真空预压

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真空堆载联合预压法加固机理及工程应用

高峰 河海大学交通学院（210098）

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摘 要：堆载预压法和真空预压法同属排水固结法，二者各有优缺点，它们对地基的作用

效果是可以叠加的，于是产生了真空堆载联合预压法。文中介绍了其加固机理并叙

述了加固过程中的一些问题，最后结合工程实例对真空堆载联合预压在高速公路软

基处理中的应用进行了介绍，并通过观测对地基的变形规律进行了分析研究。

关键词：堆载预压;联合;真空预压;加固;软基

1 概述

近年来,为了适应经济和社会的飞速发展,各地兴建了很多港口、高速公路以及物流堆场,这些工程投资金额大,社会效益和经济效益显著,因此,它们的质量要求就相应很高。目前,在各地修建港口、高速公路以及物流堆场(特别是在沿江、沿海地区)经常遇到的主要工程问题是如何有效的处理软土地基。软土地基的特点是含水率很高,孔隙比大,压缩性高,强度低,透水性差。在建筑物荷载的作用下会产生很大的沉降,而且固结速度慢,如处理不当，将影响建筑物的正常使用。

目前常用的地基处理方法优缺点的介绍。堆载预压法地基固结速度慢，常需结合等超载预压措施；复合地基法（深层搅拌桩、粉喷桩、CFG 桩等），造价高，质量不易控制等。

真空堆载联合预压法作为排水固结法的一种，技术可靠、经济合理、工期较短，在众多地基处理技术中已经凸显出其明显的优点,受到广大工程技术人员的青睐。

本文结合具体的工程实践，对真空预压在高速公路软基处理中的应用进行了介绍，并通过现场监测，对地基在真空和路堤荷载作用下的变形规律进行了分析研究。

2 固结机理及固结特性[1,3]

根据太沙基有效应力原理[3]σ=u +'σ知道，固结的实质是有效应力和孔隙压力的相互转化。堆载预压通过增加外荷,增大总应力σ,在有排水边界时,土体内与边界上孔压不平衡,使水排出，u 降低,σ'增加。真空预压的总应力不变,通过抽真空改变边界孔压值,在有排水条件时,促使孔隙水排出, u 降低, σ'增加。由此,软土固结的实质归结为σ'增加,增加的来源在于孔压u 分布的不平衡性,此不平衡随渗流促使孔隙水流动。

堆载预压 (正压)和真空预压 (负压)固结机理虽然不同,但作为排水固结,二者固结的来源都是孔压的不平衡性,都是通过有效应力和孔压的相互转换来增大有效应力,满足固结微分方程)(222222r u x u C z u C t u

h v ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂,此特点决定了堆载预压和真空预压可共同作用,[1]

即真空堆载联合压预法。

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由于孔隙水压力是球应力，所以真空预压时减少的孔压(增加的有效应力)是各向相等的，即真空预压在地基中产生的附加应力也是各向相等的，并没有产生附加的剪应力，因此地基中土体单元的莫尔应力圆大小并没有改变，只是向右发生平移，当“荷载”卸除后，被加固土体由正常固结状态变为超固结状态，和加固前相比，强度增加了Δτ。由于真空预压时土体不会产生剪应力，因此即使真空荷载一次性施加上去，地基土也不会发生剪切破坏，从而可以缩短工期。

真空预压和堆载预压使地基产生沉降，一般在加固区的中心点产生的沉降值最大，使加固区表面呈锅底状，但它们的原因却有质的区别。真空预压使地面产生锅底状的原因除了有效应力因位置的差异之外，还有加固区土体向里移动的结果，正是这种收缩的特性使土体更利于挤密，在产生相同垂直变形的情况下，真空预压法的加固效果要好于堆载预压法。 3 真空预压加固软基中的一些问题

3.1 真空度分布的影响因素

在真空堆载联合预压方法中,真空度的空间分布及真空度传递情况直接影响加固效果。真空度的传递过程为:射流泵——膜下——垂直排水体——加固土体。

影响膜下真空度的因素有射流泵性能、射流泵数量、泵后连接的管路、膜下砂层渗透性及滤管布置、浅层密封性能等。提高膜下真空度的途径:

(1)提高射流泵自身形成真空的能力；

(2)加强泵与膜之间管路的畅通性及密封性，降低管路中水、气运动阻力；

(3)选择渗透性强的中粗砂作垫层,均匀合理地布置滤管,使滤管转弯处转角小于90度；

(4)选密封性能好的薄膜；

(5)对加固区周围表层土做密封处理,如加静水沟等,以防加固过程中周围表层土体开裂

漏气现象。

影响垂直排水体中真空度的因素有膜下真空度、排水体自身的纵向通水能力、滤膜渗透 性、深层密封性及径向土体渗透性等。提高排水体中真空度的途径:

(1)提高膜下真空度是提高排水体中真空度的首要条件；

(2)提高排水体纵向及横向渗透性，滤膜的隔土性,保证渗流在排水体中的畅通性；

(3)增加排水体数量,减小井径比n 即减小单体有效加固范围,这样可以适当提高真空

度；

(4)保证抽真空能量。在一定范围内,随着抽真空时间和抽真空设备的增加,排水体内真

空度逐渐增加。

影响土体中的真空度的因素有膜下和垂直排水体中真空度、土体的孔隙比、饱和度、渗透性和土层分布状况、地质条件、深层密封措施等。地基中有无强透水层对真空度影响很大,若有则必需采取深层密封措施。提高土体中真空度的途径:

(1)提高膜下及垂直排水体中的真空度是提高土体中真空度的首要条件；

(2)隔断地基中强透水层与外界的联系,减少区外因素对区内真空度的影响；

(3)保证抽真空能量。在一定范围内,随着抽真空时间和抽真空设备的增加,土体内真空

度逐渐增加。

3.2地下水位的变化问题

抽真空时,地下水位是否下降是一个人们经常争论的问题。大气压力和水压力一样属于流体压力,因此,土体中的孔隙水压力中实际上包含着大气压力在内。即u= w z+P a

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式中, γw z 为抽真空前的静水压力,Z 为该点距地下水面的深度, P a 为大气压力。真空预压

时,孔隙水压力u 虽然降低了,但是其中的位置水头γw z 没有改变,降低的部分只是大气压力

P a ,因此加固区内地下水位并不会下降。一般而言,在现场观测或进行是加固区中的地下水位,

而是土体中的孔隙水压力,把孔隙水压力的下降认为是地下水位的下降这是错误的。有人想利用水位管量测加固区的静水位,认为水位管水面就是加固区的水位面,这其实是不对的,因为加固区上作用着真空压力,而水位管中却作用着大气压力,水位管实际上相当于测压管,其中的水位只反映该处压力的大小,而不是真正的水面高度。

由此可见,用真空计、孔压计或水位管所得到的结果其实质都是一样的,抽真空使真空度上升在孔隙水中表现为孔压的降低,水位管中的水位下降。

3.3 真空预压对边界的影响

研究真空预压对边界的影响对全面认识真空预压的加固机理和加固效果,改进真空预压技术,对加固区周围建筑物采取适当的防护措施均具有重要的意义。

抽真空时，砂井中的真空度大于周围土体中的真空度，于是真空度从砂井向周围土体传播。这种传播需要一定的时间，因此，在开始一段时间内，是不会影响边界的水位的，只是降低土体孔隙水中原来的大气压力p a 。随着砂井真空度的上升，加固区边界的水位在大气

压力的作用下开始下降以达到平衡状态。加固区外土体受到的影响越来越大，这样，边界水位下降的范围越来越大，水位下降也随着增大。另外周围土体由于产生收缩变形而开裂，裂缝一般平行于加固区的边线。随着时间的增长，土体固结度的提高，裂缝也在发展，逐渐变大加深，数量也逐渐增加。

在边界,可能引起水位下降形成非饱和土,但由于加固区的固结变形是主要的,也是对边界变形的主要影响因素,所以一般仍按可饱和土体进行计算分析。[4]

3.4真空预压等效转换固结压力

对于真空预压可采用麦远俭等效堆载固结压力公式：

)sin 1(cu Φ+=∆σc σ

式中：σ∆——为预压时的等效附加应力增量（固结压力）

cu Φ——土体固结快剪摩擦角

c σ ——真空固结压力

计算时先将真空压力换算成等效附加应力增量，再加上堆载部分压力，将两者之和作为预压时的应力增量。

3.5 加固区形状对加固效果的影响

真空堆载联合预压加固后的土体,加固区中心的效果明显好于边缘。因为在现有的施工技术条件下,不能保证边界的膜面及深层土体的绝对密封,必然导致在边界处真空负压向加固区外扩散。这种“边界效应”不仅对加固区边缘有影响,对整个场地的加固效果的影响也是显著的。大量的工程实践表明:在加固区面积相同的情况下,加固区周长越小,即场地越接近正方形,加固效果越好。[2]为了综合反映上述因素,往往定义两个加固区形状系数:

C S

=α b a S

/=β

式中:S 为加固区面积；C 为加固区边界总长；a 为加固区长边长度；b 为加固区短边长度。加固效果与加固区形状系数成正比,形状系数越小,由密封质量引起的这种“边界效应”越显著,边界处真空负压向加固区外扩散越严重,加固区“能量”损失越大,加固效果越不理想。