增压式真空预压法处理软土地基研究综述

危俊鑫 吴能森 郑建荣

（福建农林大学交通与土木工程学院 福建福州 350108）

我国沿海地区软弱土层分布广泛，具有压缩性高、渗透性差、固结慢等特点，地基处理困难，尤其是滨海围填滩涂地区软基处理问题值得关注。常见的地基处理方法可分为置换法、排水固结法、加筋复合地基法、托换与纠倾法、振密挤密法、灌入固化物法和冷热处理法等七大类[1]。其中排水固结法作为物理方法，适用于软弱土层的沉降和稳定问题，能较好地使土体固结并提高土体强度，具备较好的经济性，故在实际工程中比较常用。其加载方式可采用真空联合堆载法，水载预压法和轻质材料法等。最早的排水固结一般采用填土或砂石堆载，具有堆载物运输不便、填筑成本高、工期长、需要分级堆载等缺点。

经过长期的工程实践，20世纪50年代，瑞典皇家地质学院W.Kjellman[2]首先提出了将真空预压法应用于处理软弱土体中。此后，美国费城机场的扩建第一次使用了真空预压技术。随着美国和日本地基加固工程的应发展，低价土工膜的出现使得真空预压土体密闭问题和真空度问题得以解决，相关技术逐渐成熟。20世纪中后期，南京水利科学院等科研单位在天津围海造陆的现场进行了真空预压的科研试验，此外针对土体真空度的问题不断进行工程应用与研究探索，获得了良好的土体加固效果。真空预压法利用真空度替代堆载物，适用于吹填土软基处理[3-4]，施工荷载小，且无需分级，加固时间短，节省成本，能有效提高地基承载力[5-6]。真空预压法是加固软土地基较为有效的排水固结方法，该技术广泛应用于各沿海地区大面积吹填土软基处理工程中，学者针对真空预压过程中的固结度、地基沉降和孔隙压力等方面开展了相关研究[7]。

随着大量的工程实践，真空预压法也具有局限性。处理地基时真空度最大限值仅为80kPa，且随着土体深度的增加，真空度逐渐损失，加上排水支管向排水板传递真空度时有效范围小，处理后的土层往往上部坚硬，而下部强度低，故真空预压法逐渐难以满足工程要求。金亚伟等[8-9]（2009）提出了一种新型的真空预压技术—增压式真空预压法，该法是在传统真空预压技术中增加一套增压系统。随着真空预压工程实践的应用与创新，依托地基处理新技术的发展，增压式真空预压法也逐渐成熟。与传统真空预压法相比，该法主要有防止排水板淤堵，工期短，地基处理效果好，经济效益好等优点。

一、增压式真空预压法试验研究

在室内试验方面，江西理工大学的曾芳金等[10]（2014）通过采集温州围海造陆现场的土样进行室内试验，试验证明，由于气体通入时会向土体四周扩散，所以对土体增压时要采用间歇性增压的方法效果会更好。由于在试验过程中竖向排水板发生了一定程度的淤堵，距离竖向排水板越远的土体，十字板抗剪强度越低。相对于传统真空预压法，增压式真空预压法能进一步降低土体含水率。

软土地基在沿海地区大范围存在，在传统真空预压技术的基础上，刘浩等[11]（2014）在天津新港北中心站进行真空预压与增压防堵真空预压的试验，丁海龙等[12]（2015）在连云港地区的围堤吹填未处理区进行真空联合堆载预压试验和增压式真空预压试验。两位学者通过对比分析表明，增压真空预压通过改进防淤堵排水板和真空管的直连技术获得了更高的超孔压，加速了土体中孔隙水的排出，加快了软土地基固结变形，使得地表沉降量大幅度增加。由于无需堆载，取消了真空预压技术传统工艺中的砂垫层，因此能够更加有效地传递真空度，缩短了施工工期，获得良好的经济效益。

由于相关理论及具体操作参数的不确定，增压式真空预压法仍然具有很大的发展和改进空间。针对增压形式、增压时机和增压时间等问题，谢志伟[13]（2017）采用室内试验与现场试验相结合的方法，研究了增压式真空预压法具体参数的优化问题。增压管的材料对于土体加固效果没有显著的影响效果。在增压时机方面，在土体固结度为40%的时候增压，土体含水率最低，十字板剪切强度最大。在增压时间方面，增压1.5小时时，土体强度得到了较大的提高，加固效果较好。

除了宏观的室内试验与现场试验以外，对土体进行微观试验也是重要的研究手段。莫海鸿等[14]（2013）通过对珠海金湾地区软土的微观试验表明，通过真空预压后土体黏聚力有较大增长，土体颗粒间的大孔隙变成小孔隙，固结压密效果明显。彭劼等[15]（2016）采用电子显微镜研究了真空预压和堆载预压加固后的软土微观结构，试验表明，真空预压时土体颗粒重新排列，但堆载预压时土体颗粒破碎后重新排列。郑伟[16]（2016）通过温州地区大面积吹填淤泥土地基的新型真空预压试验研究表明，分阶段抽真空的加固效果优于一次性抽真空，并通过SEM进行了验证。

天津大学的雷华阳等[17]（2019）通过传统真空预压法和增压式真空预压法两组模型试验对比超软土层的加固效果，结果表明，后者处理过的软土沉降量和强度明显大于前者处理过的软土。在微观试验方面，采用电镜扫描试验和压汞试验分别对比两种方法加固后超软土层的微观结构，定量分析表明增压式真空预压法加固后的软土，土体颗粒排列更密实，骨架颗粒主要接触形式呈现面接触形式，骨架颗粒间的孔隙更小，小孔隙数量更多。

二、增压式真空预压法理论研究

沈宇鹏等[18]（2012）通过采用PLAXIS有限元软件对增压式真空预压法的相关设计参数进行优化研究表明，增压管的增压作用可以通过降低地下水位进行有效模拟。在模拟时，通过采用1m的排水板间距、增加增压式装置的功率和加大排水板的渗透系数，可以增加增压式真空预压法预期的沉降量。此外，改变排水板规格并能加快固结效率，而增加排水板的长度可以增加处理软土的压缩层范围。

雷华阳等[19]（2017）基于对真空预压法易淤堵问题的认识，利用PFD2D对吹填淤泥真空预压过程进行模拟，结果表明，土体中细颗粒越多，越容易导致渗透路径发生堵塞。基于此，雷华阳等[20]（2019）又提出了交替式真空预压法。通过室内交替式真空预压试验和数值模拟软件PFD2D建模分析表明，排水量、沉降量和加固后土体强度较常规真空预压法均有较大提升，该法扩展了排水板附近淤堵泥层的渗透路径，增大了淤堵泥层的渗透系数，提高了真空传递效率，改善了土颗粒的不均匀性。

将实际工程问题转化为数学问题进行理论研究归纳总结方面，沈宇鹏等[21-22]（2019）基于等应变理论和Newman—Carrilo方程，利用分离变量法和积分变换法，推导了适用于单层均质土经过增压式真空预压处理后固结度的解析解。排水板地基的固结度随着时间因子的增加呈快速增长的趋势，排水板固结速率随着井阻的增加而呈现出减小的趋势。理想井和无井阻的固结曲线变化规律与固结变化速率呈现基本一致的规律，但理想井的固结度会略大，建议在实际工程中排水板的井径比不应大于10。通过数学理论与数值模拟对比分析表明，增压式真空预压法比常规软基处理技术效果更好。

三、增压式真空预压法工程应用与施工工艺研究

从大量实际工程中来看，真空预压法利用大气压作为预压荷重，横向排水通道易堵塞与变形，开放式系统使得土体深处真空度的处理效果越来越差，加固工期长且效果不理想，真空度受各种因素影响有所衰减，抽真空时间过长导致成本大量增加，在实际应用中具有局限性。采用增压式真空预压法时，首先需在软土地基表面铺设砂垫层，埋设垂直排水通道，通过砂垫层内埋设的吸水管道，铺设喷抽真空管路和喷气管理系统，插入增压管，然后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐渐形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压力差，提高排水效率，克服真空荷载在土体深处的衰减，优化真空传递路径，加速土体固结，提高土体强度，有效缩短地基处理工期，故该法具有较好的经济性。增压式真空预压法主要适用于淤泥土、冲填土等高压缩性的软弱地基，在软弱土层厚度大时更具有加固效果好的优势。

杨子江等[23]（2011）以珠海西站软基处理工程为依托，详细阐述了增压式真空预压法中塑料排水板施工、增压管施工和连接、真空系统的连接和密封体系覆盖的施工工艺，介绍了真空预压施工和增压施工的难点，提供了施工过程中所需的各类参数和关键技术，并且利用珠海西站场地设置不同的塑料排水板间距、排水板布置方式、塑料排水板长度与增压管长度，对处理效果进行对比与分析。整个工程软基处理效果较好，为增压式真空预压法的设计与施工提供了指导性的意见。

将理论应用到工程实际的过程中，沈宇鹏等[24]（2012）依托某一站场软土地基处理工程，阐述了增压式真空预压法处理软土地基的加固机理。增压式真空预压法实质是真空预压在发挥加固地基的作用，通过设置增压管，可以缩短土体加固时间，并且减小了工后沉降问题。此外，通过实际工程应用情况的研究表明，在条件允许的前提下，尽量加大增压管的长度并且将排水板间距设置为1m，这样能获得较好的土体加固效果。宁波工程学院的马永政等[25]（2016）将新型增压式真空预压法应用于软基处理项目中，对地基沉降位移、真空度变化、孔隙水压力、周边高耸建筑物位移等情况进行监测和分析，表明增压式真空预压法在大面积软基处理过程中平均固结度和地基承载力均达到设计要求，该法经济性好、工程效率高，同时保护了周边建筑物。

蔡云晟等[26]（2016）以连云港某专用铁路工程路基工程为例，研究了增压直排真空预压技术在工程中的应用问题。该工程通过采用直排、增压等技术，增加设置新型排水板和采用水气分离真空泵工艺，通过与连云港地区其他常规真空预压技术相比，表明该工程具有土体加固效果好，工期短等优越性，为其他地基处理类似工程提供较好的参考依据。

为进一步推动增压式真空预压法在海相吹填土的应用，河海大学的胡建斌[27]（2018）依托温州某吹填土的施工实例进行了增压式真空预压法和常规真空预压法的现场对比试验研究，重点分析了真空度和土体表层沉降，研究了土体深层地基承载力的变化规律。增压式真空预压法能够较好地提高吹填土表面下1.5m～3m的土体强度和加固效果，地基沉降量较传统真空预压法明显增大，表明在工程实际中，增压式真空预压法具有一定的可行性和优势。随着增压式真空预压法的不断发展，国内学者也逐渐开始对此技术的施工工艺进行改进。黄宏宝[28]（2019）以天津临港经济区某吹填工程区为例，详细阐述了水气分离联合增压式真空预压法的工艺流程，研究表明，水气分离抽真空设备比一般抽真空设备更具有稳定性，利于施工质量控制，有效降低经济成本和消除工后沉降问题，但是此工法不利于孔隙水压力的消散，故需进一步的研究和改进。

四、结语

综上所述，增压式真空预压法作为一种新型处理软土地基的预压技术，改进了传统真空预压法的技术和工艺。通过与传统真空预压法及其他技术的对比，增压式真空预压法在试验与理论研究方面取得了长足的进步，在工程实践方面得到了广泛的应用。

（1）在室内试验、现场试验和微观试验方面的对比分析表明，增压式真空预压法能有效提高土体真空传递效率，加快软土地基的固结，使加固后的土体颗粒排列更密实。

（2）在数学理论和数值模拟方面，排水板地基的固结度随着时间因子的增加呈快速增长的趋势，固结速率随着井阻的增加而呈现出减小的趋势。改变排水板的规格以及使用交替式真空预压可以提高真空传递效率。

（3）在工程应用与施工工艺方面，经过增压式真空预压法处理后的软土地基，土体深层承载力有较大程度的提高，土体加固效果好，平均固结度和地基承载力均能达到设计要求，有效缩短地基处理施工工期，具有良好的经济效益。对于特定工程条件下的增压式真空预压处理技术仍需进一步的研究和改进，以期更好地降低经济成本和消除工后沉降问题。

（4）在利用三维数值模拟软件建模分析增压式真空预压法作用机理方面还不充分，针对膜下真空度、土体固结度、孔隙水压力消散、地基沉降量、深层土体位移和土体强度等指标的变化过程与变化规律研究内容较欠缺。建议开展增压式真空预压法有限元理论的深入研究，以期建立可靠的土体本构和沉降预测等模型，更好地指导设计和施工。