雷鳴，徐漢勇，匡希龍，夏力農(nóng)

真空作用下軟土固結機制及實例分析

雷鳴，徐漢勇，匡希龍，夏力農(nóng)

(長沙學院 土木工程學院，湖南 長沙 410022)

真空作用下土體固結機制不明確，嚴重制約了真空預壓技術的推廣。對比研究前人的固結機理，發(fā)現(xiàn)單純從加載角度或者滲流角度難以解釋土體固結現(xiàn)象，歸納出真空作用下土體固結有等向擠壓固結、滲透壓密固結和由水位下降造成的豎直向堆載固結3種類型。結合監(jiān)測資料，分析加固區(qū)土體壓力差及變形分布、土中超孔隙水壓力變化和有效加固深度。研究結果表明：加固區(qū)內(nèi)等向固結壓力沿深度遞減，同深度處靠近塑料排水板的各點大于遠離塑料排水板的各點，呈水平波浪形分布；土體變形兼有等向壓縮變形、豎向沉降和側向擠出變形，土體最終變形結果為3種變形的疊加；超孔隙水壓力先上升后消散，分析必須考慮孔壓計受力膜內(nèi)外壓差影響；負壓固結理論是土體產(chǎn)生滲透壓密現(xiàn)象的理論基礎，并無不妥。

真空預壓；固結機制；軟土地基；壓力差；孔隙水壓

真空預壓法是利用排水固結原理加固軟土地基的一種方法。此方法最早由瑞典皇家地質學院Kjellmen[1]于1952年提出，國內(nèi)天津大學于1958年最早進行此方法的室內(nèi)試驗研究。之后該方法被廣泛應用于港口、道路及鐵路等工程當中，取得了巨大的成功和經(jīng)濟效益[2]。但是由于真空預壓法的作用機理至今仍存在爭議，嚴重影響了它的進一步推廣。本文在對比研究前人機理的基礎上，先分析真空預壓加固軟土機理，后結合工程試驗資料進行驗證，期望能給予工程界有益啟迪。

1 真空預壓機理研究現(xiàn)狀

目前，真空預壓機理主要有：1) 等效堆載理論；2) 負壓固結理論[3?4]；3) 絕對孔隙水壓力零點理論[5]；4) 真空滲流場理論[6?7]。等效堆載理論認為抽真空產(chǎn)生的膜內(nèi)外氣壓差可以等效為數(shù)值相等的堆載，加固過程完全可以用堆載預壓固結理論進行解釋。但眾所周知，堆載情況下土體將發(fā)生側向擠出變形，這與真空作用下土體的側向收縮變形相違，雷鳴等[8]研究表明，真空荷載不能簡單地等效為堆載。負壓固結理論認為，真空作用使土中產(chǎn)生負的超孔隙水壓力，即負壓。負壓使土中水流出，負超孔隙水壓力逐漸消散，轉變?yōu)橥林杏行?，土體得以加固，可用式(1)表示。

式中：Δ′為有效應力增量；Δ為超孔隙水壓力 增量。

整個過程土中總應力沒有變化，即

式中：Δ為總應力增量。土中的水都是由射流泵從下往上抽出的，水在土中產(chǎn)生滲透力的方向在有豎向排水通道時為水平指向通道，在無豎向排水通道時為豎直向上。根據(jù)滲透變形的方向應該與滲透力的方向一致原則，土體應該發(fā)生水平向收縮變形和豎直向上的變形，這不能解釋真空作用下土體豎直方向的變形規(guī)律。絕對孔隙水壓力零點理論認為抽真空使得邊界上的孔隙水壓力降低至“零點”，進而使得土中孔隙水壓力分布不平衡，土體有效容重增加，土體得以固結。此理論雖可解釋土體豎向變形規(guī)律，但也無法解釋水平向變形規(guī)律。真空滲流場理論也存在著與負壓固結理論相同的矛盾。

綜上所述，現(xiàn)有真空預壓土體固結機制理論都存在自身的局限性，建立既滿足真空作用下土體的應力變化狀態(tài)，又符合土體變形規(guī)律的機制是非常困難和復雜的。

2 真空預壓下土體受力及變形分析

真空作用下，土體加固區(qū)界面上存在著壓力差，主要有加固區(qū)邊界壓力差(加固區(qū)上表面密封膜內(nèi)外壓差Δ1，加固區(qū)底部邊界壓差Δ2，加固區(qū)側向邊界壓差Δ3)和豎向排水通道側邊壓力差Δ4，如圖1所示。

圖1 加固區(qū)邊界及內(nèi)部壓差

這些壓力差綜合作用使得軟土體產(chǎn)生固結現(xiàn)象。在真空預壓的初始階段，根據(jù)不少實測資料知道密封膜內(nèi)外壓差將迅速達到約一個大氣壓，即Δ1。Δ1不能等同為堆載，堆載是在豎直方向對軟土體施加力，而Δ1在各個方向相同，并且Δ1在抽真空初始階段只存在于且影響到貼近密封膜的砂墊層及淺層土體當中，對加固區(qū)的大部分軟土作用不大。Δ1使得砂墊層及淺層軟土體產(chǎn)生等向壓縮，水和空氣被擠出，由射流泵抽走。軟土體孔隙比大，抵抗變形能力差，孔隙通道無比細小，排出空氣和水的能力極差，所以現(xiàn)場必須打設大量的豎向排水通道(砂井或者塑料排水板)，其擔負著排水及向軟土體深部傳遞Δ1的重要作用。流體壓力差的傳遞存在衰減現(xiàn)象，所以軟土體中各點的壓力差不相同，根據(jù)大量測量資料可以知道壓力差沿深度是逐漸遞減的，且在同一深度處豎向排水通道的壓力差大于軟土體中的壓力差。理論上描述真空預壓有效加固軟土深度，應該是壓力差為0的深度，或者是有微小壓力差但土體不發(fā)生變形的深度。但是這個深度難以確定，因為這與所加固的土體性狀、豎向排水通道的打設深度及間距、施工質量、地下水賦存情況等太多的因素有關。比如豎向排水通道打設深一些，間距小一些，加固深度則大一些。當土體某一深度處壓力差很小，從土體單元中擠出的水的體積與周圍地下水補充進來的水的體積相同時，則土體不再變形，此深度即為有效加固深度。有效深度面即為加固區(qū)底面，其上壓力差為Δ2，Δ2為0或者是一個接近于0的數(shù)值。加固區(qū)側向邊界壓差Δ3和豎向排水通道側邊壓差Δ4沿深度逐漸向下衰減，它們是計算土體各深度處水平位移的關鍵。

真空預壓是利用射流泵主動抽氣抽水，在加固區(qū)邊界形成上述壓力差，進而使土體發(fā)生固結現(xiàn)象的過程。取任一深度處土體單元分析，土體單元受到附加應力(等向壓力差) Δ作用，土體單元中的顆粒和水將一起承擔Δ，則有

式中：Δ′為有效應力增量；Δ為超孔隙水壓力 增量。

土單元隨Δ轉變?yōu)棣ぁ涠探Y，這符合太沙基的有效應力原理，由此得出真空作用下土體的總應力增加的結論。也就是說真空作用對土體施加附加應力，使土中超孔隙水壓力上升，并逐漸轉變?yōu)橛行?，土體單元發(fā)生等向收縮變形，土體固結。

從滲流的角度分析，真空作用的等向壓力差在加固區(qū)各部位不相等，促使水從土中流出。水滲流的過程為：非穩(wěn)態(tài)→穩(wěn)態(tài)→非穩(wěn)態(tài)→結束。初期，加固區(qū)各點的壓力差都在發(fā)生變化，導致水流非穩(wěn)態(tài)；中期，壓力差恒定，水流穩(wěn)態(tài)；后期，土體固結即將完成，水流非穩(wěn)態(tài)。水在土中流動將因做功而使土顆粒重新排列，土體壓縮，稱為滲透壓密[9]。加固區(qū)土體中的水匯集到塑料排水板中，塑料排水板中的水由下而上流動。前者將使得土顆粒發(fā)生水平方向的位移，導致土體滲透壓密。

此外，真空作用會使每根豎向排水通道附近土體形成降落漏斗[10]，使得地下水位下降，原本屬于地下水位以下的土體變成地下水位以上的土體，有效重度增加，除土體自身發(fā)生豎直向沉降及水平向擠出變形外，對下臥層也將產(chǎn)生類似堆載的效應，使得下臥層發(fā)生類似堆載情況下的變形。

由上述分析可知，真空預壓作用下土體的響應過程是非常復雜的。主要表現(xiàn)為以下幾個方面： 1) 加固區(qū)土體各點受到大小不同的等向壓力，其大小由膜內(nèi)外壓力差及其傳遞情況決定。等向壓力沿深度遞減，在同一深度處靠近塑料排水板的各點大于遠離塑料排水板的各點，大小呈波浪形分布。 2) 各處不同的等向壓力使土中各點產(chǎn)生附加應力，由土骨架及孔隙水承擔，土中總應力增加的同時，土中超孔隙水壓力增大，隨水排出而轉變?yōu)橛行?，土體固結，符合太沙基有效應力原理。3) 土中水滲透方向為水平向，指向豎向排水通道，滲透力使土體發(fā)生滲透壓密，土體發(fā)生水平向收縮位移的同時產(chǎn)生了豎向位移。4) 地下水位迅速下降，使相關土層有效重度增加，產(chǎn)生堆載效應，土體產(chǎn)生豎向沉降的同時發(fā)生水平向擠出變形。5) 不同時間段土體各點受力狀態(tài)不同。比如淺層土體在真空作用初期受等向壓力最大，滲透壓密現(xiàn)象明顯，固結速度非?？欤欢顚油馏w在真空作用初期受等向壓力小，滲透壓密現(xiàn)象不明顯，但受地下水位下降形成的堆載效應明顯，真空預壓中后期，深層土體受等向壓力變大，其滲透壓密現(xiàn)象逐漸變得明顯。

3 實例驗證

3.1 工程基本情況

京滬高鐵昆山試驗段，長850 m，其中k0+ 276.51~k0+535采用真空預壓軟基加固，豎向排水通道采用塑料排水板，梅花形布設，打入深度為14.5~18.5 m，間距1.2 m，水平排水體采用厚度50 cm的砂墊層[11]。

地基土自上而下依次為：1) 黏土，軟?硬塑，層厚0.76~3.6 m；2) 淤泥質粉質黏土，流塑，層厚3.2~16.5 m；3) 黏土，軟塑?硬塑，厚0~7.4 m； 4) 粉土局部夾薄層粉砂或黏土，軟?硬塑，厚0~ 5.4 m。

試驗工程于2003年4月26日開始抽真空，6月20日正式路堤填筑，10月30日停止抽真空。4月26日至6月20日，可認為土體單純受到真空 作用。

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 加固區(qū)壓力差分析

真空預壓加固軟基，地表沒有施加堆載，而是采用射流泵抽氣抽水，通過PVC濾管、砂墊層及豎向排水通道在加固區(qū)邊界及內(nèi)部形成大小不同的壓力差，這些壓力差等向作用于相關土體中各點，使土體產(chǎn)生固結。膜內(nèi)外壓差可稱為大氣壓差，而其他部位的壓差可統(tǒng)稱為流體壓差。明確這些壓力差在時間和空間上的分布規(guī)律，對分析真空預壓加固軟土的機理幫助頗大。

圖2 塑料排水扳中壓差

圖2和圖3分別為塑料排水板中及地基土中的壓差沿深度隨時間的變化曲線?？芍?，膜內(nèi)外壓力差在8 h之內(nèi)就達到了80 kPa以上，塑料排水板中及地基土中的壓差隨時間逐漸上升，塑料排水板中的壓差上升速度明顯快于地基土壓差，并且在同一深度處塑料排水板中壓差值大于地基土中壓差值。壓差都沿深度遞減，表明流體壓差的傳遞存在，且有能量衰減。塑料排水板中的能量衰減主要用于克服水的重力做功，地基土中衰減的部分主要用于對土骨架做功，使其產(chǎn)生位移響應。在5月2日至5月4日，因減少了射流泵工作臺數(shù)，膜內(nèi)外壓差降低為50 kPa左右，導致塑料排水板及地基土中的壓差有些許波動，旁證了加固區(qū)土體所受壓力差大小主要由膜內(nèi)外壓力差決定的結論。18.5 m深度處塑料排水板中的壓力差比較小，地基土中的壓力差幾乎為零，表明真空預壓的有效加固深度為18.5 m左右，達到了塑料排水板的底部，遠低于地下水位深度2 m。

圖3 地基土中壓差

3.2.2 加固區(qū)應力及變形分析

真空預壓加固區(qū)土體的應力狀態(tài)非常復雜，在抽真空的各個時期，加固區(qū)各部分土體受力都不同，這決定了土體的變形響應在不同時期也不同。如何理解抽真空各個時期加固區(qū)各部分土體受力狀態(tài)是解釋真空預壓土體固結的關鍵。天然土體由三相組成，氣、液兩相充填于固相(土顆粒)搭建而成的骨架孔隙當中。抽真空初期，等向壓力未傳遞至深層土體，基本只作用于貼近密封膜的砂墊層及淺層土體中，淺層土體存在等向擠壓固結及滲透壓密固結，產(chǎn)生豎向沉降、側向收縮變形。同時，地下水位迅速下降，一部分水下土體變?yōu)樗贤馏w，容重由有效容重(浮容重)變?yōu)轱柡腿葜?，這部分土體將產(chǎn)生豎直向下堆載固結，并對其下臥土層施加堆載效應，使得下臥土層發(fā)生豎直向下堆載固結，產(chǎn)生豎向沉降、側向擠出變形。隨著時間增長，接近于大氣壓的等向壓力差向土體深層傳遞更加明顯，深層土體就不僅只發(fā)生豎直向下堆載固結，還會產(chǎn)生等向擠壓固結及滲透壓密固結。各種不同時期的固結類型構成了真空作用下的土體固結。等向擠壓固結使土體發(fā)生各向相同的變形，滲透固結的水流方向在地基土當中為水平指向排水通道，使土體產(chǎn)生水平向收縮位移，豎直向下堆載固結使土體產(chǎn)生豎直向下位移和水平向擠出變形。各種位移的疊加綜合形成了真空作用下土體的變形特征。土體單元各種類型固結下的變形見圖4~6。

圖4 等向擠壓土體單元變形

圖5 豎直向堆載土體單元變形

圖6 滲透壓密土體單元變形

圖7和圖8分別為線路前進方向加固區(qū)左側和右側邊界水平位移沿深度隨時間變化曲線。在加固區(qū)邊界上土體位移為內(nèi)向收縮變形，深度3 m之內(nèi)收縮變形最為明顯，5 m左右的土體有向外擠出變形現(xiàn)象，10 m左右的土體收縮變形也比較明顯，15 m以下變形很小。宏觀監(jiān)測到的邊界水平位移曲線是地基土中微觀土體單元各類型固結變形的綜合體現(xiàn)。淺層土體以等向擠壓及滲透壓密固結為主，產(chǎn)生內(nèi)向收縮變形；深層土體先發(fā)生水位下降造成的豎直向堆載固結，隨傳遞壓力增大逐漸演變成等向擠壓固結、滲透壓密固結及水位下降造成的豎直向堆載固結3種固結類型皆有狀態(tài)。圖中曲線表明，未在土體表面堆載而土體發(fā)生了側向擠出變形，雖監(jiān)測值為負值(水平內(nèi)向收縮變形)，卻不能掩蓋土體側向擠出的趨勢，可知豎直向堆載固結類型不可忽略。

圖7 前進方向左側加固區(qū)邊界水平位移

圖8 前進方向右側加固區(qū)邊界水平位移

3.2.3 真空預壓孔隙水壓力分析

以往不少文獻在進行數(shù)據(jù)整理，進而分析真空預壓機理時，得出了超孔隙水壓力下降的結論，這也是負壓理論的基礎。負壓理論認為土中總應力不變，土中水在負超孔隙水壓力驅動下排出，土體產(chǎn)生固結現(xiàn)象。這與式(3)相違，本文認為真空作用下土體固結類型有等向擠壓固結、滲透壓密固結及水位下降造成的豎直向堆載固結3類。等向擠壓固結、水位下降造成的豎直向堆載固結會使土中的超孔隙水壓力上升。滲透壓密發(fā)生的根本原因是水在土中流動，而水流動取決于水流起點和終點的驅動勢能[12]。地基土中的驅動勢能高于同深度處排水板中的驅動勢能，水則從地基土中水平向流入排水板，進而豎直沿排水板被抽走。若認為射流泵造成的流體壓差(驅動勢能)為?Δ1，則地基土中各點的驅動勢能都高于?Δ1，所以水會從下往上流，從這個角度將0~?Δ1值賦予土中孔隙水，稱之為負壓也未嘗不可。負壓只是一種定義和說法，可將它理解成水流動的驅動力，結果是造成了土體的滲透壓密。LEI[13]曾闡述過真空預壓土體固結過程是不同階段正、負壓共同作用的結果，可以理解為正壓是等向擠壓及水位下降造成的豎直向堆載在土中所增加的正的孔隙水壓。而負壓是解釋滲透壓密固結的定義，它為水在地基土中的滲流提供理論支撐。

如圖9所示，從所測試的各點超孔隙水壓力值隨時間的變化曲線來看，除初始階段有些點瞬增，有些點基本維持不變外，之后迅速減小至基本維持負值，這與上述分析產(chǎn)生正孔壓的結果有出入。這是因為真空預壓作用下孔隙水壓力的測試值為土中孔隙水壓變化與大氣壓力變化共同作用的結 果[14]。真空作用下，孔壓計內(nèi)腔存在一個標準大氣壓力值，地基土在抽真空作用下流體壓力下降為，它們的差值即為土體受到的等向壓力差Δ。實測值為式(4)所示。

式中：c為孔壓測量值；u為施加真空載荷前靜水壓；Δ為真空作用引起的超孔壓；Δu為水位變化引起的靜水壓變化值；Δ為等向壓差。

分析式(4)可知Δu和Δ隨時間增加，Δ隨時間減小，那么c則明顯減小。這造成了圖9的結果。將上式變化為

可據(jù)式(5)反算真空作用引起的超孔壓，圖10為反算6 m深度處超孔隙水壓力的曲線，由圖可知，超靜孔隙水壓力變化曲線如按加固區(qū)地基土實際應力狀態(tài)考慮，消除地基土中真空度的影響，地基土中超靜孔隙水壓力將增加、隨后消散，與單純堆載作用基本一致。這并不意味著二者作用下地基土固結滲流場相同，抽真空時“真空滲流場”中存在一個主動的吸水、吸氣作用，表現(xiàn)在工程實踐中真空預加固地基時地基固結速度相對堆載預壓快。

圖10 6 m 深度處超孔壓實際變化

4 結論

1) 真空作用下加固區(qū)各部分土體應力狀態(tài)變化復雜，單純從加載角度或者滲流角度難以解釋土體固結現(xiàn)象。從不同角度考慮多種因素，總結土體固結機制不失為一種有效方法。真空預壓下土體固結負壓理論為水在土中滲流指明方向，為土體產(chǎn)生滲透壓密現(xiàn)象提供理論基礎，這種理論說法本身并無不妥。

2) 真空作用下土體固結類型有等向擠壓固結、滲透壓密固結及水位下降造成的豎直向堆載固結3類。等向擠壓固結、水位下降造成的豎直向堆載固結會使土中總應力增加，會使土中的超孔隙水壓力上升，土體隨其轉變?yōu)橛行Πl(fā)生固結。水在土中流動使土產(chǎn)生滲透壓密固結。土體變形兼有等向壓縮變形、豎向沉降和側向擠出變形。

3) 在分析真空作用下土體固結機制時，考慮不同時期、不同深度處土體固結主導因素，或能起到至關重要的作用。

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Analysis of consolidation mechanism and example of treating soft foundation in vacuum preloading

LEI Ming, XU Hanyong, KUANG Xilong, XIA Linong

(School of Civil Engineering, Changsha University, Changsha 410022, China)

Indefinite soil consolidation mechanism interferes with popularizing vacuum preloading. Analyzing all kinds of consolidation mechanisms has shown that consolidation could be difficultly interpreted merely from surcharge viewpoint or seepage viewpoint. There occur isotropic compression consolidation, permeation densification consolidation, and vertical surcharge consolidation caused by water table falling. Based on tests, the stress, strain, super pore water pressure and effective depth with vacuum preloading have been analyzed. All results have shown that: isotropic pressure descended along with depth increment. Isotropic pressure near drainage channel is greater than that far from drainage channel. Distribution of isotropic pressure is undee in horizontal. There are isotropic compression, vertical settlement, and horizontal extrusion displacement in soft foundation. Super pore water pressure is increased rapidly, and then dissipated. Pressure difference of film in piezometer must be considered in analyzing pore water pressure. Negative pressure theory which provides theorical basis for permeation densification consolidation is suitable.

vacuum preloading; consolidation mechanism; soft foundation; pressure difference; pore water pressure

TU447

A

1672 ? 7029(2019)06? 1433 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.06.011

2018?08?07

長沙市科技計劃一般項目(ZD1601031)；長沙市科技計劃重點項目(ZD1601009)

雷鳴(1977?)，男，湖南長沙人，副教授，博士，從事軟基加固分析研究；E?mail：lm2656717@163.com

(編輯 涂鵬)