

这样，式（1）可用有效应力表达为：

对于二向平面（平面应变）问题，比奥方程为下式：

式中：Cv2为二向固结时的固结系数；∇2为拉普拉斯因子，

当单向固结时，由弹性应力-应变关系可得到单向固结系数Cv1：

式（5）是比奥固结理论的主要结论，是进行有限元计算的常用理论基础[9-10]。

2 工程概况

本工程位于广州南沙港区，软基处理面积约 30万m2，吹填疏浚土成陆后采用真空预压法加固处理。场区的主要软土层自上往下分布情况如下：

淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，局部软塑，含少量细砂及腐植物，局部夹薄层细砂。为吹填土。

淤泥～淤泥质粘土：灰色，局部灰黑色，流塑～软塑，含腐植质，含少量粉细砂及贝壳碎，局部夹薄层粉细砂。该层遍布全探区，厚度2.6～17.50 m，平均厚约10.9 m。

淤泥质土：灰色，软塑，含少量粉细砂及腐植物。局部分布，厚度2.4～7.3 m。

主要土层物理力学性质指标，见表1。

表1 主要软土层物理力学指标

结合现场地层分布和周边建筑情况，将整个地基处理场地细分成14个区块，分别为N1～N14。其中因N10区与变电站围墙距离约18 m，故将N10区沉降进行重点监控和研究。采用规范推荐的公式，计算得到N10区在真空预压达到 70天时，土层固结度达到85 %，加固期沉降为 1.41 m，使用期最终沉降达到1.48 m。

3 现场施工及监测情况

施工初期，未对N10区与变电站围墙之间设置防护措施，并布设了多处地表沉降、深层水平位移、孔隙水压力、地下水位等监测点。在抽真空40天后，发现N10区与变电站之间地面出现10～35 cm宽的裂缝，且变电站围墙出现一处35 cm裂缝，测得地表最大沉降为30 cm左右。为保证周边建筑施工安全，立即停止抽真空作业，补设防护措施。确定采取高压旋喷桩结构体进行加固围护，所用桩直径1 200 mm，桩间搭接400 mm，打设深度18 m，共布设183根，现场布置情况详见图2。

图2 变电站围墙旋喷桩布置

3.1 地表沉降

现场施工旋喷桩实际工期为33天，施工完成28天后，恢复抽真空。待抽真空作业进行50天后，真空预压区沉降趋于平稳，结束抽真空作业。

整个真空预压施工期，沉降监测数据如图3所示。

图3 N10区沉降曲线

由图3可知，施工期总沉降量约为1.2 m，主要沉降发生在前1个月时间内，约占施工期沉降总量的80 %，之后约2个月时间仅完成总沉降量的20 %。

3.2 孔隙水压力

根据孔隙水压力实测数据绘制得到 N10区的孔压-时间曲线关系如图4所示。从图中可以看出，抽真空 15天内孔隙水压力得以迅速消散，消散值一般在55～65 kPa之间，抽真空30天以后孔隙水压力基本趋于稳定，一般稳定在82～86 kPa之间，说明真空度得到有效传递。经实测数据分析可知，真空预压区场地内20 m范围沿深度传递的效果衰减不大。

图4 N10区孔隙水压力-时间关系曲线

3.3 地下水位

根据地下水位实测数据绘制得到 N10区的地下水-时间曲线关系如图5所示。图5能较真实地反映真空预压加固过程的地下水位变化情况，即抽真空约 1个月时间内，地下水位降深基本稳定在5～6 m左右，有时会受珠江潮差变化产生小幅波动。这个降深规律与真空压力降水的有效深度在7 m左右的理论值基本吻合。

图5 N10区地下水位-时间关系曲线

3.4 深层水平位移

根据深层水平位移实测数据绘制得到 N10区的水平位移-深度曲线关系如图6所示。

首先，从空间上来说，沿深度方向的影响程度表现为随深度越深，影响越小，这个趋势与真空度的传递效果基本一致，而沿水平方向的影响则表现为在加固边界处最大，离加固边界越远影响越小。在距离加固边界20 m内的位移监测数据反映，深度15 m以内土体的位移量介于 10～230 mm 之间（位移量大于10 mm时我们认为可能对建构筑物产生有害作用，须引起注意），最大位移量位于地面，最小位移量位于约20 m处，该点基本为正负位移的平衡点，该点之下会出现反向位移。

其次，从时间上来说，抽真空 30天时对于未进行加固的土体位移量一般达150～190 mm之间，抽真空60天时位移量达到或是接近最大值约230 mm，抽真空60天以后至卸载这段时间位移量基本趋于稳定，介于210～230 mm之间微幅波动。上述数据说明真空负压对周围环境影响主要作用体现在抽真空 60天以内，此时真空预压作用下的地基土得到有效固结，固结度达到70 %～80 %之间，加固区之外的土体也随着地下水位下降，孔隙水压力随之消散，也得到一定的固结，所以，抽真空60天以后真空的影响也基本趋于稳定。

图6 N10区测斜管位移-深度曲线（旋喷桩前土体中）

4 有限元模型分析

4.1 模型建立

结合南沙二期软基处理工程 N10区的真空预压实况，采用PLAXIS 2D有限元计算程序，将真空预压对周边环境的影响进行了数值分析。以HS模型作为土体本构模型。模型建立的基本假设：土体在负压条件下的排水和固结变形过程同正压下的固结过程是相似的，都是通过孔隙水压力的变化将荷载传递给土体骨架的过程。有限元程序计算参数如表 2，采用平面应变15节点的三角形单元划分网格。考虑对称性，取加固区一半进行模拟，并考虑边界效应，取加固区周边100 m的足够宽度来分析研究真空预压加固对周边环境的影响。得到疏密过渡的模型网格划分如图7。

表2 计算断面岩土参数

图7 模型建立与网格划分

4.2 竖向位移计算

如图8，计算得到真空预压固结30天后，加固区最大竖向位移2.09 m，距离加固边界6 m处的地表竖向位移为268.7 mm，距离加固边界16 m处的地表竖向位移为75.6 mm。

图8 模型竖向位移分布

4.3 水平位移计算结果

图9为真空预压30天水平位移分布。由图可知，固结 30天时，加固区土体向加固区中间产生侧向位移，周边土体向加固区移动。取距离边界6 m处水平位移，与对应位置处的测斜管实测水平位移数据进行对比，如图11所示。

图9 模型水平位移分布

图10 模型计算水平位移与实测值对比

由图10可见，采用有限元计算得到的N10区，抽真空30天，距离加固边界6 m处的水平位移，实测数据与计算值差异较小。计算值地表处最大水平位移为307 mm，实测最大值310 mm，可知计算结果与实测值较为接近，建立的计算模型是合理的。

4.4 边界加固效果分析

实际施工过程中，在抽真空30天后，停真空泵，在边界打设单排1.2 m旋喷桩，之后再重新抽真空后，现场监测结果表明，继续满载73天后，实测总水平位移为342 mm。

1）无防护措施模型

模型中，在不采取任何措施的条件下，抽真空固结30天后，再继续固结73天，距离边界6 m处，计算得位移为419 mm。

可见，实际采取的施打旋喷桩的方法，对预防真空预压对周边环境的影响是有效的。施打水泥搅拌桩后，继续满载73天，距离加固边界6 m处的地表最大水平位移仅增加了32 mm，比不施打水泥搅拌桩进行防护的73天增加113 mm的水平位移，减少了约72 %。如图11。

图11 未防护的水平位移计算值与实测值对比

2）单排1.2 m旋喷桩防护

如图12，在模型中加设单排旋喷桩，在抽真空固结30天后，再继续固结73天，距离边界6 m处，计算得位移为337 mm。与实际发生的342 mm十分接近，与没有任何防护情况下计算得到的419 mm相比，加固效果改善很多。

图12 加设单排旋喷桩后的计算模型

3）格栅状0.6m搅拌桩防护

格栅状水泥搅拌桩布置型式如图13。

图13 格栅状水泥搅拌桩布置型式

在模型中加设格栅状水泥搅拌桩，在抽真空固结30天后，再继续固结73天，距离边界6 m处，计算得位移为 385 mm。与没有任何防护情况下计算得到的419 mm相比，加固效果较为明显。但是与加设单排旋喷桩时计算得到的337 mm，相差48 mm。

5 结 论

通过有限元软件，对真空预压固结时的各个工况进行了模拟计算，并通过与实测数据的对比，验证了计算模型的合理性。在此基础上，分析预测了不同防护措施下，地基处理完成时真空预压对周边土体的影响。通过对加固试验区内外土体竖向和水平位移分布进行分析，得到以下结论：

1）结合地表沉降、孔隙水压力、地下水及深层水平位移等实测资料成果可知，真空预压对周边环境的影响作用主要体现在抽真空前60天左右的时间内，这段时间也是真空预压对被加固软土预压作用最显著的阶段。

2）真空预压15天内孔隙水压力得以迅速消散，消散值一般在55～65 kPa之间，真空预压30天以后孔隙水压力基本趋于稳定，一般稳定在82～86 kPa之间，在20 m范围内沿深度传递的效果衰减不大，加固区外一定范围内随着加固区地下水位下降，孔隙水压力消散，其水位与孔压也随之逐渐相应变化，只是降幅小得多。

3）真空预压30天以后地下水位降深基本稳定在5～6 m左右，这个降深规律与真空压力降水的有效深度在7 m左右的理论值基本吻合。

4）综合有限元理论和实测分析，真空预压对周边环境的影响范围最大可到40～50 m，影响深度主要表现在15 m以内，15 m之下影响甚小，甚至出现反向位移。从距离加固区外的位移观测资料得出，真空预压期对周边土体产生的位移最大值发生在地表附近，达230 mm左右，采用水泥土搅拌桩围护后，位移量可降低至约 130 mm，采用旋喷桩围护后，位移量可降低至40～50 mm左右。

5）边界防护措施上，水泥土旋喷桩比格栅状水泥搅拌桩更加有效，可有效减少约60 %的水平位移。