深厚软土地层真空联合堆载预压地基处理对周边建筑物变形影响研究

2023-02-28周仰东黄永基陈武荣倪伟林谢运鹏

广东土木与建筑 2023年1期

周仰东，黄永基，陈武荣，倪伟林，张荣，谢运鹏

（1、广州环投南沙环保能源有限公司广州 511400；2、广东工业大学土木与交通工程学院广州 510006）

0 引言

随着我国经济建设的高速发展，现有土地资源难以满足建设的需要，围海造陆的出现有效缓解了经济发展与建设用地不足的矛盾。然而围海造陆的材料通常是大面积的软土或淤泥，该类土层一般含水量高、承载力低、孔隙大且富有压缩性，为满足工程实际需要，国内外学者对软土地层的处理开展了大量的研究，比较有代表性的单一地基处理方法主要有堆载预压法和真空预压法。堆载预压法［1］是指在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之缩小，地基发生固结变形，且随着堆载时间的延长，土中孔压逐渐消散转变为有效应力，土体强度因此提高，该方法所用材料、器具简单、施工操作方便，然而堆载预压需要一定的时间，工程较长，且为了减小卸压后土体的沉降，堆载高度往往超出设计标高很多，待地基强度达到设计标准时还须挖除该部分超载填土，导致成本较高、工期较长。真空预压法［2］是通过抽真空的方式降低边界孔隙水压力，孔压全部消散转变为有效应力，土体强度进一步提高［3］，该方法明显减小了超载填土的数量，节省预压材料，降低了工程的造价，施工简洁，固结快，工期短，然而缺乏预压的效果，导致该方法加固土体的深度有限。单一的地基处理方法一般存在着明显的缺点［4］，故现有的地基处理方法逐渐朝着两种或者多种处理技术联合使用的复合型地基处理方式的方向发展，真空联合堆载预压地基处理技术［5］是一种比较典型的真空预压法和堆载预压法相结合的复合型地基处理方法，该方法克服了真空预压法荷载过小的缺点，同时也克服了堆载预压法填筑速度过慢的缺点，真空预压产生的是向内收缩的变形，可以抵消因堆载引起的土体向外挤出变形问题，不会导致地基失稳，因此，真空联合堆载预压法比堆载预压法安全可靠，效果更佳，一般抽真空10～15 d后就可以连续填筑堆载土方。

为提高真空联合堆载预压地基处理技术的施工速度和施工效率，降低施工成本，国内学者对真空联合堆载预压法处理软土地基开展了大量的研究，获得了丰富的成果，在加固机理方面，陈环等人［6］提出抽真空只是不断地改变土体内的孔隙水压力，即真空预压是通过降低土体中的孔隙压力，使有效应力增加而加固，得出了在相同的压差下，正压与负压下的试样在加固后有基本相同的土体参数，即其加固效果基本相同，土体强度的增长也基本相同的结论；朱建才等人［7］通过对桥头试验监测结果进行分析，得出真空堆载联合预压的附加应力为真空预压引起的附加应力与堆载预压引起的附加应力的线性叠加。真空预压加固软土地基的有效应力增加值主要由地下水位下降而引起的有效应力增加值与真空度传递而引起的有效应力增加值这两部分组成。在稳定控制研究方面，侯红英［8］通过现场真空预压加固前后软土工程性质的变化分析，结果认为加固前后土的含水量、孔隙比、压缩系数等指标减小，容重增大，土的物理力学性质得到改善，强度明显增长，取得了较好的加固效果；江茂盛等人［9］对广东新会-台山高速公路真空-堆载联合预压方法及堆载预压方法加固的软基路堤稳定性进行了计算和分析，通过比较得出真空-堆载联合预压法加固的软基有较高的稳定性的结论。在沉降计算与预测方面，裴元新［10］对传统真空联合堆载预压法进行了改进，将真空源设置在土体下方以充分利用重力作用加快排水速率，根据该方法设计了室内固结试验，通过研究得到了任意时刻沉降量计算公式；在土体微观结构模型方面，秦炎［11］通过对真空预压加固前后土体的微结构变化规律对比，结果表明加固前结构单元体以蜂窝状、絮凝状结构为主，大孔隙虽然数量不多，但所占面积含量较大，孔隙定向分布频率在各个区间含量较均匀；加固后，结构单元体以团聚体结构为主，大孔隙基本消除，但孔隙的定向没有明显的变化，由此说明真空预压加固法是一种等向固结的加固方法。在地基变形特点方面，于海成［12］通过地面变形观测，基本掌握了山东某港口，在真空联合堆载预压作用下地基的变形规律，可供类似工程参考。曾起召［13］通过对现场试验结果的分析，准确掌握某场区软土地层在软基处理过程中形变规律，获得了优化设计及指导施工所需的岩土形变参数；沙玲等人［14］采用Abaqus有限元软件对真空-堆载联合预压荷载下的吹填土进行数值模拟与分析，得出真空预压阶段的吹填土在加固区以内主要产生收缩变形而加固区以外则为剪切变形；真空-堆载联合预压阶段的加固区以外土体仍向加固区内部产生收缩变形，随着堆载的增加，加固区以外的土体会产生向上的隆起现象。

从以上研究成果可以看出，针对真空联合堆载预压地基处理技术开展了大量的研究，他们通过试验和监测结果对软土进行加固效果的分析、软土变形理论方法的研究和数值模拟的探索等，丰富了真空联合堆载预压作用下软土变形的研究，然而大多研究成果是基于中浅软土地层开展的，较少涉及深厚软土地层，深厚软土地层预压固结机理仍需进一步探讨，真空联合堆载预压的稳定设计与现场控制标准还需完善，对工后沉降控制与预测的研究成果还较为少见。

为此本文在广州市某热力电厂的深厚软土地层中开展了真空联合堆载预压现场试验研究，详细介绍了真空联合堆载预压实验过程，分析了区域内土体沉降、孔隙水压力、侧向位移的变化规律以及对周边建筑物变形影响，为真空联合堆载预压处理技术的现成施工提供了技术参数和理论指导。

1 试验概况及试验方案

1.1 现场试验场地概况

本试验对象为广州市某热力电厂的深厚软土地层，试验场地位于广州市南沙区大岗镇，北临东新高速，东靠上横沥河道，西邻十一顷涌，南靠中船中路，试验场地位置如图1所示。试验依托工程的区域总用地面积145 800 m2，分为A 区、B 区、C 区和D 区。4 个区域用地面积分别为74 200 m2、22 300 m2、19 200 m2、30 100 m2，如图2 所示。且场地内广泛分布着冲积形成的软土地层。

图1 施工场地布置Fig.1 Construction Site Layout

图2 场地分区示意图Fig.2 Schematic Diagram of Site Zoning

1.2 现场试验土体物理力学参数

该深厚软土地层主要为软粘土，具有含水率高、孔隙比大、强度低等特点。其中，液限和塑限采用液塑限联合测定仪测定，比重采用比重瓶法，试验方法均参照《土工试验方法标准：GB/T 50123—2019》。其主要物理力学参数如下：比重为2.67，含水率为56.06%，液限为39.89%，塑限为32.69%，塑性指数为7.20%，粘聚力为5.0 kPa，内摩擦角为2.6°，弹性模量为1.74 MPa。

1.3 现场试验过程

鉴于工程中存在大面积软土且物理力学性质较差，本文采用真空联合堆载预压技术［15］对该软土地基进行处理，实验过程如下：

施工布置如图3所示。施工中通过真空泵将铺好的土工膜进行膜内抽真空，使膜下砂垫层和竖向排水体内形成负压，与此同时，土工膜外仍承受着大气压力，此时膜内外将产生压力差△p。当压力差达到80 kPa 以上并保持稳定后，再进行堆载，堆载应分级进行，每级控制在20 kPa 以内，加载后待孔隙水压力稳定再进行下一级的加载。

图3 真空联合堆载预压法Fig.3 Vacuum Combined Stacking Preloading Method

1.4 现场试验方案

本试验区域内土体沉降采用沉降板观测地表沉降、采用分层沉降管监测地基分层沉降；孔隙水压力采用孔隙水压力计进行监测，观测软土地基孔隙水压力变化情况，评价加固效果及稳定性；侧向位移采用剖面沉降管监测地基侧向不均匀沉降的大小及发生；监测点布置如图4 所示，最大可监测深度为25 m。其中，KYA 表示孔隙水压观测点，FCA 表示分层沉降观测点，ZKA表示真空度观测点，SWA表示水位观测点，CX 表示周边建筑位移、倾斜观测点。堆载材料选用普通土方。

图4 监测平面布置Fig.4 Monitoring Floor Plan

施工过程中塑料排水板最大埋设深度为30 m。缩短塑料排水板间距可以有效减少固结时间，但是超过一定范围后，缩短其间距对缩短固结时间效果不明显［16］，如图5所示。综合考虑工期及造价后，排水板设置间隔为1 m。

图5 堆载-时间关系Fig.5 Load-time Relationship

2 试验结果与分析

2.1 真空度分析

真空度［17］是表示真空状态下气体稀薄的程度的量，用压力值表示，此处以千帕斯卡（kPa）为单位。如图6所示，本试验过程中实时监测土体的真空度，在采用真空联合堆载预压技术对该软土地基进行处理的初期（0～14 d），由于前期施工准备的原因，真空度几乎为0 且暂未发生变化；随着时间的增加（14～21 d），真空度几乎线性增加，真空度上升速度约为4 kPa/d，从0迅速增加到30 kPa，这是因为真空泵开始工作，孔隙水逐渐沿预先铺设好的管道排出；当实验时间超过28 d 后，真空压力逐渐保持稳定，真空度基本稳定在80 kPa 左右，达到设计要求，说明真空预压施工工序基本完成，膜内外气压差基本稳定，孔隙水排出，固结过程基本结束。施工开始87 d后真空泵停止工作，膜下真空度有所下降，但下降幅度较小。

图6 真空压力随时间变化曲线Fig.6 Curve of Vacuum Pressure Versus Time

2.2 孔隙水压力分析

两个观测点均于8 月26 日开始施工，孔隙水压力随时间变化曲线如图7 所示。对于观测点KYA 1，在施工初期（0～14 d），土体的孔隙水压力迅速消散。这是因为在地基内外压差的作用下，孔隙水迅速排出；在施工开始42 d 后，孔隙水压力达到了-60 kPa，此后孔隙水压力消散速率有所放缓，这是因为孔隙水持续排出所伴随的孔隙水压逐步消散，土颗粒“自发”重新排列，变形增加导致消散速率减缓；在施工开始63 d后，孔隙水压力逐渐保持稳定，此时孔隙水压力约为-80 kPa，这说明伴随着孔隙水压力的减小，固结过程基本结束。对于观测点KYA 2，与观测点KYA 1 类似，施工初期孔隙水压力消散迅速。在施工开始42 d后，孔隙水压力达到-50 kPa，略低于KYA 1。在施工开始后63 d 后，孔隙水压力同样达到了-80 kPa。在土方开始堆载后，孔隙水压力基本保持稳定。

图7 孔隙水压随时间变化曲线Fig.7 Variation Curve of Pore Water Pressure with Time

比较KYA 1 和KYA 2 两点的孔隙水压力消散曲线，可以发现其趋势比较相似，但是最终的孔隙水压力略有不同。这是因为堆载预压过程中，土体的孔隙水压力分布是各向异性，极其复杂的，但其增长值（或增长率）与土体稳定之间存在一定的联系，并出现增长的规律性。两点的孔隙水压力均在施工开始60 d后达到了-80 kPa，随后进行了土方堆载。堆载后，孔隙水压力仍然保持稳定。

2.3 沉降分析

本次真空联合堆载预压试验共设置了23 个沉降观测点。每个观测点均进行了18次沉降数据监测，每次监测时间间隔约为7 d。本文基于CJA 4、CJA 5 和CJA 7 三个测点的数据对地基沉降进行分析，沉降量随时间的变化如图8⒜所示，沉降速率随时间的变化如图8⒝所示。

图8 土体沉降及土体沉降速率随时间变化曲线Fig.8 Curve of Soil Settlement and Soil Settlement Rate with Time

分析沉降数据可发现真空联合堆载预压初期（0～14 d）各观测点的沉降量稍有不同，这是因为区域土体性质差异导致的真空压力分布不均有关。随着施工的进行（14～42 d），土体沉降速率逐步提升。以测点CJA 5为例，施工开始42 d后土体沉降速率达到最大，达到60 mm/d。这是因为地基土中孔隙水进一步排出，土骨架重新排列，沉降最为明显。当施工时间到达63 d后，地基沉降速率逐渐降低。该阶段的沉降变化趋势与前文中孔隙水压力的变化趋势相似，这说明了伴随固结过程的基本结束，沉降过程也已基本结束，此时地表累积沉降约为2 m。在真空预预压处理70 d 后开始土方堆载，堆载后地基进一步排水固结，但沉降速率明显较小，日沉降量约为5 mm/d。

2.4 分层沉降分析

为进一步分析加固区的分层沉降趋势，选取点FCA 1 的监测数据进行分析，分层沉降曲线结果如图9 所示。在施工初期（0～21 d），即真空预压单独作用阶段，上层土体沉降速率较大，同时沉降速率随着深度的增加而减小。这是因为该阶段真空预压产生的压力导致地下水位的降低和孔隙水压力的消散，引起土体压缩沉降。随着时间的增加（21～42 d），沉降量线性增加，上层沉降依旧大于下层沉降，这是因为真空预压的持续作用。施工开始63 d后，各测深位置处土体沉降速率明显降低。这是因为真空度已经基本稳定，真空固结过程结束。施工现场于10 月23 日开始土方堆载，堆载后土体的沉降量明显增大，上层土的沉降量同样大于下层土。这说明了真空联合堆载预压对土体表层加固效果较显著，随着土体深度增加，效果逐渐减弱。这是因为随着土体沉降排水板发生弯折，导致真空度传递效率进一步降低，更为主要的是真空度沿竖向排水板衰减较为严重，导致深层土体加固效果较差。

图9 FCA 1分层沉降曲线Fig.9 FCA 1 Layered Settlement Curve

2.5 地基土侧向变形规律

真空联合堆载预压加固后，由于深厚软土地层高含水率、高压缩性、低强度的物理特性，软土地基会出现较大的竖向变形和侧向变形。其中侧向变形会显著影响地基的稳定性，当侧向变形过大时会导致地基失稳，出现安全隐患。因此，地基侧向位移的大小是评价其对周边建筑物影响的重要依据。为分析南沙地区软土地基在真空联合堆载预压处理下的侧向变形，在施工现场设置了16 个观测点。本节选取了CXA 1 观测点的侧向变形数据进行分析，监测数据如图10所示。

图10 水平位移曲线Fig.10 Horizontal Displacement Curve

由图10 可知，沿x轴深度方向进行分析，在第一及第二次观测时，即真空预压阶段，地基浅层土（0～-10 m）略微产生侧向位移的变化，地基深层土（-10～-25 m）基本不发生侧向位移，在第三次观测时，即土方堆载后的首次观测，地基土浅层土（0～-10 m）侧向位移发生变化，随后保持稳定。这是因为地表侧向位移受堆载预压影响较大，而真空预压阶段基本不会对地基土的侧向位移产生影响。并且堆载预压阶段，随着土层深度的增加，土侧向位移增量逐渐减少。

沿水平方向分析，真空联合堆载预压处理南沙软土地基时，在第二次观测前，即10月23日之前，地基土各深度均无明显的侧向变形。此后开始土方堆载，自第三次观测开始，各深度的地基土侧向位移明显增大，曲线发生显著变化。随后，该变形逐渐趋向于稳定。

在施工初期（0～14 d），即真空预压单独作用阶段，土体主要发生竖向的沉降。随着土方堆载的进行，各深度土层的土体均发生显著的侧向变形，随后趋于稳定。综上所述，地基的侧向位移主要出现在地表，随着深度的增加，土体的侧向变形逐渐减小，在地下25 m 处，也就是本次观测的最深处，地基土侧向位移基本不发生变化。

2.6 周围环境影响

对于大面积软土地基加固，沉降不均匀的情况时有发生，当这种不均匀性沉降比较大时对日后的建筑是极其不利的。除了不均匀沉降，侧向位移也应该予以重视，当侧向位移过大时会对周围的建筑产生不利影响，如上海某小区某楼由于一侧堆土过高导致两侧压力差过大，过大的水平向压力超过了桩基的抗倾覆能力，由此而产生水平位移导致大楼整体倾覆，因此在真空预压联合堆载处理吹填土地基时，土体侧向位移的大小和变化规律对周围环境的影响也应引起足够重视。因此，在本次真空联合堆载预压处理南沙地区软土地基中，监测了周边建筑以及周边管线的沉降情况，如图11、图12所示。

图11 周边建筑累计沉降曲线Fig.11 Cumulative Settlement Curve of Surrounding Buildings

图12 周边管线累计沉降曲线Fig.12 Cumulative Settlement Curve of Surrounding Pipelines

施工过程中对处理地块周围建筑的沉降情况进行了监测，共设置25 个沉降观测点，选取了CJJ1、CJJ3、CJJ6、CJJ7、CJJ10、CJJ12 和CJJ13 七个观测点的侧向变形数据进行分析，测点布置如图4 所示。图11为周边建筑的累计沉降曲线。

由图11 可得，大部分建筑都出现了略微沉降，其沉降值约在施工开始后63 d 稳定，最终沉降值在10～15 mm 之间。而最大沉降可达60 mm，其原因可能与该建筑的与地基情况、楼层高度等相关，需要进行进一步研究。

施工阶段周边建筑沉降增长较稳定，无论是真空预压单独作用阶段还是真空联合堆载预压阶段，说明土方堆载不会对周边建筑产生较大影响。

施工过程中对处理地块周围管线的沉降情况进行了监测，共设置8个沉降观测点，测点布置如图4所示，周边管线的累计沉降曲线如图12所示。

分析图12可知，所有管线均出现了不同程度的沉降，最终沉降量主要分布在100～300 mm 之间，且沉降量均随着处理时间的增长而增加。其增涨速率最大的时间段为开始处理后25～40 d，随后沉降量逐渐趋向于稳定。考虑该阶段为真空预压单独作用，其原因可能与该阶段的地基土沉降有关。

综上，真空联合堆载预压对周边环境的影响较小。对于周边建筑来说，大部分建筑的累计沉降为10～15 mm 之间，不会影响其正常使用。但是，对于一些特殊的建筑，比如高层建筑或者地基处理不当的建筑，在附近使用真空联合堆载预压法处理地基时，会产生明显沉降，出现安全隐患。对于此类建筑，在施工前，要慎重考虑处理范围，若无法避免，则在处理过程中需要对其沉降量实时观测，避免危险发生。

3 真空联合堆载预压加固机理分析

真空联合堆载预压法的加固机理可采用水—弹簧模型来反映，如图13所示。抽气前该系统处于平衡状态，孔隙水压力μ等于大气压力P0，有效应力σ'=0。抽气后，真空管内气压为P1，当模型达到平衡状态后施加外力P（即堆载压力），此时弹簧没有承受压力，而是由水承担了全部压力，在压力作用下水开始由真空管快速排出，带孔活塞随之下降，弹簧逐渐被压缩，外压力逐渐由弹簧承担后才达到新平衡。

图13 真空联合堆载预压法的水-弹簧模型Fig.13 Model of Vacuum Combined Surcharge Preloading Method

基于太沙基有效应力原理，对超静水压力叠加的解释如下：

在堆载预压前，距离水压零线hm处初始孔隙水压力u0=γwh；真空预压先于堆载预压施加，在h深度处抽真空气压下降达到P1，大气压力为P0，△u2=P0-P1；然后进行堆载，设施加后地基某点产生正的超静孔隙水压力为△u1，根据有效应力原理，孔隙水压力减少量即为该点增加的有效应力，即△σ'=-△u=γwh+△u1+△u2；而单独使用堆载预压有效应力增量为△σ'=γwh+△u1，单独使用真空预压有效应力增量为△σ'=γwh+△u2。故在加固软土时产生真空预压和堆载预压产生的超静水压力可以叠加，具有更好的加固效果，其有效应力变化如图14所示。

图14 真空堆载联合预压有效应力分布Fig.14 Effective Stress Distribution of Vacuum Stacking Combined with Preloading

真空预压过程的总应力不变，产生的超静孔隙水压力为负值，孔隙水在抽真空后随着管路被吸出。随着土中超静孔隙水压力越来越小，有效应力越来越大。堆载预压过程的总应力增大，产生的超静孔隙水压力为正值，孔隙中的水在正压力作用下向管路排出。随着土孔隙中的水被排出，外力逐渐转嫁给土骨架，土体的有效应力增量等于超孔隙水压力的减少量，直到超孔隙水压力全部由土骨架来承担为止。

故在真空预压的基础上进行堆载，由于正负超静孔压的相互抵消，所产生的联合超静孔隙水压力相对较低，利于软土地基的稳定。