第９卷第６期 ２ ０ １ １年１ ２月 水利与建筑工程学报 ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｅｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇ Ｖｏ１．９ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．，２０１ ｌ 真空预压地基处理的加固深度研究 吴 迪 ，孙 田２ （１．化学工业岩土工程有限公司，江苏南京２１００４４；２．盘锦辽河油田百强建设有限公司，辽宁盘锦２１４０００） 摘要：随着沿海经济的发展，软土处理的需求加大，真空预压处理软土有着比较大的优势，被广泛运 用。但在真空预压的影响深度方面，目前学术界研究的较少，没有给出一个明确的结论。文章从土体三 维固结出发，分析土体受力不但在微观上的等向受力，在宏观上受到真空压力差的影响，而且真空压力 差增加了真空度的影响深度。同时结合工程实例，分析现场监测数据，得出真空预压影响深度可以达到 排水板底部。 关键词：真空预压；固结；孔隙水压力；加固深度 中图分类号：ＴＵ４７１ ．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１１４４（２０１１）０６＿＿０ｏ５１—ｏ４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｉｌ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ Ｄｅｐｔｈ ｆｏｒ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｂｙ Ｖａｃｕｕｍ Ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ ＷＵ Ｄｉ ，ＳＵＮ Ｔｉａｎ２ （１．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄ￣ｔｒｙ，Ｎａｎｊｉｇ，Ｊｎｉａｎｇｓｕ ２１００４４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂａｉｑｉａｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｉ＿ｔｄ．ｏｆＰａｎｉｆｎ ｔｉａｏｈｅ Ｆｉｅｌｄ，Ｐａｎｉｆｎ，Ｌｉａｏｎｉｇ ２１ｎ４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｙ ｉｎ ｃｏａｓｔａｌ ａｒｅａｓ，ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｆｔ—ｓｏｉｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｉｓ ｍｕｃｈ ｌｒｇｅｒ．Ａｓａ ｖａｃｕｕｍ ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ ｈａｓ ｇｒｅａｔｅｒ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｆｔ—ｓｏｉｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕ－ ｅｎｃｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ ｉｓ ｌｉｔｔｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｄｅｆｉｎｉｔｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ．Ｈｅｒｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｒｅ ａｎａａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍ ｍｉｃｒｏｃｏｓｍ ａｎｄ Ｈｍｃｍｃｏｓｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｕｓｅｓ ｍｕｃｈ ｄｅｅｐｅｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｇｏｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｌｕｅｎｃｉｆｎｎｇ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｈｅ ｖａｃｕｕｔｍ ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｒｅａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏａｒｄ ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖａｃｕｕｉｌｌ ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ；ｃｏｎｓｏｆｉｄａｔｉｏｎ；ｐｏｒｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｄｅｐｔｈ ０前言 有关系；③认为真空预压方法的有效加固深度只在 地下水位以上区域，而对地下水位以下没有作用。 目前我国经济发展迅速，围海造田项目日益增 加，软土处理的需求也逐渐加大。软土具有含水量 高、压缩性高、渗透性低、抗剪强度低等特点，现在较 本文将提出新的加固深度影响因素，并同前两种观 点进行比较，结合工程实例进行分析。 为成熟的软土地基处理手段为真空预压、强夯以及 复合地基处理等地基处理方法。其中真空预压方法 有软土处理效果好、比较经济等优点，被广泛运用在 江浙、福建、广东等地。于此同时对真空预压的研究 也更加深入，不过在真空预压的加固深度方面，学术 上还有一定的争论，主要有以下几种观点 Ｊ：①认 １真空预压加固软基机理 真空预压理论创建以来，对其加固机理的研究 日渐深入，也相应得出各种理论Ｌ２』，本文只列出两种 较成熟的理论。 １．１负压固结理论 赵维炳ｌ３３等人提出负压固结理论，理论提出真 为真空预压方法只对埋深１０ ｍ以上的软土有效果， 竖向排水板打设超过１０ ｍ以下部分，真空预压不起 作用；②认为真空预压加固深度与排水板打设深度 收稿日期：２０１１．０９—０７ 修稿日期：２０１１—１０．２４ 空预压是通过覆盖于地表的密封膜下抽真空，使真 空膜内外、土体内部与排水通道之间形成气压差，使 软土层产生固结压力。即在总应力不变的情况下， 作者简介：吴迪（１９８４一），男（蒙古族），江苏南京人，工程师，主要从事岩土工程施工方面的工作。 ５２ 水利与建筑工程学报 第９卷 通过减小土体中的超静孔隙水压力来增加有效应力 的方法，达到排水固结的目的。 根据太沙基有效应力原理，有 ＝仃 ＋ （１） 态，两侧的压差呈梯形或者三角形分布，随着深度增 加压力差递减。由于处理区域的排水通道是整体透 水，即使土体具有一定的渗透阻力，但是由于砂井或 者排水板的间距较小，可以忽略相应的透水粘滞，即 在处理区域的水位近似是一条直线，不存在明显的 （２） 两边微分并移项得 ｄ盯 ：ｄｏ一 降水漏斗 ５。同时处理区域的水流主要是水平渗 透，并不是竖向渗透＿６ｊ。随着抽真空的进行，处理区 可见对于堆载预压，增加的有效应力为增加总 应力值，而对真空预压，则为减少孔压值。 ｉ．２真空渗流场理论 龚晓南，岑仰润ｌ Ｊ提出了真空预压的渗流场理 论，真空渗流理论认为，抽真空作用将在地基土中形 成真空渗流场，其问产生流动介质为真空流体，真空 流体只在较大的土中的孔道中流动，并形成连通的 网络，此时虽然排出了水，但是这些水主要是分布在 土体中较大的孔道中的重力水，土中重力水的排出， 并不产生通常意义上的固结，而是在地下水位下降 后，改变了土层中竖向自重应力，由于上覆土重的增 加，使得土中更为细小的孔道中的水承受了超静孔 隙水压力，并逐渐排出，产生固结现象。于此同时持 续的抽气抽水作用会使地下水位线下降。真空渗流 场将产生两个方面的作用： （ｔ）真空渗流使土颗粒中较小孔道处孔隙水排 出而产生固结； （２）对于地下水以下的地基，真空渗流场不能 向下传递，真空预压本身对地下水以下的地基固结 无效。真空预压过程中，地下水位是下降的，并且地 下水位的下降也使得地基土体产生固结。 在负压理论中，认为真空预压的有效加固深度 与排水板或者砂井的打设深度有关，取决于排水通 道的深度。而在真空渗流理论当中，认为有效的加 固深度和压差有密切关联，若压差足以能够排除孔 隙水，固结便会进行。相应的固结深度取决于排水 通道的真空损失，土体特征等。 ２真空预压加固有效深度机理 前面列出的两种真空预压机理提出的有效加固 深度中，只是考虑到土体内部由于空气压力的变化 引起孔压变化，从而反映到有效应力的相应改变，产 生了固结，但是没有从真空预压的整体进行考虑。 真空预压处理地基时，被处理地基是一个密封的整 体，此时的受力不仅仅是单一的竖向一维受力，而是 一个三维的球体受力如图ｌ，在此模型中，地表受到 均雨ｉ力作用，即一个大气的压力Ｐ ，在处理区两侧， 即侧边 化 ，也受剑大 蔗的作用，按理想状 域的水位开始下降，但是处理区域外侧的地下水会 补给预压区域ｌ＿７ｊ，从而在处理区域外侧会产生相应 的降水漏斗 Ｊ。 图１土体受力模型图 由于处理区域土体受到的是竖向和侧向力的共 同作用如图２，不考虑土体的粘滞力，此种情况下土 体中孔隙水除了受到负压的垂直吸出力作用，还有 一个侧向的挤压力，这样就大大的加大了孔隙水竖 向排出的能力。与没考虑侧压差的情况相比如图 ３，此种情况下一般理论认为真空预压的极限加固深 度是１０ ｍ，即一个大气压下的水柱高度。但是在真 空预压中，并不是由真空压力来决定有效的固结深 度而是与真空度的传递有关＿９，即图２中Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３９＿ 对应相应的竖向真空压力和侧向真空压力。 图２考虑侧压模型图 图３一维模型 ３工程实例 ３．１项目概况 某拟建项目为大型化工项目。项目第一期用地 面积约２７ ６００．０ ｍ２，主要建筑物和构筑物有办公 楼、仓库、材料储罐和堆场、石化工艺装置、管道和支 架、成品储存罐、物流道路和铁路、以及电力、消防、 第６期 吴迪，等：真空预压地基处理的加固深度研究 ５３ 给排水等公共辅助设施，高度一般为一至四层，为钢 一周以后，孑Ｌ压出现较明显的下降趋势，并且不同深 筋混凝土框架结构或钢结构建筑物。一期设施真空 度的超静孔压出现的时间差不多。论证了赵维炳先 联合堆载预压地基处理工程，该工程包括约２４４ ８８５ 生提出的深层土体中真空度是影响真空压力的主要 ｍ２的堆载联合真空预压地基处理和现场临时工程。 原因。由于场地的初始水位在自然地面下０．５ ｍ左 ３．２场地岩土层结构及分布特征 右，而从图４中可以看出，在深达２２ ｍ处也产生了 场地原始地貌类型属于滩涂地貌，经人工填海 孔压的降低，即也产生了相应的固结，这与龚晓南先 造地平整而成，填土厚度２．０ ｍ～１２．０ ｍ不等，地形 生＿５ Ｊ提出的渗流场理论即真空预压对地下水位以下 较平坦。 的区域无效有出入。由于工程施工的客观原因，在 ①人工回填块石素填土层（Ｑ ） 一个月以后才逐渐开始进行堆土作业，可以看到在 该层分布于整个场地，为人工新近堆填，黄褐、 迅速堆土阶段的孔压变化很明显，整体的孔隙水压 土黄、浅肉红等色，局部紫红、灰白色，主要由中微风 力值为升高趋势，但是堆载完毕之后，孔压开始消 化砂岩碎块石和砂岩风化土回填而成，局部含较多 散，并且６ ｍ处和１５ ｍ处的孔压的消散速度大于２２ 岩石碎块，均匀性差，风化土主要成份为粘土及石英 ｍ处的孑Ｌ压。在１１０ ｄ的时候，２２ ｍ处的孔压开始 砂等。稍湿一饱和，松散。局部碎块石块径较大，可 变成负值，也就说证明了在２２ ｍ深度的土体中，存 达２００ ｌｎｌｎ一３００ ｌｎｌｎ，最大达１ ２００ ｍｍ左右。层厚 在着负超静孔隙水压力，也就说明真空预压可以影 １．８０ ｍ～７．００ ｍ。 响到排水板底部ｌＬ０ｊ。 ②海陆交互相沉积淤泥层（Ｑ ） ３０ 该层分布于整个场地上部，褐黑，灰黑色为主， ２Ｏ 具腐臭味，含少量粉砂和贝壳碎屑，局部富集。手捏 滑腻，污手。饱和，流塑。顶部０．５ ｍ １．０ ｍ因填 １ ０ 一 ， 糖 。Ａ ＋１－ 土预压作用，固结较下部稍好，层厚１４．７０ ｍ ２８．７０ ０ ．．．ｍ，平均２０．２３ ｍ。 ．１０ ③１陆交互相沉积粉质粘土层（Ｏ ） ＿２Ｏ 该层分布于大部分场地，与砂土层呈互层状态 ．３０ 产出，厚度变化大，以黄褐色、灰色为主，局部杂褐 －４Ｏ 黄、褐红色，粘土为主，含少量粉细砂，含量不均匀， ．５Ｏ 干强度高，湿时手捏粘手，刀切面较光滑一稍光滑。 饱和，可塑，局部软塑。层厚１．１０ ｍ １３．００ ｍ，平均 图４孔压一时间曲线 ６．４ ｍ。排水板的打设深度为穿过②层，进入③１ ３．３．２深层水平位移与真空预压影响深度的关系 层１ ｍ。 测斜管埋设到地表下３０ ｍ，这样可以是测斜管 ３．３真空度影响深度 底部保持固定，上部土体产生水平向位移的时候就 ３．３．１超静孔隙水压力 会带动测斜管一起偏移。测斜管主要功能是能体现 根据设计，孔压计埋设深度为６ ｍ，１５ ｍ，２２ ｉｎ 出来抽真空区域的侧向位移，也就是在受到负的真 各一个。从抽真空开始进行监测，一直到抽真空完 空围压的情况下，处理区域边界向着处理区移动。 毕，历时１７９ ｄ。用频率仪在早上７－００～１０－００对场 如图５在未抽真空阶段，也就是在２０１０—０６—３０的 地内部的孔压计进行数据采集，初始两个月是每天 时候，测斜管基本上是一条直线，在进行抽真空过程 采集数据一次，后期是两天采集一次。采集好的数 中，测斜管开始向处理区域偏移，上部偏移较大，下 据通过公式Ｐ＝Ｋ（ 一ｆｏ２）（其中Ｐ为压力值， 部偏移较小，在３０ ｄ左右的时候，开始堆载，之后在 为读取的频率值， 为初始频率值）。计算出当日 ６ ｍ一８ ｍ的位置出现了向处理区域外移动趋势，在 的实际孔压值，绘制成图见图４。在抽真空开始阶 这个位置可能是出现滑裂面的危险区域。在抽真空 段，孔压都成降低趋势，也就是意味着抽真空的区域 的过程中，随着深度的增加，偏移量开始减小，但是 中出现了负的超静孔隙水压力，在开始的７ ｄ内，孔 在２５ ｍ的位置以上，都有较明显的水平位移。如图 压下降不大，因为当时场地处于试抽阶段，真空泵并 ５中，排水板深度打到２０ ｍ，但是在２５ ｍ左右依然 未完全开启，真空压力尚未完全达到设计要求。在 有明显的位移，表明在排水板打设深度以下一定范 水利与建筑工程学报 第９卷 围内依然有真空压力的影响。结合图４和图５进行 明除了竖向的真空压差产生负的孔隙水压力，侧向 的压差也会对负孔隙水压力产生影响，也会对真空 预压的有效深度有影响。 纵向比较，发现在２２ ｍ深度的孔压消散和水平位移 的变化有着同步性，即在堆载完成之后，孔压开始消 散，同时深层水平位移也开始向着处理区域发展，表 位移／ａｍ ｒ．５０ ０ ５０ １Ｏ０ １ ５０ ２Ｏ０ ２５０ ３Ｏ０ ＝＝＝ 一２０ ｌ ０—０６・３０ ２０】０－０８－０５ —－ｅ一２Ｏ １ ０．Ｏ８．２０ —－￡｝＿２０１０—０９－１８ ２Ｏｌ ０－ｌ ０．１０ ２０１０ １１一Ｉ ５ ２０１０一ｌ ２一ｊ ８ 卜２０Ｉ Ｉ－０ｌ－Ｉ７ —— — ４ 结 论 （１）结合现场的监测数据，随着深度的增加，负 超静孔隙水压力是呈递减的趋势的，同时越深的位 置的 ［２］刘７］￣，２０１０，２８１－３（１２）：．松良真空预压加固．机理的研究［。］．天津：天津大 学，１３＿２３． ［３］陈小舟，赵维炳，周智勇・真空预压法加固软基的特性 理酬ｎ （２）验证了赵维炳提出的负压固结理论……………，预压过程中，预压过程并不是从上至下依次开始，而 是基本上同时开始。并且可以得到真空预压的影响 真空 ［５］高海江龚晓南，金小荣．真空预压降低地下水位机理 探讨［Ｊ］低温建筑技术，２００５，（６）：９７．９９． ，．（ ； …７－１０．…… 设深度以下深度。表明围压差的存在会对预压区域 水量现场测试研究［Ｊ］・岩土力学，２００９，３０（１１）：３４３５一 表明除了竖向的真空压差产生负的孔隙水压力煮葶璺 ： ｖ Ｊ Ｌ ｄ Ｊ－／Ｊ￣ ＇ｌ ＇Ｊ Ｔ ＪＩｋ， 侧 ［９］莫海鸥… 内部 竺， 耋 。 ［８］３闫４３澍９．旺，侯晋芳，程栋栋．真空预压有效加固深度的探 ｉｕ：． “～ ，，邱青长， 志 ． 土地基孑Ｌ隙水压力降低引 ．向的压差也会对负孔隙水压力产生影响，说明真空 预压主要是一个三维的固结，而不是传统意义上的 起的压缩分析［Ｊ］岩土力学与工程学报，２００６，２５（ｚ２）： ３４３５—３４３９． 参考文献： ［１］吴春勇．真空预压加固深度分析与探讨［Ｊ］．东北水利 理讨论［Ｊ］．河海大学学报（自然科学版），２００３，３１（５） ５６０—５６３．