真空预压加固淤泥土的室内试验

真空预压加固淤泥土的室内试验
钱晓丽;吴姗
【摘要】真空预压法加固后，土体的固结效果因深度不同有很大差异。

为了探究真空预压法使排水板内真空传递过程中发生不同程度真空度损失的原因，实地选取淤泥质黏土进行了室内模型试验，并在试验结束后进行土体的抗剪强度试验。

试验结果表明：加固区周围土体对排水板内真空度传递存在阻碍作用，这种阻碍作用可以通过对排水板进行密封处理而得到一定程度的减弱；另外，砂垫层对加固土体表层的十字板剪切强度影响很大，但对于表层以下土体的影响则很小，这种影响使得表层加固土体的抗剪强度远高于其他部位的土体。

【期刊名称】《河南科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(037)002
【总页数】5页(P67-71)
【关键词】真空预压;室内试验;密封处理;砂垫层
【作者】钱晓丽;吴姗
【作者单位】广州航海学院航务工程学院，广东广州 510725;漳州市路达工程设计有限公司，福建漳州 363000
【正文语种】中文
【中图分类】TU472
随着真空预压技术的迅速普及，对真空预压的研究也快速展开。

文献[1]通过室内模型试验，研究了分层插板真空预压对真空度传递的影响，测定了应力路径的改变
对加固后的地基土体沉降量的影响。

文献[2]通过吹填土的室内沉淤试验发现：对
吹填土进行真空排水预压法处理后所产生的沉降，包含由吹填土自身沉淤所产生的一部分沉降。

文献[3]通过对吹填土进行室内模型箱试验发现：排水板的弯折对真
空预压固结效果和土体强度有一定的影响，通过二次插板可以使土体强度增大。

文献[4]利用室内模型试验发现：掺砂的土体沉降量大于没有掺砂的土体，并且掺入
粗砂的土体沉降量比掺入细砂的土体高。

文献[5]研究发现：抽真空时加固区土体
内的地下水位变化量与真空度、周围水源补给情况以及土体渗透系数等因素密切相关。

文献[6]通过对重塑土的室内试验发现：真空预压下重塑土的水平渗透系数与
涂抹区的渗透系数之比，与现场原位测试得出的数值有很大差距。

文献[7]研究发
现涂抹区的半径大小与含水量的改变大小密切相关。

真空预压过程中，砂垫层中的真空度由排水板顶部传递到其底部，大部分学者都同意在传递过程中伴随真空度损失，即井阻作用，但对于损失的大小则存在不同的观点。

文献[8]认为排水板井阻的不同，主要源于排水板自身的材性，但事实上加固
区土体也会对井阻大小产生影响。

文献[9]提出了一种新型防淤堵排水板，可有效
减少真空度的沿程损失。

当真空预压中的地基达到标准后停止加载，对加固区土体进行加固效果检测时发现：仅仅表层土体的抗剪强度达到了要求；而地表5 m以下的土体，其抗剪强度提高
效果则不够理想，并且这种现象无法通过延长真空预压作用时间而得到明显改善。

5 m以下土层对地基承载能力有着重要的影响，但目前对真空预压加固效果不均
匀现象的研究却相对不足。

为了进一步揭示土体性质对排水板井阻作用的影响及加固区土体加固效果分布不均匀的主要原因，本文建立了假设模型并进行真空预压室内模型试验。

试验中对土体内部的孔隙水压力和排水板内真空度进行监测记录，并在试验后取得十字板强度和含水量(质量分数)数据。

微观试验采用美国科视达(QUESTAR) 公司生产的QM-100型显微镜，试验中使
用的放大倍数统一为50倍。

试验观察时，将土体装入透明容器中以便对准焦距，并保证土样周围有充足的光线。

利用显微镜对烘干前的淤泥土进行微结构观察，如图1所示。

图1中很难观察到
孔隙的存在，颗粒排列均匀且紧密，可见孔隙水在淤泥土中渗流排出是相当困难的。

为了进一步分析，用显微镜观察烘干后的淤泥土和粗砂，结果见图2和图3。

从图2可看出：由于烘干作用，淤泥土已变得十分干燥，但土体排列仍然十分紧密，这说明原淤泥土中孔隙水含量特别高。

对比图2与图3可以看出：淤泥土颗
粒之间的间隙远小于砂粒之间的间隙，由此可以解释淤泥土的渗透系数总是远小于粗砂的渗透系数。

将部分排水板段进行密封以达到与土体隔离的效果，观察该处理方法对排水板内真空度的影响。

通过将排水板上部进行密封来排除这部分板内真空度对土体的影响，单独考虑砂垫层对表层土体抗剪强度的影响。

对加固过程中排水板内真空度以及土体内孔隙水压力进行监测，加固结束后测量不同深度的含水量与十字板剪切强度。

试验土样在福州市闽侯县施工现场获取，利用挖掘机将距离表层3 m以下的淤泥
土挖出，经过计算以后利用砂浆搅拌机掺水搅拌获得，其物理性质指标如表1所示。

试验模型钢板箱如图4所示，其尺寸为1.1 m×1.1 m×1.5 m(长×宽×高)。

填入模型箱中的淤泥土的高度为0.9 m，其总体积为1.0 m×1.0 m×0.9 m。

在土体中打设的排水板采用正方形布置，其间距均为30 cm。

在淤泥土中埋设的真空
表探头和孔隙水压力计探头的埋设位置是相同的，竖向采用与淤泥土上表面距离为25 cm、50 cm和75 cm的3种布置方法，横向采用距离中心排水板10 cm和
15 cm的两种布置方式。

将位于淤泥土表面以下40 cm的塑料排水板段用聚氯乙烯膜密封，以30 cm为间
隔、距离钢板边缘20 cm的布置方式插入淤泥土体内，然后铺上砂垫层并铺设好用土工布处理过的排水滤管，如图5所示。

正中心的排水板中也埋设有真空表探头，用以监测真空度从排水滤管到排水板之间的传递情况，最后用聚氯乙烯膜配合玻璃胶对砂垫层表面进行密封处理并开始抽真空。

在室内模型抽真空过程中，膜下和排水板内真空度随时间的变化趋势一致，如图6所示。

在抽真空开始阶段，膜下真空度迅速达到了75 kPa，经过15 h的抽真空过程，膜下真空度逐渐由初始的75 kPa增长到82 kPa，并在其后的抽真空过程中一直稳定在这个数值。

而排水板内真空度，虽然与膜下真空度呈现出相同的变化趋势，但数值上有着一定的差异。

距离加固土体表面25 cm处的板内真空度与膜下真空度的差值一直稳定在2 kPa左右，这主要是由于30 cm厚的砂垫层对真空度的传递产生了影响并使其产生了消耗所致；其次，距离表面50 cm和75 cm处的板内真空度略有衰减，其衰减值约为1 kPa；最后，距离土体顶部25 cm和50 cm处的板内真空度数值在真空预压阶段基本保持相同，损失难以辨别。

可见，排水板顶部40 cm长的密封膜对真空度的传递损失起到一定的抑制作用，而排水板段周围的土体对真空度在排水板内的传递产生了明显的阻碍作用。

排水板周围土体之所以会对其内部真空度传递产生阻碍，是因为土体内部的孔隙结构在一定时间内扩大了真空度的传递范围。

由于真空度在排水板内的传递速度大大高于在土体内的速度，可以认为真空度传递到排水板底部是瞬时完成的，当用聚氯乙烯膜将排水板进行密封处理后，真空度瞬时需要传递的空间即为板内原来具有的空间。

当没有密封膜时，由于周围土体中存在孔隙，使得真空度在瞬时需要传递的空间得到了扩大。

由于需要传递的空间扩大了，造成了真空度在传递过程中更多的损失，从而增加了
真空度在排水板内传递的井阻作用。

真空预压加固过程中，对距离排水板相同距离但不同深度处的土体孔隙水压力进行监测记录，结果见图7。

由图7可以看出：任意监测深度处的负超静孔隙水压力(负超孔压)都呈现出先增长后稳定的趋势。

在前20 h内孔隙水压力的变化尤为显著，但这之后，其变化速率显得非常缓慢，25 cm深度处负超孔压从20 kPa升至30 kPa，用了约300 h。

距离加固土体表面25 cm和50 cm深度处的土体，其负超孔压的数值相当接近。

而75 cm深度处的土体中，负超孔压的数值就明显小于前两者。

由于25 cm深度处于密封膜的影响范围内，足以说明在25 cm深度内负超孔压主要是由于砂垫层的真空度传递作用产生的。

文献[10]研究发现：真空预压中负超孔压是随着深度的增加而增大的。

本次试验由于密封膜的关系，25 cm深度处负超孔压并没有较50 cm深度处高，虽然如此，但25 cm深度处的负超孔压也达到了较高水平，可见砂垫层对土体内部的真空度传递促进效果还是相当显著的。

加固完成后对加固土体不同深度的含水量进行测量，结果如图8所示。

由图8可以看出：在10 cm深度以上的表层土体，其含水量是比较低的，平均为50.00%；但10 cm深度以下的土体中含水量就开始快速上升，在30 cm深度处达到最高。

另外，取砂垫层下表面、50 cm和60 cm深度处的排水板周边土体进行含水量测定，结果分别为47.48%、46.73%和46.54%。

可见在排水系统周围的土体含水量都十分相近，由此推测排水板周围的淤堵情况可能同样出现在砂垫层下表面处。

采用由英国ELE公司生产的H-60型十字板剪切仪进行十字板剪切试验。

十字板剪切测量以10 cm为间隔，从0 cm到60 cm一共取7个位置进行测量。

在刚刚填铺完淤泥土时，用十字板测量的土体剪切强度几乎为0 kPa。

待抽真空结束以后，不同深度处的剪切强度如图9所示。

由图9可以发现：剪切强度在土体上表面达
到最高值，在20 cm深度处最低。

由于这一位置正好是密封膜的正中央处，说明表层土体强度如此之高与排水板的关系不大。

另外，真空度虽然在排水板内传递过程中有所损失，但损失量很小，不足以造成如此大的剪切强度差。

所以，这种固结效果不均匀的现象主要还是因为砂垫层本身的排水作用造成的。

从不同深度的十字板剪切强度可以看出：虽然在4 cm的密封段真空度传递效果明显，负超孔压数值上升比深层土体略高，但加固效果却并不理想。

造成这种现象的主要原因有两个：(1)加固土体表层的孔隙水排出较快，使得表层土体孔隙比大大减小，在砂垫层和加固土体之间形成了淤堵；(2)当孔隙水要向上往砂垫层方向流动排出时，需要克服孔隙水本身固有的重力因素，这就使得渗流排出效率进一步降低。

(1)加固区土体会对排水板内真空度传递产生一定的阻碍作用，而将排水板进行密封处理可以减少由此产生的井阻效应。

(2)当排水板产生严重淤堵时，会对周围土体的真空度传递产生影响，使其内部负超静孔隙水压力降低。

(3)砂垫层对加固区浅层土体内的真空传递效果影响很大，浅层土体也因此存在着较高的负超孔压。

(4)由于孔隙水在重力作用下不易垂直向上流动，砂垫层仅仅对加固土体的表层加固效果有着重大的影响，而对稍微深一些的浅层土体，加固效果则非常不理想。

(5)模型尺寸已充分考虑到了边界效应，且边界密封条件一致，可认为原型与模型同样置于无限大范围的地基上。

工程中使用真空预压法处理较大地基面积，能取得更好的经济效果。

(6)上部排水板部分密封可有效减少真空度损失，该方法可为工程实际提供借鉴。

【相关文献】
[1] 曾芳金,位会星,王军,等.分层插板真空预压法处理软土地基的试验研究[J].中国港湾建
设,2014,193(3):31-35.
[2] 宋晶,王清,孙铁,等.吹填土自重沉淤阶段孔隙水压力消散的试验研究[J].岩土力
学,2010,31(9):2935-2940.
[3] 闫澍旺,孙立强,李伟,等.真空加固超软土工艺的室内模型试验研究[J].岩土工程学
报,2011,33(3):341-347.
[4] 颜永国,董志良,杨昌斌,等.颗粒级配对真空预压法处理吹填土效果影响试验研究[J].岩土工程学报,2011,33(11):1775-1779.
[5] 李宁,郑世华,李向凤.真空预压法地下水位变化室内试验研究[J].水运工程,2011(6):148-151.
[6] SAOWAPAKPIBON J,BERGADO D T,YOUWAI S,et al.Measured and predicted performance of prefabricated vertical drains (PVDs) with and without vacuum preloading[J].Geotextiles and geomembranes,2010,28(1):1-11.
[7]SATHANANTHAN I,INDRATNA boratory evaluation of smear zone and correlation between permea bility and moisture content[J].Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering,2006,132(7):942-945.
[8] 李宁,李向凤,吴跃东.真空压力传递规律与渗透系数关系的试验研究[J].路基工程,2011(4):101-103.
[9] 王军,蔡袁强,符洪涛,等.新型防淤堵真空预压法市内与现场试验研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(6):1257-1268.
[10] 孙立强.超软吹填土地基真空预压理论及模型试验的研究[D].天津:天津大学,2010.。