不同超载比真空联合堆载预压处理吹填土效果及对周围环境的影响

曾芳金，王 碧，符洪涛，周玉霜

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西省岩土与工程灾害控制重点实验室，赣州 341000；2.温州大学建筑工程学院，浙江省软弱土地基与海涂围垦工程技术重点实验室，浙江省海涂围垦及其生态保护协同创新中心，温州 325035)

真空预压法的概念从20世纪60年代引入中国以来，学术界就对此方法就进行了不断的探索和研究[1-3]，同时，在工程建设中也得到了广泛的应用。长期以来，对软基处理的评价指标一般以力学性质[4-5]来衡量，而对地基处理的变形特征研究的较少，如刘晓敏等[6]根据某道路软基处理的监测数据，用分层总和法计算沉降、有限元数值分析法对沉降分析提出较适合该地区特点的沉降修正系数。加固后的地表沉降呈锅底形的不均匀沉降，当这种不均匀性沉降比较大时对日后的建筑是不利的，尤其是软土地基。

对于大面积软土地基加固，沉降不均匀的情况时有发生，当这种不均匀性沉降比较大时对日后的建筑是不利的。除了不均匀沉降，侧向位移也应予以重视[7]，当侧向位移过大时会对周围的建筑产生不利影响，如上海景苑小区某楼由于一侧堆土过高导致压力差过大，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，由此而产生水平位移,导致大楼整体倾覆[8]，因此,在真空预压联合堆载处理吹填土地基时，土体侧向位移的大小和变化规律对周围环境的影响不容忽视。

真空预压法在处理软土时由于不会因侧向挤出变形而破坏得到广泛应用[9-10]；而真空联合堆载预压法凭借其加固效果更多的应用于吹填土加固中。然而，在加固过程中，影响土体水平位移的因素有很多，其中最主要的因素就是分级加载和加荷速率，尹敬泽等[11-12]对加荷速率进行了一系列的研究，得出合适的堆载速率既可以保证处理效果和施工进度，又可以对周围环境造成较小的影响。

真空压力为各向同性的吸力，土体由于吸力而产生向内的水平位移，堆载压力会造成土体向外的水平位移，当真空堆载联合处理软土时，二者产生的水平位移互相抵消，从而减少了土体的侧向位移。对于土体的侧向位移，两种方式的变形机理的综合，决定了土体的侧向变形。专家提出堆载、真空荷载的配合比[13]，决定了土体的侧向变形方式。主要设计了三种不同超载比下真空联合堆载的室内模型试验，对真空-堆载联合作用下土体侧向收缩变形特性进行研究，探求最合适的超载比方案。

1 试验设计

1.1 试验土样

试验土样取自温州洞头区滩涂淤泥现场，其具体的物理性质指标如表1所示。

表 1试验土样基本物理参数

1.2 试验模型箱

试验模型是由平面钢板、角钢、钢筋焊接而成的箱形结构，该箱体尺寸为2 m×2 m×1 m，箱体两侧面为安装土体水平位移装置而预留有不同高度的孔洞，如图1所示。

图1 试验模型箱

如图2所示为试验模型系统的平面图和立面图，该模型由真空系统、密封系统、堆载系统及水平测量系统组成。可知本实验处理区域为模型箱中心1 m×1 m×1 m区域，因此密封范围、抽真空范围及堆载作用面均为中央土体；在密封区域外则布置水平测量装置，由六个不同高度的横向管插入预留孔洞作为测点组成。

图2 试验模型箱结构

1.3 试验方案

主要对真空-堆载联合作用下土体侧向收缩变形特性进行研究，设置了三组模型箱进行对比分析(表2)。保持真空度为80 kPa的条件下，从堆载方式着手，分别设计超载比(堆载压力和真空压力之比)为0.25、0.375、0.5的三组堆载方案，试验总时长为80 d，堆载速率为5 kPa·d-1。加固效果的监测点如图3所示，均匀布置在处理区内直角边(90°)和对边(45°)方向距排水板每10 cm处，每个测点沿深度方向每15 cm处取样。

表2 试验方案

图3 监测点布置

2 试验结果分析

2.1 土体表层沉降的分析

试验组T1、T2、T3处理区内土体的沉降-时间曲线如图4所示。由曲线可知各模型箱处理区内、外土体沉降大致经历了快速变形、变形趋稳、卸荷回弹三个阶段。

图4 土体沉降与时间的关系

(1)抽真空初期为土体的快速变形阶段，此时期土体以大概1 cm·d-1的速率持续沉降，这是由于抽真空促使土体颗粒内的水、气迅速排出，土体结构发生“被动”调整组合；同时，土体还发生自重沉降，在600 h时开始堆载，由于在真空与堆载的联合作用下，土体有效应力相互叠加，土体维持快速沉降，此阶段三组试验的平均累计沉降占卸载时刻变形量的75%左右。

(2)随着土体的主固结的完成，变形曲线开始趋于平缓，土颗粒之间在受到真空、堆载联合的作用下的更加密实，三组模型箱土体的最终沉降分别为22.3、24.5、26.2 cm，可见最终沉降量随着超载比的增大而增加，由T1到T2再到T3增大的幅度分别为9%、7%。

(3)到试验进行70 d后开始停泵卸载，卸载后持续观测并记录回弹值，随着超载比的增大，T1、T2、T3回弹量分别为0.16、0.23、0.35 cm，可见随着超载比的增大回弹量呈增大的趋势。

对于处理区外土体，由于在试验过程中仅只受到真空吸力和堆载产生的侧向挤出的水平作用以及微小的自重沉降，因此处理区外土体沉降整体上要低于处理区内土体沉降，T1、T2、T3三组试验的最终沉降量分别为12.7、11.8、8.2 cm。可见超载比的增大有利于减少处理区外土体的沉降，降低对周围土体的环境影响。

2.2 真空度分析

采用的真空泵为聚丙烯卧式水喷射真空机组，可以为土体提供较好的真空度，由图5曲线可以看出，三组试验的密封性比较好；在排水板的竖直方向真空度随着深度的增加而降低，而三组试验土体的相同深度处真空度大小相差不多，这也保证了在各模型箱真空吸力相同的前提下对堆载产生的效果进行对比分析。

图5 真空度与时间的关系

2.3 孔压分析

孔压计布置在排水板内30、60 cm深度处，通过孔压读数仪测定，并绘制如图6所示曲线。由图可知，各模型箱土体在纯真空阶段孔隙水压力消散较快，此时的土体内游离着大量的自由水，真空泵开启后，自由水在渗流场的作用下易排出，在30 cm处的消散速率为2 kPa·d-1，在60 cm深度处的消散速率为1.5 kPa·d-1；在进行堆载后，孔隙水压力消散形式成波浪形下降，每级堆载施加都伴随一定的孔压回弹，回弹幅度也随着土体的固结而减小，30 cm深度处土体在前期堆载孔压回弹量在2～5 kPa，后期回弹量在1～3 kPa，堆载结束后各模型箱孔压均缓慢下降直至平稳。整个过程中30 cm处孔压消散值多于60 cm处，因此浅层土体有效应力提高较多。由图6可知T3孔压消散最多，土体处理效果较好。

图6 孔隙水压力与时间关系

2.4 侧向位移的分析

在抽真空阶段，加固区边缘外20 cm处出现如图7所示若干条10～20 mm断续的可见裂缝，这说明了真空预压处理软土地基的效果较明显，同时，真空吸力引起处理区外土体产生向内的水平位移也是不可忽略的。

通过水平位移测量装置测定不同时期处理区外土体不同深度处的侧向位移并绘制得到如图8所示反S形曲线，上层的土体向处理区内移动，下层的土体向处理区外移动。

图7 处理区外裂缝

图8 土体水平随时间变化

(1)抽真空初期，三组试验处理区外上层土体的位移趋势是一致向内的，因为这个时期的真空吸力是向内的，土体的总应力保持不变，附加应力随着孔隙水压力的消散而增大，土体收缩；受处理区内土体的影响，处理区外土体由上至下发生相应的向加固区的侧向位移，位移随着深度的增加而逐渐减小甚至变为负值，即在某一深度以下，土体产生向外的侧向移动，这是由于上层土体的自重沉降导致同一竖直方向的下层土体被向外挤压产生向处理区外的错动滑移；在抽真空20 d，三组试验20 cm深度处土体的水平位移，分别为13、10、15 mm，向外水平位移最大处均发生在距表层约56 cm处，向外位移为2 mm。

(2)堆载之后，向内的水平位移速度减缓，在堆载第五天即试验进行25 d，土体开始有向外的位移，随着堆载量的增加，向外的水平位移逐渐增大，土体水平位移平衡点开始不断上移，当一号箱堆载完成后，土体水平位移再次向内回弹，一直到80 d停泵后，其向内水平位移超出真空预压阶段位移量，且整体位移向内，说明一号箱真空预压对水平位移起到主宰作用。二号箱在堆载结束即55 d后也发生向内回弹，但回弹幅度较一号箱较小，这是因为二号箱超载比较大，固结度大于一号箱，最终向内水平位移量和纯抽真空阶段位移基本一致，达到15 mm。

(3)三组试验在堆载结束后即65 d，土体几乎不再向内移动，结合沉降数据可知此时固结基本完成。三组试验20 cm处水平位移分别为18、10.8、9.8 mm，最终水平位移平衡点发生在0、50、29 cm 处。

图9 三组超载比土体水平位移拟合曲线

(4)对三组不同超载比试验结束后(80 d)20、30、40 cm深度处的水平位移进行多项式拟合，确定最佳超载比，可以得到如图9所示的函数曲线，可以看出，水平位移随着超载比增大呈现先减小后增大的趋势，因此最小值对应最佳超载比，对于三组函数曲线通过计算求得最超载比分别为0.45、0.43、0.44。故从水平位移考虑，最佳超载比范围为 0.4～0.5。

2.5 加固效果分析

如图10、图11所示分别为含水率、十字板剪切强度与测定点位置以及深度的关系曲线。

图10 排水板不同方向土体每15 cm深度处含水率

图11 排水板不同方向土体每15 cm深度处十字板剪切强度

T1、T2、T3整体的平均含水率分别为46.3%、41.8%、36%，平均十字板剪切强度分别为44、50、59 kPa，由此可见，在真空度相同的条件下，含水率随着堆载量的增大而降低幅度增大，十字板剪切强度增长更多，本试验中T3土体加固效果较好，T2次之，T1加固效果欠佳。

十字板剪切强度随着深度的增加而降低，因为真空度在排水板中传递有损失以及排水板受堆载的作用产生一定的弯曲变形，因此土体上层处理效果较好。

从横向来看，可知,距离排水板越近含水率越低，十字板剪切强度越高，而同一距离的不同方向上(90°方向和45°方向)土体的含水率和剪切强度相差不大，因此进一步说明排水板的作用范围是等效圆。

3 结论

通过设置不同的超载比(堆载荷载和真空荷载的比值)进行试验，研究结果表明。

(1)堆载对真空度影响不大，三组试验箱真空度都可以保持很好的维持，由于井阻的作用，真空度在排水板竖直方向随深度的增加而减低；排水板加固吹填土的影响范围是等效圆，因此，实际工程中的排水板应呈正方形布置；最终三组试验的沉降分别为22.3、24.5、26.2 cm，因此，超载比越大，土体沉降越大。

(2)真空吸力对土体产生向内的侧向位移，堆载对土体产生向外的挤出变形，变形曲线沿深度方向呈反S形状，超载比决定了侧向变形的方式，最终停泵后，T1、T2、T3表层土体向内水平位移分别为18.07、10.8、9.9 mm，水平位移平衡点(即水平位移为0)位置分别在0、50、29 cm处，T3试验组对周围土体环境影响最小。

(3)试验结果显示在不影响其稳定性的前提下，超载比越大，处理效果越好，且对水平位移的影响越少，因此本实验中最佳超载比为0.5；通过对三组不同超载比试验结束后，20、30、40 cm处土体水平位移进行多项式拟合,得出对土体水平位移影响最小的最佳超载比范围为0.4～0.5。