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1真空堆载联合预压法加固机理及工程应用高峰 河海大学交通学院（210098）email:gf5215@摘 要：堆载预压法和真空预压法同属排水固结法，二者各有优缺点，它们对地基的作用效果是可以叠加的，于是产生了真空堆载联合预压法。
文中介绍了其加固机理并叙述了加固过程中的一些问题，最后结合工程实例对真空堆载联合预压在高速公路软基处理中的应用进行了介绍，并通过观测对地基的变形规律进行了分析研究。
关键词：堆载预压;联合;真空预压;加固;软基1 概述近年来,为了适应经济和社会的飞速发展,各地兴建了很多港口、高速公路以及物流堆场,这些工程投资金额大,社会效益和经济效益显著,因此,它们的质量要求就相应很高。
目前,在各地修建港口、高速公路以及物流堆场(特别是在沿江、沿海地区)经常遇到的主要工程问题是如何有效的处理软土地基。
软土地基的特点是含水率很高,孔隙比大,压缩性高,强度低,透水性差。
在建筑物荷载的作用下会产生很大的沉降,而且固结速度慢,如处理不当，将影响建筑物的正常使用。
目前常用的地基处理方法优缺点的介绍。
堆载预压法地基固结速度慢，常需结合等超载预压措施；复合地基法（深层搅拌桩、粉喷桩、CFG 桩等），造价高，质量不易控制等。
真空堆载联合预压法作为排水固结法的一种，技术可靠、经济合理、工期较短，在众多地基处理技术中已经凸显出其明显的优点,受到广大工程技术人员的青睐。
本文结合具体的工程实践，对真空预压在高速公路软基处理中的应用进行了介绍，并通过现场监测，对地基在真空和路堤荷载作用下的变形规律进行了分析研究。
2 固结机理及固结特性[1,3]根据太沙基有效应力原理[3]σ=u +'σ知道，固结的实质是有效应力和孔隙压力的相互转化。
堆载预压通过增加外荷,增大总应力σ,在有排水边界时,土体内与边界上孔压不平衡,使水排出，u 降低,σ'增加。
真空预压的总应力不变,通过抽真空改变边界孔压值,在有排水条件时,促使孔隙水排出, u 降低, σ'增加。
一．真空预压法简介真空预压法(Vacuum Preloading)是指利用抽真空的方法，使土体中形成一个局部的负压源，通过降低砂井或排水板中的孔隙水压力而使土体中的孔隙水排出，从而增加有效应力来压密土体的地基加固方法。
如图1-1 所示，首先在原地基上打设塑料排水板作为竖直排水体，然后在地基表面铺垫一定厚度的砂垫层，在砂垫层中铺设排水滤管。
将不透气的薄膜铺设在砂垫层之上，薄膜四周买入土中，通过埋设在砂垫层中的排水滤管将膜下砂垫层中的空气抽出，从而使砂垫层和排水板中形成负的真空压力，使排水板和周围土体之间形成孔压差，土体中的孔隙水在压力差的作用下渗流到排水板中，通过排水滤管排出土体，以达到固结的目的。
真空预压系统由抽真空系统、排水排气系统和密封系统三部分组成，根据目前的施工经验，膜下真空度可以维持在85—95kPa 左右，一般的可取80kPa 作为设计压差。
当固结度达到一定的设计要求时停止抽真空。
真空预压法具有以下主要优点：(1) 区别于堆载预压，抽真空形成的压差所产生的荷载，不会使土体产生剪应力，故地基不会发生失稳破坏，载荷可一次快速施加，加固速度快，施工工期短；(2) 加固过程中土体除产生竖向压缩外，还伴随向着加固区的侧向收缩，加固后土的密实度较堆载预压高，处理深厚软基效果更好；(3) 施工工艺、机具和设备简单，能耗低，作业效率高，加固费用低，适用于大规模地基加固；(4) 不需要大量堆载材料，施工中无噪音、无振动、不污染环境；(5) 更适用于狭窄地段、边坡附近的地基加固等。
二真空预压加固吹填土地基室内模型试验研究目前，真空预压法作为一种相对成熟的施工工艺已广泛应用于沿海地区围海造陆工程实践，取得良好的经济效益。
从施工的角度而言，真空预压技术已相对成熟，但吹填土地基的真空预压的理论研究缺远远落后于工程实践的需要，不少理论问题至今未能得到解决，如真空预压中土体中真空度的纵向和横向分布规律，了解真空度在土体中的分布情况将有助于真空预压的理论研究和机理分析。
预压法处理地基及固结分析孙亚【摘要】预压法处理地基是一种在岩土工程领域普遍采用的处理软弱地基的重要方法,论述了探究预压法处理地基的过程与阐明了真空预压与堆载预压的加固机制及其不同.固结理论可以为地基沉降做出相应的理论预测,为地基处理以及基础工程设计提供了理论依据,在目前竖井地基固结的理论成果的基础上,介绍了预压地基的固结度常用计算方法,并运用选定的计算方法通过工程实例计算了地基的固结度.【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(033)006【总页数】3页(P916-918)【关键词】堆载预压;真空预压;团结【作者】孙亚【作者单位】同济大学地下建筑与工程系,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU473.10 引言1982 年我国在真空预压的基础上，提出了联合堆载的加固方法.从1985 年的三月到十一月综合项目开始了真空联合堆载加固大的探究实验［1］.此法即先进行真空预压施工，而后在膜下真空度达设计需求并在确定运行平稳的一周到两周时间后，实施堆载预压运行.并在工程完结以后，将真空与堆载结合使用，至达到固结度标准或者沉降速率标准时即可去除真空荷载.该方法也广泛应用在机场［2］、建筑地基、路基等工程建设中.1 加固机理堆载预压法遵从的是Terzaghi 的有效应力理论.根据图1 可以看出，附加外部压力之后，土体的固结就变成了孔隙水压消除、有效应力提升与土体逐步压密的进程.加载瞬间，堆载压力全部由孔隙水承担，此时孔隙水将增大.通过在地基中布置竖向砂井，增加了排水途径，缩短了排水距离，这时土层中的空隙水主要通过砂井部分竖向排出，超空隙水压力u 减小.根据有效应力原理，有效应力增加.地基土发生沉降，且强度增加，从而达到了加固的效果，并且可以有效减小建筑物的沉降.真空预压法即将软土地基表面首先添加砂垫层，之后加入垂直排水管道，并通过隔离的封闭膜让软土地基同空气分离，薄膜周围深入地中，利用砂垫层里添加的吸水通道，使用真空装置排除空气与水，让整体设备产生真空压力，从而推动土体排水固结，进而提升地基的有效应力.将整体转化真空状态时，砂垫层和排水通道中逐步降为负压，保持土体内部和排水通道、垫层间产生压力差.在这种情况中，土体中孔隙水持续通过通道流出，土体固结.其示意图如图2 所示.图1 堆载预压简图图2 真空预压简图关于该方法的作用机理，其中一个理念即把膜内外压差当做等效荷载反应在地基土上;另一个理念即陈环等公布的负压下固结观念.二十世纪80年代，陈环等［3］通过一维负压固结仪实施抽气实验，发现同样的压差之下，正负压的试样通过加固后拥有大体一致的土体参数，也就是加固意义大体一致，其土体强度的提升效果也大体一致的结果.这就说明抽真空仅仅使孔隙压力持续变化，也就是真空预压利用减小土体中的孔隙压力，让有效应力提升从而达到加固效果.阎澎叮、陈环［4］通过二轴仪实施正压与负压的对照实验，发现正压与负压作用一下的固结过程大体一致.EC.Leong 等［5］用利用固结仪探究了在同种压力中(正负压)土样剪切强度增加的状况，获得了堆载预压加固成效高于真空预压的加固成效的结果.龚晓南等［6］以现有真空预压的研究和多孔介质渗流理论为基点，给出了真空渗流场理论用以诠释真空预压加固软土地基的机制.从上述研究中可以看出，堆载预压法和真空预压法在加固机理上存在着不同，堆载预压法可以称为正压固结，真空预压法可以称为负压固结.从土中应力可知，堆载预压总应力增加，随着超静孔隙水压力的减少而使有效应力增加;真空预压法总应力不变，降低孔隙压力，而使有效应力增加.从加压系统设计上，堆载预压加载过程里剪应力提升，也许会导致土体剪切损坏，所以必须调控加载速率分级加载;真空预压法抽真空时，剪应力不提升，无法导致土体剪切破坏，不需要控制加载速率.两者处理深度不一样，而且后者会引起地下水位下降，就造价方面来说也是后者比较高.2 竖井地基固结理论设置有竖向排水井的地基可简称为竖井地基.竖井排水固结法思想最初由Moran 于1925 年提出.想要让观测预测竖井地基的固结过程合理化，探究人员在竖井地基固结观念角度上完成了大规模任务，获得了许多成就.Carrillo［7］简化了砂井地基固结方程，使得竖井地基固结问题能够首先各自核算径向固结与坚向固结，之后综合获得地基总体固结度.1948 年Barron［8］最初针对非井阻与涂抹效果的竖井地基固结实施推断.Yoshikuni［9］等以Biot固结理论为基础，得到了考虑径向和竖向组合渗流的解答.高木俊介公布了逐步加荷条件下砂井地基固结的核算方式，这种方式和Terzaghi 公布的近似修正法相比更加准确，但该方法使用范围更加广泛.由最初的Terzaghi 一维固结理论进步到Biot的真三维固结理论，再到之后Barron 公布了砂井的固结理论，在这一过程中有不同的人针对固结理论给出了不同观点，但在实际工程中，专家们更多的是使用Terzaghi 与Barron 的固结理论，之后再综合修正系数加以修正.此外现在的各种关于真空预压的规定均使真空荷载等效当做堆载实施沉降预测.一方面因为上述理论计算方面，工程经验较多，另一方目前其他理论尚未成熟，计算稍显复杂，难以满足工程需要，而有限元进行三维计算由于建模难度以及土体本构及参数选取问题未能广泛使用.3 固结计算实际工程中，荷载大多是分级加载.分级加载下，工程中常用的地基固结度计算主要有下列两种方法.3.1 改进的太沙基法基本思想为:各级荷载增量导致的固结进程是各自实施的;各级荷载为在加载起讫时间的中点一次瞬时加足的;其中各点时间的总平均固结度为此时每个级别荷载作用下固结度的加和.改进的太沙基法表达式为:公式中加荷修改之后的平均固结度;表示多级加荷修改之后的平均固结度; 表示瞬间加荷的平均固结度，ti，ti-1 为指的是第i 级加荷的开始与结束时间;Δp 为指的是第i 级荷载增加量.3.2 改进的高木俊介法依照巴伦原理，利用多级等速加荷使砂井地基在径向与垂直向条件下推断出其平均固结度的精准值，其主要优点为无需精确求取瞬时加荷条件下的地基固结度，能直接求取已修正的平均固结度，可适用于多种排水条件，具有通用性.修正后的平均固结度为:式中，α，β 的计算公式可根据不同的排水条件，查表得到.4 实例分析建筑场地为近年新淤积的海滩，含水量高，压缩性大，抗剪强度低，采用预压法进行地基加固.软弱土层厚度为12m，下部为不透水层.竖向排水通道采用塑料排水板，规格为100mm3.5mm，三角形布置，间距1.2m，穿透受压土层.经过室内土工实验获得相关指标，竖向固结系数是1.1×10－3cm2/s，径向固结系数是2.6×10－3 cm2/s.加载计划为0d ～20d，加荷50kPa;30d ～50d，加荷50kPa;70d ～90d，加荷40kPa;110d ～120d，加荷30kPa;140d ～160d，加荷20kPa.塑料排水板换算直径，塑料排水板径向排水范围的等效直径，井径比，根据改进的高木俊介法在Excel 中输入了公式，编制了相应的表格，计算了160d 各级荷载的固结度，如表1 所示.表1 各级荷载固结度加载级数加载大小(kPa)单级荷载开始时间(d) 单级荷载终止时间(d) 工程结束时间(d)加载速率(kPa/d)单级荷载固结度1 50 0 20 160 2.50 26.31%2 50 30 50 160 2.50 26.27%3 40 70 90 160 2.00 20.76%4 30 110 120 160 3.00 14.51%5 20 140 160 160 1.00 5.20%总固结度93.04%5 结论(1)本文论述了预压法在处理地基方面的发展过程，解释了真空预压与堆载预压的巩固原理，对真空预压巩固进行了深度估算，真空预压区地下水位的变化情况以及正负压联合作用机理还有待进一步研究.并从应力变化，加压系统的设计，处理深度等比较了两者加固机理的不同点.(2)目前研究者提出了许多竖井固结理论，考虑了不同的模型简化问题，但在工程实践中工程师们仍然广泛的使用Terzaghi 和Barron 固结理论然后结合修正系数进行修正方法.更加符合实际，更能满足工程设计需要的固结理论需要进一步研究.(3)介绍目前常用的固结计算方法，它们在长期被使用，积累了大量的经验.并通过工程实例，运用改进的高木俊介法进行了计算.手算过程略显复杂，故本文编制了Excel 表格进行计算.参考文献:［1］唐羿生，矫德全，杨玉玺.真空联合堆载预压加固软基试验研究［J］.港口工程，1986，06:4－15.［2］ Tang M，Shang J Q，CHU J，et al.Vacuum Preloading Consolidation of Yaoqiang Airport runway［J］.Ground and Soil Improvement，2004:44. ［3］陈环，鲍秀清.负压条件下土的固结有效应力［J］.岩土工程学报，1984，6(5):39－47.［4］阎澍旺，陈环.用真空加固软土地基的机制与计算方法［J］.岩土工程学报，1986，8(2):35－43.［5］ Leong EC，Soemeitro RM，Rchardjo H.Soil Improvement by Surcharge and Vacuum Preloading［J］.Geotechnique，2000(5):601－605. ［6］龚晓南，岑仰润.真空预压加固软土地基机理探讨［J］.哈尔滨建筑大学学报，2002，35(2):7－10.［7］ Carrillo N.Simple Two and Three Dimensional Cases In the Theory of Consolidation of Soils［J］.Journal of Mathematics and Physics，1942，21(1):1－5.［8］ Barron R A.Consolidation of Fine－grained Soils by Drain Wells ［J］.1900.［9］ Yoshikuni H，Nakanodo H.Consolidation of Soil by Vertical Drain Wells with Finite Permeability［J］.Soil and Foundations，1974，14(2):35－46.。
真空联合堆载预压加固软基的固结度分析与计算阎 钶1,2,林 彤1,朱长歧2(1.中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 430074;2.中国科学院武汉岩土力学研究所,武汉 430071)摘 要:分析了真空联合堆载预压加固软基条件下影响固结度计算的相关因素,认为固结度的计算应该考虑堆载引起的附加应力增量、真空能传递的衰减、地下水位的变化及加固区地基自身的固结压缩等影响。
建立了该条件下进行固结度计算的公式,并通过工程实例进行了计算验证,证明了该公式计算能更准确地反映地基加固效果。
关键词:真空度,孔隙水压力,固结度中图分类号:TU472 文献标识码:B 文章编号:100423152(2009)04200632031 前言真空预压和堆载预压两种软基加固方法在理论上都是通过降低孔隙水压力从而提高土体有效应力来达到加固效果的,但两种方法的表现形式截然不同[1]。
真空联合堆载预压工法是在此二者基础上发展出来的,但目前学术界对真空作用下场区内真空渗流的运行机理尚有很多争议[2～4]。
当前在许多真空联合堆载工程实例中,监测项目偏少,缺乏对加固区的水位变化及深层真空度的传递进行有效监测,致使按应变(沉降)和按应力(孔压)两种方式计算的固结度往往相差较大。
而许多工程实例也说明,在固结度计算中,只考虑地下水位的变化,其结果往往不能真实反映地基的加固效果。
本文分析了影响固结度计算的相关因素,结合工程实例的各种监测数据,试图找到一种更为准确的固结度计算方法,为设计和施工提供参考。
2 公式的推导真空预压下,加固区地基中某一点的总应力是不变的,而对于真空联合堆载预压,随着地表荷载的增加,该质点的总应力也在改变,如以Δσ、Δu1和Δu2分别表示有效应力增量、抽真空引起的超静孔隙水压力值与堆载引起的超静孔隙水压力值,则有:Δσ+Δu1+Δu2=ΔP+P堆(1)式中:ΔP为真空压力引起的附加应力;P堆为堆载引起的附加应力。
加固前,在饱和粘性土(原状)中埋设孔压测头,所测得的孔隙水压力值应为地基中地下水位的静水头高,随着真空抽排的进行,堆载引起的附加应力的增加、真空能量向下传递的衰减、地下水位的变化及加固区地基自身的固结压缩都对固结度的计算产生影响。
某建筑场地为淤泥质黏土场地，固结系数32210/h V C C cm s -==⨯，受压土层厚度为15m ，采用的袋装砂井直径为70mm ，袋装砂井等边三角形布置，间距1.5m ，砂井底部为隔水层，砂井打穿受压土层，采用预压荷载总压力为120a kP ，分两级等速加载如图所示，如不考虑竖井井阻和涂抹的影响：①加荷后100d 受压土层之平均固结度为（ ）。
②如使受压土层平均固结度达到90%，需要多少天？【解】①确定参数α、β1.05 1.575e d s m ==/ 1.575/0.0722.5e w n d d ===2323222288 1.710 1.7100.02442(1/)4 2.37 1.575415h V n e C C d F d H ππβ--⨯⨯⨯⨯=+=+=⋅⨯⨯222222223122.5322.51ln()ln 22.5 2.371422.51422.5n n n F n n n -⨯-=-=-=--⨯280.81απ== ②()()()()1()110.024421000.0244270.0244200.024421000.02442520.0244247[()]100.81701200.02442100.8152471200.024420.86T T i i n t e e i t i i i q U T T e p e e e e e e βββαβ-⋅--⋅--=-⨯⨯⨯-⨯⨯⨯=--∆⎡⎤=---⎢⎥⎣⎦⎡⎤+---⎢⎥⎣⎦=∑∑ 若固结度达到90% 1()11[()]T T i i n t e e i t i i i q U T T e p βββαβ-⋅--⋅--==--∆∑∑ ()()()()0.024420.0244270.0244200.024420.02442520.024*******.81701200.02442100.8152471200.02442t t e e e e e e -⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⎡⎤=---⎢⎥⎣⎦⎡⎤+---⎢⎥⎣⎦=0.9解出:t=114.7d③115t d =【解2】考虑涂抹和井阻① 砂井纵向通水量（砂料渗透系数2310/w k cm s -=⨯） 2223310 3.147/4 1.154/4ww w d q k cm s π-=⋅=⨯⨯⨯=②参数α、β/ 1.575/0.0722.5e w n d d ===3ln 2.3644n F n =-=222273.141500 1.5100.72144 1.154hr w k L F q π-⨯⨯⨯=⋅==⨯ 15/7 2.14s ==（涂抹区直径150s d mm =） 771.510[1]ln (1)ln2.143.0430.310h s s k F s k --⨯=-=-=⨯ 6.128n s r F F F F =++=22280.009284h V e C C F d Hπβ=+=⋅ ②③ ()()10.0092847()110.009281000.0092870.0092800.009281000.0092852[()]100.8170()1200.00928100.815247()1200.009280.596T T i i n t e e i t i i i q U T T e p e e e e e e βββαβ-⨯⋅--⋅--=-⋅⨯⨯-⋅⨯=--∆⎡⎤=---⎢⎥⎣⎦⎡⎤+---⎢⎥⎣⎦=∑∑ 如果在考虑井阻作用、涂抹作用的的条件下，固结度达到90% ()()10.0092847()110.009280.0092870.0092800.009280.0092852[()]100.8170()1200.00928100.815247()1200.009280.9T T i i n t e e i t i i i t t q U T T e p e e e e e e βββαβ-⨯⋅--⋅--=-⋅⨯⨯-⋅⨯=--∆⎡⎤=---⎢⎥⎣⎦⎡⎤+---⎢⎥⎣⎦=∑∑ 解得：t=250.56d原答案t=132d 有错误，故更正答案为251d④132t d =。
真空预压地基加固施工方法真空预压法是以大气压力作为预压载荷，它是先在需加固的软土地基表面铺设一层透水砂垫层或砂砾层，再在其上覆盖一层不透气的塑料薄膜或橡胶布，四周密封好与大气隔绝，在砂垫层内埋设渗水管道，然后与真空泵连通进行抽气，使透水材料保持较高的真空度，在土的孔隙水中产生负的孔隙水压力，将土中孔隙水和空气逐渐吸出，从而使土体固结（图1）。
对于渗透系数小的软粘土，为加速孔隙水的排出，也可在加固部位设置砂井、袋装砂井或塑料板等竖向排水系统。
图1 真空预压地基1-砂井；2-砂垫层；3-薄膜；4-抽水、气；5-粘土1．加固机体真空预压在抽气前，薄膜内外均承受一个大气压Pa的作用，抽气后薄膜内气压逐渐下降，薄膜内外形成一个压力差（称为真空度），首先使砂垫层，其次是砂井中的气压降至P v，使薄膜紧贴砂垫层，由于土体与砂垫层和砂井间的压差，从而发生渗流，使孔隙水沿着砂井或塑料排水带上升而流入砂垫层内，被排出塑料薄膜外；地下水在上升的同时，形成塑料带附近的真空负压，使土内的孔隙水压形成压差，促使土中的孔隙水压力不断下降，有效应力不断增加，从而使土体固结，土体和砂井间的压差，开始时为P a－P v，随着抽气时间的增长，压差逐渐变小，最终趋向于零，此时渗流停止，土体固结完成。
故真空预压过程，实质为利用大气压差作预压荷载（当膜内外真空度达到600mmHg，相当于堆载5m 高的砂卵石），使土体逐渐排水固结的过程。
同时，真空预压使地下水位降低，相当于增加一个附加应力，抽气前地下水离地面高h1，抽气后地下水位降至h2，在此高差范围内的土体从浮重度变为湿重度，使土骨架相应增加了水高h1－h2的固结压力作用，使土体产生固结。
此外，在饱和土体孔隙中含有少量的封闭气泡，在真空压力下封闭气泡被排出孔隙，因而使土的渗透性加大，固结过程加速。
2．特点及适用范围真空预压法的特点是：（1）不需要大量堆载，可省去加载和卸载工序，节省大量原材料、能源和运输能力，缩短预压时间；（2）真空法所产生的负压使地基土的孔隙水加速排出，可缩短固结时间；同时由于孔隙水排出，渗流速度的增大，地下水位降低，由渗流力和降低水位引起的附加应力也随之增大，提高了加固效果；且负压可通过管路送到任何场地，适应性强；（3）孔隙渗流水的流向及渗流力引起的附加应力均指向被加固土体，土体在加固过程中的侧向变形很小，真空预压可一次加足，地基不会发生剪切破坏而引起地基失稳，可有效缩短总的排水固结时间；（4）适用于超软粘性土以及边坡、码头、岸边等地基稳定性要求较高的工程地基加固，土愈软，加固效果愈明显；（5）所用设备和施工工艺比较简单，无需大量的大型设备，便于大面积使用；（6）无噪声、无振动、无污染，可作到文明施工；（7）技术经济效果显著，根据国内在天津新港区的大面积实践，当真空度达到600mmHg,经60d抽气，不少井区土的固结度都达到80%以上，地面沉降达57cm，同时能耗降低1/3，工期缩短2/3，比一般堆载预压降低造价1/3。
