真空预压影响区土体变形机理及防治措施研究

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真空预压法是一种有效的软土地基处理方法，具有加荷速度快、无需堆载材料、加荷中不会出现地基失稳等诸多优点.近年来,该方法在我国机场、码头堆场、高速公路和新近吹填土地基处理中得到了广泛应用.真空荷载作用下，软土地基会产生向面向加固区的侧向收缩变形，甚至出现收缩裂缝，从而对真空预压影响区域内的建筑物造成不利影响.目前，关于对真空预压加固区内土体的变形研究相对较多，其可以采用各种计算理论得到较准确的结果，而对于加固区外影响区土体的变形机理的研究还很少，还没有实用的确定真空预压影响范围的计算方法.

1 真空预压法的数值模拟方法

1) 计算方法.采用真空预压法处理软土地基时，一般需要打设竖向的塑料排水板.塑料排水板一方面可以缩短排水距离，另一方面也可以将地表真空荷载向下传入深层土体.塑料排水板引起的地基固结和真空度荷载传递是一个三维问题.采用有限元等数值分析方法分析在大面积的软基处理工程时，如果采用实体单元模拟塑料排水板，必然会大大增加模型的计算单元，增加计算的时间，且对计算机内存要求甚高.因此，通常将此类问题简化为平面应变问题.比奥固结理论较为真实的反映了地基土体的固结的全过程，因此，地基土的固结多采用比奥固结理论.

2) 排水板等效方法.把真空预压法加固地基的固结三维问题简化为二维固结问题，主要是将竖向排水体等效转化二维的连续的排水墙体.“等效转化”过程中应有以下两种方法：一种方法是固结速度的等效转化，另一种方法是最终固结效果的等效转化.前一种方法要求地基的平均固结度和某一深度处的平均孔压在转化前后的任一时刻均相等，后一种方法要求将地基土的渗透系数和连续的排水墙体的间距进行放大，但是最终的地基固结度相同.

由于竖向排水体的间距通常较小，且连续的排水墙体的透水性能远好于单个竖向排水体，所以在计算中，要把连续的排水墙体的间距扩大.不同学者对连续排水墙体的放大倍数进行了研究，但是每个学者的建议取值都不尽相同.阎澍旺等[1]直接将单个的砂井连成线，形成纵向砂墙；彭劼等[2]也采用类似的处理方法.沈珠江等[3]建议将连续排水墙体的间距取实际砂井间距的6～7倍.岑仰润[4]指出连续排水墙体的间距不宜大于实际砂井间距的4倍.陈小丹等[5]提出如果取砂井间距的放大系数为实际砂井间距的3～4倍时，可以不考虑井阻的影响.沈珠江[6]在某真空预压处理地基进行有限元仿真，取砂墙间距为砂井间距的6倍，此时，土体的宏观渗透系数相当于放大了40倍.

赵维炳[7]推导了砂墙加固地基同时考虑竖向和水平向渗流的等应变固结理论解，并与巴隆轴对称固结理论解进行比较，得到了砂井处理地基平面应变和轴对称情况下的等效渗透系数转换计算公式.该公式同时考虑了地基竖向渗流、水平渗流以及砂井的涂抹效应.这一等效方法能方便地用于砂井地基的平面应变有限元数值分析.陈小丹[5]在该方法的基础上推导还可以考虑井阻的砂井地基等效变换公式.

3) 本构模型.采用不同的地基土体本构模型模拟同一工程实例，计算结果往往会有很大区别.目前在数值分钟中可采用的土体本构模型很多，如弹性、弹塑性、粘弹塑性以及考虑土体结构性的本构模型等.这些本构模型中剑桥模型和邓肯-张模型对黏性土的描述较为合理，可以满足工程要求，在数值计算中应用较多.摩尔-库伦模型因为其计算参数确定较为简单，在实际工程中得到广泛应用，积累了大量的经验.

2 影响区土体变形机理分析

1) 诱导变形.加固区内土体在抽真空作用下固结，加固边界处加固区一侧土体产生较大的沉降和收缩变形，边界处原有的土压力平衡被打破，影响区土体在主动土压力作用下产生向加固区内的水平位移，并产生沉降变形.这是影响区土体变形的最主要原因.王劲等[8]曾把这种作用归结为边界处真空负压作用下的“侧向卸载”.

2) 粘聚力传递.由于边界处加固区一侧土体的收缩变形，边界外侧的土体受到边界内侧土体施加的“拉力”作用，这种拉力作用是通过粘聚力传递的.当加固区边界附近土体向内的收缩变形较大时，土体将会产生收缩裂缝，这些裂缝进一步阻断了粘聚力的传递，因此，粘聚力只影响较深处和较远处土体的变形.

3) 真空度的影响.真空度从加固区边缘的排水板中向影响区内传递，造成影响区内孔隙水压力降低，有效应力增加，土体发生收缩变形和沉降.

图1是假定地下水位固定在地表，软土层厚度20 m，渗透系数为5×10-7cm/s，用Flac 3D软件计算得到的加固期末影响区内真空度分布情况，边界外5 m处的真空度只有5 kPa左右，可知真空度只影响边界附近影响区土体的变形.

图1 影响区真空度分布

4) 地下水位下降.抽真空作用使得加固区内及边界处孔隙水压力降低，影响区地下水向加固区内渗流，使得影响区地下水位下降，越靠近加固边界下降的越多.地下水位下降导致原地下水位面以下部分土体由浮容重变为湿容重，下部土体所受土压力增加，发生固结沉降，同时也产生一定的侧向位移.

表1统计了若干真空预压加固工程中抽真空期间影响区地下水位的下降情况.由表1可知：不同工程地质条件下，影响区地下水位下降值的差异很大.在未采取防护措施时，距离加固区边缘较近的地方(2.0～5.0 m范围内)，地下水位降深在0.9～3.2 m之间，降水影响范围在10～20 m不等.

表1 真空预压影响区地下水位下降情况

5) 地下水渗流.稳定的渗流不会引起孔压的改变，亦不会引起土体的变形.而真空预压影响区内的渗流是不稳定的.抽真空前，地下水处于平衡状态，没有渗流或只有稳定渗流存在，抽真空后，边界处孔压逐渐下降，影响区内地下水开始向加固区渗流，渗流使地下水的一部分势能转化为动能，水头高度下降，并对流经的土颗粒施加动水力，影响区土体在渗流引起的动水力作用下，会发生一定的侧向变形，并产生沉降.

渗流受水文地质条件的影响很大，用真空预压加固的软基，一般渗透系数都很小，影响区向加固区的渗流量很小，且影响区土体中的水头损失率很大，所以影响范围一般较小，和地下水位的下降深度有关系.

图2 对下水位下降对影响区土体水平向有效应力的影响

3 防治措施

若真空预压加固区附近存在已有建(构)筑物，则预压加固过程中可能会产生破坏性的影响，需要采取防治措施来减小真空预压的影响范围，保证建筑物的安全.目前，常用的减小真空预压影响范围的措施主要有两种：联合堆载和打设隔离墙.通过数值计算，对这两种措施的效果进行了研究分析，计算土层参数见表2，计算中假定地下水位不变，真空度在排水板深度内均为80 kPa.

表2 土层参数

1) 联合堆载.堆载预压时，土体的侧向变形是向加固区外挤出变形，和真空预压刚好相反.真空联合堆载预压可以充分发挥两者的优点，提高加固效果，又能减小真空预压的影响范围，真空联合堆载预压广泛应用于高速公路软基处理工程中.

计算堆载40 kPa时对真空预压影响范围的影响，加载方式为线性加载，从开始抽真空，历时20 d，即加载速率2 kPa/d，计算时间为固结度达95%.

图3为真空预压期末影响区地表水平位移与距加固边界距离的关系，由图3可知：联合堆载后，影响区土体的水平位移得到大幅减小，若堆载荷载更大，则影响区水平位移将更小.

图3 堆载对影响区水平位移的影响

图4显示了限定水平位移为50 mm或30 mm时堆载对真空预压影响范围的影响，由图4可知：由于堆载的存在可以大幅减小真空预压的影响范围.

图4 堆载对影响范围的影响

2) 隔离墙.隔离墙是常用的减小真空预压影响范围的防治措施，在加固边界处打设一排互相咬合的桩即成为隔离墙.隔离墙可以是由黏土搅拌桩形成的密封墙，也可以是由水泥搅拌桩、高压旋喷桩、钢板桩等形成的隔离墙，除了对影响区土体变形起阻挡作用外，还兼有密封作用.隔离墙的渗透系数都很小，能减小影响区地下水向加固区的渗流量，减小影响区地下水位的下降量，还能阻止真空度向影响区内传递.

图5显示了隔离墙打设深度、墙体模量与真空预压末期地表变形的关系，计算土层参数同上.隔离墙宽度设定为1 m，模量分别取100 MPa和500 MPa，参照标准为不打设隔离墙或仅打设黏土密封墙时的变形情况.由图5可知：打设隔离墙后，可以大幅减小影响区边界附近的水平位移，当边界附近存在民房、道路等建筑物时可以采用打设隔离墙的方法来减小真空预压的影响.同时，笔者还表明讨论工况下，所取值的桩长、桩身模量的变化对影响区土体变形的影响不大，因此可以采用模量稍小的桩或打设多排桩来减小真空预压的影响.

图5 刚性隔离墙的防治效果

4 结 论

真空预压对土体的变形影响区别于冲击压缩荷载对土体变形影响[16]，真空预压影响区土体变形的主要机理如下：诱导变形是真空预压导致影响区土体向内收缩变形的主要原因，另外随着真空预压边界收缩裂缝的出现，裂缝阻断了粘聚力的传递，也会增加地激动收缩变形，但是其影响较小；由于地质条

件差异，影响区地下水位下降量差异较大，地下水位下降引起影响区土体在自重作用下固结变形，渗流也对影响区土体变形有一定的影响；真空度在影响区土体内衰减很快，仅对边界外5 m范围内土体的变形有较大影响.工程实践中联合堆载和打设隔离墙都能大幅减小影响区边界附近土体的水平位移.

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