处理超软土真空预压的新方法及室内试验研究

王波 ，陈庚 *，陈永辉 ，2，徐锴

（1.河海大学岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

0 引言

航道疏浚、围垦工程等常需要处理高含水率、高压缩性、低渗透性的土体（下述为超软土）。对于超软土的处理，真空预压法在施加真空过程中在土体中不产生剪应力，从而对施工承载力没有要求，因此真空预压法是超软土处理的一种有效方法，具有加固效果好、造价低和工艺简单等特点。

目前有关真空预压法处理软土的研究：真空预压处理超软土效果与被处理超软土特性之间的关系方面，冯军等[1]通过室内模型试验研究，认为饱和软土中黏粒含量高，对孔隙水的吸附作用大，是导致真空预压加固流泥效果较差的原因之一。为提高真空预压处理效果，缩短处理时间，诸多学者也做相关研究，如武孟琼等[2]进行了底部抽真空加固淤泥的试验，认为底部抽真空的加固效果要优于上部抽真空；李丽慧等[3]进行了立体式真空降水法室内试验，认为该方法能使淤泥土的自然沉淀和加固同时进行，从而缩短地基的加固时间；孙立强等[4-5]进行了超软土的真空预压室内模型试验，认为二次插板可以改善土体的加固效果。冯会芳[6]采用浅层与深层相结合的两次真空预压先后对新近吹填淤泥形成的超软土地基进行了加固处理，认为两次加固效果明显，且成本偏高。除排水体的选择与布置外，载荷施加过程中的控制对处理效果也有明显影响，Myint等[7]在单向固结试验中研究了不同正压加载速率（0.66～6.66 Pa/s）对沉降和孔压的影响，并认为线性加载与瞬时加载对地基的加固效果存在差异；周源等[8]针对泥浆淤堵排水通道的问题，通过室内试验验证透气真空处理高含水率泥浆的可行性和有效性。

为提高真空预压处理超软土的处理效果，本文提出一种新的真空载荷施加方式，即异步真空吸水法。室内试验采用异步真空载荷施加，并与常规的真空载荷施加方式进行对比，从排水量、处理后土体含水率及强度增长等方面分析不同真空载荷加载方式对处理效果的影响。试验结果表明，相同预压时间下，异步真空吸水法处理效果优于传统的真空预压法。

1 异步真空吸水法介绍

由于超软土的自身特性（尤其是黏性含量较多的土体），尽管采用分级加载真空预压方式，排水通道附近土体颗粒仍会向其方向聚集，在排水通道一定范围内形成致密的弱透水层，这不仅影响工程加固效果，也会影响工程工期及造价。

有异于现行的真空预压法真空度的控制，该法的目的在于通过对竖向排水体同时施加不同的真空负压，即通过对竖向排水体（下以塑料排水板为例）的间隔连接及真空度的差异选择，实现异步真空吸水。塑料排水板的间隔连接，采用塑料排水板直连板头分别与塑料排水板和三通接头相连，再利用PU气管对三通接头进行连接，实现塑料排水板的间隔连接；真空度的差异选择，即保证在同一时刻相邻竖向排水板内真空度不同的前提下对水平排水主管内的真空度进行高低循环调节，使不同真空度传递至已打设完成的相邻塑料排水板，连接示意图如图1所示。

图1 异步真空吸水法布置图Fig.1 Layoutofasynchronous vacuum suctionmethod

异步真空吸水法的原理如图2所示，相邻的塑料排水板PVD-1与PVD-2通过不同的水平连接管进行联通，以保证PVD-1与PVD-2内真空度不同。

排水固结第1阶段（t1时刻段），PVD-1内真空度大于PVD-2内真空度，使得PVD-1内的排水量大于PVD-2内排水量，此时超软土中的细颗粒会随孔隙水的排水主要向PVD-1迁移。

图2 异步真空吸水法原理图Fig.2 Schematic ofasynchronousvacuum suctionmethod

排水固结第2阶段（t2时刻段），调节水平排水管的真空度，使得PVD-1内真空度小于PVD-2内真空度，此时，PVD-1内的排水量小于PVD-2内的排水量；根据排水量的变化量，重复上述两步，直至调节至PVD-1内的真空度等于PVD-2内的真空度（t3时刻段）。

此过程中，土颗粒在排水过程中不再朝固定的排水体方向单向运动，缓解或消除同时施加相同真空度条件下的土颗粒定向均布迁移造成的排水体的淤堵，从而推迟排水管道及附近土体的淤堵时间，提高处理效果。

2 试验用土的基本物理性质

取申嘉湖航道嘉兴段疏浚淤泥，取样已疏浚堆放3个月的土样，灰褐色，成流塑状，平均含水率为35.6%。采用密度计法进行土体颗粒分析，发现粒径小于0.075mm的细粒土含量为52%，属细粒土；疏浚淤泥土塑限为18，液限为35，塑性指数为17，属低液限黏土。表1为试验用超软土的基本物理力学性质。

表1 超软土的基本物理力学性质Table 1 Physicalandmechanicalparametersof ultra softsoil

为模拟超软土的形成及特征，室内配置超软土，将疏浚淤泥晾晒，并用碎土机进行破碎，过0.5 mm的筛后，按初始含水率105%（3倍液限）配置，分别称取对应的土、水，采用电动搅拌器制成泥浆，静置1周后待其沉降稳定后除去表层水，检测土体含水率，测其含水率为66.7%，为液限的1.9倍，对配置桶内的超软土做十字板剪切试验发现，几乎无抗剪强度（配置筒深度0.5m）。

3 低压蒸发试验及分析

进行超软土室内真空预压试验时，储水器中的水会在低压条件下进行水分蒸发。为消除该因素对排水量的影响，首先进行低压蒸发的真空预压模型试验，在常温20℃、常压45 kPa下进行水量标定。为满足试验条件，本次试验在地下室（温度变化：20℃±2℃）进行并采用调节螺栓维持真空压力不变，试验布置及仪器如图3所示。

图3 低压常温下水分蒸发试验Fig.3 M oisture evaporation testunder low pressure at room tem perature

考虑到T形管试验采用15kPa—30 kPa—45 kPa的真空吸力进行，而本试验主要目的是为了消除蒸发因素对T形管2组对比试验的影响，故采用常压45 kPa进行试验。储水器中原有水量66.48 g，试验整点时刻记录剩余水量，试验结果如图4所示。

图4 蒸发水量随时间变化曲线图Fig.4 Variation of evaporation water flowsw ith time

4 异步真空吸水法室内试验

为模拟超软土异步真空吸水法，室内采用T形管来进行相关试验（图5所示），通过T形主管左右管连接真空泵施加真空荷载，管中充满超软土，副管中超软土通过密封膜进行密封处理。

图5 T形管试验模拟排水板示意图Fig.5 T-tube testsimulates the drainage board schematics

在T形管主管左右抽真空处分别放置塑料排水板芯板和滤膜，尺寸直径均为85 mm，略大于T形管主管直径（80mm）。该装置是为模拟塑料排水板径向排水条件下超软土在渗流力作用下的固结特性。本试验仪器中，在同一时刻左右管分别施加不同的真空度来模拟连接排水体内差异真空的控制。

首先进行常规真空预压试验，即左右排水截面同时施加某一真空度（本试验为45 kPa），异步真空步骤见表2，即在相同时刻在T形管两侧采用2种不同真空度的水平排水管使相邻水平排水体内形成大小不同的真空负压，初始时刻高真空度的水平排水管内真空度控制在30 kPa，低真空度的水平排水管内真空度控制在15 kPa，不同真空度的排水管内真空度差异值保持在15 kPa之间，异步调节左右两管的真空度，以储水器水量不再增长时开始真空度调节，2次调节分别在30 h和45 h时进行，整个吸水过程持续60 h（60 h后储水器内的水量变化量为0，故停止真空泵工作）。

表2 异步真空吸水法真空控制步骤Table 2 The controlstepsof asynchronous vacuum method

4.1 排水量变化分析

图6为常规真空预压和异步真空吸水试验排水量和膜下真空度随试验时间的变化曲线。通过低压常温下的水分蒸发的补充，可得出排水量随时间变化的试验曲线和修正曲线。常规真空预压从开始至排水量曲线趋于平缓共用时间60 h，排水量161.8 g；异步真空吸水预压共用时间60 h，排水量211.6 g，最终排水量比常规预压试验增加30.8%。由图中可以看出异步真空吸水试验在30 h和45 h时曲线趋于平缓，排水速率降低，故此时改变T形管左右两端真空压力，使得排水速率进一步提高。图中常规预压试验在30 h时排水量大于异步真空试验，随后曲线趋于平缓（低压蒸发作用）；异步真空吸水试验在30 h，45 h改变真空压力后曲线斜率陡然升高，排水速率增大。

图6 排水量随时间变化曲线Fig.6 Variation of drainage flowsw ith time

在真空预压处理超软土时，必然发生黏土细颗粒向排水板聚集淤堵，当采用异步真空吸水，左右两端真空吸力大小发生转变后，黏土细颗粒会随着孔隙水的渗流力方向而相向调节，减缓其在排水体附近的聚集状况，有利于孔隙水的排水。

4.2 真空度及含水率变化分析

图7中常规预压试验距T形管左管10 cm、35 cm处的真空表在42min开始出现读数11 kPa、11.5 kPa，到3 600 min最终读数为35 kPa、34.5 kPa；而异步预压试验在3 600 min最终读数为40.5 kPa、42 kPa，表明在常规一次加荷45 kPa时，黏土颗粒在较大真空吸力作用下造成的淤堵状况较严重。图8是2组试验处理后T形主管中土体含水率，常规预压法处理后的土样含水率均比异步预压法高4.5%左右，说明异步真空吸水法降低超软土含水率的效果优于传统真空预压法。

图7 T形主管中真空度变化曲线Fig.7 The curve of vacuum degree in the T-director

图8 T形主管中含水率变化曲线Fig.8 The curveofmoisture content in the T-director

4.3 十字板抗剪强度分析

十字板剪切仪选用（PS-VST-P）型便携式十字板剪切仪，待试验排水过程结束后，将T形管左管取下并使左管面竖直向上，然后将剪切仪刻度调至零并垂直插入左管土样中间，顺时针方向均匀转动至停止，记录剪切仪刻度，右管重复上述步骤完成相应试验。表3中常规预压试验十字板抗剪强度为19.50 kPa，异步预压试验则为27.56 kPa，采用异步真空吸水后的强度是传统真空管预压强度的1.4倍，表明异步预压试验处理的效果要好于常规预压试验。

表3 十字板抗剪强度Table 3 Vane strength kPa

5 结语

1）在真空预压室内试验时，需考虑低压蒸发对试验结果的影响。通过室内标定试验表明：在温度、压力和蒸发面积一定时，蒸发水量随时间成线性关系。在分析室内真空预压的排水量变化时，需进行低压水分蒸发的补偿。

2）异步真空吸水法是指通过对竖向排水体的间隔连接及真空度的差异选择，实现相同时间下相邻排水体内差异真空，并根据其出水量进行真空度的调节，以缓解黏土颗粒的聚集淤堵影响排水效果。

3）通过模型试验表明，在相同预压时间内，异步真空吸水法的排水量较传统真空预压法提高29.3%，处理后土体含水率较传统方法降低4.5%，十字板剪切强度提高30%。因此，对于高含水率高流动性的超软土而言，异步真空吸水法是一种有效提高处理效果的真空吸水方法。

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