真空预压加固深度分析与探讨

吴春勇

（南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

0 引 言

真空预压中软土路基的加固深度一直是研究的热点问题之一，目前工程界与学术界仍存在较多的争议，文献[1]中对此作了归纳，主要有以下几种观点：1）认为真空预压法只对10 m以上的土层有加固效果，竖向排水体打设超过10 m以下部分基本上不起作用；2）认为真空预压法的有效深度与竖向排水体的打设深度有关；3）认为真空预压法的有效深度只在水位以上是真空预压作用的有效区域，而对地下水位以下无作用。在这3种观点中，目前争论较多的是前面两种观点。从已有的工程实测资料证明，第三种观点是错误的。水位下降的极限深度一般最大在5 m左右，而许多实测资料表明，水位线以下仍存在较大的沉降与水平位移。

从真空预压加固软基的理论分析认为，其加固深度的判断应着重于以下几个方面[2]：1）负压传递的深度；2）深层土体侧向位移沿深度的分布规律；3）土体产生固结沉降的深度分布。下面结合现场实测数据来分析真空联合堆载预压的加固深度。

1 真空预压设计

1.1 工程地质条件

1）地层分布

依据现场钻孔地质资料结果，该地区粘土层自上而下，依次分为：

在该地区，软土层分布随山势起伏较大，具有平面分布不规则、厚度变化大、不连续且土性不均匀等特性，基岩出露地段软土层基本缺失，本文主要针对厚度近20 m的软土层进行研究。从勘察资料的统计结果分析，软土层主要以第③层淤泥、淤泥质土为主，根据工程实际情况，施工中将②③④层一起作为压缩层进行处理，所以本文中研究将针对这三层土的性质，其中③层为重点研究对象。

2）主要土层物理力学指标

本工程软土层具有高孔隙比、高含水量、低强度等特点，因此在软基加固处理设计中要充分考虑加载过程中的地基稳定性，同时兼顾后期工后沉降的控制。本路段软土层以③④层为主，具体物理力学指标见表1。

2.2 软基处理设计

1）主要设计参数

该路段采用真空预压法进行软基处理，为确保密封系统在填土加载过程不受损坏，砂垫层上部采用两层土工布与三层密封膜（见图1），上部填土高度为4 m；排水板间距1.2 m，打设深度20 m；水平排水体为60 cm厚的中粗砂垫层；真空预压边界采用粘土密封墙处理（见图2），确保真空效果。

表1 研究区软土基本物理性质均值指标

主要施工工序如下：清基整平→铺设砂垫层→打设塑料排水板→安装真空设备→铺设滤管→铺设第一层土工布→铺设三层密封膜→抽真空→铺设第二层土工布→上部填土至设计标高。

图1 密封系统大样图

图2 粘土密封墙平面布置图

2）加荷计划

本工程中根据土体强度增长的室内试验，通过稳定计算，结合以往真空预压法的施工经验，确定了路基加荷计划，见表2。

表2 真空预压（联合堆载）加荷计划表

2.3 监测仪器布置

该路断软土层平均厚度23 m，路中软土层最厚处达到25 m，排水板打设深度为21 m，该断面共埋设孔隙水压力测点8个，分层沉降磁环8只，深层土体水平位移测点1个，具体位置见图3。其中在排水板底部的软土层中分别埋设了孔隙水压力计与分层沉降磁环。

图3 监测仪器布置图

3 现场监测数据分析

3.1 超静孔隙水压力

由图4曲线可知，在真空预压初期，土体中超静孔隙水压力在真空荷载作用下逐渐降低，直至路基荷载开始填筑，才有所回升，停止填筑一段时间后，超静孔隙水压力又开始下降，该现象表明真空荷载加固的效果较为显著。真空预压过程中虽然超静孔隙水压力沿深度分布的规律性不强，这和测点与排水体的距离、土体的渗透系数有关。但土体中的超静孔隙水压力均呈现为负值[3]～[6]，表明负压（指负的超静孔隙水压力）在加固区域中土体内基本处于满布状态，地表下23 m孔压测点（排水板底部土体）的变化值表明负压荷载在土体的传递深度至少可以达到排水板打设的深度，甚至对排水板以下2～3 m左右的土体范围仍产生影响

3.2 分层沉降

由图5曲线可知，土体沉降量主要集中地面下16 m的范围之内，占总沉降量的70%，排水板以下尚有一定的沉降量，约占总沉降量的12%。从不同深度土层时间-沉降规律分析可知，施工期间土体沉降以排水板范围内的土体为主，同时排水板对其底部软土仍存在一定影响，下部2～3 m厚的软土层在真空预压期间沉降量达到40 cm。

3.3 深层土体水平位移

图4 超静孔压-荷载-时间过程线

图5 分层沉降-荷载-时间过程线

由图6曲线可知，在整个真空预压过程中，土体的深层水平位移先是指向加固区内，随着路基填高的增大，后期表现为指路基外侧，该现象表明后期产生了剪切变形，但总的位移量并没有超过埋设时的位置。结合分层沉降曲线分析，认为整个加固区内土地体变形主要表现为向内收缩，即固结变形为主。

4 加固前后土体微结构变化

对真空预压前后土体的SEM进行扫描，其取样平面位置与深度基本一致。真空预压前软土结构呈现蜂窝-架空结构，说明土体颗粒间的孔隙较大，这与宏观力学中的孔隙比测得的结果是一致的。从扫描结果可以发现，加固前软土的颗粒呈现团聚状结构，颗粒间的连接清晰可见；加固后，土体呈现叠片-絮凝状结构，颗粒间的孔隙明显减少，颗粒的粒径也变小，但小颗粒出现重组现象，表现为更大颗粒的状态，颗粒之间大的结构不再出现；加固前后SEM扫描结果表明，真空预压过程中土体颗粒之间的状态由疏松变为紧密，颗粒之间并没有出现明显挤压滑移现象，而是孔隙减小，颗粒向内收缩成紧密状态，这与现场土体出现位移指向加固区的现象是一致的[2]。

5 结论与建议

图5 分层沉降-荷载-时间过程线

1）从以上分析可知：真空预压过程中，负压至少可以达到排水板打设深度以下1 m范围内；深层土体水位移在整个加固过程中其位移值为负，即土体沉降以固结变形为主；分层沉降曲线表明排水板以下土体仍存在固结沉降。因此，现有数据表明真空联合堆载预压加固深度至少可以达到23 m。

2）加固深度与排水板的打设深度相关，由于受现场条件限制，现有测试结果表明至少可以达到排水板以下2～3 m范围。

3）认为真空预压加固只能达到10 m的观点是错误的。

4）真空预压法的有效深度与竖向排水体的打设深度、真空边界的密封性等条件有关。

[1]朱建才.真空联合堆载预压加固软基机理及工艺研究[D].杭州：浙江大学博士学位论文，2004.

[2]吴春勇.真空联合堆载预压软土路基稳定控制与沉降预测[D].长春：吉林大学博士学位论文，2007.

[3]岑仰润，俞建霖，龚晓南.真空排水预压工程中真空度的现场测试与分析[J].岩土力学，2003，24（4）：603-605.

[4]陈环.真空预压加固软基机理研究[R].天津：天津大学，1985.

[5]陈环，鲍秀清.负压条件下土的固结有效应力[J].岩土工程学报，1984，6（5）：39-47.

[6]吴跃东，余湘娟，殷宗泽.负压条件下考虑土体损伤和流变的有限元分析[J].岩土力学，2002，23（2）：137-141.