真空预压法加固软土地基的效果观测分析

2004年3月SHUILI XUEBAO第3期文章编号：0559-9350 (2004) 03-0087-06真空预压法加固软土地基的效果观测分析闫澍旺， 朱 平， 刘 润(天津大学 建筑工程学院，天津 300072)摘要：真空预压法是加固软土地基的有效方法。

本文以实际工程为例，详细论述了真空预压设备的布设，施工方法，检测方法及检测仪器的布设，对工程实际的观测结果进行了深入分析。

实践证明使用真空预压法，通常对地基施加相当于80kPa荷载的真空压力，100d后地基的总沉降量可达到1m,地基土的平均固结度超过90%。

经过加固的地基抗剪强度明显增加，含水量和孔隙水压力明显减小，地基的承载力可达到80kPa以上。

关键词：真空预压； 孔隙水压力； 固结；沉降； 侧向变形； 承载力中图分类号：TU471.8 文献标识码：A近年来随着天津港建设的迅猛发展，围海造路工程的增多，水力吹填的施工方法被广泛采用。

这就使得在天津港港区内，部分地面以下5～6m的深度范围内，分布着吹填上来的海底淤泥质土，道路、集装箱堆场以及各种设施的建设都要在这种地基上进行，吹填土在刚吹填的初始几年内在上覆土重下难以达到完全固结，具有很高的含水量和很低的强度。

而且天津港地区广泛分布着深厚的软黏土土层，即使在这种吹填土以下的地基土其承载力仍然很低。

所以在进行任何施工以前必须对地基进行加固处理。

堆载预压法不适于加固这种地基，因为在这种非常软的软黏土地基上修筑几米高的堤是相当困难的。

真空预压法加固软黏土地基是一种行之有效的方法，且其加固时间相对较短，施工成本低。

真空预压法加固软黏土地基，从1980年开始在天津地区被广泛应用于围海造路工程及软基加固工程，并取得了良好的加固效果。

与之相应的机理研究和现场试验研究也相继展开［1～5］。

在真空预压法的加固体系中，砂井或近年来被广泛使用的塑料排水板与真空加压设备及孔隙水收集系统联合使用。

在设计合理的情况下，其真空度能保持在不小于80kPa的水平。

与能达到同一加荷效果的堆载预压法相比，真空预压法更加经济且能大大缩短工期。

根据研究比较［5］，如果按当地的用电量和材料收费标准计算，真空预压法的成本仅为堆载预压法的2／3。

有关真空预压加固机理的研究，许多学者曾做了大量的工作［2，4，6，7］。

本文跟踪天津港某道路地基加固工程的全过程，侧重于真空预压法加固软土地基的工程应用研究，详细阐述了这一工程的现场条件，软基加固方案，施工方法及监测过程。

对现场取得的实际监测数据进行分析和比较，对地基土体的固结度及加固效果进行了评价。

同时对与真空预压法相关的部分问题展开讨论。

1 工程地质条件图1为施工现场的示意图。

预加固区长364.5m，宽51m，为了施工和监测方便将其划分为两个区块即1区和2区。

根据地质勘察报告，表1给出了预加固区土体的物力力学指标。

由表1可以看出，第一层即地表以下6m内为经水力吹填上来的欠固结软黏土，第二层为粉土，其强度相对较高。

这两层以下为20m 厚的高压缩性粉质黏土和中压缩性软黏土。

图2分别给出了两个区块中地基土的基本物理力学指标分布。

收稿日期：2002-11-29作者简介：闫澍旺(1950-)，男，天津人，教授，从事岩土工程和海洋工程的研究和教学。

2004年3月SHUILI XUEBAO第3期由图2可见，地基土的含水量一般大于等于50％，接近土体的液限，抗剪强度普遍较低。

表1 地质勘察结果层号标高／m土性描述1 2 3 4 5+6.0～+0.0+0.0～-2.0-2.0～-5.0-5.0～-7.0-7.0～-18.0水力吹填软黏土，黄灰色，饱和，高塑性，高压缩性粉土，灰色，饱和粉质黏土和软黏土，灰褐色，高塑性，高压缩性S粉质黏土，灰褐色，高塑性粉质黏土，灰绿色，中压缩性图1 加固区及测点布置示意图2 地基土土性指标分布2 地基加固过程经过真空预压法加固后的地基，应达到以下技术指标：（1）地基承载力不小于80kPa；（2）在不小于80kPa的真空固结压力作用下，地基土体的平均固结度大于90％。

本工程真空预压法的施工过程如下：在地表铺设0.3m厚的砂垫层，打设塑料排水板，间距1.0m，板长20m。

在砂垫层中铺设直径100mm的波纹管，这些波纹管将塑料排水板与真空加压设备相连。

波纹管上设有小孔，用土工织物缠绕形成过滤层。

而后在两个区域分别铺设3层塑料膜进行密封，最后采用射流泵施加真空压力。

在施工中，真空压力将始终保持在80kPa以上，通常荷载施加时间不小于100d。

当地基土的固结度达到要求，且观测连续10d内的日沉降量小于1.5mm时，即停止加压。

本工程的施工安排如下：2001年9月13日～2001年9月25日，铺设30cm厚砂垫层;2001年9月18日～2001年10月3日，打设塑料排水板；2001年10月19日～2002年6月24日，在密封膜下施加真空压力80kPa。

2004年3月SHUILI XUEBAO第3期3 监测过程作者对真空预压的整个施工过程进行了跟踪监测，分别在两个区块中布设了如下的监测仪器：孔隙水压力计，表面沉降观测仪，深层分层沉降仪，压力计，测斜仪。

仪器的布置图可参见图1(平面图)，图3(立面图)。

同时对加固前、后的土体进行了室内不排水实验和现场原位十字板实验。

图3 仪器布设(立面图)3.1 沉降量观测 在打设排水板的施工过程中，观测到的平均沉降量为0.58m。

图4所示为真空预压前观测到的地基中的孔隙水压力分布图。

从图中可以看出，量测到的孔隙水压力明显大于静水压力，说明土体处于欠固结状态。

排水板打设完毕后，为土体提供了竖向排水通道，土体在自重作用下固结，因此产生一定的沉降。

图4 观测到的孔隙水压力和静止水压力在真空荷载的施加过程中，地表沉降随着真空压力的施加而逐渐增长，见图5。

图6给出了地面以下不同深度处观测到的沉降量随施加的真空压力而变化的曲线。

观测得到的地表最大沉降量为1.232 m，最小沉降量为1.024m，平均沉降量为1.106m。

2004年3月SHUILI XUEBAO第3期图5 地表沉降随真空压力的变化图6 不同深度处沉降量观测值3.2 孔隙水压力观测 在真空荷载的作用下，地基土体中的孔隙水压力不断减小。

图7给出了不同深度处孔隙水压力随时间变化的曲线。

从图中可以看出，土体中不同深度的孔压变化在加荷一个半月到两个半月的时间后，趋于稳定。

由观测结果可知，80kPa的真空压力沿竖向塑料排水板均匀分布，说明真空压力的施加是相当有效的。

图7 不同深度孔隙水压力的变化过程3.3 观测结果分析3.3.1 土体的固结度 由观测可知在真空压力的作用下土体发生了固结，并由此在地表产生了近1m的沉降，且由图6可知，在土体加固深度范围内均发生了固结沉降。

在加固的后期，沉降量明显减小趋于稳定，说明绝大部分的固结沉降可在三个月时间内完成。

土体的固结度U t可通过沉降量或孔隙水压力计算得到。

通过沉降量计算固结度时，必须得到土体的最终沉降量。

最终沉降量可由已经观测到的不同时间间隔的沉降量推算。

计算方法如下)()()()(2312232123SSSS SSSSSSS−−−−−−=∞(1)2004年3月 SHUILI XUEBAO 第3期 式中：S ∞为最终沉降量；S 1、S 2、S 3分别为t 1,t 2,t 3时刻的沉降量，且t 3-t 2=t 2-t 1。

在得到最终沉降量后，可按下式计算土体的固结度：Ｕt =S t /S ∞ (2)式中：S t 为t 时刻的沉降量；U t 为t 时刻的固结度。

90d 时观测到的土体的平均沉降量为1.106m，根据式(1)，最终沉降量为1.217m，代入式(2)计算得到土体的固结度为90.0％。

固结度同样可通过孔隙水压力求得∫∫−=V V t dV u dV u U 05/1 (3)式中：u 0为初始孔隙水压力；u t 为t 时刻孔隙水压力；V 为计算区域的面积。

根据图7给出的孔隙水压力观测值，经计算得到：1区平均固结度为92.5％，2区平均固结度为92.4％。

3.3.2 真空预压前、后土性的变化 作者对场地内的土体进行了十字板实验，图8给出了十字板实验结果。

从图中可以看出加固后十字板强度明显增长，对于软黏土其强度增长20％，地基承载力达到80kPa。

同样，对加固前、后的土体进行了相关的物理力学指标试验。

图9给出了地基土含水量的变化,从图中可以看出土体的初始含水量越高，土体失水越多。

图10给出了地基土压缩性的变化，同样的，土体越软其增长幅度越大。

图8 加固前、后十字板强度变化曲线图9 加固前、后土体含水量的变化曲线2004年3月 SHUILI XUEBAO 第3期图10 加固前、后土体压缩性的变化曲线3.3.3 水平向位移 由于真空压力的作用，引起加固区内土体发生向内侧的水平位移。

作者对加固区的水平位移进行了观测。

图11为1区土体水平向位移量随深度变化的曲线。

从图中可见，水平向位移在地表最大，随深度的增加急剧减小。

距加固区数米外的土体在地表附近发生开裂，由于该工程场地附近没有邻近建筑物和其他设施，水平向的位移不会导致不良后果。

但是水平向产生的位移，应引起足够的重视，特别是当场地附近有建筑物时，这种位移是相当不利的。

3.3.4 加固深度 加固深度问题始终是真空预压法中的热点问题，一般认为有效加固深度为10m。

通过对本工程的观测发现，真空荷载可到达地面以下20m 处。

4 结 论本文详细阐述了采用真空预压法加固20m 厚软黏土地基的施工方法及监测过程。

得到如下结论：(1)对于非常软的软黏土地基，采用堆载预压法很难施工，真空预压加固法是行之有效的地基处理方法。

经处理后的地基承载力可达80kPa以上。

(2)真空压力的实施和传递主要由两部分组成，间距1m 的竖向塑料排水板和水平向铺设的直径100mm 的波纹管，塑料排水板起到增加土体中竖向排水通道的作用，波纹管可同时起到传递真空压力和集水的作用。

80kPa 的真空压力可达到地面以下20m 处。

(3)土体在80kPa 真空压力的作用下，100d 固结度可达到90%以上。

观测的地面沉降接近1m。

(4)在真空压力的作用下加固区土体发生向内侧(加固区)的水平向变形，地面出现明显开裂。

当采用真空预压法加固软土地基时，如在加固区附近有建筑物或道路，这种较大的侧向位移必须引起足够的重视。

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