真空预压法处理深厚软土地基应用研究

徐新星

（东莞职业技术学院建筑学院 广东东莞 523808）

0 引言

真空预压法由瑞典学院杰尔曼教授于1952 年在美国麻省理工学院召开的软土加固会议上提出，该地基处理方法具有施工设备简单、加荷速度快、工期短和工程造价较低等优点，能使多种类型的软弱地基稳定性和承载能力显著提高，已在机场、高速公路和房屋建筑等工程中广泛使用。

国内学者对真空预压法的理论进行了大量研究，陈国华［1］结合某道路工程，研究了真空联合堆载预压法在道路软基处理中的应用。赵汉亮［2］通过某工程软土地基真空预压处理前后十字板剪切试验、土工试验及平板载荷试验数据对比分析，综合评估了地基处理效果。董志良等人［3］通过研究得出渗透系数随固结应力的变化规律；王竞州［4］进行了真空预压与电渗固结室内试验；蔡袁强［5］采用超低压固结–渗透仪进行了大量的吹填淤泥固结、渗透试验。沈宇鹏等人［6］对增压式真空预压两种固结解析解的对比试验分析研究；孙佳锐等人［7］对直排式真空预压法加固吹填土地基的固结沉降进行分析研究；田乙等人［8］提验证了预压时间效应参数的值越大代表真空预压施加得越快，对应的土体固结发展越快；李均宏［9］运用大型通用有限元软件ABAQUS 研究了真空预压法排水带未穿透的软土层的固结沉降效果；郭霄等人［10］对直排式真空预压法下竖井地基的非线性固结解析解进行了研究，总结了最终有效应力与初始有效应力的变化关系。

1 真空预压法理论基础

真空预压法，即在待处理的软土地基中设置排水通道（水平砂垫层、竖向塑料排水板或袋装砂井），然后在表面设置不透水层（如不透气密封膜），通过在膜下对排水体系长时间不断抽气抽水，使地基中形成负压，软黏土在负压下排水固结，达到提高地基承载力，减少工后沉降目的，相关排水通道设置如图1所示。

图1 真空预压地基处理竖向排水体的设置Fig.1 Setting of Vertical Drainage Body for Vacuum Preloading Foundation Treatment

当地基待处理区域内存在贯通砂层或排水性能较好的成层的土层分布时，除在需要加固范围内设置竖向排水体外，还需在加固区四周设置密封的止水帷幕。当加固区深处有水平向贯穿砂层时，不能将竖向排水体打穿深处的贯穿砂层，用一定的密封间距来保证加固土体的密封性。

在初始状态，薄膜内外以及土体孔隙中的气体与地下水面都是处于大气压力作用Pa。抽真空施工时，首先排出薄膜内砂垫层中的气体，其压力逐渐下降至P，薄膜内外形成气压差（Pa-P）使薄膜紧贴于砂垫层上，此压差称为“真空度”。“真空度”通过竖向排水通道逐渐向下和向四周土体传递扩散，使土中孔隙水压力持续降低，形成负的超静孔隙水压力。超静孔隙水压力的存在使土体孔隙中的气和水由土体通过垂直排水通道渗流，并汇集至地表砂垫层中被水泵抽出真空预压固结原理如图2所示，可以认为，加固过程中的总应力并没有增加，即△σ=△σ′+△μ=0。在真空度形成及抽气施工过程中，土中降低的孔隙水压力等于增加的有效应力，即△σ′=-△μ，设加固前地基中平均应力为P0′=（σ10′+△σ30′）。固结完成后应力增加△σ′，即σ3′=σ30′+△σ′，σ1′=σ10′+△σ′，平均应力增加，即P0=P0′+△σ′。当加固结束后，预压等“荷载”卸除后，地基的强度与原有抗剪强度τ0相比，抗剪强度增加了△τ，即在加固后强度得到了提高。

图2 真空预压加固地基的强度增长机理Fig.2 Strength Growth Mechanism of foundation Strengthened by Vacuum Preloading

2 工程应用研究

2.1 工程背景

某项目位于广州市南沙区黄阁镇中西部地区，占地总面积约为15 万m2，建筑面积约26 万m2。建筑类型主要为3层连体住宅和小高层（11层）。

本场地地质状况不良，属于新近沉积的欠固结土，自重状态下的固结还未完成。为淤泥质居多，场地土的类型为典型的南沙地区软弱土，建筑场地类别为Ⅲ类。根据地质勘查报告揭示，拟建场地各土、岩层自上而下为：

〈1〉耕土、填土层，厚度0.20～2.30 m，平均厚度0.70 m。

〈2〉海陆交互相海冲（淤）积层，呈灰黑色，以粉黏粒为主，含较多腐殖质和少量粉细砂，含贝壳，饱和，呈流塑状态。部分钻孔该层局部有淤泥质土或含较多中细砂。层面埋深0.20～2.30 m，厚度3.90～28.70 m，平均厚度10.97 m。

〈3〉冲洪积层

①粉质粘土，层面埋深4.40～23.80 m，厚度0.50～10.20 m，平均厚度3.77 m。

②淤泥质土，深灰、灰黑色，以粉粘粒为主，局部含较多中细砂，含腐殖质，个别钻孔含较多朽木，饱和，流塑状态。层面埋深5.80～27.50 m，厚度0.80～16.00 m，平均厚度5.68 m，其物理指标如表1所示。

表1 淤泥质土主要物理力学性质指标统计Tab.1 Statistics of Main Physical and Mechanical Property Indexes of Mucky Soil

③粉质粘土，层面埋深7.50～32.00 m，厚度0.70～8.70 m，平均厚度3.31 m。

④砂层，以粗砂为主，含少量粘性土，部分含较多粘性土，饱和，呈稍密～中密状态，层面埋深5.30～33.00 m，厚度0.50～11.20 m，平均厚度2.49 m。

〈4〉残积层，包括可塑状态质粘性土和硬塑状砂质粘性土，平均厚度6.89 m。

〈5〉花岗岩，平均厚度10.13 m。

2.2 软基处理方案设计

工程现状场地标高在4.7～6.8 m 之间，多为农田，南侧有一景观排水沟渠，沟底标高约为4.0 m，场地平整标高为6.8 m。综合考虑场地条件、施工工艺、以及工期要求等因素，采用真空预压排水固结法方案进行地基处理。

真空预压法设计需要考虑竖向排水体的类型选择、断面尺寸、间距、排列方式和深度等；水平排水体设计；预压区面积与分块大小；真空预压工艺；要求达到的真空度与地基固结度；真空预压和建筑物荷载下的沉降；真空预压后地基的强度增长等。

真空预压竖向排水体常用的有袋装砂井和塑料排水板两种。塑料排水板为预制成品，具有质量指标较稳定、连续性好和施工效率高等优点，可优先选用塑料排水板作为竖向排水通道。排水板间距设计为1.0～1.2 m，采用等边三角形布置，地面水平排水通道采用60 cm 厚的中粗砂垫层，中粗砂垫层起着水平排水及传递真空度的双重作用。施工期设计为4.5 个月，待沉降完成后施工建筑桩基和道路基层。

根据场地内地质及建筑分期建设情况，将场地分为8 个不同区域，A1～A3 区为一期别墅区范围，B1～B5为二期工程。软基处理分区如图3所示。具体软基处理设计及预估如表2所示（不含填土时间）。［11］

表2 软基处理设计及预估Tab.2 Design and Estimation of Soft Foundation Treatment

图3 软基处理分区Fig.3 Zoning of Soft Foundation Treatment

本次设计根据各区域地质普遍情况确定了各区的塑料排水板平均长度，在进行塑料排水板实际插设时须根据钻孔资料确定排水板的插设长度。

由于B1、B3、B4区域外侧与外部相接部位淤泥层以下存在砂层，设计时在相应地方外圈设置粘土幕墙，其渗透系数不大于5×10-8cm∕s。粘土幕墙采用双层粘土搅拌桩，桩径60 cm，搭接长度20 cm，采用四喷四搅方式施工，施工间距为0.4 m；按照整体工期要求，分段进行施工；施工中应注意泥浆比重及喷搅时间等，以免出现断层而影响真空抽气。本场地粘土搅拌桩桩长暂按9 m控制。实际施工时，应按照地勘报告，并沿边界每隔30 m左右进行触摸，按实际深度打设。

真空预压技术指标：①预压荷载≥85 kPa；②满载预压时间为90 d。真空预压卸载标准：①地基固结度≥90%；②连续10 d实测沉降速率≤2.0 mm∕d。

2.3 地基处理监测

2.3.1 地基处理监测内容

真空预压法在本工程应用中须进行的施工监测项目如表3所示。

表3 监测项目Tab.3 Monitoring Items

2.3.2 地基处理监测分析⑴膜下真空度

在满载预压过程中，设计要求膜下真空度不小于85 kPa。从膜下真空度测量结果可以看出：在真空初期，真空度上升较快。中后期膜下真空度一直保持在不小于85 kPa，满足设计要求。

⑵地表沉降

地表沉降由打设塑料排水板期间的沉降量和真空预压期间的沉降量两部分组成。A1 区打设塑料排水板期间的沉降量为204 mm；A2 区打设塑料排水板期间的沉降量为153 mm；A3 区打设塑料排水板期间的沉降量为242 mm。A1、A2、A3 区按设计要求共布置地表沉降标23 个，各沉降标沉降量如表4 所示，各分区平均总沉降量如表5所示。

表4 各沉降标真空预压期间沉降量一览Tab.4 Settlement Amount of Each Settlement Standard during Vacuum Preloading

⑶固结度分析计算

利用地表沉降标观测资料计算固结度的方法选用三点法。公式如下：

式中：s1、s2、s3为相同时间间隔下的实测沉降量；s∞为相应荷载下的最终沉降量；st为相应荷载下t时刻的沉降量；Ut为相应荷载下t时刻的固结度。

利用式⑴、式⑵，通过实测沉降数据计算卸载前土体的固结度，如表6所示。

由表6可以看出：3个区中A2、A1、A3区土层的平均固结度为92.14%～97.16%，满足设计提出的关于固结度要求的卸载标准。

表6 各沉降标计算的固结度Tab.6 Consolidation Degree Calculated for Each Settlement Scale

2.4 地基处理效果评价

真空预压软基处理完成后，对项目A 地块第I 区工程的真空预压处理后的地基的9个点钻孔取样进行土工试验。其中，孔1、2、3 位于A1 区，孔4、5、6 位于A2 区，孔7、8、9 位于A3 区。地基处理后淤泥的主要物理力学性质指标如表7所示。

表7 地基处理后淤泥主要物理力学性质指标Tab.7 Main Physical and Mechanical Property Indexes of Sludge after Foundation Treatment

经对比可发现，真空预压地基处理使得地基中淤泥含水率w明显降低，降幅可达30%，孔隙比e降幅可达50%，淤泥粘聚力c增幅可达85%，内摩擦角φ也略有上升。由此可见，该区域淤泥等软土经真空预压地基处理后，土性得到明显提高，为后续的工程施工提高了很好的安全保障，并同时降低了后续工程的成本。

3 结语

⑴真空预压法有着加载速度快、减少工程造价和缩短施工工期等优点，且处理工程中不会引起地基失稳，能有效处理南沙地区新近沉积的深厚软弱土地基。但是须根据工程具体情况科学设计、合理分区、采取措施保证所处理土体的密闭性。

⑵真空预压法处理软弱土地基过程中，需采取科学有效的检测方法，对加载周期、沉降速度和固结效果进行管理和控制，这也是提高真空预压法施工质量的有效途径。

⑶真空预压施工过程中，土体有向内侧的水平位移，需要加强变形程度的预测及周边构筑物的影响，另外，实用沉降计算方法有待进一步优化。