張興明，黃志濱，宇 珂，王 棟

（1.中交第四航務工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027）

引 言

真空預壓法加固深厚層軟土地基是國內(nèi)優(yōu)勢明顯的一種地基處理方法[1-3]，該法具有快速、經(jīng)濟、效果好的優(yōu)點，并且無堆載預壓引起的邊坡失穩(wěn)等問題。但是目前關(guān)于真空預壓施工對周邊建筑物、構(gòu)筑物等環(huán)境的影響程度及其規(guī)律等問題尚沒有成熟、明確的結(jié)論。陳遠洪[4-5]等在現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元計算，得出真空預壓加固區(qū)外沒有防護措施時，沉降大于5 cm的范圍約為40 m；打設(shè)攪拌樁防護時沉降大于5 cm的范圍約為20 m。董志良[6]等通過理論計算和現(xiàn)場試驗，得出真空預壓對周邊環(huán)境的影響范圍可達 40 m以上，距加固區(qū)邊緣 8 m處的位移量可達33.5 cm，影響深度超過14 m，在加固區(qū)邊緣14 m處的位移量可達23.2 cm，影響深度超過12 m。但是這些理論，只能作為特定場地條件和攪拌樁支護條件下的研究結(jié)論，都不能為廣州南沙地區(qū)的深厚軟土地基加固提供技術(shù)支持。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，對廣州南沙地區(qū)真空預壓法地基處理沉降影響范圍進行新的分析和探討。

1 真空預壓理論分析

真空預壓技術(shù)，其機理就是通過真空射流泵使加固區(qū)域范圍內(nèi)的土體形成負壓，使邊界的孔隙水壓力降低，土體中的初始孔隙水壓力便與該邊界的孔隙水壓力形成一定的壓力差，進而發(fā)生不穩(wěn)定滲流現(xiàn)象，隨著時間不斷增長，土體的孔隙水壓力逐漸降低。

由σ=σ'+u，等式左邊總應力保持不變的情況下，降低的孔隙水壓力即轉(zhuǎn)為有效應力。真空度（負壓）越高，沿深度方向衰減越小，則增加的有效應力就越大，加固效果越好。由于孔隙水壓力是球狀應力，所以真空預壓引起減少的孔隙水壓力即增加的有效應力是各向相等的。因此，地基土體單元的莫爾圓的大小不發(fā)生變化，只是向右側(cè)平移了，當“荷載”卸除后，被加固土體由欠固結(jié)狀態(tài)或正常固結(jié)狀態(tài)變?yōu)檎９探Y(jié)狀態(tài)或超固結(jié)狀態(tài)。因為真空預壓時土體不會產(chǎn)生剪應力，所以真空荷載可以一次性施加，地基土也不會發(fā)生剪切破壞。周圍土體的變形主要是由于真空負壓產(chǎn)生收縮變形而開裂，裂縫一般表現(xiàn)為平行于加固區(qū)邊線。隨著時間延長，土體固結(jié)度提高，裂縫也產(chǎn)生發(fā)展態(tài)勢，逐漸加寬加深，數(shù)量隨之越來越多[7]。

天然地基土在施加真空荷載下，土中的水將產(chǎn)生滲流。當開始抽真空時，砂墊層中的氣體首先被抽走，而先形成真空，接著接近砂墊層的地基土中較大的連通網(wǎng)孔中的水和氣由于真空形成的壓力差作用被吸出。這時，在土體中連續(xù)的較大網(wǎng)孔中逐步形成真空滲流場，真空滲流場的流動介質(zhì)以氣體為主，并夾雜一定量的水。這個流動介質(zhì)我們稱之為“真空流體”。真空滲流場的形成與不混溶流體在多孔介質(zhì)中的驅(qū)替現(xiàn)象相似：“真空流體”作為驅(qū)動相，在被驅(qū)動流體――水中通過“指進”作用打開一條通道，“指進”以后逐漸分枝，最后形成連通的網(wǎng)絡(luò)。土體排出的水主要是儲存于較大網(wǎng)孔的重力水，地下水位下降，改變了土層的自重應力，使其下土層的上覆自重應力增加，土體中更為細小孔網(wǎng)中的水承受了超孔隙水壓力，然后逐漸排出，從而土層產(chǎn)生固結(jié)。由于抽真空不斷進行，真空滲流現(xiàn)象得以持續(xù)，地下水位也隨著時間的延續(xù)而漸漸下降[8]，此過程如圖1所示。

圖1 真空預壓機理

真空預壓加固軟土地基的過程實際上應屬于三維空間滲流問題，三維固結(jié)理論中最出名是比奧理論[7]，它是一種真三向固結(jié)理論。該理論的基本假設(shè)是把土體視為一種均質(zhì)、各向同性的飽和土單元體dx、dy、dz，受外力作用，滿足平衡方程。當以整個土體為隔離體（土骨架+孔隙水），則平衡方程為：

如果以土骨架為隔離體，以有效應力表示平衡條件，根據(jù)有效應力原理，則有：

式中：pw=(z0-z)γw+u，為超孔隙水壓力與該點靜水壓力之和。

這樣，式（1）可用有效應力表達為：

對于二向平面（平面應變）問題，比奧方程為下式：

式中：Cv2為二向固結(jié)時的固結(jié)系數(shù)；?2為拉普拉斯因子，

當單向固結(jié)時，由彈性應力-應變關(guān)系可得到單向固結(jié)系數(shù)Cv1：

式（5）是比奧固結(jié)理論的主要結(jié)論，是進行有限元計算的常用理論基礎(chǔ)[9-10]。

2 工程概況

本工程位于廣州南沙港區(qū)，軟基處理面積約 30萬m2，吹填疏浚土成陸后采用真空預壓法加固處理。場區(qū)的主要軟土層自上往下分布情況如下：

淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰色，流塑，局部軟塑，含少量細砂及腐植物，局部夾薄層細砂。為吹填土。

淤泥～淤泥質(zhì)粘土：灰色，局部灰黑色，流塑～軟塑，含腐植質(zhì)，含少量粉細砂及貝殼碎，局部夾薄層粉細砂。該層遍布全探區(qū)，厚度2.6～17.50 m，平均厚約10.9 m。

淤泥質(zhì)土：灰色，軟塑，含少量粉細砂及腐植物。局部分布，厚度2.4～7.3 m。

主要土層物理力學性質(zhì)指標，見表1。

表1 主要軟土層物理力學指標

結(jié)合現(xiàn)場地層分布和周邊建筑情況，將整個地基處理場地細分成14個區(qū)塊，分別為N1～N14。其中因N10區(qū)與變電站圍墻距離約18 m，故將N10區(qū)沉降進行重點監(jiān)控和研究。采用規(guī)范推薦的公式，計算得到N10區(qū)在真空預壓達到 70天時，土層固結(jié)度達到85 %，加固期沉降為 1.41 m，使用期最終沉降達到1.48 m。

3 現(xiàn)場施工及監(jiān)測情況

施工初期，未對N10區(qū)與變電站圍墻之間設(shè)置防護措施，并布設(shè)了多處地表沉降、深層水平位移、孔隙水壓力、地下水位等監(jiān)測點。在抽真空40天后，發(fā)現(xiàn)N10區(qū)與變電站之間地面出現(xiàn)10～35 cm寬的裂縫，且變電站圍墻出現(xiàn)一處35 cm裂縫，測得地表最大沉降為30 cm左右。為保證周邊建筑施工安全，立即停止抽真空作業(yè)，補設(shè)防護措施。確定采取高壓旋噴樁結(jié)構(gòu)體進行加固圍護，所用樁直徑1 200 mm，樁間搭接400 mm，打設(shè)深度18 m，共布設(shè)183根，現(xiàn)場布置情況詳見圖2。

圖2 變電站圍墻旋噴樁布置

3.1 地表沉降

現(xiàn)場施工旋噴樁實際工期為33天，施工完成28天后，恢復抽真空。待抽真空作業(yè)進行50天后，真空預壓區(qū)沉降趨于平穩(wěn)，結(jié)束抽真空作業(yè)。

整個真空預壓施工期，沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 N10區(qū)沉降曲線

由圖3可知，施工期總沉降量約為1.2 m，主要沉降發(fā)生在前1個月時間內(nèi)，約占施工期沉降總量的80 %，之后約2個月時間僅完成總沉降量的20 %。

3.2 孔隙水壓力

根據(jù)孔隙水壓力實測數(shù)據(jù)繪制得到 N10區(qū)的孔壓-時間曲線關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，抽真空 15天內(nèi)孔隙水壓力得以迅速消散，消散值一般在55～65 kPa之間，抽真空30天以后孔隙水壓力基本趨于穩(wěn)定，一般穩(wěn)定在82～86 kPa之間，說明真空度得到有效傳遞。經(jīng)實測數(shù)據(jù)分析可知，真空預壓區(qū)場地內(nèi)20 m范圍沿深度傳遞的效果衰減不大。

圖4 N10區(qū)孔隙水壓力-時間關(guān)系曲線

3.3 地下水位

根據(jù)地下水位實測數(shù)據(jù)繪制得到 N10區(qū)的地下水-時間曲線關(guān)系如圖5所示。圖5能較真實地反映真空預壓加固過程的地下水位變化情況，即抽真空約 1個月時間內(nèi)，地下水位降深基本穩(wěn)定在5～6 m左右，有時會受珠江潮差變化產(chǎn)生小幅波動。這個降深規(guī)律與真空壓力降水的有效深度在7 m左右的理論值基本吻合。

圖5 N10區(qū)地下水位-時間關(guān)系曲線

3.4 深層水平位移

根據(jù)深層水平位移實測數(shù)據(jù)繪制得到 N10區(qū)的水平位移-深度曲線關(guān)系如圖6所示。

首先，從空間上來說，沿深度方向的影響程度表現(xiàn)為隨深度越深，影響越小，這個趨勢與真空度的傳遞效果基本一致，而沿水平方向的影響則表現(xiàn)為在加固邊界處最大，離加固邊界越遠影響越小。在距離加固邊界20 m內(nèi)的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，深度15 m以內(nèi)土體的位移量介于 10～230 mm 之間（位移量大于10 mm時我們認為可能對建構(gòu)筑物產(chǎn)生有害作用，須引起注意），最大位移量位于地面，最小位移量位于約20 m處，該點基本為正負位移的平衡點，該點之下會出現(xiàn)反向位移。

其次，從時間上來說，抽真空 30天時對于未進行加固的土體位移量一般達150～190 mm之間，抽真空60天時位移量達到或是接近最大值約230 mm，抽真空60天以后至卸載這段時間位移量基本趨于穩(wěn)定，介于210～230 mm之間微幅波動。上述數(shù)據(jù)說明真空負壓對周圍環(huán)境影響主要作用體現(xiàn)在抽真空 60天以內(nèi)，此時真空預壓作用下的地基土得到有效固結(jié)，固結(jié)度達到70 %～80 %之間，加固區(qū)之外的土體也隨著地下水位下降，孔隙水壓力隨之消散，也得到一定的固結(jié)，所以，抽真空60天以后真空的影響也基本趨于穩(wěn)定。

圖6 N10區(qū)測斜管位移-深度曲線（旋噴樁前土體中）

4 有限元模型分析

4.1 模型建立

結(jié)合南沙二期軟基處理工程 N10區(qū)的真空預壓實況，采用PLAXIS 2D有限元計算程序，將真空預壓對周邊環(huán)境的影響進行了數(shù)值分析。以HS模型作為土體本構(gòu)模型。模型建立的基本假設(shè)：土體在負壓條件下的排水和固結(jié)變形過程同正壓下的固結(jié)過程是相似的，都是通過孔隙水壓力的變化將荷載傳遞給土體骨架的過程。有限元程序計算參數(shù)如表 2，采用平面應變15節(jié)點的三角形單元劃分網(wǎng)格?？紤]對稱性，取加固區(qū)一半進行模擬，并考慮邊界效應，取加固區(qū)周邊100 m的足夠?qū)挾葋矸治鲅芯空婵疹A壓加固對周邊環(huán)境的影響。得到疏密過渡的模型網(wǎng)格劃分如圖7。

表2 計算斷面巖土參數(shù)

圖7 模型建立與網(wǎng)格劃分

4.2 豎向位移計算

如圖8，計算得到真空預壓固結(jié)30天后，加固區(qū)最大豎向位移2.09 m，距離加固邊界6 m處的地表豎向位移為268.7 mm，距離加固邊界16 m處的地表豎向位移為75.6 mm。

圖8 模型豎向位移分布

4.3 水平位移計算結(jié)果

圖9為真空預壓30天水平位移分布。由圖可知，固結(jié) 30天時，加固區(qū)土體向加固區(qū)中間產(chǎn)生側(cè)向位移，周邊土體向加固區(qū)移動。取距離邊界6 m處水平位移，與對應位置處的測斜管實測水平位移數(shù)據(jù)進行對比，如圖11所示。

圖9 模型水平位移分布

圖10 模型計算水平位移與實測值對比

由圖10可見，采用有限元計算得到的N10區(qū)，抽真空30天，距離加固邊界6 m處的水平位移，實測數(shù)據(jù)與計算值差異較小。計算值地表處最大水平位移為307 mm，實測最大值310 mm，可知計算結(jié)果與實測值較為接近，建立的計算模型是合理的。

4.4 邊界加固效果分析

實際施工過程中，在抽真空30天后，停真空泵，在邊界打設(shè)單排1.2 m旋噴樁，之后再重新抽真空后，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，繼續(xù)滿載73天后，實測總水平位移為342 mm。

1）無防護措施模型

模型中，在不采取任何措施的條件下，抽真空固結(jié)30天后，再繼續(xù)固結(jié)73天，距離邊界6 m處，計算得位移為419 mm。

可見，實際采取的施打旋噴樁的方法，對預防真空預壓對周邊環(huán)境的影響是有效的。施打水泥攪拌樁后，繼續(xù)滿載73天，距離加固邊界6 m處的地表最大水平位移僅增加了32 mm，比不施打水泥攪拌樁進行防護的73天增加113 mm的水平位移，減少了約72 %。如圖11。

圖11 未防護的水平位移計算值與實測值對比

2）單排1.2 m旋噴樁防護

如圖12，在模型中加設(shè)單排旋噴樁，在抽真空固結(jié)30天后，再繼續(xù)固結(jié)73天，距離邊界6 m處，計算得位移為337 mm。與實際發(fā)生的342 mm十分接近，與沒有任何防護情況下計算得到的419 mm相比，加固效果改善很多。

圖12 加設(shè)單排旋噴樁后的計算模型

3）格柵狀0.6m攪拌樁防護

格柵狀水泥攪拌樁布置型式如圖13。

圖13 格柵狀水泥攪拌樁布置型式

在模型中加設(shè)格柵狀水泥攪拌樁，在抽真空固結(jié)30天后，再繼續(xù)固結(jié)73天，距離邊界6 m處，計算得位移為 385 mm。與沒有任何防護情況下計算得到的419 mm相比，加固效果較為明顯。但是與加設(shè)單排旋噴樁時計算得到的337 mm，相差48 mm。

5 結(jié) 論

通過有限元軟件，對真空預壓固結(jié)時的各個工況進行了模擬計算，并通過與實測數(shù)據(jù)的對比，驗證了計算模型的合理性。在此基礎(chǔ)上，分析預測了不同防護措施下，地基處理完成時真空預壓對周邊土體的影響。通過對加固試驗區(qū)內(nèi)外土體豎向和水平位移分布進行分析，得到以下結(jié)論：

1）結(jié)合地表沉降、孔隙水壓力、地下水及深層水平位移等實測資料成果可知，真空預壓對周邊環(huán)境的影響作用主要體現(xiàn)在抽真空前60天左右的時間內(nèi)，這段時間也是真空預壓對被加固軟土預壓作用最顯著的階段。

2）真空預壓15天內(nèi)孔隙水壓力得以迅速消散，消散值一般在55～65 kPa之間，真空預壓30天以后孔隙水壓力基本趨于穩(wěn)定，一般穩(wěn)定在82～86 kPa之間，在20 m范圍內(nèi)沿深度傳遞的效果衰減不大，加固區(qū)外一定范圍內(nèi)隨著加固區(qū)地下水位下降，孔隙水壓力消散，其水位與孔壓也隨之逐漸相應變化，只是降幅小得多。

3）真空預壓30天以后地下水位降深基本穩(wěn)定在5～6 m左右，這個降深規(guī)律與真空壓力降水的有效深度在7 m左右的理論值基本吻合。

4）綜合有限元理論和實測分析，真空預壓對周邊環(huán)境的影響范圍最大可到40～50 m，影響深度主要表現(xiàn)在15 m以內(nèi)，15 m之下影響甚小，甚至出現(xiàn)反向位移。從距離加固區(qū)外的位移觀測資料得出，真空預壓期對周邊土體產(chǎn)生的位移最大值發(fā)生在地表附近，達230 mm左右，采用水泥土攪拌樁圍護后，位移量可降低至約 130 mm，采用旋噴樁圍護后，位移量可降低至40～50 mm左右。

5）邊界防護措施上，水泥土旋噴樁比格柵狀水泥攪拌樁更加有效，可有效減少約60 %的水平位移。