真空预压加固吹填淤泥地基的孔隙水压力特性

许滨华，何 宁，周彦章，姜彦彬，朱群峰

(1. 南京水利科学研究院，江苏南京 210029； 2. 河海大学，江苏南京 210098)

真空预压加固吹填淤泥地基的孔隙水压力特性

许滨华1,2，何 宁1，周彦章1，姜彦彬1，朱群峰1

(1. 南京水利科学研究院，江苏南京 210029； 2. 河海大学，江苏南京 210098)

现场孔隙水压力的变化过程能反映地基加固过程中有效应力的发展，现场孔隙水压力的监测是真空预压加固软土地基的重要监测内容之一。通过现场孔隙水压力监测资料,用曼德尔效应解释了真空预压加固吹填淤泥前期出现孔隙水压力增大的现象，分析了真空预压加固吹填淤泥地基出现曼德尔效应的原因，结果表明，在真空预压加固吹填淤泥地基时曼德尔效应的持续时间沿深度逐渐缩短。综合考虑土的固结状态、负压的传递及工程所处环境表明，真空预压加固吹填淤泥时，孔隙水压力的变化受吹填土的欠固结程度、负压的传递和膜上覆水压力等因素综合影响。

真空预压； 吹填淤泥； 孔隙水压力； 曼德尔效应； 欠固结土

真空排水预压是处理软土地基和吹填淤泥的常用方法，具有加荷速度快、节约费用、加载过程中不易出现地基失稳等优点[1]。真空排水预压处理新近吹填软土地基过程中孔隙水压力的变化过程能够反映地基土体内有效应力的发展和变化，是评价地基加固效果的重要指标，因此地基土体中孔隙水压力的现场监测是真空预压加固软基的重要监测内容。真空预压加固软土地基过程中孔隙水压力的消散受多方面因素影响，其变化过程与机理较为复杂，国内诸多学者针对真空预压中孔隙水压力的消散进行了研究[2]。

本文根据现场监测资料，综合考虑吹填淤泥的沉积特性和固结情况，分析探讨了真空预压法加固吹填淤泥地基过程中的孔隙水压力变化规律，以期为类似工程提供理论参考和实践依据。

1 工程概况

图1 试验区平面Fig.1 Layout of test area

试验场地位于厦门市某真空预压加固吹填淤泥地基工程所在地，吹填区工程勘察资料表明：区内以吹填淤泥为主，局部区域为吹填砂混黏性土，下伏一定厚度的淤泥软土层，淤泥平均厚度为7.8 m。加固区近似正方形，总面积约为13万m2，竖向排水体采用A型塑料排水板，平面正方形布置，间距1.0 m，打设深度8.0 m。现场监测内容包括膜下真空度、地表沉降、分层沉降、孔隙水压力和地下水位等，其中孔隙水压力采用振弦式孔隙水压力计测量。

吹填淤泥距吹填口距离不一样，其颗粒组成在平面和深度上分布存在差异。试验以距离吹填口的远近为依据，将A1和A3两个分区作为试验点(见图1)，其中A3区靠近吹填口，淤泥层不厚，而A1区离吹填口最远，淤泥层厚达8.4 m，整个区域砂垫层平均厚度1.1 m。其中A1区吹填深度为-9.5～-1.1 m，均为淤泥质土；A3区吹填深度-5.4～-1.1 m，淤泥层厚-5.4～-2.5 m。两个试验区不同深度处土层的物理力学指标见表1，级配曲线见图2。其中A1区土层1为3 m深度处土样，土层2为5 m处土样，土层3为7 m处土样；A3区土层1为2 m深度处土样，土层2为3 m处土样，土层3为4 m处土样。

表1 A1和A3区各土层的物理力学性质Tab.1 Mechanical parameters of soft clay layer in A1 and A3 areas

试验中A1区分别在3，5，7 m深度处埋设孔隙水压力计， A3区分别在3和4 m处埋设了孔隙水压力计，采用一孔一计的埋设方式，孔压计平面布置见图1，两个试验区孔压计的埋设剖面图见图3(a)和(b)。

A1区3个不同深度在抽真空前总孔隙水压力分别为60，82 和105 kPa，该区地下水位低于地表0.53 m；A3区3和4 m深度处抽真空前总孔隙水压力分别是23和37 kPa，该区地下水位低于地表0.8 m。由此可知，A1区各土层孔隙水压力均大于相应位置的静水压力，各土层欠固结程度较大，且随着深度增加欠固结程度越大；A3区各土层孔隙水压力略大于相应位置的静水压力，该区土层欠固结程度较小。两个试验区中吹填土均为欠固结土。

图2 试验区各土层级配曲线Fig.2 Grading curves of soft clay layer in test area

图3 试验区孔隙水压力计(单位： m)Fig.3 Layout of piezometer in test area (unit: m)

整个区域于2015年9月25号开始抽真空，膜下真空度于10月4号达到85 kPa以上。其中A1区于10月23号部分泵出现故障导致膜下真空度下降到47 kPa，修好之后于次日恢复到85 kPa以上。2016年1月10号抽真空结束，膜下真空度变化曲线见图4，试验区地表沉降曲线见图5。

图4 真空荷载施加曲线Fig.4 Curves of vacuum loading

图5 试验区地表沉降曲线Fig.5 Ground surface settlement curves of test area

2 孔隙水压力观测结果

为分析新近吹填地基土体的欠固结状态，孔隙水压力变化过程用孔压差-时间曲线表示。孔压差是指同一地点在两个时刻的孔隙水压力差值，此处指某时刻测值与抽真空前孔压测值间的变化值。

图6 A1区不同深度孔压差时间变化曲线Fig.6 Curves of pore-water pressure difference at different depth in A1 area

A1区距吹填口较远，测点位置地基土体内孔压差沿深度分布的时间变化曲线如图6，分析其孔隙水压力变化规律具有以下特点：抽真空开始时，不同深度处的孔隙水压力均先呈增大趋势，且浅层3 m处孔隙水压力增长持续时间最长，增长至第9天开始降低，而5和7 m处则在第6天开始降低，之后随着真空度提高，孔隙水压力开始下降并趋于平稳；抽真空过程中，不同深度的孔隙水压力测值整体呈下降趋势，浅层3 m处变化最小，深部7 m处变化最大，孔压差沿深度的递增而增加；对比不同深度孔隙水压力下降速率，浅层3 m处最小，平均0.11 kPa/d，深部7 m处下降速率最大，平均0.27 kPa/d。孔压下降速率沿深度的递增而增加，孔压差变化速率随着抽真空时间增加而逐渐趋缓；浅层3 m处的孔压差在加固期前期为正值，末期变为负值，而深部其他两处的孔压差值几乎都为负，其中孔压差正值代表孔隙水压力大小比开始抽真空前的孔隙水压力大，负值则相反；在该试验点3个不同深度处土体的孔压变化值不大，孔压差值均小于-20 kPa。

图7 A3区不同深度孔压差时间变化曲线Fig.7 Variation curves of pore-water pressure difference at different depths in A3 area

A3区距吹填口较近，测点位置地基土体内孔压差沿深度分布的时间变化曲线如图7。分析其孔隙水压力变化规律有以下特点：抽真空开始时，两处的孔隙水压力立刻下降，且下降较快，中期趋于平稳，后期有少量回升，孔压差变化速率随着抽真空时间增加而逐渐减缓；抽真空前期，4 m深度处的孔压差比3 m深度处的更大，但中后期3 m深度处的孔压差则大于4 m深度；整个加固期内，两深度处的孔压差均为负值。

两区同一测点不同深度的孔压差-时间关系曲线形态相似，其总体变化规律较为相似，表明孔隙水压力在同一位置沿不同深度的消散规律基本相近。但两个不同分区测点处孔压差-时间关系曲线表明其孔隙水压力变化规律存在明显区别。

3 结果分析

3.1 真空排水预压加固机理及吹填淤泥沉积特性

采用真空排水预压处理软土地基时，将大气压作为荷载，通过真空泵对铺了密封膜的地基进行抽气，使密封膜内外产生压差(即膜下真空度)，真空度随着水平排水通道逐渐向下延伸，同时又由垂直排水通道向周围土体传递和延伸，从而降低土中孔隙水压力形成负的超静孔隙水压力。由于其增量值是负的，所以土体孔隙中的气和水向垂直排水通道渗流，最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层被真空泵抽出，引起土中孔隙水压力降低，形成负的超静孔隙水压力，达到排水固结的效果。由于孔隙水压力是球应力，所以在真空预压作用下，土体单元在各个方向所增加的有效应力均相等。负压荷载传递过程如下：真空泵→主管→滤管→ 砂垫层→ 竖向排水体→ 土体[3-4]。

吹填淤泥由于重力及水力分选作用，颗粒组成空间分布不均匀，靠近吹填口附近颗粒较粗，离吹填口远处颗粒较细，且浅层吹填土细颗粒含量高于深层[5]。以淤泥和淤泥质土为来源的吹填土含水率较高，排水固结困难，地基土体的超静孔隙水压力需要很长时间才能消散。

3.2 孔压变化规律

图8 柱形土单元体受压示意Fig.8 Cylindrical soil unit cell under pressure

(1)A1区地基土体内抽真空前期超静孔隙水压力增大的现象与常规的真空预压过程中产生负的超静孔隙水压力理论[4]相悖。结合A1区测点处吹填土特性可以用曼德尔效应来分析该测点处孔隙水压力变化规律。“软土在固结初期孔隙水压力不是消散降低，而是上升并大于初始孔压的现象”称为曼德尔效应。曼德尔效应的出现与土骨架的泊松比、弹性模量、渗透系数、圆柱土体的大小及孔压测头的埋设位置等因素有关[6]。真空预压加固软土地基时，对于整个地基土来说，其总应力未增加，孔隙水压力降低，从而有效应力增大。以正方形布置的排水通道为边界取柱形土单元，对于局部土单元来说，抽真空时，靠近排水通道的土单元边界孔隙水压力先降低，而孔隙水压力是中性应力，是球应力，相当于在柱形土单元体周围施加了均布压力。当球应力作用在柱形土单元体时，柱形土单元体边界开始排水固结，有效应力增大，土单元体外壳产生收缩变形(图8)，外壳的收缩将会对土柱单元体内部产生收缩应力，使得土单元体内部的总应力增大。当柱形土体的渗透系数较小时，柱形土单元体内部来不及排水，并且内部土体土骨架相对不能变形，不能承担所增加的应力，则短期内表现为内部孔隙水压力增高[7]。试验区内孔压测头的埋设位置位于正方形布置的4个垂直排水通道的中心，则所测孔压相当于柱形土单元体内部中心处的孔隙水压力，并且由于A1区内细颗粒含量较多、渗透系数较小、渗透性差，因此在A1区出现了抽真空前期超静孔隙水压力增大的现象，即“曼德尔效应”，而A3区因距吹填口较近，地基土体颗粒较粗、渗透系数相比A1区较高，并没有出现曼德尔效应。

(2)A1区中曼德尔效应持续时间沿深度增加而逐渐缩短这一现象，与曼德尔效应持续时间与深度关系的研究成果[8-9]相悖。根据已有数值分析模拟成果[8]，在单面竖向排水条件下，随深度增加，排水距离增大，离排水面越远，曼德尔效应的发生、持续时间将相应被推迟。真空预压在处理地基时，由于打设了竖向排水板，同一点不同深度处的土体距离排水面的距离相等,并且由于吹填淤泥的颗粒沉积特性，浅层吹填土颗粒较细、渗透性能差，在垂直方向上，浅层土体的超静孔隙水压力相比深层土体消散较慢，因此浅层土体的曼德尔效应持续时间更长。在真空预压处理吹填淤泥这一特殊场地，如果出现曼德尔效应，且在垂直方向上土颗粒大小有明显差别时，曼德尔效应的持续时间理论上沿深度增加逐渐缩短。

(3)A1区孔隙水压力下降速率及幅度沿深度而增加，这与负压分布模式的研究成果[10]相悖。真空预压时，负压沿垂直排水通道传递的过程中会有一定能量损耗，因此负压沿深度分布逐渐减小。对于正常固结的天然软土，在真空预压状态下，其孔隙水压力的消散主要来自于负压传递。正常固结的天然软土在真空预压作用下孔压差沿深度的变化与负压沿深度的分布模式一致，即沿深度逐渐减小。但在试验中出现了完全相反的变化趋势，其主要原因在于加固土体是吹填淤泥，属于欠固结土，且超静孔隙水压力的消散程度在不同深度存在差异。对于欠固结土，其在真空预压作用下孔隙水压力的消散值包括欠固结状态尚未消散的超静孔隙水压力的消散值和抽真空作用引起的负的超静孔隙水压力两部分。在未打排水板之前，由于深部土体距离排水面更远，所以深层土体的超静孔隙水压力消散程度要比浅层低。当打设排水板及抽真空后，不同深度土体到排水面的距离相等，且深层吹填淤泥土颗粒大小及渗透系数均大于浅层吹填淤泥，因此深层土体的孔隙水压力消散速率较快，导致深层土体自重固结阶段(欠固结)未消散的那部分孔压要比浅层大，即使深层土体因抽真空引起的那部分负的超静孔隙水压力小于浅层，但孔隙水压力总的消散值是由欠固结状态尚未消散的超静孔隙水压力消散值和抽真空作用引起的负超静孔隙水压力两部分组成，所以当深层土体的欠固结程度很大时，完全有可能导致深层土体的孔隙水压力下降速率及幅度大于浅层土体。综合分析，这就是A1区出现深层土体的孔压消散值和消散速率大于浅层土体这一现象的原因。

(4)A3区孔压差变化曲线在抽真空后期有少量反弹。由膜下真空度变化曲线可知，真空度一直持续在85 kPa左右，孔压值出现少量回升并不是真空度降低造成的。在抽真空过程中会有一定量的膜上覆水，膜上覆水会产生正的附加应力，从而会在该区域产生一定量的正超静孔隙水压力[11]。由于A3区地势较低，随着加固的进行膜上覆水深度不断增加，膜上覆水平均深度在抽真空50 d后达到1.2 m。地基软土中形成的正超静孔隙水压力也会增加，导致孔隙水压力值有一定量的增加，在孔压差曲线就表现出有少量反弹。

(5)分析两个分区的孔压差变化曲线， A3区不同深度的孔隙水压力变化曲线形式相似，而A1区不同深度的孔压变化曲线相差较大。根据吹填淤泥的吹填特性，A3区因靠近吹填口，该位置土体的粗颗粒含量高于A1区，因此A3区土体的渗透性更好，负压沿垂直方向传递的衰减较小。在抽真空过程中，A3区吹填土在3和4 m深度处总的孔压消散值相差不大，使得A3区不同深度的孔隙水压力变化过程相似。

(6)比较A1和A3区孔压差变化曲线，两个区的负超静孔隙水压力值都不大，特别是A1区最大不超过-20 kPa，A3区最大能达-50 kPa，相比膜下真空度相差甚远，这与A1区细粒含量较高有关。当土中细颗粒含量较高时，负压传递过程中能量损失也较大，而且细颗粒在真空吸力下迁移也很容易在排水板周围产生局部密实区形成“土柱”现象[12]，受其影响，排水板滤膜的渗透性极差，在真空吸力不变的情况下，负压传递损耗较大，使得两个区中负的超静孔隙水压力并不大。A1区因离吹填口远，其细颗粒含量更多，渗透系数更小、渗透性更差，所以该区形成的负超静孔压比A3区小。

4 结 语

(1)利用真空预压处理吹填土地基时，抽真空前期可能会出现曼德尔效应。曼德尔效应的持续时间与土体距排水面距离、土体的颗粒组成分布和渗透性有关。在真空预压加固吹填土时，当出现曼德尔效应时，理论上其持续时间随深度的增加而递减。

(2)吹填软土等欠固结土在真空预压作用下的孔隙水压力消散值包括欠固结状态未消散超静孔隙水压力的消散值和抽真空引起的负的超静孔隙水压力两部分。分析孔压差曲线在深度方向上的分布时，应考虑土体的固结状态。

(3)膜上覆水增加产生的正超静孔隙水压力会使抽真空过程中孔压差变化曲线后期出现少量反弹。

(4)当吹填场地较大时，吹填口的位置尽量不要固定在一个位置，避免造成土颗粒分布过于不均匀，导致细颗粒含量过于集中在一个区出现“土柱”现象，影响加固效果。

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Discussion on characteristics of pore pressure in hydraulic reclamation silt foundation under vacuum preloading

XU Binhua1, 2, HE Ning1, ZHOU Yanzhang1, JIANG Yanbin1, ZHU Qunfeng1

(1.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 2.HohaiUniversity,Nanjing210098，China)

The pore water pressure monitoring is one of the important contents of the monitoring hydraulic reclamation silt foundation under the vacuum preloading, and the variation of the pore water pressure can reflect the development of effective stress in the process of foundation reinforcement. Based on the pore water pressure monitoring data, the authors explain the increasing of the pore water pressure in the early stage of the vacuum preloading with the Mandel-Cryer effect, analyze the reasons why the Mandel-Cryer effect happens in the hydraulic reclamation silt under the vacuum preloading, and obtain the duration of the Mandel-Cryer effect that reduces along the depth when the hydraulic reclamation silt is under the conditions of the vacuum preloading. At the same time, considering the soil consolidation state, the transfer of the negative pressure and the engineering environment, the analysis results indicate that the variation of the pore water pressure in the hydraulic reclamation silt foundation under the vacuum preloading is influenced by soil consolidation state, transfer of the negative pressure and water pressure on the sealing membrane.

vacuum preloading; hydraulic reclamation silt; pore water pressure; Mandel-Cryer effect; underconsolidated soil

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.02.006

2016-05-04

国家自然科学基金资助项目(51379131)；交通运输部科技成果推广项目(2015326T18050)

许滨华(1991—)，男，江西赣州人，硕士研究生，主要从事地基处理研究。E-mail：317413076@qq.com

TU472

A

1009-640X(2017)02-0045-06

许滨华， 何宁， 周彦章， 等. 真空预压加固吹填淤泥地基的孔隙水压力特性[J]. 水利水运工程学报, 2017(2): 45-50. (XU Binhua, HE Ning, ZHOU Yanzhang, et al. Discussion on characteristics of pore pressure in hydraulic reclamation silt foundation under vacuum preloading[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(2): 45-50. (in Chinese))