气压劈裂真空预压法设计与施工方案汇报
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24
设计流程
设计计算
气压劈裂技术参数设计
喷气压力确定—土体中的气压劈裂机理 Pf 3 3 2 t
Pf (3 3 2 )(1 sin ) / 2 Ccos
（张拉机理） （剪切机理）
劈裂影响范围—土体中的裂隙扩展模型
p n 1 r 12 p n Q gas ln n 1 r n 2 pn 3 g gasb
不满足
假定预压时间
计算固结度
验算工期和工后沉降 满足 强度增长计算
整体稳定性验算
确定排水板布置方式、间距和深度 不满足 详细设计文件
注气管深度设计 10m以下开始设置，垂直距离取2~4m 注气管布置形式 间距根据单点喷气试验确定，可取4.8m 输气管路形式 支管和主管，分区喷气 喷气方式 分区喷气，以10~30分钟为宜，间隙性
CPTU 2
CPTU 4
CPTU 5
2 工程地质条件
CPTU孔号 测点深度（m） t50（min）
5.0 CPTU 2 12.0 15.0 CPTU 4 5.0 12.0 86 8 20 63 15.7
渗透系数 (10-7cm/s)
0.01 0.03 0.01 0.01 0.02
6.0 CPTU 5 14.0
0.14 ～ 0.77
3.5 ～ 16.2
1.00 ～ 1.34
2 工程地质条件
2 工程地质条件
CK0+970 N 阜 宁
3
CK1+030
6
BK+040
5
CK1+070
2 1
CK1+050
4
CK0+000
路 基 中 心 线
建 湖
2 工程地质条件
锥 尖阻 力 qt(MPa)
0 0 2 4 6 8 2 4 6 8 0
施卫东（2003）
魏波（2003）
朱建才（2004） 2-14m的淤泥层压缩量最大，约占总沉降量的70% 周波（2008） 沉降主要发生在地面以下0～8m的范围内
如何提高深部土体的加固效果成为扩大真空预压法应用 范围的核心问题之一。
3、劈裂真空法简介
《真空预压加固软土地基技术规程》（JTS 147-2-2009）指出 真空预压加固地基固结度需达到80%。大量的工程为了满足 上述要求，抽真空时间较长。
明经平（2009）
孙立强（2010） 朱群峰（2010）
1.2
1.0 1.0
85.0
80.0 80.0
5.0
20.0 7.4
47.6
20.0 65.2
7.5
3.0 2.0
排水板
排水板 排水板
3、劈裂真空法简介
竖向排水体内的负压沿深度的衰减，导致真空预压加固深度 较小，深部加固效果变差。
出处 李小和 (2002) 加固深度描述 22m处沉降为零，17m以下的沉降几乎无变化，13.7m处的磁环 沉降增加亦很慢。 浅层加固效果较好，但深层效果不明显，在7.0 m以上土的抗剪 强度提高较大 10 m范围内的加固效果很明显，超过10m的效果不明显，18m 以下土层无加固效果
设计原则
对高速公路等，工程实践中对变形的要求不断提高，工程实践提出了以沉降为 控制目标的设计新原则。
以工后沉降为控制目标的设计原则已经隐含了稳定性的要求（赵维炳，2004)。
适用条件
劈裂真空法主要适用于淤泥、淤泥质土等软土地基，对于软土厚度或埋设大于 10m时其加固优势会更为明显。
23
设计流程及内容
S 工后 S 1 U
26
设计计算
劈裂真空法计算程序
施工立面示意图
塑料排水板、注气管相对位置平面布置图
注气管布置示意图
d= 4.
d=4.8
注气管深度： CK0+810.0
0.36
d= 4
d=4.8
CK0+849.0 注气管深度：
0.6
d=
d=4.8
d= 1
.2
注气管深度：
d=1.2
深
度 (m)
2 工程地质条件
1-1c层粉土：灰黄色，很湿，稍密状态，上部为耕植土，近连 续分布，厚度1.4~1.9m。
1-2层淤泥、淤泥质粉质粘土：灰褐色，流塑，高孔隙比，高 压缩性，含少量腐殖质，局部夹粉土薄层；一般层顶埋深 1.1~5.2m，层厚8.9～33.4m。 1-2a层粘土：灰黄色，可塑，高孔隙比，高压缩性，含有机质 ，局部夹粉砂薄层；夹于1-2层之间。
项目 单位面积质量 断裂强力 断裂伸长率 撕破强力 CBR顶破强力 等效孔径O90 垂直渗透系数 经向 纬向
单 位 g/m2 kN/m kN/m % kN kN mm cm/s
指 标 240 ≥50 ≥50 ≤25 ≥0.41 ≥4.0 0.07~0.5 10-1 ~10-4 参考指标
备 注
规格指标，必须满足 必须满足 必须满足 必须满足 必须满足
21.0
75 37
0.6
0.01 0.01
0.27
汇报内容
1、工程概况 2、工程地质条件 3、劈裂真空法简介 4、劈裂真空法设计 5、劈裂真空法施工
3、劈裂真空法简介
真空预压法加固软土的加固效果主要取决于膜下真空度和竖向排 水体中负压的分布规律。受井阻影响，竖向排水体内的负压沿深 度会有一定程度的衰减。
2-1a层粉质粘土：灰黄色，可塑，中等压缩性，局部夹粉砂薄 层，局部地段揭示。 2-1c层粉土：黄色，湿，中密~密实状态，干强度低，局部夹 粉砂薄层，局部夹粉质粘土，连续分布，局部双层分布。
2 工程地质条件
CPTU孔号 测点深度 （m） 5.0 12.0 15.0 5.0 12.0 6.0 14.0 21.0 t50（min） 86 8 20 63 15.7 75 37 0.6 固结系数 (10-3cm2/s) 0.15 1.63 0.65 0.21 0.83 0.17 0.35 21.69
孙立强，闫澍旺（2010）加固吹填土地基时抽真空时间长达275天。
金小荣等（2007）采用真空预压法加固软基长达7个多月。 董志良（2006）采取真空预压法加固潮间带软土地基历史180天
刘汉龙（2006）杭-金-衢高速公路真空预压法加固软土历时8个多月。
2003年淮盐高速公路采用软基处理时抽真空时间长达200天以上
收集资料 设计荷载下的总沉降 确定加固范围和深度 软土厚度或埋深大于10m 假定喷气管间距、深度、喷气压力 小于10m 假定排水板布置方式、间距和深度
加固范围与预压荷载 呈正方形，预压荷载80kPa. 真空预压系统设计 排水系统设计 密封系统设计 抽真空系统设计 气压劈裂系统设计
推广真空预压法另一个核心问题是缩短固结时间，提高地基 固结度，减小工后沉降。
3、劈裂真空法简介
针对真空预压法的上述局限性，刘松玉等提出了气压劈裂 联合真空预压法加固深厚软土地基的新技术(简称劈裂真空法)
高 压 气 源 喷 气 主 管 控 压 制 力 阀 表 密 封 膜 抽 真 空 主 管 抽 真 空 装 置
1 1
涂抹区 土层1 土层2
……
砂井
r z1 z2
u 0 ut U u0 u
沉降计算
最终沉降
e e S s 0i 1i i 1 1 e0 i
m
土层l 土层l+1
……
zl H
裂隙
rw rs re
hi
土层m-1 土层m
工后沉降
d= 4.
d=4.8
注气管深度：
塑料排水板、注气管相对位置平面布置图(局部)
8
4.
8
.8
8
PVD布置示意图
真空度测头平面布置示意图
注气系统平面布置图
注气系统与注气管对应关系平面布置图
注气系统与注气管对应关系平面布置图
注气系统平面布置图
抽真空系统平面布置图
序 1 2 3 4 5 6 7
Qleak
p avg K gas I r0 rw grad
rn R
(rn2 rn21 ) n
b
r r4 2 p d 3k 2k ln r 128 D w
2
r r 2 2 R 8k pd 8 p d 10 k rw 8k 16 p d 16 k ln r 256 D w k r2 k R4 w R2 64 D 32 D
气压劈裂真空预压法加固深厚软土地基推广应用段
设计与施工方案汇报
无锡市交通工程有限公司 东 南 大 学 交 通 学 院 2013年6月4日
汇报内容
1、工程概况 2、工程地质条件 3、劈裂真空法简介 4、劈裂真空法设计 5、劈裂真空法施工
1、工程概况
本项目位于苏北平原中部的盐城市阜宁县及建湖县境内， 路线全长36.204km。实现阜宁县高速公路从无到有的突破。
1、工程概况
东益互通
气压劈裂真空预压段位于阜宁二标东益互通：CK0+939-CK1+190
1、工程概况
FN-2标施工图设计会议纪要及落实情况
气压劈裂真空预压法
1、工程概况
戛粮河
沟 东益互通
汇报内容
1、工程概况 2、工程地质条件 3、劈裂真空法简介 4、劈裂真空法设计 5、劈裂真空法施工
东益互通:软土连续分布，土性为淤泥、淤泥质粉质粘土（粉土），局部地段 夹粉土薄层，具高孔隙比，高压缩性。有机质含量一般为0.97%～4.84%，平均 值2.62%；一般层顶埋深0.0～3.8m，一般层厚1.7～5.6m，层厚最深达19.8m；
层位
天然 含水量 ω （%）
孔隙比 e
液性指数 （IL）
压缩系数 a1-2 (Mpa-1)
压缩模量 ES (Mpa)
锥尖阻力 qc (Mpa)
侧壁 摩阻力 fs (kPa)
含水比
1-2
36.6 ～ 85.2
1.033 ～ 2.452
0.92 ～ 1.31
0.480 ～ 2.210
1.44 ～ 4.32
密封沟
导气塑料 排水板 高压喷气管 裂隙
3、劈裂真空法简介
在常规真空预压法的基础上增加气压劈裂系统。
当高压气体压力超过某一临界值以后，土体发生劈 裂，土体中产生大量裂隙，裂隙与预先打设的塑料排水板 组成有效的排水导气网络。
一方面可以提高真空荷载向深层土体的传递效率，有效 克服真空荷载随深度快速衰减的局限性；
侧壁 摩阻 力 fs(kPa)
50 100 150
孔 隙水压力 u2(kPa)
0 200 400 600 0
摩阻 比 Rf(%)
2 4 6 8 0 2
土分 类
4 6 8 10 12
10 12 14 16 18 20 22
灵敏性细粒土 有机质、泥炭 粘土 粉 质粘土-粘土 粘质粉 土-粉 质粘土 砂 质粉 土-粘质粉 粉 砂 -砂 质粉 土 砂 土-Leabharlann Baidu 砂 砂 土 砾石-砂 土 非 常坚硬细粒土 砂 土-粘质砂 土
另一方面可提高深部土体的渗透性、加速深部超静孔压 的消散，加快土体固结，以缩短预压时间和有效控制工后 沉降。
汇报内容
1、工程概况 2、工程地质条件 3、劈裂真空法简介 4、劈裂真空法设计 5、劈裂真空法施工
4、劈裂真空法设计
1
设计原则与适用条件
2
设计流程及内容
3
设计计算
22
设计原则与适用条件
出处 陈环 沈珠江（1986） 张泽鹏（2002） 彭劼（2002） 娄炎（2003） 张泽鹏（2002） 邱青长（2007） 1.3 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 排水体间 距(m) 膜下真空度 深部真空度 测量深度（m） (kPa) （kPa） 80.0 80.0 80.0 78.0 80.0 80.0 80.0 10.0 10.0 10.0 25.0 9.0 10.0 4.0 60.0 27.0 16.0 15.0 50.0 58.0 32.0 沿程损失率 (kPa/m) 2.0 5.3 6.4 2.5 3.3 2.2 12.0 测量 位置 砂井 砂井 砂井 砂井 砂井 排水板 排水板
r 2 b 0 1 R
2
裂隙渗透性计算—立方定律
kf gh 2 f f 12 v
25
设计计算
固结度计算
u Z , t ΦV (σ w) ΦV E(ΓV ) 1 θ F(ΓV ) 1 κ u t ΦV E(ΓV ) θ F(ΓV ) κ
随机抽样，每5000m2 一个，每供货批抽样不少于1个。
砂垫层上铺设无纺布技术要求
密封沟断面图
沉降标平面布置示意图
沉降标示意图
补充研究重点：
（1）间歇性喷气对真空荷载和最终加固效果之影响 方法：依据孔压消散速率进行喷气间隙的动态优化 （2）气压劈裂裂隙增加现场宏观渗透系数的验证 方法：现场施工过程中CPTU孔压消散测试
设计流程
设计计算
气压劈裂技术参数设计
喷气压力确定—土体中的气压劈裂机理 Pf 3 3 2 t
Pf (3 3 2 )(1 sin ) / 2 Ccos
（张拉机理） （剪切机理）
劈裂影响范围—土体中的裂隙扩展模型
p n 1 r 12 p n Q gas ln n 1 r n 2 pn 3 g gasb
不满足
假定预压时间
计算固结度
验算工期和工后沉降 满足 强度增长计算
整体稳定性验算
确定排水板布置方式、间距和深度 不满足 详细设计文件
注气管深度设计 10m以下开始设置，垂直距离取2~4m 注气管布置形式 间距根据单点喷气试验确定，可取4.8m 输气管路形式 支管和主管，分区喷气 喷气方式 分区喷气，以10~30分钟为宜，间隙性
CPTU 2
CPTU 4
CPTU 5
2 工程地质条件
CPTU孔号 测点深度（m） t50（min）
5.0 CPTU 2 12.0 15.0 CPTU 4 5.0 12.0 86 8 20 63 15.7
渗透系数 (10-7cm/s)
0.01 0.03 0.01 0.01 0.02
6.0 CPTU 5 14.0
0.14 ～ 0.77
3.5 ～ 16.2
1.00 ～ 1.34
2 工程地质条件
2 工程地质条件
CK0+970 N 阜 宁
3
CK1+030
6
BK+040
5
CK1+070
2 1
CK1+050
4
CK0+000
路 基 中 心 线
建 湖
2 工程地质条件
锥 尖阻 力 qt(MPa)
0 0 2 4 6 8 2 4 6 8 0
施卫东（2003）
魏波（2003）
朱建才（2004） 2-14m的淤泥层压缩量最大，约占总沉降量的70% 周波（2008） 沉降主要发生在地面以下0～8m的范围内
如何提高深部土体的加固效果成为扩大真空预压法应用 范围的核心问题之一。
3、劈裂真空法简介
《真空预压加固软土地基技术规程》（JTS 147-2-2009）指出 真空预压加固地基固结度需达到80%。大量的工程为了满足 上述要求，抽真空时间较长。
明经平（2009）
孙立强（2010） 朱群峰（2010）
1.2
1.0 1.0
85.0
80.0 80.0
5.0
20.0 7.4
47.6
20.0 65.2
7.5
3.0 2.0
排水板
排水板 排水板
3、劈裂真空法简介
竖向排水体内的负压沿深度的衰减，导致真空预压加固深度 较小，深部加固效果变差。
出处 李小和 (2002) 加固深度描述 22m处沉降为零，17m以下的沉降几乎无变化，13.7m处的磁环 沉降增加亦很慢。 浅层加固效果较好，但深层效果不明显，在7.0 m以上土的抗剪 强度提高较大 10 m范围内的加固效果很明显，超过10m的效果不明显，18m 以下土层无加固效果
设计原则
对高速公路等，工程实践中对变形的要求不断提高，工程实践提出了以沉降为 控制目标的设计新原则。
以工后沉降为控制目标的设计原则已经隐含了稳定性的要求（赵维炳，2004)。
适用条件
劈裂真空法主要适用于淤泥、淤泥质土等软土地基，对于软土厚度或埋设大于 10m时其加固优势会更为明显。
23
设计流程及内容
S 工后 S 1 U
26
设计计算
劈裂真空法计算程序
施工立面示意图
塑料排水板、注气管相对位置平面布置图
注气管布置示意图
d= 4.
d=4.8
注气管深度： CK0+810.0
0.36
d= 4
d=4.8
CK0+849.0 注气管深度：
0.6
d=
d=4.8
d= 1
.2
注气管深度：
d=1.2
深
度 (m)
2 工程地质条件
1-1c层粉土：灰黄色，很湿，稍密状态，上部为耕植土，近连 续分布，厚度1.4~1.9m。
1-2层淤泥、淤泥质粉质粘土：灰褐色，流塑，高孔隙比，高 压缩性，含少量腐殖质，局部夹粉土薄层；一般层顶埋深 1.1~5.2m，层厚8.9～33.4m。 1-2a层粘土：灰黄色，可塑，高孔隙比，高压缩性，含有机质 ，局部夹粉砂薄层；夹于1-2层之间。
项目 单位面积质量 断裂强力 断裂伸长率 撕破强力 CBR顶破强力 等效孔径O90 垂直渗透系数 经向 纬向
单 位 g/m2 kN/m kN/m % kN kN mm cm/s
指 标 240 ≥50 ≥50 ≤25 ≥0.41 ≥4.0 0.07~0.5 10-1 ~10-4 参考指标
备 注
规格指标，必须满足 必须满足 必须满足 必须满足 必须满足
21.0
75 37
0.6
0.01 0.01
0.27
汇报内容
1、工程概况 2、工程地质条件 3、劈裂真空法简介 4、劈裂真空法设计 5、劈裂真空法施工
3、劈裂真空法简介
真空预压法加固软土的加固效果主要取决于膜下真空度和竖向排 水体中负压的分布规律。受井阻影响，竖向排水体内的负压沿深 度会有一定程度的衰减。
2-1a层粉质粘土：灰黄色，可塑，中等压缩性，局部夹粉砂薄 层，局部地段揭示。 2-1c层粉土：黄色，湿，中密~密实状态，干强度低，局部夹 粉砂薄层，局部夹粉质粘土，连续分布，局部双层分布。
2 工程地质条件
CPTU孔号 测点深度 （m） 5.0 12.0 15.0 5.0 12.0 6.0 14.0 21.0 t50（min） 86 8 20 63 15.7 75 37 0.6 固结系数 (10-3cm2/s) 0.15 1.63 0.65 0.21 0.83 0.17 0.35 21.69
孙立强，闫澍旺（2010）加固吹填土地基时抽真空时间长达275天。
金小荣等（2007）采用真空预压法加固软基长达7个多月。 董志良（2006）采取真空预压法加固潮间带软土地基历史180天
刘汉龙（2006）杭-金-衢高速公路真空预压法加固软土历时8个多月。
2003年淮盐高速公路采用软基处理时抽真空时间长达200天以上
收集资料 设计荷载下的总沉降 确定加固范围和深度 软土厚度或埋深大于10m 假定喷气管间距、深度、喷气压力 小于10m 假定排水板布置方式、间距和深度
加固范围与预压荷载 呈正方形，预压荷载80kPa. 真空预压系统设计 排水系统设计 密封系统设计 抽真空系统设计 气压劈裂系统设计
推广真空预压法另一个核心问题是缩短固结时间，提高地基 固结度，减小工后沉降。
3、劈裂真空法简介
针对真空预压法的上述局限性，刘松玉等提出了气压劈裂 联合真空预压法加固深厚软土地基的新技术(简称劈裂真空法)
高 压 气 源 喷 气 主 管 控 压 制 力 阀 表 密 封 膜 抽 真 空 主 管 抽 真 空 装 置
1 1
涂抹区 土层1 土层2
……
砂井
r z1 z2
u 0 ut U u0 u
沉降计算
最终沉降
e e S s 0i 1i i 1 1 e0 i
m
土层l 土层l+1
……
zl H
裂隙
rw rs re
hi
土层m-1 土层m
工后沉降
d= 4.
d=4.8
注气管深度：
塑料排水板、注气管相对位置平面布置图(局部)
8
4.
8
.8
8
PVD布置示意图
真空度测头平面布置示意图
注气系统平面布置图
注气系统与注气管对应关系平面布置图
注气系统与注气管对应关系平面布置图
注气系统平面布置图
抽真空系统平面布置图
序 1 2 3 4 5 6 7
Qleak
p avg K gas I r0 rw grad
rn R
(rn2 rn21 ) n
b
r r4 2 p d 3k 2k ln r 128 D w
2
r r 2 2 R 8k pd 8 p d 10 k rw 8k 16 p d 16 k ln r 256 D w k r2 k R4 w R2 64 D 32 D
气压劈裂真空预压法加固深厚软土地基推广应用段
设计与施工方案汇报
无锡市交通工程有限公司 东 南 大 学 交 通 学 院 2013年6月4日
汇报内容
1、工程概况 2、工程地质条件 3、劈裂真空法简介 4、劈裂真空法设计 5、劈裂真空法施工
1、工程概况
本项目位于苏北平原中部的盐城市阜宁县及建湖县境内， 路线全长36.204km。实现阜宁县高速公路从无到有的突破。
1、工程概况
东益互通
气压劈裂真空预压段位于阜宁二标东益互通：CK0+939-CK1+190
1、工程概况
FN-2标施工图设计会议纪要及落实情况
气压劈裂真空预压法
1、工程概况
戛粮河
沟 东益互通
汇报内容
1、工程概况 2、工程地质条件 3、劈裂真空法简介 4、劈裂真空法设计 5、劈裂真空法施工
东益互通:软土连续分布，土性为淤泥、淤泥质粉质粘土（粉土），局部地段 夹粉土薄层，具高孔隙比，高压缩性。有机质含量一般为0.97%～4.84%，平均 值2.62%；一般层顶埋深0.0～3.8m，一般层厚1.7～5.6m，层厚最深达19.8m；
层位
天然 含水量 ω （%）
孔隙比 e
液性指数 （IL）
压缩系数 a1-2 (Mpa-1)
压缩模量 ES (Mpa)
锥尖阻力 qc (Mpa)
侧壁 摩阻力 fs (kPa)
含水比
1-2
36.6 ～ 85.2
1.033 ～ 2.452
0.92 ～ 1.31
0.480 ～ 2.210
1.44 ～ 4.32
密封沟
导气塑料 排水板 高压喷气管 裂隙
3、劈裂真空法简介
在常规真空预压法的基础上增加气压劈裂系统。
当高压气体压力超过某一临界值以后，土体发生劈 裂，土体中产生大量裂隙，裂隙与预先打设的塑料排水板 组成有效的排水导气网络。
一方面可以提高真空荷载向深层土体的传递效率，有效 克服真空荷载随深度快速衰减的局限性；
侧壁 摩阻 力 fs(kPa)
50 100 150
孔 隙水压力 u2(kPa)
0 200 400 600 0
摩阻 比 Rf(%)
2 4 6 8 0 2
土分 类
4 6 8 10 12
10 12 14 16 18 20 22
灵敏性细粒土 有机质、泥炭 粘土 粉 质粘土-粘土 粘质粉 土-粉 质粘土 砂 质粉 土-粘质粉 粉 砂 -砂 质粉 土 砂 土-Leabharlann Baidu 砂 砂 土 砾石-砂 土 非 常坚硬细粒土 砂 土-粘质砂 土
另一方面可提高深部土体的渗透性、加速深部超静孔压 的消散，加快土体固结，以缩短预压时间和有效控制工后 沉降。
汇报内容
1、工程概况 2、工程地质条件 3、劈裂真空法简介 4、劈裂真空法设计 5、劈裂真空法施工
4、劈裂真空法设计
1
设计原则与适用条件
2
设计流程及内容
3
设计计算
22
设计原则与适用条件
出处 陈环 沈珠江（1986） 张泽鹏（2002） 彭劼（2002） 娄炎（2003） 张泽鹏（2002） 邱青长（2007） 1.3 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 排水体间 距(m) 膜下真空度 深部真空度 测量深度（m） (kPa) （kPa） 80.0 80.0 80.0 78.0 80.0 80.0 80.0 10.0 10.0 10.0 25.0 9.0 10.0 4.0 60.0 27.0 16.0 15.0 50.0 58.0 32.0 沿程损失率 (kPa/m) 2.0 5.3 6.4 2.5 3.3 2.2 12.0 测量 位置 砂井 砂井 砂井 砂井 砂井 排水板 排水板
r 2 b 0 1 R
2
裂隙渗透性计算—立方定律
kf gh 2 f f 12 v
25
设计计算
固结度计算
u Z , t ΦV (σ w) ΦV E(ΓV ) 1 θ F(ΓV ) 1 κ u t ΦV E(ΓV ) θ F(ΓV ) κ
随机抽样，每5000m2 一个，每供货批抽样不少于1个。
砂垫层上铺设无纺布技术要求
密封沟断面图
沉降标平面布置示意图
沉降标示意图
补充研究重点：
（1）间歇性喷气对真空荷载和最终加固效果之影响 方法：依据孔压消散速率进行喷气间隙的动态优化 （2）气压劈裂裂隙增加现场宏观渗透系数的验证 方法：现场施工过程中CPTU孔压消散测试