预压法处理地基及固结分析①

孙 亚

(同济大学地下建筑与工程系，上海200092)

0 引 言

1982 年我国在真空预压的基础上，提出了联合堆载的加固方法.从1985 年的三月到十一月综合项目开始了真空联合堆载加固大的探究实验［1］.此法即先进行真空预压施工，而后在膜下真空度达设计需求并在确定运行平稳的一周到两周时间后，实施堆载预压运行.并在工程完结以后，将真空与堆载结合使用，至达到固结度标准或者沉降速率标准时即可去除真空荷载.该方法也广泛应用在机场［2］、建筑地基、路基等工程建设中.

1 加固机理

堆载预压法遵从的是Terzaghi 的有效应力理论.根据图1 可以看出，附加外部压力之后，土体的固结就变成了孔隙水压消除、有效应力提升与土体逐步压密的进程.加载瞬间，堆载压力全部由孔隙水承担，此时孔隙水将增大.通过在地基中布置竖向砂井，增加了排水途径，缩短了排水距离，这时土层中的空隙水主要通过砂井部分竖向排出，超空隙水压力u 减小.根据有效应力原理，有效应力增加.地基土发生沉降，且强度增加，从而达到了加固的效果，并且可以有效减小建筑物的沉降.

真空预压法即将软土地基表面首先添加砂垫层，之后加入垂直排水管道，并通过隔离的封闭膜让软土地基同空气分离，薄膜周围深入地中，利用砂垫层里添加的吸水通道，使用真空装置排除空气与水，让整体设备产生真空压力，从而推动土体排水固结，进而提升地基的有效应力.将整体转化真空状态时，砂垫层和排水通道中逐步降为负压，保持土体内部和排水通道、垫层间产生压力差.在这种情况中，土体中孔隙水持续通过通道流出，土体固结.其示意图如图2 所示.

图1 堆载预压简图

图2 真空预压简图

关于该方法的作用机理，其中一个理念即把膜内外压差当做等效荷载反应在地基土上;另一个理念即陈环等公布的负压下固结观念.二十世纪80年代，陈环等［3］通过一维负压固结仪实施抽气实验，发现同样的压差之下，正负压的试样通过加固后拥有大体一致的土体参数，也就是加固意义大体一致，其土体强度的提升效果也大体一致的结果.这就说明抽真空仅仅使孔隙压力持续变化，也就是真空预压利用减小土体中的孔隙压力，让有效应力提升从而达到加固效果.阎澎叮、陈环［4］通过二轴仪实施正压与负压的对照实验，发现正压与负压作用一下的固结过程大体一致.EC.Leong 等［5］用利用固结仪探究了在同种压力中(正负压)土样剪切强度增加的状况，获得了堆载预压加固成效高于真空预压的加固成效的结果.龚晓南等［6］以现有真空预压的研究和多孔介质渗流理论为基点，给出了真空渗流场理论用以诠释真空预压加固软土地基的机制.

从上述研究中可以看出，堆载预压法和真空预压法在加固机理上存在着不同，堆载预压法可以称为正压固结，真空预压法可以称为负压固结.从土中应力可知，堆载预压总应力增加，随着超静孔隙水压力的减少而使有效应力增加;真空预压法总应力不变，降低孔隙压力，而使有效应力增加.从加压系统设计上，堆载预压加载过程里剪应力提升，也许会导致土体剪切损坏，所以必须调控加载速率分级加载;真空预压法抽真空时，剪应力不提升，无法导致土体剪切破坏，不需要控制加载速率.两者处理深度不一样，而且后者会引起地下水位下降，就造价方面来说也是后者比较高.

2 竖井地基固结理论

设置有竖向排水井的地基可简称为竖井地基.竖井排水固结法思想最初由Moran 于1925 年提出.想要让观测预测竖井地基的固结过程合理化，探究人员在竖井地基固结观念角度上完成了大规模任务，获得了许多成就.Carrillo［7］简化了砂井地基固结方程，使得竖井地基固结问题能够首先各自核算径向固结与坚向固结，之后综合获得地基总体固结度.

1948 年Barron［8］最初针对非井阻与涂抹效果的竖井地基固结实施推断.Yoshikuni［9］等以Biot固结理论为基础，得到了考虑径向和竖向组合渗流的解答.高木俊介公布了逐步加荷条件下砂井地基固结的核算方式，这种方式和Terzaghi 公布的近似修正法相比更加准确，但该方法使用范围更加广泛.

由最初的Terzaghi 一维固结理论进步到Biot的真三维固结理论，再到之后Barron 公布了砂井的固结理论，在这一过程中有不同的人针对固结理论给出了不同观点，但在实际工程中，专家们更多的是使用Terzaghi 与Barron 的固结理论，之后再综合修正系数加以修正.此外现在的各种关于真空预压的规定均使真空荷载等效当做堆载实施沉降预测.一方面因为上述理论计算方面，工程经验较多，另一方目前其他理论尚未成熟，计算稍显复杂，难以满足工程需要，而有限元进行三维计算由于建模难度以及土体本构及参数选取问题未能广泛使用.

3 固结计算

实际工程中，荷载大多是分级加载.分级加载下，工程中常用的地基固结度计算主要有下列两种方法.

3.1 改进的太沙基法

基本思想为:各级荷载增量导致的固结进程是各自实施的;各级荷载为在加载起讫时间的中点一次瞬时加足的;其中各点时间的总平均固结度为此时每个级别荷载作用下固结度的加和.改进的太沙基法表达式为:

3.2 改进的高木俊介法

依照巴伦原理，利用多级等速加荷使砂井地基在径向与垂直向条件下推断出其平均固结度的精准值，其主要优点为无需精确求取瞬时加荷条件下的地基固结度，能直接求取已修正的平均固结度，可适用于多种排水条件，具有通用性.修正后的平均固结度为:

式中，α，β 的计算公式可根据不同的排水条件，查表得到.

4 实例分析

建筑场地为近年新淤积的海滩，含水量高，压缩性大，抗剪强度低，采用预压法进行地基加固.软弱土层厚度为12m，下部为不透水层.竖向排水通道采用塑料排水板，规格为100mm3.5mm，三角形布置，间距1.2m，穿透受压土层.经过室内土工实验获得相关指标，竖向固结系数是1.1×10－3cm2/s，径向固结系数是2.6×10－3cm2/s.加载计划为0d ～20d，加荷50kPa;30d ～50d，加荷50kPa;70d ～90d，加荷40kPa;110d ～120d，加荷30kPa;140d ～160d，加荷20kPa.

塑料排水板换算直径，

塑料排水板径向排水范围的等效直径，

井径比，

根据改进的高木俊介法在Excel 中输入了公式，编制了相应的表格，计算了160d 各级荷载的固结度，如表1 所示.

表1 各级荷载固结度

5 结 论

(1)本文论述了预压法在处理地基方面的发展过程，解释了真空预压与堆载预压的巩固原理，对真空预压巩固进行了深度估算，真空预压区地下水位的变化情况以及正负压联合作用机理还有待进一步研究.并从应力变化，加压系统的设计，处理深度等比较了两者加固机理的不同点.

(2)目前研究者提出了许多竖井固结理论，考虑了不同的模型简化问题，但在工程实践中工程师们仍然广泛的使用Terzaghi 和Barron 固结理论然后结合修正系数进行修正方法.更加符合实际，更能满足工程设计需要的固结理论需要进一步研究.

(3)介绍目前常用的固结计算方法，它们在长期被使用，积累了大量的经验.并通过工程实例，运用改进的高木俊介法进行了计算.手算过程略显复杂，故本文编制了Excel 表格进行计算.

［1］ 唐羿生，矫德全，杨玉玺.真空联合堆载预压加固软基试验研究［J］.港口工程，1986，06:4－15.

［2］ Tang M，Shang J Q，CHU J，et al.Vacuum Preloading Consolidation of Yaoqiang Airport runway［J］.Ground and Soil Improvement，2004:44.

［3］ 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.

［4］ 阎澍旺，陈环.用真空加固软土地基的机制与计算方法［J］.岩土工程学报，1986，8(2):35－43.

［5］ Leong EC，Soemeitro RM，Rchardjo H.Soil Improvement by Surcharge and Vacuum Preloading［J］.Geotechnique，2000(5):601－605.

［6］ 龚晓南，岑仰润.真空预压加固软土地基机理探讨［J］.哈尔滨建筑大学学报，2002，35(2):7－10.

［7］ Carrillo N.Simple Two and Three Dimensional Cases In the Theory of Consolidation of Soils［J］.Journal of Mathematics and Physics，1942，21(1):1－5.

［8］ Barron R A.Consolidation of Fine－grained Soils by Drain Wells［J］.1900.

［9］ Yoshikuni H，Nakanodo H.Consolidation of Soil by Vertical Drain Wells with Finite Permeability［J］.Soil and Foundations，1974，14(2):35－46.