不同形式排水固结法加固机理及特性研究

陆 泓 刘红军 邓乃匀

（五邑大学土木建筑学院，广东 江门 529000）

1 概述

目前在大面积软基处理工程中，排水固结法凭借其施工工艺简单及工程造价低等优点而被广泛采用。常见的排水固结法以加载荷载种类不同可分为堆载预压法及真空预压法，以及基于这两种工法发展而来的真空联合堆载预压法。近年来随着工程研究以及施工工艺的不断发展，科研人员也研发出各种新型的排水固结法如增压式真空预压[1]、低位真空预压[2]以及直排式真空预压[3]等。尽管上述各种排水固结法施工由于施工工艺等有所不同，但就其加固原理而言排水固结法均是通过排出软基土体中的孔隙水及压实软基土体以增加原有软基土体的抗剪强度，从而达到提高地基承载力及减少残余沉降的目的。本文从有效应力原理出发，针对目前工程中常用的三种排水固结法各自的加固形式、加固机理以及加固特性进行分析阐述。

2 加固机理

2.1 堆载预压法

堆载预压法由美国工程师Moran 在1925 年提出并在美国加州一软基加固工程中得到应用。该法通过在软基中打设砂井作为竖向排水通道并在软基上堆载填土或其它重物以排出软基中孔隙水，达到软基加固目的。随着技术与材料的不断发展，目前工程中打设的竖向排水通道一般为袋装砂井或塑料排水板。采用堆载预压加固软基施工简图如图1 所示。

图1 堆载预压施工简图

堆载预压施工中随着堆载填土的进行，施加在软基上的总应力不断增加，软基土体中产生正的超静孔隙水压力。当堆载结束后，超静孔隙水压力值逐渐下降直至为0，土体的有效应力随着超静孔隙水压力的消散而增加。堆载预压中对软土地基施加的是竖向应力△σ1，地基土体发生的是k0固结。在堆载预压瞬间，土体的竖向有效应力由σ10′变为σ1′，水平向有效应力由σ30′变为至σ3′。随着偏应力的不断增大，土体中剪应力增大，可能导致土体有效应力摩尔应力圆与剪切破坏线相接，从而造成土体剪切破坏。图2 是以应力圆形式表示堆载预压处理软基过程中土体的强度增长原理，应力圆A 表示加固前土体处于k0状态下的应力状态，此时软基土体强度为τ0，堆载填土后土体有效应力圆变化为A'，此时软基土体强度增长为τ。当施工结束卸去堆载填土后，软基土体强度沿C'O'一线退回至D 点位置，此时软基土体处于超固结状态，抗剪强度较原有抗剪强度提升了△τ。

图2 堆载预压软基土体强度增长原理

由于堆载预压中有效应力是伴随堆载产生的，且由于在预压期结束后一般不会将堆载填土完全卸载，故地基土体中的有效应力增量仍然存在。从微观机理上看，堆载预压中地基土体在上覆荷载作用下发生压缩变形，土体中孔隙水被挤出，土体颗粒受外力作用下“被动”发生变形及重新排列，并在该过程中也伴随着颗粒破碎及填充，当上覆荷载过大时会出现土体破坏。由于堆载预压加固机理，采用该法处理软基时，土体中孔隙水和气排出较为缓慢，这就导致堆载预压工期普遍较长。

2.2 真空预压法

真空预压法由瑞典W.Kjellman 教授在1952 年提出并在美国费城国际机场跑道软基加固工程中得到应用。与堆载预压不同，真空预压法是通过建立排水及密封系统并利用真空泵进行抽气，在真空膜上下表面形成压力差。真空压力通过排水系统向软基深处传递扩展，软土地基中产生负的超静孔隙水压力，实质上真空作用相当于对软基施加一个负压作用，真空预压加固软基施工简图如图3 所示。

图3 真空预压施工简图

在真空预压过程中，土体所受的总应力没有变化，而是由于负压作用使孔隙水压力降低，土体的有效应力逐渐增加，土体强度得到提高。该加固过程为等压固结过程，在真空预压过程中，土体的总应力σ 不变，随着孔隙水压力减小，有效应力随之增加。

在真空预压过程中土体的剪应力没有增加，故该工法处理软基过程中并不存在稳定问题，真空荷载可一次加载至最大值。真空预压过程中，产生的负孔隙水压力为-△σ，由于孔隙水压力为球应力，故有效应力增量为：△σ'1=△σ，△σ'3=△σ。加真空预压后土体有效应力圆由A 变化为A',此时软基土体强度增长为τ，当施工结束，停止抽气后软基土体强度沿C'O' 一线退回至D 点位置，软基土体处于超固结状态，此时抗剪强度提升了△τ。图4表示以应力圆形式表示采用真空预压处理软基过程中软基土体的强度增长原理。

图4 真空预压软基土体强度增长原理

由于真空预压中有效应力增长是由于真空作用带来的负的超静孔压形成的，随着真空作用的减小或消失，土体的有效应力也随之减小或消失，当真空作用完全消失时，如无外加荷载，地基土体将处于超固结状态。在真空预压初期，在真空泵作用下，地基土体中的自由水和气沿排水通道排出。从微观机理上看，随着真空作用的不断进行，地基土体中的孔隙水逐渐排出，土体颗粒开始重新排列，在外因下土体颗粒“主动”重新调整排列，使得土体变得密实。在整个真空预压过程中土体颗粒只是进行重新排列，土体颗粒并不会破碎，一次加载也不会出现土体破坏现象。

2.3 真空联合堆载预压法

真空联合堆载预压法是由我国学者于20 世纪80 年代提出的概念，该法最早于1985 年应用于天津新港码头堆场码头软基处理工程中。由于真空预压加固过程中不改变的土体的总应力，且真空荷载不超过一个大气压并依赖于竖向排水通道来传递真空度，对于荷载较大及承载力要求较高的地基，单一的真空预压或堆载预压往往无法满足工程需求。真空联合堆载预压结合了真空预压及堆载预压的特性，联合预压加固软基施工简图如图5所示。

图5 联合预压施工简图

联合预压法加固机理为真空预压与堆载预压两者机理互补[4]：在真空负压作用下地基中的孔隙水压力降低至负值，而在堆载正压作用下地基中孔隙水压力逐渐回升，在正负压耦合效应下土体中孔隙水加速排出，超静孔隙水压力消散比单一堆载预压更快，采用联合预压处理效果好于单一预压，联合预压加固软基过程有效应力变化如图6 所示。

图6 联合预压有效应力变化

如图7 所示，联合预压中前期的真空作用使土体有效应力圆由A 变化为A', 后续堆载填土后使得土体有效应力圆由A'变化为A''。当施工结束后，软基土体强度沿C'O' 一线退回至D 点位置，软基土体处于超固结状态，此时抗剪强度较原抗剪强度提升了△τ。在联合预压加固后土体抗剪强度提升值△τ 均大于单一预压增加的抗剪强度值。

图7 联合预压软基土体强度增长原理

从微观上看，在联合预压加固软基过程中，在真空作用下土体颗粒因负压作用而“主动”重新调整排列，变的更加“紧密”；在堆载开始进行后，土体颗粒因正压作用“被动”重新调整排列，细微颗粒之间孔隙被填充。相较真空预压或堆载预压，软土地基经联合预压处理后，土体将被压缩得更加密实，物理力学性质得到改善。综上，真空联合堆载预压法进行软基处理可以看作软基在正负压耦合效应下排水固结的过程，且由于正压与负压产生的超孔压可以抵消一部分，这就使得在正负压耦合效应下处理软基变得更加高效。

3 加固特性

3.1 孔隙水压力

堆载预压中伴随堆载产生的是数值上大于静水压力的孔隙水压力，超孔压的存在使得土体中的自由水与孔隙水沿排水通道排出，随着超孔压的消散，土体的有效应力也随之增加。与堆载预压不同，真空预压中伴随真空作用产生的真空渗流场使地基中产生的是数值上小于静水压力的孔隙水压力，表现为负的超静孔隙水压力。

堆载预压中利用超孔压可以控制加载速率、推求地基固结度、确定下一级荷载大小与施加时机以及判断土体加固效果。由于真空预压不存在稳定性问题，工程中利用超孔压可以判定土体中有效应力的变化时程、地基的强度增长、推求土体的固结度以及判断土体加固效果。

3.2 土体侧向位移

真空预压过程中，表层土体受到的是等向的真空作用p 接近于等向固结，而对于较深土体更接近于一维固结。根据Chai[5]的试验结果表明：当真空荷载大于土体的侧向静止土压力时，土体会发生向加固区的侧向位移。同时由于土体产生了向内的变形，故在真空预压中真空作用带来的土体竖向位移值将小于等效荷载的堆载作用。Chai根据研究结果得出了真空预压下地基土体侧向位移及土体裂缝的计算式。

上式中，Zw为地下水位深度；Zc为竖向裂缝深度；Yt为土体重度；c'为土体有效黏聚力；Ka为土体的主动土压力系数。

堆载预压过程中，地基土体在竖向附加应力的作用下产生向加固区外的侧向变形，根据曾国熙的计算推导，对于堆载预压中最常见的矩形均布垂直荷载作用下土体中某点侧向变形可表示为：

上式中，L 与B 为矩形基础的长与宽；p 为荷载大小。

而对于真空联合堆载预压过程中，地基中土体的应力状态较单一预压更加复杂，土体的侧向变形是两者的综合。该工法中土体侧向位移的变化分为两个阶段：真空预压阶段，地基土体在真空作用下产生沉降，加固区内土体发生向内的侧向位移并在地基浅层产生裂缝；联合预压阶段，在堆载作用下地基土体发生向加固区外的挤出变形且可能在地表产生隆起现象。故利用真空联合堆载预压处理软土地基时，地基土体发生的向内变形与向外变形可以抵消一部分，减少单一预压对周围环境的影响，取得更好的加固效果。

4 结论

本文基于有效应力原理，对三种类型排水固结法加固软土地基的加固机理、加固过程中软基土体有效应力变化以及土体微观机理变化进行阐述。由于加固机理与施工工艺的不同，不同的排水固结法的加固特性如侧向位移及地基中超孔隙水压力变化均有较大差异。而联合预压可以结合两者的加固特性以达到更好的处理效果，但目前对于联合预压处理过程中稳定性控制值仍是沿用堆载预压中的控制值，后续仍需要结合联合预压本身特殊性予以修改。