真空预压法加固软土地基

[摘 要]随着我国社会经济的不断发展和进步，目前在软土地基上建设的工程越来越多，地基处理技术也日益多样化。真空预压法是一种比较常用的新型软土地基处理技术，近年来得到了广泛地应用，并取得了良好的经济效益。

[关键词]真空预压；软土地基

中图分类号：TU472.33 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0086-02

前言

真空预压法是一种适用范围较广的软基处理方法，目前在中小土质堤坝、沿海港区建设、高等级公路的软基处理中应用较多，已取得了许多研究成果，但理论研究还远远落后于工程实践的需要。对真空预压法中固结系数、固结变形、工后沉降的变化规律尚有待进一步的研究。本文对真空预压法的理论机理、实验、现场施工等方面进行了分析与探讨，对指导真空预压的设计与施工具有实际意义。

1.理论研究

南京工业大学阎少杰在《真空预压处理软土地基现场试验研究》一文中介绍到真空预压法的加固机理，即在密封膜内外产生一个负的气压差。由于竖向排水体渗透系数大，负气压可以通过排水体向下传递，使排水体中的孔隙水压力小于土体中的孔隙水压力，土体中的孔隙水向排水体方向发生渗流并被抽出，地基土发生排水固结。根据太沙基有效应力理论：对于真空预压，土体的总应力保持不变，增加的负的孔隙水压力转化为土体的有效应力。亦即表明，土中孔隙水压力的降低量等于其有效应力的增加量。在真空预压过程中，由于真空预压是一种球应力，三个方向的应力增量均相等，有效应力圆的直径保持不变。当土体中的孔隙水压力降到最低时，土体固结完成。在地基加固的过程中不存在失稳现象，荷载可以一次性施加，直到达到设计要求的最大真空度。

广州四航工程技术研究院董志良等人在《真空及真空联合堆载预压法加固软基的机理与理论研究》一文中，从渗流路径及真空度传递的情况方面对真空预压的加固机理进行了阐述。抽真空使密封膜内外产生压力差，相当于在排水垫层上施加一个相应于该压力差的荷载。工程界称这一压力差为“真空度” （或膜下真空度），一个标准大气压与地基土中任何一点压力的差值即为该点的真空度。在真空度及其压力梯度的作用下，土体孔隙中的水、气由土体流向竖向排水通道_流向地表水平排水垫层汇集到真空滤、主管中一最后被射流泵抽走，地基土体因而发生固结沉降并得到加固。

以上提到的负压固结理论及真空渗流场理论，仅仅考虑到土体内部由于空气压力变化引起孔压变化，从而反映到有效应力的相应改变，而未从真空预压的整体进行考虑。

真空预压往往不仅仅对加固区土体产生影响，而且会对加固区外一定范围内的土体产生影响。单彦贤在《真空预压加固软基的影响范围研究》一文中便对真空预压影响范围的影响因素进行了全面分析，并着重分析了真空度（大小及分布形式）、加固面积、软土层厚度、硬壳层厚度、排水板打设深度对真空预压影响范围的影响。得出了以下结论：

（1） 真空预压加固软基会使加固区周围土体发生较大水平位移及竖向沉降，并产生裂缝，从而需采取措施保护加固区周围建筑物及地下管道等；

（2） 软土层厚度及其变形模量对影响范围的影响程度最大，其次为真空度沿程损失率，最后为硬壳层厚度及排水板打设深度；

（3） 加固区宽度小于40m时，加固区宽度的变化对影响范围的影响较大；当加固区宽度大于40m时，即计算宽度大于软基加固深度时，其变化对影响范围的影响很小。

2. 实验方面

2.1 现场监测试验

连云港国际物流园区一期工程位于杨圩大桥与板桥镇之间的烧香河北岸（右岸），是江苏省内河航道连申线北端起点。此工程在施工过程中进行了表层沉降、分层沉降、水平位移、孔隙水压力等项目的监测，并对真空预压现场试验监测数据进行了分析，得出了如下几点结论：

（1）真空预压是在总应力不变的条件下，通过降低土体中的孔隙水压力，增加土体的有效应力，达到加固土体的效果；

（2）淤泥质土经过真空荷载预压3个月左右，固结度达到85%。

（3）土工试验表明，加固后淤泥质土的含水率，孔隙比明显降低，密度、压缩模量、抗剪强度等指标均有不同程度的提高.10m深度范围内的软土得到了有效加固.土体的承载力有了明显提高。

（4）表层沉降、分层沉降、孔隙水压力变化曲线都是在开始抽真空的前35 d左右变化明显。随着抽真空时间的延长，逐渐趋近于稳定。真空预压对3 m左右的淤泥质土层加固效果明显；

在广州港南沙港区的部分区域围海吹填造陆工程中，开展了真空预压加固大面积超软弱吹填淤泥土的现场试验研究，并对真空预压现场试验监测数据进行了分析，得出了如下几点结论：

（1）真空预压更适用于加固渗透性能较好的土体；

（2）初期沉降值大于后期沉降值，浅部土层的沉降值大于深部土层的沉降值，加固区内的沉降值大于边界处的沉降值，同时由于土层的不均匀性，导致区内沉降不均匀；

（3）真空预压加固的深度范围及宽度范围主要是在竖向排水板范围内；

（4）真空预压引起的侧向位移主要发生在地表以下15m范围内的土层，边界处的侧向位移大于区内侧向位移，区内最大水平位移发生在地表，而加固区边角处的水平位移最大值则发生在地表以下约3 m深处，这可能与其所受的水平剪切和拉应力作用较大有关。

上海某大型工程所在区域因存在大量软土而进行了大面积的真空预压。试验人员对真空预压过程中的地基沉降、水平位移、地下水位、真空、孔隙水压力等指标进行了跟踪监测。通过对各指标变化规律和各指标之间相互关系的研究分析，得出了以下结论：

（1）随着深度的增加，孔压差和真空度的实测值相差越来越大。即孔压差的变化值大于真空度；

（2）真空加载过程中，加固区及加固区外一定范围内地下水均有下降，且区内下降量大于区外下降量；

（3）孔隙水压力的消散过程和表层及深层沉降过程趋势相吻合；

（4）真空预压适用于大面积软土地基的加固。

现场监测试验通过对表层沉降、分层沉降、水平位移、孔隙水压力等项目的监测，分析得出软基沉降量随时间、空间的变化规律，并如实地对地基加固效果进行评价，从而能够指导施工方采取相关措施控制沉降量，提高地基承载力，以减轻甚至消除后期因不均匀沉降带来的危害。

2.1 室内试验

天津大学孙立强等人进行了真空预压的室内试验研究，试验所用土样取自天津围海造陆吹填区。该试验旨在探究吹填土地基真空预压加固效果欠佳的原因，并提出一种能够提高加固效果的加固方法。通过对试验过程中真空度、沉降量、孔压、十字板剪切强度等指标的监测和对试验数据的分析，试验人员得出了以下结论：

（1）吹填土含水量高，加固产生的变形很大，造成排水板发生褶曲甚至折断现象，从而使排水板功能降低，整体加固效果变差；

（2）褶曲折断主要发生在排水板上半部分，即主要发生在浅层土体；

（3）对于含水率较高的吹填土地基加固，可采用二次插板加固的方法，即先打设浅板进行一次加固，然后再打设深板进行二次加固。

该室内试验采用了前后对比的方法。通过对前后两次加固效果的评价，分析出了吹填土地基真空预压加固效果欠佳的原因，为解决问题指引了方向。但是，该试验未考虑工程实际施工中周围地下水的补充，导致试验数据有所偏颇。

3.施工方面

真空预压法的主要施工步骤如下：测量放线一铺设下层砂垫层一打设塑料排水板―铺设主支滤排水管一铺设上层砂垫层和中粗砂垫层一砂面整平一铺设无纺土工布和真空薄膜一施工密封沟一设置测量标志一安装真空泵一抽真空堆载预压固结土层一真空预压卸荷验收。

为保证真空预压的加固效果，必须严格控制一下三个环节的施工质量，即铺设水平排水垫层、设置竖向排水体和施加固结压力。

施工质量控制要点有以下几点：

（1）认真搞好内部的工程质量“三检”工作，前一道工序未检验合格，坚决不进行下一道工序；

（2）塑料排水板打设施工中，必须确保塑料板平面位置、倾斜度及打设深度均达到设计要求。施工时应加强检查，保证板距、垂直度、板长、跟带长度等符合规范要求，否则应予重打，重打的桩位与原桩位置不大于板距的15%；

（3）按质量标准严格选择塑料排水板，渗水性能良好，以保证其能具有良好的竖向排水效果；

（4）为确保加固区的密封条件以及真空预压的稳定性，应将真空预压加固软基范围内的杂物等处理干净，并认真做好密封膜，严格处理密封沟；

（5）为弥补侧面真空压力损失，加固初期应适当增设真空泵。

某道路工程位于广州市南沙区，该地区为珠江三角洲冲击平原地带，地表分布有巨厚层的软土――淤泥质土，该层土质呈灰色、深灰色，含腐殖质，局部含少量贝壳，饱和，流塑，平均厚度约18m。主要采用真空预压法进行软基处理，真空预压处理面积约52000m2，排水体采用塑料排水板，按等边三角形布置，间距为1.1～1.2m，设计深度为20m， 宽度100mm， 厚度为4.5mm。选用级配良好的中粗砂（含泥量3×10-3cm/s）作为砂垫层，砂垫层厚500mm，保证排水通道的畅通。密封膜采用抗拉强度大于2.5kN/5cm，圆球顶坡强度大于2500N，渗透系数小于1.0E-10cm/s 的聚氯乙烯膜，膜下真空要求达到80kpa，真空膜的厚度为0.14～0.16mm，为确保良好的密封度，采用双层布置。

在该工程真空预压期间进行了持续的表面沉降观测，发现取得了良好的效果。预压90天以后，最大沉降为358mm，最小沉降为224mm，平均沉降值为287mm。从实测结果可以看出，在开始抽真空的30 天以内，表面沉降量比较大，前10 天、20 天和30 天的沉降量分别占到总沉降量的45%、70% 和80%，以后沉降趋于平缓。

横琴湾酒店工程位于珠海市横琴岛富祥湾内，该区淤泥厚度较厚，深浅不一，属欠固结土，工程性质差，具有高压缩性和触变性，故需对地基进行处理，才能满足承载力要求。为缩短工期，本工程采用真空预压法进行了地基加固。该工程地基在预压120-150d后，固结总沉降量10-20cm，固结度达到93%，承载力达到30kPa，强度及残余沉降量均满足设计要求，且在后期的使用中未发生大沉降与差异沉降。

真空预压法不仅仅用于房屋建筑、道路工程，亦可用于水利工程。位于连云港市连云新区的西野闸水利工程，由于闸址处海滩淤泥厚度较大，含水率高、孔隙比大、高压缩性，抗压抗剪强度低，故选用真空预压法进行了软土地基的加固。该工程加固面积达14632，故进行了区域分化加固。加固区内布设15台真空射流泵，每台控制约975。每个区域均按正方形打设塑料排水板，间距为1.0m、1.5m，由原泥面依次3铺设编织布一层、竹架一层、编织布一层、50cm厚中粗砂、密封膜2层、土工布一层。对真空预压期间各指标进行跟踪监测，发现取得了良好的工程效果。抽真空预压预压144d，最大沉降量达1489mm，最小沉降量达983mm，平均沉降达1283mm，沉降效果明显；计算固结度大于80%，满足设计要求；加固后的地基承载力为72kPa，达到设计要求的90%。

4.结论

真空预压法适用于加固淤泥、淤泥质土和其他能够排水固结而且能形成负超静水压力边界条件的软粘土。目前，真空预压法已广泛用于港口工程、石油、化工、建筑、道路和机场等工程，加固面积已超过150 万平方米，取得了良好的技术经济效果。相较于其他类型排水固结法，真空预压法具有成本低、效果好、工期短、不对土体产生破坏的特点，是加固软土地基行之有效的方法之一。但是，真空预压法的施工工艺存在诸多不足之处，如当淤泥中存在较厚砂性土层时，无法达到完全隔气密闭效果；当淤泥含水率较高，上部砂垫层易沉陷到淤泥中而无法进行水平向排水；局部加固效果不明显等。因此，真空预压法仍有待进一步的研究改进。相信在不久的将来，真空预压法将用于更加广阔的领域。

参考文献

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