间歇式分级真空预压的模型试验

熊站，汪明元，陈晶金，单治钢，严乾，王亚军*

（1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

随着经济的快速增长和人口的膨胀，沿海城市面临着严峻的土地资源短缺形势，而沿海地区有超过217万hm2的潮汐带，潮汐带的围垦是一种主要的解决土地资源短缺问题的方式。用于潮汐带围垦的主要吹填土来自于附近的海底沉积物，由于吹填土不良的物理性质，对其改良是很有必要的，而真空预压被广泛用来处理吹填土[1-2]。但真空预压处理吹填土存在一个难题，即真空度通常是一次性设定为80 kPa，由于真空吸力将孔隙水排出土体的同时，大量黏粒随水迁移至排水板周围形成泥膜，造成排水板淤堵，降低排水固结效率[3-5]。针对上述问题，本文以舟山近海沉积的海相软土为研究对象，采用间歇式分级真空预压的方法，即分级施加荷载，且每抽真空一段时间后卸载真空，分析孔隙水压力、沉降量、排水量、含水率、密度和十字板剪切强度等各项参数来反映海相软土的排水固结效果。

1 试验概况

1.1 试验土样

本文试验研究所用海相软土取土位置在长峙岛海域一侧（东经 122°10′48″，北纬 29°58′48″）。长峙岛在经历几次不同规模的围海造陆作用后，海岸堆沉积特点愈加突出，由此形成的是大量的泥质海滩，海岸及潮差带均分布有大范围、极深厚的海相软土[7-8]。

海相软土的物理性质如表1所示，含水率高、初始孔隙比大、呈流塑状，塑性指数10＜IP＜17，液限 WL＜50%，依据GB/T 50145—2007《土的工程分类标准》和GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》应将其定名为低液限粉质黏土。该粉质黏土的活性指数大于1.25，属于活动黏性土，矿物的亲水性较好。

表1 海相软土的性质Table 1 The properties of the marine soft soil

1.2 试验装置

试验过程中将进行真空度、孔隙水压力、表层沉降量的监测，试验装置主要由模型桶、真空泵（功率3.85 kW）、水气分离瓶、排水板、真空管、自制铁架（用于固定排水板和孔隙水压力计）等组成；数据采集系统包括真空表、微型孔隙水压力计（CYY2型）、直尺、电子秤。试验使用的材料有密封膜、土工织物、胶布、玻璃胶等。试验中所使用的排水板宽度和厚度分别为10 cm、0.4 cm，滤膜的渗透系数＞0.005 cm/s，等效直径为0.012 cm。

试验模型示意图如图1所示。

图1 试验模型示意图Fig.1 Schematic diagram of test cell

1.3 试验步骤

将搅拌均匀的软土逐层倒入试验模型桶中，至土样初始高度为380 mm，软土表层上铺1层有纺土工布和2层土工膜，密封膜插入模型桶淤泥内，并在边界处做密封泥层处理；在有纺土工布和土工膜中心开口插入排水板，将鸭嘴帽与排水板镶嵌固定，用钢丝软管连接鸭嘴帽、水气分离瓶和真空泵，组成集水系统，并用玻璃胶密封接头。静置14 h后，开启真空泵，通过阀门来调节系统中的真空度，由水气分离瓶上的真空表、电子秤来采集系统中的真空度和排水量，孔隙水压力传感器来采集土体中的孔压，直尺来测读表层沉降量。

1.4 试验方案

真空压力分为20 kPa、40 kPa和80 kPa三级加载，依据检测土体表层沉降量和排水量的变化趋势决定下一级真空压力的施加。加载方式为：20 kPa（14 h）→停泵（10 h）→20 kPa（14 h）→停泵（10 h）→40 kPa（14 h）→停泵（10 h）→40 kPa（14 h）→停泵（10 h）→80 kPa（14 h），真空荷载加载时间为68 h，试验总共持续时间为108 h。当土体每10 h的沉降量小于0.1 mm时，可以认为土体固结趋于稳定停止试验，测土体不同深度下土体的含水率、密度和表层十字板剪切强度。

2 试验数据分析

2.1 排水量和排水速率

排水固结的效果可以根据排水量的大小和排水速率的快慢来评价。为了观察排水量随时间的变化，建立了排水量与时间的关系曲线，如图2所示，排水量随着真空荷载的逐级施加而不断增加直至趋于平缓。对于80 kPa的最后负荷水平，发现施加较高负荷的方法没有效果，因为排水板周围已经形成了淤堵泥层。值得注意的是，真空预压的排水固结速率（V）可以直接反映出排水速率，关系式如下：

式中：V（i-1+i）/2为 t（i-1+i）/2时刻的排水速率；Mi为 ti时刻的排水量；Mi-1为ti-1时刻的排水量。

图2 排水量随时间的变化曲线Fig.2 Water discharge vs.time curves

排水速率可以分为三个阶段，如图3所示，在第一阶段（0～14 h），排水速率非常大，呈指数下降，这是由于初始土体中含有的大量游离水被排出；在第二阶段（14～42 h），排水速率开始变缓，土颗粒迁移，由于滤膜的阻隔作用，细小的土颗粒被排出，大的土颗粒被阻隔而形成泥膜；在第三阶段（42～68 h），排水速率逐渐趋于平缓，可见泥膜已形成稳定的结构，滤膜几乎被完全淤堵，此时施加的三级荷载对排水速率的贡献不大。此外，从图3中可以明显看出，停泵后排水速率显著增加，出现这种情况的一部分原因是卸掉真空荷载后土体在自重下发生固结，孔隙进一步压缩闭合，包裹的孔隙水被释放出来变成游离水，使淤堵的泥层结构浸湿受损，滤膜的渗透系数变大；另一部分原因是停止一段时间后再开启真空泵，真空负压力对于土体产生一个突然的强大吸力，使土体骨架又发生了一次破坏与重组，加快了孔隙自身的“扩展-破裂-闭合”演变过程，形成新的渗流连通孔隙[9]，因而重新打开真空泵时排水速率明显增加。

图3 排水速率随时间的变化曲线Fig.3 Rate of water discharge vs.time curves

2.2 孔隙水压力

图4 显示了孔隙水压力随时间的变化曲线，观察上述曲线可知，由于施加真空压力之前，土体颗粒之间的接触力非常小，土样先以细颗粒絮凝下沉为主，之后以自重固结为主，超孔隙水压力逐渐消散直至达到静水压力3.8 kPa。当排水板施加的真空压力增加了土颗粒之间的接触力和游离水的渗透力时，前期静置的游离水被大量排出，这导致前期（0～28 h）孔隙压力的急剧减少。由于渗流，土颗粒迁移发生，直径大于滤膜孔径的土颗粒被堵在膜外，直径小于孔径的土颗粒被排出，因此，泥膜的厚度随着时间的推移而增加，逐渐在排水板之外形成稳定的结构。同时，泥膜的形成减弱了渗流作用，在这个阶段（42～56 h），这将降低该测量点处的真空压力和渗透力，因而孔隙水压力下降缓慢。尽管后期（56～70 h）孔隙水压力直线下降，而排水量却不再变化，说明孔隙水压力的下降是由于真空荷载而非孔隙水的排水引起的。需要说明的是图中的奇点是由于停泵导致土体的真空度降低，孔隙水压力上升造成的。

图4 孔隙水压力随时间变化的曲线Fig.4 Pore water pressure vs.time curves

2.3 表层沉降量

图5 显示距排水板径向距离6 cm处（r6）的沉降小于距排水板径向距离12 cm处（r12）的沉降量，这是由于土颗粒水平地迁移到排水板周围而形成一层泥膜，并且该迁移过程形成淤堵泥层，排水板周围的颗粒密度相对较大，这就是为什么排水板附近的沉降相对较小的原因。观察曲线可知，在14 h、28 h、42 h和56 h处的沉降突然变大。在14 h和42 h处是由于停泵的缘故，前文已作出解释。而在28 h和56 h处土体的沉降速率增加则是由于施加下一级荷载以及停泵2种因素的耦合。56 h后土体的沉降趋于平缓，说明使用较高的真空压力只能提高淤堵泥层的密实程度，不能明显提高排水固结效果。

图5 沉降量随时间变化的曲线Fig.5 Settlement vs.time curves

2.4 含水率、十字板剪切强度和压缩曲线

十字板剪切强度反应了土体的强度指标，含水率、压缩系数和压缩模量从另一个角度反映了软土的改良效果。在真空荷载作用下，随着孔隙水渗流的排出，会导致含水率的减少，土体孔隙的缩小，此时，土颗粒位置调整，重新排列，相互挤密，土体强度增加。

加固后土体的含水率如表2所示，土体含水率从浅层到深层依次递增，水平方向靠近排水板的含水率更小，这是因为真空在土体的传递过程中会发生能量损耗。相应距排水板径向距离3 cm和8 cm处测试的土体表层十字板剪切强度为8 kPa、6.8 kPa，土体强度随着距排水板径向距离的增加而减少。

表2 加固后土体的含水率Table 2 Moisture content in soil after consolidation%

对距排水板径向距离3 cm处土体表层和埋深为21 cm处的土体取样测试密度，其值分别为2.016 g/cm3、1.889 g/cm3。依据公式：

式中：e为孔隙比；ds为土粒相对密度；w为含水率；ρw为水的密度，取1.0 g/cm3；ρ为土体密度，计算后的孔隙比分别为0.754、0.991。两处土体的压缩曲线如图6所示，随着压力的增大，距排水板径向距离3 cm处土体表层的孔隙比与埋深为21 cm处的土体孔隙比逐渐靠近而趋于一致。表层土体的压缩系数和压缩模量分别为0.29、5.77 MPa-1，埋深为21 cm处土体的压缩系数和压缩模量分别为0.36、4.84 MPa-1，加固效果与土体含水率分布一致。

图6 土的压缩曲线Fig.6 Settlement vs.time curves

3 结语

1）卸载真空后，土体在自重下发生固结沉降，孔隙进一步压缩闭合，包裹的孔隙水被释放出来变成游离水，使淤堵的泥层结构浸湿受损，滤膜的渗透系数变大。此外，重新施加真空后，强大吸力的产生使土体骨架发生了破坏与重组，形成新的渗流连通通道，有助于孔隙水的排出。可见，间歇式抽真空不仅可以节约能源，也能提高排水固结效率。

2）由于土颗粒的迁移，粒径较大的土颗粒被滤膜阻隔而形成泥膜，致使真空荷载无法传递到较远的土层，因而固结后不同空间位置处土体的物理性质相差较大，距排水板越远的地方固结效果越差。此外，后期滤膜几乎被完全淤堵，施加高真空荷载对排水固结的效果已不明显，若此时能破损淤堵的泥膜，将会进一步促进土体的排水固结。