真空堆载联合预压处理印尼结构性软土孔隙水压力响应研究

赵 锋，朱承全，许德永，吴红兵

(中铁四局集团第一工程有限公司，安徽合肥 230000)

真空联合堆载预压是软基处理中应用较为广泛的一项地基处理技术。在进行真空联合堆载预压时，通过采用地表沉降、孔隙水压力、地下水位、真空度和深层水平位移等监测手段来评估地基加固效果。其中，孔隙水压力的消散规律不仅影响着最终的加固效果，而且对地下水位的变化和土体的变形等地基土体的加固过程有较大的影响。很多专家学者对此进行了研究[1-3]。但是火山灰土由于其高含水率、高塑限、高压缩性等独特的结构性[4]，与一般软土的物理力学性质区别开来，因而在采取真空联合堆载预压进行地基处理时，地基沉降速率和沉降量、孔隙水压力消散过程均会有较大的差异。本文在印尼爪哇岛万隆地区的火山灰软土进行真空联合堆载预压处理时，通过对其孔隙水压力的观测，分析孔隙水压力在结构性软土中的消散规律，并结合地下水位变化、地表沉降变形规律，探究孔隙水压力与地下水位、土体变形的关系，为火山灰软土的结构性研究提供参考。

1 工程概况

试验区为中国中铁印尼雅万高铁Tegal Luar Depot动车所所在位置，该地段位于山间盆地，地形平缓，主要有第四系全新统人工填土层(Qml)，包括填筑土、素填土和杂填土；第四系全新统湖积层(Ql)，包括淤泥、黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂和中砂；第四系更新统火山堆积层(Qyu)，包括黏土、细砂、细圆砾土、细角砾土、泥岩(半成岩)、砂岩(半成岩)和角砾岩(半成岩)。填土层的填筑土为棕褐色或者深褐色，成分以粉质黏土为主，夹较多碎石及白灰；素填土为黄褐色，呈软塑状，以粉质黏土为主，夹少量砾砂，层厚为1.0～4.0 m；杂填土为黄褐色、灰褐色或者棕红色，呈软塑、流塑状，成分以黏土为主，夹少量混凝土碎屑，层厚为1.0～5.0 m。湖积层的上部普遍分布③11淤泥，层厚为0.7～22.2 m，普遍分布的③22和③23黏土呈深褐色或者灰褐色，呈软塑状，层厚0.8～13.4 m，属于松软土地层。表1为主要土层的物理力学性质参数。

表1 试验段土层主要物理力学性质

加固区为长方形，如图1(a)，面积约为1 380 m2，排水板插打深度为20 m左右，间距为0.8 m，正方形排布。现场监测内容包括地表沉降、孔隙水压力、水位变化和真空度六项监测内容。其中孔隙水压力选用JTM-V3000钢弦式孔压计测量，用频率接收仪测试孔压变化情况，采用一孔多计的埋设方式，如图1(b)所示，埋设深度分别为地下0.3 m、2 m、4 m、6 m、9 m、12 m、15 m和18 m，以全面掌握地基土体中孔隙水压力的增长与消散情况、土体的固结状态。

(a)监测点排布平面

(b)孔隙水压力计布设断面图1 试验区各监测点排布平面和孔隙水压力计布设断面

试验区抽真空开始时间为2018年12月11日，2018年12月14日，由于真空膜破损，导致真空度突然降为0 kPa，维修后重新抽真空，并于2019年2月13日膜下真空度达到80 kPa，72 d后开始进行土方堆载，并于2019年3月29日完成全部堆载。另外，抽真空期间，试验区出现为期一个月的降雨。

2 孔隙水压观测结果

为了能直观地看出孔隙水压力在抽真空和堆载阶段的变化情况，采用荷载-超静孔隙水压力-时间曲线来进行描述。从图2中可以看出，各深度的超静孔隙水压力消散规律，总体上较为相似，这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。在抽真空初始阶段，随着真空度值缓慢上升，各深度的孔隙水压力分别从初始值12.6 kPa(0.3 m处)、24 kPa(2 m处)、41.1 kPa(4 m处)、59.8 kPa(6 m处)、88.4 kPa(9 m处)、109.6 kPa(12 m处)、142.3 kPa(15 m处)、179.8 kPa(18 m处)开始下降，之后由于真空度下降为0kPa，各深度的孔隙水压力均出现回升；经过处理，真空度重新增长，孔隙水压力也随之下降。施加堆载压力期间，受荷载影响，土体产生超孔隙水压力，所测孔隙水压力有一定增大，但很快上覆荷载产生的超孔隙水压力开始逐渐消散，但此时的下降速率(平均0.9 kPa/d)要小于真空预压初始阶段(平均1 kPa/d)。分析看来，由于分级堆载的进行，产生了超静孔隙水压力，因而孔隙水压力呈现上升的趋势。当堆载全部结束，孔隙水压力才快速下降(平均2.4 kPa/d)，最终趋于稳定，如表2所示。

图2 不同深度的超静孔隙水压力与荷载关系曲线

表2 真空联合堆载预压各阶段不同深度处的孔隙水压力 kPa

值得注意的是，各深度的孔隙水压力消散速率随着深度的增长而递减，呈现上快下慢的趋势，即上部区域消散速率较快(0.3 m处孔压消散速率平均1.4 kPa/d)，下部深层土体孔压消散较慢(18 m处孔压消散速率平均0.7 kPa/d)，这与真空负压随着深度逐渐衰减是对应的，上部区域负压较大，孔隙水压力消散速率也就更快。

土体的结构性使得孔隙水压力在堆载期间出现了“曼德尔效应”。这是由于该地基土属于火山灰沉积，其土质具有超高含水率(最大值283 %)、超高孔隙比(最大值7.043)、超高液塑限(Ip最大值87.8)、高压缩性、低渗透性等特性，突然的真空度降低以及堆载压力的上覆，使得超静孔隙水压力突然上升，一方面，火山灰土的低渗透性和超高含水率导致其消散速率很低，另一方面当超静孔隙水压力作用于土体时，土单元被这种球应力均匀施压，土体外壳进一步收缩变形，土的结构性被破坏，造成短时间内土单元内部由于受限无法相对变形，无法转变为有效应力，从而表现为孔隙水压力不断增长的现象[5-6]。

3 孔隙水压力消散与土体变形、水位变化的关系

3.1 孔压消散对地表沉降的影响

虽然不同深度的孔隙水压力消散速率不同，但是孔隙水压力的发展规律相似，这里选取中间监测点，即地下9 m处的孔隙水压力的消散过程，来分析其与地表沉降量的关系，如图3所示。随着孔隙水压力的不断消散，地表沉降量不断增大。孔压消散前期，由于超静孔隙水压力的存在，地表沉降量很小，前25 d累计沉降量只有0.5 m左右，平均沉降速率为0.02 m/d。随着孔隙水压力的缓慢消散，沉降速率逐渐增大；后期由于超静孔隙水压力消散速率下降，地表沉降速率也随之变缓，由原先的0.037 m/d下降到0.014 m/d。当堆载完成，孔隙水压力快速消散，沉降速率也变大，达到0.043 m/d。值得注意的是，在分级堆载期间，孔隙水压力消散速率小于超静孔隙水压力增长速率，导致孔隙水压力不断增加，但是在该阶段，沉降速率却是所有阶段中最大的，达到了0.058 m/d，而且截止目前，其累计沉降量也已经超过3 m。这主要是因为火山灰软土具有较大的压缩性，而且在荷载作用下土体的结构被破坏。

图3 孔隙水压力与地表沉降量的关系曲线

3.2 孔压消散对地下水位的影响

孔隙水压力的消散情况，对地下水位的变化也有一定影响。从图4可以看出，随着孔隙水压力的不断消散，地下水位也逐渐下降，期间地下水位突然上升，主要是因为在该阶段试验区出现了降雨。当降雨结束，地下水位持续下降，下降速率达到0.044 m/d。在分级堆载期间，由于上覆荷载的作用，导致土的结构性遭到破坏，地下水位出现较大起伏，孔隙水压力的持续消散与超静孔隙水压力的增长互相作用、影响抵消，地下水位下降速率较为平缓；分级加载结束后，地下水位才开始缓慢下降。但在分级堆载期间，通过分析地下水位变化和地表沉降的影响因素，可以发现，沉降受到外加荷载的影响更大，水位受到外加荷载和孔隙水压力消散的共同影响时，不会发生较大的变化，这主要是因为，一是两者的作用对象不同，沉降是相对于土体而言，而水位是相对于水而言；二是当孔隙水压力的消散和外加荷载共同作用时，火山灰土的结构性在堆载荷载的作用下被破坏，土体更容易发生压缩变形[7]。

图4 孔隙水压力与地下水位变化曲线

4 结论

通过对印度尼西亚火山灰软土真空联合堆载预压处理段的监测，得到孔隙水压力在结构性软土中的消散规律，并分析得到孔隙水压力的消散对地表沉降和地下水位的影响。结论如下：

(1)随着真空压力的增加，孔隙水压力逐渐消散，当开始进行堆载荷载时，孔隙水压力曲线不断增加，同时在堆载期间出现了“曼德尔效应”，持续了20 d以上，主要是因为火山灰软土结构性遭到破坏，渗透性降低，产生的超静孔隙水压力不能及时消散。

(2)地表沉降速率随着孔隙水压力消散速率的增大而增大，当进行堆载荷载时，孔隙水压力升高，沉降速率明显增大，一是因为火山灰软土具有较大的压缩性，外加荷载对土体的压缩作用影响较大，同时产生超静孔隙水压力作用在土单元外壳，也使得土体内部压缩变形；二是在堆载荷载的作用下，土的结构性被破坏，因而出现明显的沉降变化。

(3)地下水位随着孔隙水压力的消散而降低，且消散速率越大，地下水位下降的越快。当进行分级堆载时，地下水位小范围波动，但下降速率较为平缓，主要是因为外加荷载与孔隙水压力的消散互相作用，土体的结构性被破坏，水位变化缓慢。

(4)在真空联合堆载预压的不同阶段，结构性软土的孔隙水压力的消散规律是不同的，其不仅影响土体的变形、水位的变化，同时影响地基承载力，尤其是真空阶段和堆载阶段，结构性破坏前后土体的物理力学性质，需要作进一步分析 研究，以得到结构性软土在真空联合堆载处理时的加固效果与孔隙水压力的相互关系。