汪國(guó)賢， 蘇銀強(qiáng)， 楊倩

(1.珠海交通集團(tuán)， 廣東 珠海 519060；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 211189)

中國(guó)沿海地區(qū)廣泛分布著由淤泥沉積物及各類腐殖質(zhì)組成的海相軟弱土層，其具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度、滲透性差、結(jié)構(gòu)性顯著等特點(diǎn)。軟土中具有代表性的有淤泥和淤泥質(zhì)土，主要由極細(xì)的黏土顆粒、有機(jī)物、氧化物等固相物質(zhì)和水組成。軟土地基所呈現(xiàn)出的低承載能力和高壓縮性影響各類基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性，施工前必須穩(wěn)定軟土，以防出現(xiàn)差異沉降及過(guò)大的工后沉降。真空預(yù)壓是目前常用加速軟土地基固結(jié)速率、提高軟土地基抗剪強(qiáng)度的處理技術(shù)之一，它通過(guò)土工膜密封軟地面，不需增加總應(yīng)力即可減少孔隙壓力、增加土體的有效應(yīng)力，是一種經(jīng)濟(jì)有效的軟土地基加固方法，廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)跑道、復(fù)墾土地、軟基路堤、水庫(kù)地基調(diào)節(jié)等工程中。真空預(yù)壓法從工程應(yīng)用角度已較成熟，但其理論研究遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐，許多理論問(wèn)題仍存在較大爭(zhēng)議。該文通過(guò)對(duì)真空預(yù)壓重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題的分析，從真空預(yù)壓環(huán)境下滲流情況、地下水位、排水板、側(cè)向變形及加固區(qū)等方面對(duì)真空負(fù)壓加固效果的影響因素進(jìn)行分析。

1 排水板真空預(yù)壓加固機(jī)理

1.1 真空預(yù)壓理論基礎(chǔ)

真空預(yù)壓法通過(guò)改變土內(nèi)孔隙壓力，增加有效應(yīng)力而加固土體?？紫端畨毫档褪侵鸩綄?shí)現(xiàn)的，水平排水墊層中的真空度通過(guò)打設(shè)在地基中的橫向排水體逐漸向下延伸，又通過(guò)豎向排水體向其四周土體中擴(kuò)散(見(jiàn)圖1)。在真空度及吸力梯度的作用下，土體孔隙中的水、氣由土體→流向豎向排水通道→流向地表水平排水墊層→匯集到濾管、主管→射流泵抽出，地基土體因發(fā)生固結(jié)而得到加固(見(jiàn)圖2)。真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓一樣都是固結(jié)過(guò)程，只是其邊界條件不同，真空預(yù)壓是保持土中初始條件，降低邊界孔隙水壓力形成滲流。

圖1 真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)示意圖

圖2 真空預(yù)壓滲流示意圖

與堆載預(yù)壓相比，真空預(yù)壓的特性如下：1) 與吸力壓力相關(guān)的有效應(yīng)力呈各向同性增加，相應(yīng)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)為壓縮。即使在較高的路堤填筑速度下，剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)也可降到最低；2) 真空可通過(guò)排水系統(tǒng)傳播到更深的地層；3) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)真空系統(tǒng)的效率，可減少堆填以達(dá)到相同的沉降量；4) 由于可降低堆載高度，真空預(yù)壓產(chǎn)生的超孔隙壓力小于常規(guī)堆載法；5) 真空預(yù)壓可改善土-水界面不可避免的非飽和狀態(tài)，提高固結(jié)速率。

1.2 真空預(yù)壓下土體固結(jié)理論

文獻(xiàn)[13]在Terzaghi固結(jié)理論的基礎(chǔ)上提出真空與堆載相結(jié)合的一維固結(jié)模型，并探究了真空與堆載復(fù)合加載的機(jī)理可由堆載預(yù)壓與真空預(yù)壓的疊加規(guī)律來(lái)確定的可行性。真空和堆載聯(lián)合預(yù)壓下固結(jié)度的平均值為：

(1)

Tvc=cvct/H2

(2)

式中：Tvc為真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓時(shí)間因子；cvc為真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓固結(jié)系數(shù)。

圖3 真空壓力在水平和垂直方向上的分布規(guī)律

(3)

(4)

2 真空預(yù)壓處理軟基的關(guān)注問(wèn)題

2.1 滲流與固結(jié)

采用堆載預(yù)壓加固軟土地基時(shí)，達(dá)西定律基本適用。但采用真空預(yù)壓加固時(shí)，真空滲流場(chǎng)范圍內(nèi)流動(dòng)的是真空流體。真空流體包含氣、水兩相，具有一定真空度，加之土體微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其滲流固結(jié)過(guò)程復(fù)雜。此外，真空預(yù)壓土中固體顆粒對(duì)孔隙水流動(dòng)的阻力對(duì)土體的固結(jié)和孔隙水的耗散起著重要作用。然而均勻非變形多孔介質(zhì)流動(dòng)阻力系數(shù)的計(jì)算公式是否適用于真空預(yù)壓土的流動(dòng)目前尚不清楚。真空預(yù)壓土的流動(dòng)阻力與均勻多孔介質(zhì)的流動(dòng)阻力有很大不同，均勻填充層流動(dòng)阻力系數(shù)的計(jì)算公式不適用于真空預(yù)壓土的流動(dòng)，粒徑、均勻系數(shù)和孔隙度對(duì)真空作用時(shí)的阻力也亟待進(jìn)一步明確。

2.2 地下水位

真空預(yù)壓過(guò)程中持續(xù)的抽氣、抽水作用使地基中的地下水位下降，直到預(yù)壓地基周圍的補(bǔ)充水和排出的水達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止。地下水位下降將使相應(yīng)土層的上覆土重增加，并產(chǎn)生排水固結(jié)現(xiàn)象。而真空壓力下的流體根據(jù)不同外界條件以單相流、兩相流或多相流的方式運(yùn)動(dòng)，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，真空預(yù)壓中真空壓力在地面達(dá)到最大值，并隨著深度的增加迅速下降，垂直方向的壓力梯度各有不同。隨著地下水位的下降，非飽和帶逐漸擴(kuò)大，非飽和帶內(nèi)存在氣、水兩相流動(dòng)，且流體壓力與真空壓力隨深度產(chǎn)生變化。真空壓力誘導(dǎo)土體進(jìn)行各向同性固結(jié)，并引起周圍土體向處理區(qū)向內(nèi)的側(cè)向位移，對(duì)加固軟土地基的效果有很大影響。抽真空作用的強(qiáng)度、土體滲透特性及地基中薄砂層及水源補(bǔ)給等影響地下水位下降的因素都應(yīng)加以考慮。

2.3 排水板

在真空預(yù)壓地基加固中，通常采用塑料排水板加速軟黏土地基的固結(jié)，提高軟土地基的抗剪強(qiáng)度。而軟土地基的固結(jié)速率與排水板的通水能力密切相關(guān)。理論和試驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐均表明，排水板的通水能力受其材料和形狀、排水截面積、圍壓、滲透性和耐久性等因素的影響?？臻g尺度上，土體圍壓隨埋深的增加而增大，導(dǎo)致通水能力隨深度而下降(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同文獻(xiàn)中真空度下降規(guī)律對(duì)比

為考慮井阻對(duì)軸對(duì)稱平面應(yīng)變匹配過(guò)程的影響，文獻(xiàn)[23]建立通水量線性遞減的解析模型，得到了超靜孔隙水壓力隨深度的分布。排水板通水量隨時(shí)間變化，即排水板在生命周期內(nèi)淤堵累積作用及圍壓作用下排水性變形等因素對(duì)排水板的通水能力同樣有著不可忽視的影響。文獻(xiàn)[24]提出考慮通水能力隨深度和時(shí)間變化對(duì)單元格內(nèi)軟土沉積物固結(jié)行為的數(shù)學(xué)模型，模型假設(shè)通水能力隨深度線性減小或非線性變化對(duì)孔隙水壓力的影響，結(jié)果表明通水能力隨深度和時(shí)間的變化對(duì)超靜孔隙水壓力分布有顯著影響，當(dāng)通水能力隨深度和時(shí)間變化時(shí)土體的超靜孔隙水壓力將進(jìn)一步降低。

2.4 側(cè)向變形

真空預(yù)壓過(guò)程中，排水板之間的土體不僅會(huì)產(chǎn)生豎向沉降，還會(huì)產(chǎn)生側(cè)向變形，這種縱橫向聯(lián)合位移形成圍繞排水板的土柱和真空預(yù)壓后的V形土表面，即“土柱”現(xiàn)象。膠體顆粒隨水氣運(yùn)動(dòng)，從大孔隙逐漸遷移到小孔隙并堵塞通道，其微觀機(jī)理見(jiàn)圖5。真空預(yù)壓中土體的最終側(cè)向變形由排水板打設(shè)間距、深度、真空度、土體性質(zhì)等因素決定。由于側(cè)向位移的最大值與膜下真空度成正比，隨排水板間距的減少而增大，排水板打設(shè)越深，側(cè)向變形越大。而側(cè)向變形的大小與真空度水平、加載速率及土體環(huán)境因素等密切相關(guān)。

圖5 “土柱”現(xiàn)象微觀機(jī)理示意圖

2.5 加固影響區(qū)大小

真空預(yù)壓處理軟基的加固范圍是現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)筑物的抗變形能力、構(gòu)筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、加固區(qū)內(nèi)外土質(zhì)條件等因素綜合影響下產(chǎn)生的。由于加固區(qū)內(nèi)負(fù)壓作用使區(qū)外地下水向區(qū)內(nèi)滲流，地下水位下降，在負(fù)壓、地下水位下降聯(lián)合作用下區(qū)外土體向加固區(qū)位移，并伴隨沉降發(fā)生。加固影響區(qū)大小關(guān)系到排水板通水設(shè)計(jì)，與真空壓力在土體中的傳播范圍及土體孔隙水壓力的消散相關(guān)。

3 影響真空固結(jié)性能的相關(guān)因素分析

3.1 真空度的影響分析

真空預(yù)壓法加固軟土地基技術(shù)運(yùn)用以來(lái)，理論研究在不斷完善。但由于實(shí)際工程中密封不足、土體介質(zhì)不同等引發(fā)的真空度在橫向及縱向上的衰減程度仍存在較大不確定性，在時(shí)間上真空度的衰減速率前期較大而后期較小、在空間上真空度隨深度的增加而衰減得到普遍認(rèn)同，但在徑向的衰減規(guī)律未得到統(tǒng)一。如文獻(xiàn)[3-4]認(rèn)為真空度傳遞過(guò)程中的衰減在深度上呈線性變化；文獻(xiàn)[29]通過(guò)試驗(yàn)證明真空度在橫向及縱向上的衰減可以系數(shù)的形式表示，并得到衰減系數(shù)大小與土的滲透系數(shù)有關(guān)。影響真空度傳遞的因素如下：

(1) 土體介質(zhì)。膜下真空度形成后，真空度傳遞到塑料排水板、淤泥與砂井中，在不同介質(zhì)中所受到的阻力不相同，總體上膜下真空度>塑料排水板真空度>砂井真空度>淤泥真空度。在不同介質(zhì)中，真空度隨時(shí)間的變化規(guī)律不同：塑料排水板中的真空度變化曲線基本與膜下真空度變化曲線相同，在抽真空的開(kāi)始階段，真空度迅速上升，之后處于相對(duì)穩(wěn)定；砂井中的真空度隨著時(shí)間的增加開(kāi)始迅速上升，之后隨著抽氣時(shí)間的增加緩慢上升，最后接近塑料排水板中的真空度；淤泥中的真空度隨著時(shí)間的增加開(kāi)始迅速上升，之后隨著抽氣時(shí)間的增加逐漸下降，最后趨于相對(duì)穩(wěn)定的低真空度值。

(2) 真空度的維持與損失。真空度的作用效果為負(fù)壓，通過(guò)抽真空降低孔隙水壓力，提高土體的固結(jié)度。一般真空預(yù)壓中抽真空設(shè)備的設(shè)置情況為(800～1 500) m2/臺(tái)，而隨著土體真空度的提高，地下水位降低，抽真空所帶來(lái)的水氣混合體的傳輸歷程增大，開(kāi)泵量的增加對(duì)真空度的提高效果不再明顯。隨著抽真空時(shí)間的加長(zhǎng)，砂墊層不斷被壓密，排水管濾膜也不斷貼緊壓薄，從而使真空壓力在砂墊層中傳遞阻力加大，濾膜通透性降低，負(fù)壓差加大，膜下真空度降低。真空預(yù)壓結(jié)合砂井地基同步進(jìn)行，由于不同于天然土體的砂井的存在，膜下真空度的傳遞受阻，隨著深度伴有不同程度的降低。

3.2 井阻影響

隨著真空度在排水板和土體中的不斷傳遞和擴(kuò)散，排水板和土體中將形成連通的真空滲流場(chǎng)，并不斷向深處和遠(yuǎn)處土體發(fā)展。真空度隨深度增加而衰減的特性表明砂井阻力的實(shí)際存在，并阻礙真空度在豎直方向上的傳遞，影響土體排水固結(jié)的進(jìn)行。且砂井材料滲透系數(shù)越小，砂井長(zhǎng)細(xì)比越大，井阻作用越顯著，砂井地基固結(jié)越慢。

(1) 側(cè)向土壓力的影響。文獻(xiàn)[33-34]通過(guò)試驗(yàn)論證了側(cè)向土壓力的存在會(huì)降低排水板的通水能力。土體中自然的土體側(cè)壓力作用在排水板上，使排水板長(zhǎng)期受壓，排水通道受力變形進(jìn)而縮減排水通道。真空吸力作用時(shí)，分體式排水板的濾膜向芯板靠近緊縮，從而進(jìn)一步減小排水通道，影響真空吸力在土體中的傳導(dǎo)作用。

(2) 排水板淤堵及彎曲。土體中由于真空吸力帶來(lái)的水氣流體在通過(guò)顆?？紫稌r(shí)會(huì)攜帶微小土顆粒并附著在排水板的外層，形成致密的淤堵泥層。文獻(xiàn)[35]認(rèn)為由于細(xì)顆粒沿滲透路徑遷移的過(guò)程中在沿途不斷滯留，導(dǎo)致滲透路徑變短、變窄，最終滲透路徑完全堵塞形成淤堵泥層。泥層的滲透系數(shù)低，產(chǎn)生的淤堵效應(yīng)嚴(yán)重阻礙真空壓力的傳導(dǎo)。此外，排水板的彎曲也會(huì)導(dǎo)致通水能力降低。

3.3 涂抹區(qū)的影響

在打設(shè)砂井或排水板時(shí)，小而細(xì)的土壤顆粒被拖拽移動(dòng)，從而在砂井或排水板周邊的土體環(huán)境中形成滲透性降低的區(qū)域，即涂抹區(qū)。文獻(xiàn)[36]提出通過(guò)降低固結(jié)系數(shù)的整體值降低滲透性的概念，預(yù)壓引起的水力梯度在固結(jié)過(guò)程中擠壓孔隙水，使其水平向排水板快速流動(dòng)，垂直向滲透至排水層排出。但涂抹區(qū)的存在會(huì)降低水平滲透率，同時(shí)不同程度降低豎直方向的滲透性。由于滲透性降低，涂抹區(qū)起到向排水板流動(dòng)的屏障作用，降低排水固結(jié)速率。

3.4 真空加載方式的影響

文獻(xiàn)[43]利用大型固結(jié)儀試驗(yàn)，通過(guò)分階段短時(shí)間釋放真空壓力，研究真空卸載和再加載的影響。結(jié)果表明隨著排水深度的增加，吸力水頭逐漸減??；真空壓力的加載、卸載影響排水板中吸力向下衰減的傳播，對(duì)于沉降的影響存在時(shí)間滯后效應(yīng)。文獻(xiàn)[44]通過(guò)改進(jìn)真空預(yù)壓法，利用多次真空預(yù)壓法和改進(jìn)的同步、交替真空預(yù)壓法，得到比傳統(tǒng)預(yù)壓法分別提高近15%的排水量。在總侵入體積、孔隙率相近的情況下，采用改進(jìn)的交替真空預(yù)壓法可將超軟土地基處理得更均勻。

3.5 排水不飽和問(wèn)題

通過(guò)排水板施加真空壓力，排水板附近土體可能會(huì)發(fā)生不飽和現(xiàn)象。文獻(xiàn)[43]通過(guò)一系列模型描述試驗(yàn)中孔隙壓力耗散的明顯井阻作用，并考慮排水土界面的非飽和影響。結(jié)果表明，相對(duì)干燥排水的存在加上氣隙的產(chǎn)生會(huì)阻礙固結(jié)初期超靜孔隙壓力的耗散。

4 有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題

實(shí)際工程中，由真空預(yù)壓引起超凈孔壓及其引起的固結(jié)過(guò)程和理論極其復(fù)雜。上述僅從單影響因素進(jìn)行分析，而現(xiàn)場(chǎng)加固效果往往由多方面因素共同作用，在進(jìn)行固結(jié)解析和分析計(jì)算的過(guò)程中，考慮由真空吸力引起孔壓、滲透變化導(dǎo)致固結(jié)的影響仍需進(jìn)一步研究。具體如下：1) 對(duì)真空預(yù)壓法中真空壓降與孔隙壓降的差異進(jìn)行量測(cè)與量化，使之可適用于真空預(yù)壓工程中土體固結(jié)分析。2) 對(duì)負(fù)壓條件下地下水位進(jìn)行精準(zhǔn)量測(cè)。普適性的地下水位的定義不適用于真空預(yù)壓后土體，如何結(jié)合真空預(yù)壓水位的特點(diǎn)進(jìn)行分析以改良監(jiān)測(cè)技術(shù)有待研究。3) 真空度在土體范圍內(nèi)的傳遞效果仍存在爭(zhēng)議，如何結(jié)合土體滲透性、井阻效應(yīng)、增壓式改進(jìn)等對(duì)負(fù)壓環(huán)境下地基固結(jié)進(jìn)行計(jì)算分析有待研究。4) 排水板和板周土體淤堵為真空預(yù)壓處理中關(guān)鍵難題，如何從材料、滲流特性出發(fā)提出適用于各類土體的排水材料和設(shè)計(jì)方法有待研究。