直排式与普通式真空堆载联合预压加固软基试验分析

开明，鲁玉芬

(1.芜湖市勘察测绘设计研究院，安徽芜湖 241000;2.安徽省芜湖职业技术学院，安徽芜湖 241000)

自1952年瑞典皇家地质学院的W.Jellman［1］提出真空预压法的加固模型开始，各国的专家学者［2～6］和研究机构对真空预压法及真空堆载联合预压法在加固机理、室内及现场试验、设计及施工工艺等方面开展了一系列的研究，但其加固机理、加固效果及工程造价等仍有许多亟待解决的问题。本文通过比较直排式和普通式真空堆载联合预压试验结果，研究直排式真空堆载联合预压法相对于普通式真空堆载联合预压法，在加快固结速度、降低真空预压造价等方面所体现的优势。

1 试验工程简介

本试验工程的场地属滨海台地平原区，主要地貌类型为花岗岩与变质岩组成的台地和冲积及海积平原，场地类别为Ⅲ类场地，地震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.01 g。

场地地层自上而下共分为8层，分别为:

吹填土:灰色，饱和，吹填物为流泥～淤泥，局部为浮泥，流动～流塑，高压缩性，含少量粉细砂及腐殖质。层厚1.50 m～3.40 m，平均厚度为2.45 m，层顶标高为+4.38 m～+4.98 m，平均层顶标高为+4.69 m。

②－1亚层—流泥 ～淤泥:灰色，饱和，流动 ～流塑，高压缩性，欠固结。厚度为2.80 m～8.25 m，平均厚度为5.81 m，层顶标高为+1.36 m～+3.44 m，平均层顶标高为+2.14 m。

②－2亚层—淤泥混贝壳:流动～流塑，低强度，高压缩性软弱土。

②－3亚层—砂混贝壳淤泥:为松软土。

③第四纪冲洪积层(Qa1+p1)划分为四个亚层:

③－1亚层—粘土～粉质粘土:灰白色，灰黄色，棕红色，湿，软可塑～可塑，含少量中细砂，粘性一般，切面稍粗糙，以粉质粘土为主，局部呈粉土状。

③－2亚层—粘性土混砂:灰白色，松软。

③－3亚层—中细砂:灰白色，灰黄色，中密。

③－4亚层—粗砾砂:灰白色，灰黄色，饱和，稍密～中密，局部松散或密实。

④早期海相沉积层(Qm)淤泥质粘土:灰色，饱和，软塑 ～软可塑，高压缩性。层厚为 0.60 m～1.60 m，平均厚度为 1.07 m，层顶标高为－7.88 m～－9.94 m，平均层顶标高为－8.78 m。

⑤第四纪冲洪坡积层(Qa1+p1+d1)划分为3个亚层:

⑤－1亚层—粘性土混砂:灰黄色，硬塑。仅S15孔有揭露，层厚0.5 m层顶标高－13.03 m。

⑤－2亚层—粉细砂:灰白色，饱和，中密，分选性好。

⑤－3亚层—粘土～粉质粘土:黄色，湿，可塑，含细砂。

⑥残积土(Qe1)

粘性土:主要为花岗岩风化残积而成，局部为砂质粘性土。杂色，稍湿，可塑～硬塑(一般上部可塑，下部硬塑)。层厚1.40 m～11.40 m，平均厚度为5.46 m，层顶标高为－4.51 m～－10.32 m，平均层顶标高为－6.86 m。

根据某试验区地基处理工程的相关资料，共有5个试验区，即 SR1区、SR2区、SR3区、SR4区和 SF区。，总面积为61765.35 m2。本文主要研究其中的两个试验区SR1区和SR2区。其中:(1)SR1区总面积为16637.28 m2，地基处理方法为直排式真空联合堆载预压，采用普通 B型排水板，正方形布置，间距1.2 m，下端1.5 m剥去滤膜，粘土密封墙打穿淤泥底部透水层;(2)SR2区总面积为15666.92 m2，地基处理方法为普通式真空联合堆载预压，采用普通B型排水板，正方形布置，间距1.2 m，下端1.5 m剥去滤膜，粘土密封墙打穿淤泥底部透水层。SR1区和SR2区均为吹填淤泥土区。

2 试验结果及分析

2.1 监测结果分析

(1)沉降分析

地表沉降直接反映地基加固的程度，是分析软基沉降的基础。按设计要求SR1区、SR2区分别设计了16块、14块地表沉降观测点，观测点在吹填砂吹填结束、打设塑料排水板之前进行埋设。对各区所有沉降观测点所获取的数据进行分析统计后，得到如下的地表沉降数据，如表1所示。

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地表沉降量汇总表 表1

上述数据表明，地基土在预压荷载作用下固结度均在93%以上，可见土体沉降效果较为显著。

(2)真空度分析

真空度能否达到设计要求是真空预压施工能否成功的关键，在本次试验工程中，排水板内真空压力采用埋设真空测点的方法进行观测，每个区域埋设1组，每组6只，从砂垫层表面沿排水板向下每隔2 m埋设1个测点。监测结果表明:①SR1区在真空预压期间，地表下10 m范围真空测点均有明显反应，地表下8 m范围内测点真空度较高，接近80 kPa，地表下10 m位置真空度平均8 kPa，较为稳定。由于受埋设条件真空度测点受力变形、排水板板芯等边界条件影响，真空度沿排水板深度分布的规律性不强，在地表下10 m内，排水板内的真空度基本处于50 kPa～80 kPa之间(见图1);②SR2区在真空预压期间，地表向下10 m范围内真空测点有明显反应;真空度沿深度略呈向下逐渐衰减的趋势。地表的真空测点受真空泵抽停影响较大，深部的真空测点受真空泵的抽停影响很小。正常抽真空时，上部的真空压力基本保持不变，深部的真空压力小幅度的增大，如图1所示。

图1 排水板内真空时程曲线图

(3)孔隙水压力分析

监测数据表明:SR1区和SR2区塑料排水板内的孔隙水压力随着抽真空的开始迅速下降，下降的幅度与膜下真空度(该测点处)变化基本一致，平均分别为79 kPa和75 kPa左右。SR1区、SR2区各测点孔隙水压力变化曲线基本相似，SR1区孔隙水压力在堆载初期过程中被毁坏，满载期间没有数据，SR2区后期的堆载对各测点的变化影响较小。

(4)地下水位

地下水位的变化为分析加固效果提供资料和依据。本试验工程分别在每个区中间埋设一个地下水位观测点，用于观测地下水位在抽真空期间和堆载期间的动态变化。SR1区水位在试抽真空的前5 d左右，地下水位下降较快，基本上以约0.8 m/d下降，当地下水位降低至高程2.8 m时，地下水位不再下降，基本上保持在高程2.8 m上下浮动。截止堆载完成，地下水位基本上保持在高程2.8 m;SR2区水位在试抽真空初期，地下水位下降较快，持续的时间较长，最后基本上保持在高程－0.2 m。

2.2 检测结果分析

(1)土工试验分析

地基处理前后分别在每个区的同一位置进行2个原状取土孔，主要对比土的物理力学指标变化情况。由试验直接测定的物理指标为重度γ、含水量w和相对密度(比重)G三相基本指标，由三相基本指标换算的物理指标有孔隙比e，孔隙率n、饱和度Sr等;力学指标主要有压缩性指标抗剪强度及灵敏度等。对每个测区区的处理前后土样试验指标统计，结果显示:①SR1区的软土处理前、后重度提高了12%(14.9 kN/m3→16.7 kN/m3);含水率减小约29%(69.9%→49.5%);孔隙比减小了33%;压缩系数降低41%(1.6 MPa－1→0.94 MPa－1);粘聚力增大了2.7倍。②SR2区的软土处理前、后重度提高了7%(15.4 kN/m3→16.5 kN/m3);含水率减小约23%(68.5%→52.7%);孔隙比减小了25%;压缩系数降低了38%(1.5 MPa－1→0.93 MPa－1);粘聚力增大了1.74倍。

(2)十字板剪切试验及静载荷试验分析

地基处理前后分别在每个区的同一位置进行2组十字板剪切试验，主要对比地基处理前后土的力学指标。地基处理前后十字板抗剪强度值如表2所示。

从表2可以看出，(1)SR1和SR2区在进过地基处理之后，强度分别提高4.5倍和3.3倍。

十字板抗剪强度值 表2

3 直排式真空预压与普通真空预压的地基处理效果比较

所谓直排式，就是将真空吸管同排水板直接相连，真空压力直接将排水板内的水抽出，地基得以加固。SR1区采用直排式真空预压法，SR2区采用普通真空预压法。

3.1 沉降速率比较

图2为抽真空初期，SR1区与SR2区平均沉降速率时间荷载对比曲线，从图中可以看出，直排式真空预压的真空荷载比普通真空预压的真空荷载高出约5 kPa，直排式真空预压的沉降速率基本上始终比普通真空预压快约35%，直排式真空预压处理地基固结速率较快。

图2 地面沉降速率－真空荷载时程曲线图

3.2 排水板内真空度传递比较

从图2可以看出，真空预压期间，SR1区和SR2区的地表下10 m范围均有真空度。SR1区的地表下8 m范围内测点真空度较高，都接近80 kPa，而SR2区的真空度沿深度向下是逐渐衰减的。在真空度有效影响范围内，沿深度方向向下越深，直排式真空度比普通式真空度越高。真空度高，地基加固效果更好。

3.3 固结度比较

根据地面沉降推测的平均固结度，直排式真空预压地基平均固结度为95.3%，普通真空预压处理地基的固结度为93.5%，直排式真空预压比普通真空预压处理地基的固结度大1.7个百分点。

3.4 物理力学指标比较

从表3以看出，直排式真空预压法和普通真空预压法处理地基相比，含水率多降低了6个百分点，孔隙比多降低了8个百分点，压缩系数多降低3个百分点，强度约多增加0.8倍。

直排式真空预压与普通式真空预压对比表 表3

以上各项指标皆表明，直排式真空预压法是普通真空预压法处理地基效果的1.1倍以上，直排式真空预压的地基处理效果明显优于普通真空预压。

3.5 真空度的损失分析

从试验区排水板中真空度测点与膜下真空度的变化关系分析可知，由于受埋设条件、真空度测点受力变形、排水板板芯等边界条件影响，真空度沿排水板深度分布的规律性不强。从试验区排水板中孔压测点与膜下真空度的变化关系分析可知，孔压下降的幅度值同膜下真空度变化规律基本同步，此现象表明，排水板内的负压沿深度表现为呈矩形分布的趋势。直排式真空预压方案中排水板内的孔压下降值幅度大于一般真空预压。

3.6 直排式真空预压造价

直排式真空预压采用吸管直接和排水板相联，不需设渗透系数较好的中粗砂垫层，可采用渗透系数较差的粉细砂垫层或粘土层，因而从整体上工程造价相对较低，应用范围更广。

4 结论

通过对直排式和普通式两种真空堆载联合预压处理软基的试验数据的分析，得到如下几点结论:

(1)直排式真空预压将真空吸管同排水板直接相连，产生的真空压力直接将排水板内水抽出，与普通式相比较，其沉降速率快、排水板内真空度高、固结度大，加固软基的效果较为显著。

(2)直排式真空预压法和普通真空预压法处理地基相比，含水率、孔隙比、压缩系数降低得较快，地基强度得到显著提高。

(3)直排式真空预压的地基处理效果明显优于普通真空预压，并降低了工程造价。

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