（水利工程专业论文）水下真空预压加固软土地基机理的研究.pdf

中文摘要 目前，真空预压法加固软土地基技术已广泛应用于港口、公路、水利工 程等领域，取得了巨大的经济效益和社会效益。但将该项技术拓展于水下软 基的技术研究及应用却一直未能实现，其主要原因是水下真空预压加固机理 尚不甚清楚以及水下施工工艺存在诸多难题。而随着沿海滩涂的开发和港口 建设向深水发展，水下真空预压加固软土地基技术在水下开挖工程、高桩码 头的岸坡处理工程和防波堤工程等领域有着广阔的应用前景和适用性。2 0 0 2 年，中国港湾建设( 集团) 总公司将“水下真空预压法加固软基机理的研究” 立为2 0 0 2 年度重点技术开发项目，专门对水下真空预压技术的加固机理、和 施工工艺进行开发研究，在研究过程中我们采取理论研究与模型试验相结合 的方法，通过对真空联合堆载预压模型试验和水下真空预压模型试验的试验 结果进行细致的分析，从而对膜上水的作用机理进行研究。经过两年的专心 研究我们提出了水下真空预压的加固机理，初步找出了一套较为合理的水下 真空预压施工工艺和施工监测方法。本课题研究得到的主要结论如下：( 1 ) 、 在水深1 0 m 下，通过室内水下真空预压和真空联合堆载预压的对比模型试验 ( 水深逐级增加至l o m ) ，证实了膜上水压可以作为预压荷载，提出了水下真 空预压的加固机理：水下真空预压的预压荷载等于预压前的孔隙水压力和预 压后( 完全固结) 的孔隙水压力之差，当膜下砂垫层中的孔隙水压力小于o 时，膜上水可全部作为预压荷载起作用，这时水下真空预压的预压荷载等于 膜上水压和膜下真空度之和。( 2 ) 、在水下真空预压过程中，加固区边界外的 水产生向边界内渗流不会引起土体破坏。( 3 ) 、通过室内水下真空预压模型试 验，验证了水下真空预压机理和水压可以转化为预压荷载。 关键词：毯圭丝基丞工墓窒亟压趣回扭堡搓型试堕 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h em e c h a n i s mo fu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n gt e c h n i q u e t o i m p r o v ea q u e o u ss o f ts o i l w a se s t a b l i s h e db yc h i n ah a r b o u re n g i n e e r i n g c o m p a n y ( g r o u p ) a sak e y t e c h n i c a ld e v e l o p m e n tp r o j e c tf o ry e a r2 0 0 2 t h e s t u d yw a sd i r e c t e dt o w a r dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h em e c h a n i s mo f u n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n gt e c h n i q u ea n dt h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s sf o r i m p l e m e n t a t i o no fu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n g d u r i n gt h ef e a s i b i l i t ys t u d y ， t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo f t h ew a t e ro nt o po f t h es e a l i n gm e m b r a n ew a ss t u d i e d t h r o u g hl a b o r a t o r ym o d e lt e s t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s e s w i t ht w oy e a r s c a r e f u l s t u d i e s ，t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n gi sn o wg i v e n ， a n dar a t i o n a lt e c h n o l o g i c a l p r o c e s sf o ri m p l e m e n t i n gu n d e r w a t e rv a c u u m p r e l o a d i n ga sw e l la sam o n i t o r i n gm e t h o dh a sb e e np r e l i m i n a r i l yw o r k e do u t t h e m a j o rc o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h es t u d i e sa r et h a t ，( 1 ) t h ep r e l o a d sp r o d u c e db y t h eu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n ge q u a lt h es u mo ft h ew a t e rp r e s s u r eo nt h e s e a l i n gm e m b r a n ea n dt h ev a c u u mb e n e a t ht h es e a l i n gm e m b r a n e i nt h e l a b o r a t o r yt e s t s ，w h e nt h ew a t e rh e a dw a s1 0m ，t h ew h o l ew a t e rp r e s s u r e ( 1 0 0 k p a ) c o u l db ec o n v e n e di n t op r e - l o a d s ( 2 ) d u r i n gt h ei m p l e m e n t a t i o no f u n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n g ，t h ei n f i l t r a t e df l o wo fw a t e rf r o mo u t s i d et h e b o u n d a r yo fs o i lb e i n gc o n s o l i d a t e dw o u l d n tr e s u l ti nt h ef a i l u r eo ft h es o i lm a s s ( 3 ) t h el a b o r a t o r ym o d e lt e s t so fu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n gh a v ev e r i f i e dt h e w o r k i n gm e c h a n i s mo fu n d e r w a t e rv a c u u mp r e l o a d i n ga n dt h e c o n v e r s i o no f w a t e rp r e s s u r ei n t op r e l o a d s k e yw o r d s ：曼q 垒s q 型s i ! !型堕4 型丛丛y 丝坠丛盟p ! ! q 窭i 磐! 塑仑塑! 堡! 堕 独创性声明 本入声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名别衫签字日期： 口，年弓月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘茔有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨童盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 别老何 l 导师签名、 孙毛 签字日期：口r 年毒月占日签字日期：，厂年；月7 臼 第一章引言 1 研究的目的和意义 第一章引言 软土地基在欧美各国、日本、东南亚和我国都有分布，其特点是含水量 高、孔隙比大、强度低、压缩性高、渗透性小。随着国民经济的发展，很多 工程不得不建造在软土地基上。为保证建筑物的安全和正常使用，除非采用 深基础，否则必须对天然地基进行加固处理。 加固软土地基的方法很多，但每种方法都有一定的适用范围，必须根据 地质情况、施工条件、地区特点及使用要求进行选择，同时，应遵守就地取 材、因地制宜、节约三材的原则，以期得到最大的经济效益。真空预压法就 是在这种基础上提出来的。根据交通部的安排，在天津港务局的大力支持下， 我所于1 9 8 0 年开始了真空预压的研究，开展了1 1 m 2 4 m 的现场探索试验， 进行了5 5 0 m 2 与1 2 5 0 m 2 的中间试验，研究出了合适的抽真空设备和铺膜工艺， 真空预压施工获得了成功。同时联合天津大学在分析国内外研究资料的基础 上，进行了真空预压机理研究，提出了负压条件下的固结模型和解题方法。 】8 8 3 年，真空预压法加固软土地基技术正式列入国家科技攻关项目并于1 9 8 5 年通过了国家鉴定，随后广泛应用于港口、公路、水利工程等领域，加固面 积己超过4 5 0 万m 2 ，取得了巨大的经济效益和社会效益。但将该项技术拓展 于水下软基的技术研究及应用却一直未能实现，其主要原因是水下真空预压 加固机理尚不甚清楚以及水下施工工艺存在诸多难题。当前，抽真空所用材 料、工艺、设备已经进行了较大的改进，陆上真空预压施工技术日臻完善， 为水下真空预压的研究提供了条件。随着沿海滩涂的开发和港口建设向深水 发展，水下真空预压加固软土地基技术有着广阔的应用前景和适用性，一旦 成功实施，至少可以在以下工程中得到应用： ( 1 ) 水下开挖工程 由于港口建设受工期、施工场地的限制，水下淤泥在边坡较陡又未被加 固的情况下进行开挖，易于导致滑坡，比如天津港南疆港区焦炭泊位挖泥过 程中的滑坡。为避免出现岸坡失稳问题，天津港北港池集装箱码头工程的建 设中，采用的处理方法是先回填形成陆域，然后采用真空联合堆载预压加固， 第一章引言 最后再开挖岸坡，这样虽然保证了岸坡开挖过程中的稳定性，但延长了工期， 增加了工程造价。如果提前采用水下真空预压技术对放坡处水下淤泥进行加 固，使其强度提高，同样可以保证岸坡的稳定性，但工期缩短，造价降低。 ( 2 ) 高桩码头的岸坡处理工程 a 、高桩码头接岸结构施工回填时岸坡产生的位移造成码头后几排桩、 梁、板变形、开裂等问题是高桩码头施工过程中的普遍问题，更有甚者，岸 坡产生的位移会将桩挤断，使码头结构受到破坏，给业主单位造成巨大的损 失，例如天津港南疆矿石码头的岸坡位移造成3 0 多根桩产生较大的位移或折 断。如果提前采用水下真空预压技术对岸坡处水下淤泥进行加固后再打桩， 就可以避免上述问题的发生，提高码头的使用年限。 b 、采用水下真空预压技术还可以减小高桩码头的承台宽度，增加后方 陆域堆场的使用面积，提高堆场的使用效率。由于受码头施工场地的限制， 要想减小码头的承台宽度，目前只能采取下面的方法：先进行回填形成陆域， 再采用陆上地基处理技术对地基进行加固，最后再开挖至设计要求的标高， 采用该法旌工开挖回填工作量很大，施工工期很长，且回填时易对海侧挤淤 造成环境污染，比如天津港北港池集装箱码头工程采用该方法来处理，使得 承台宽度由9 0 m 减少到7 0 m 。如果采用水下真空预压技术对高桩码头岸坡处 水下淤泥进行加固后再开挖，在达到同样目的的情况下可减小大量的开挖工 作量，并且没有回填工作量，又可缩短施工工期。 c 、改变码头的结构形式 采用水下真空预压技术可将部分高桩码头结构设计改为重力式码头结 构，节约造价。对码头岸坡开挖到设计深度后，采用水下真空预压技术对岸 坡处的软土进行加固，待地基土达到一定强度后开始重力式码头的施工，旌 工结束后再停止水下真空预压。 ( 3 ) 防波堤施工 采用水下真空预压技术对水下软土地基进行加固后，地基土的强度得到 较大提高，在保证防波堤地基稳定的基础上可以缩小防波堤断面尺寸，在节 省大量材料的同时可以缩短施工工期。同时，地基土的主要沉降量在水下真 空预压过程中发生，可有效地控制防波堤堤项标高。 在防波堤施工中也可考虑边抽真空边进行防波堤施工。 ( 4 ) 代替传统的换填法旖工工程 近几年来国家对海上环境污染控制逐渐严格，采用传统的换填法施工作 2 第一章引言 业可能给海上养殖业带来严重影响，采用水下真空预压施工技术可减少淤泥 的挖填量，减少环境污染。 课题研究中的水下平铺膜机械和垂直插膜机械一旦研制成功，可应用于 陆上真空预压施工中，大大提高真空预压施工的机械化程度；由于采用垂直 插膜机械可将密封膜插入到地面以下8 - - l o m ，对l o m 深度范围内有透气土层 的地区可以不再打设粘土密封墙，节约工程造价；即使没有透气土层，由于 密封膜埋到地面以下8 - - l o m ，也可使加固区边界处的土体密封性大大提高， 减少大量的抽真空设备，节约大量能源，更利于将真空预压技术推向国际市 场。 综上可知，水下真空预压施工技术一旦成功实施，就可以解决高桩码头 岸坡位移造成码头后几排桩、梁、板变形、开裂等问题，还可解决水下开挖 稳定、缩小防波堤断面尺寸并缩短加载周期等问题，同时水下真空预压技术 还是一种文明环保的新型软基加固技术。对水下真空预压技术进行研究，既 是市场需要，也是真空预压技术进一步深入发展的必然。 2 国内外研究概况 从上世纪8 0 年代开始，在真空预压法加固软土地基技术的理论和实际 应用方面，我国在世界上已处于领先地位，对真空预压法加固机理的研究也 比较透彻。真空预压法属于排水固结法，它是在不增加土的总应力的情况下， 通过降低膜下排水通道中的大气压力，使膜上膜下形成压力差，在该压力差 的作用下土体得以排水固结。见图卜l 。但到目前为止，对水下真空预压技 术研究的深度较浅，日本、英国、美国等少数国家有些试验或构想，例如 日本在大阪南港进行过刚性膜的水下真空预压试验，在关西海湾进行过单孔 刚性密封帽的水下真空预压试验，这两项试验不仅面积小，而且都因工艺和 抽真空设备问题，未能达到满意的效果。1 9 8 5 1 9 8 6 年天津港湾工程研究所 结合天津新港东突堤码头岸坡稳定，在潮间带曾进行过真空预压试验，试验 面积3 0 2 0m 2 ，膜上水深在o 一6m 之间变化，真空压力达5 5 0 m m h g ，真空预 压6 4 天，中心点沉降7 9 5 e m ，深度8 m 范围内强度增长达6 7 1 7 1 ，取得了 较好的加固效果。该试验针对陆上真空预压有两点改进：首先，密封膜选用 的是0 2 o 4 m m 厚的风筒革，铺膜工艺为卷装铺设工艺，但铺膜是在落潮时 试验区露出水面后进行的，不是真正意义上的水下铺膜。其次，为了克服涨 3 第一章引言 业可能给海上养殖业带来严重影响，采用水下真空预压施工技术可减少淤泥 的挖填量，减少环境污染。 课题研究中的水下平铺膜机械和垂直插膜机械一旦研制成功，可应用于 陆上真空预压施工中，大大提高真空预压施工的机械化程度；由于采用垂直 插膜机械可将密封膜插入到地面以下8 l o m ，对1 0 m 深度范围内有透气土层 的地区可以不再打设粘土密封墙，节约工程造价；即使没有透气土层，由于 密封膜埋到地面以下8 l o m ，也可使加固区边界处的土体密封性大大提高， 减少大量的抽真空设备，节约大量能源，更利于将真空预压技术推向国际市 场。 综上可知，水下真空预压施工技术一旦成功实施，就可以解决高桩码头 岸坡位移造成码头后几排桩、粱、板变形、开裂等问题，还可解决水下开挖 稳定、缩小防波堤断面尺寸并缩短加载周期等问题，同时水下真空预压技术 还是一种文明环保的新型软基加固技术。对水下真空预压技术进行研究，既 是市场需要，也是真空预压技术进一步深入发展的必然。 2 国内外研究概况 从上世纪8 0 年代开始，在真空预压法加固软土地基技术的理论和实际 应用方面，我国在世界上已处于领先地位，对真空预压法加固机理的研究也 比较透彻。真空预压法属于排水固结法，它是在不增加土的总应力的情况下， 通过降低膜下排水通道中的大气压力，使膜上膜下形成压力差，在该压力差 的作用下土体得以排水固结。见图li 。但到目前为止，对水下真空预压技 术研究的深度较浅，日本、英国、美国等少数国家有一些试验或构想，例如 日本在大阪南港进行过刚性膜的水下真空预压试验，在关西海湾进行过单孔 刚性密封帽的水下真空预压试验，这两项试验小仅面积小，而且都因工艺和 抽真空设备问题未能达到满意的效果。1 9 8 5 1 9 8 6 年天津港湾工程研究所 结合天津新港东突堤码头岸坡稳定，在潮问带曾进行过真空预压试验，试验 面积3 0 2 0n 1 2 膜上水深在0 - 6 l 之间变化，真空压力达5 5 0 m h g ，真空预 压6 4 天，中心点沉降7 95 c m ，深度8 m 范围内强度增长达6 7 1 7 1 ，取得了 较好的加固效果。该试验针对陆上真空预压有两点改进：首先，密封膜选用 的是0 2 4 0 4 m m 厚的风筒革，铺膜工艺为卷装铺设工艺，但铺膜是在落潮时 试验区露出水面后进行的，不是真正意义上的水f 铺膜。其次，为了克服涨 试验区露出水而后进行的，不是真正意义上的水f 铺膜。其次，为了克服涨 3 第一章引 言 潮对抽真空设备的影响，将离心泵和射流泵分离，射流泵留在水下，离心泵 放置在小船( 方驳) 上，离心泵和射流泵用供水管连接。尽管其铺膜工艺和 抽真空设备有所改进，但是并没有真正解决水下真空预压技术应用于深水( 如 水深l o r e ) 中的施工技术难题。在此后的十几年中，由于没有合适的依托工 程和研究经费。这项技术的开发应用就一直处于搁置状态。 2 0 0 2 年，中国港湾建设( 集团) 总公司将水下真空预压法加固软基机理 的研究列为2 0 0 2 年度中港集团重点技术开发项目，该课题研究的主要目的有 三个：( 1 ) 、分析水下真空预压中膜上水的作用机理，确定膜上水能否起到预 压荷载的作用。( 2 ) 、探讨水下抽真空作用下，渗流压力是否会造成土体破坏 及其防治方法。( 3 ) 、论证其经济合理的适用范围。 3 研究的内容和方法 根据水下真空预压研究的实际情况，我们又对水下真空预压的施工工艺 4 第一章引言 和施工监测手段进行了可行性研究，并对水下真空预压设备进行分析。具体 研究内容如下： ( 1 ) 膜上水的作用机理：主要研究膜上水能否起到预压荷载的作用。 ( 2 ) 膜下抽真空情况下，渗流压力是否会造成土体破坏及其防治。 ( 3 ) 研究适于海上作业的水下真空预压的施工工艺，包括埋膜密封技术 和抽真空技术。 ( 4 ) 研究水下真空预压加固质量检验、施工监测技术和方法。 ( 5 ) 论证其经济合理的适用范围。 本课题研究采用理论研究与模型试验相结合的方法，在借鉴国内外研究 经验和总结过去研究成果的基础上开展研究工作。具体如下：通过室内模型 试验和理论分析相结合的方法对膜上水的作用机理进行研究，主要是做两组 试验，一组为模拟现场真空联合堆载预压试验，一组为模拟水下真空预压试 验，通过对两组试验土体的受力和变形情况进行对比分析，找出水下真空预 压技术的加固机理；由于没有合适的现场示范工程，我们进行了大量的调查 研究，初步找出了一套适合水下真空预压施工的施工工艺，并研究出一套施 工监测技术和对加固质量进行检验的方法，同时根据施工工艺的特点测算其 成本构成。 5 第二章水下真空预压试验及理论分析 1 概述 第二章水下真空预压试验及理论分析 陆上真空联合堆载预压己广泛应用于工程上，膜上堆载荷重与膜下真空 度共同做为地基的预压荷载起作用，这是毋庸置疑的。在此基础上，我们制 定了室内模型试验方案。做两组试验，一组模拟现场真空联合堆载预压试验， 一组模拟水下真空预压，对两组试验土体孔隙水压力、土压力以及试验土体 的变形情况进行对比分析，如两者一致，说明水下真空预压过程中膜上水可 以起到预压荷载的作用。 2 具体试验步骤 2 1 制作室内试验用抽真空设备 首先根据陆上抽真空设备各部件的尺寸的比例做一小型的抽真空设备， 潜水泵的功率为2 2 k w ，经试验该设备可以形成9 7 k p a 的抽真空能力。抽真 空设备见图2 一l 。 2 2 做试验槽 图2 - 1 抽真空设备照片 6 第二章水f 真空预压试验及理论分析 试验槽的尺寸为4 r e x l 5r f l 2 1m ( 见图2 2 、2 3 ) 。槽的正面安装两 块有机玻璃板，一为直径3 8 c m 的圆形，一为1 3 m x 0 3 m 的长方形，以便直 接观察槽内土体的变化情况。再做一底面尺寸为4 2 r e x1 7i n 的密封盖子和 水槽( 盖子上放螺丝的位置与试验槽相对应) 。 2 3 试验一( 抽真空设备在试验槽内) 见试验工艺图2 4 。 试验的观测项目和观测方法见表2 - 1 。 表2 - 1 试验观测项目和方法 监测项目仪器型号生产厂家 真空度u 型管压力计 膜上水压u 型管压力计 孔隙水压力孔隙水压力传感器 k y j - 2 0金坛市土木工程仪器厂 土压力土压力传感器 t y j 2 0金坛市土木工程仪器厂 沉降面条 通过在有机玻璃板外侧观察面条在加固 侧向位移面条过程中的变位来实现 具体步骤如下： ( 1 ) 在试验槽的圆形有机玻璃窗位置布放一些挂面条，挂面条宽度为4 5 m m ，在有机玻璃窗上每隔1 0m 放上一条挂面条，挂面条可用黄油粘在有机 玻璃板上。将密封膜固定在试验槽的真空预压区域的内壁上，膜的下端距试 验槽底的距离为4 0 c m ，将密封膜翻至槽外，然后在槽内均匀装入试验用土( 淤 泥) ，抽真空区域装入0 8 m 厚的试验土，非抽真空区域先装入0 5 m 厚试验土。 试验用土取自天津港南疆港区，用编织袋将土运到试验槽中，试验槽内有人 穿着水鞋将土踩均匀。有机玻璃窗附近用手将土堆积好，不能再扰动，对挂 面条的破坏尽量要小。 对土的物理力学指标进行检验，在需要抽真空范围内的区域取两个土样 ( 所取土样做室内试验) ，并将一个土压力测头和一个孔隙水压力传感器埋入 土中( 进入土中0 4 r n ) ，测读其初读数。 7 l 第二章水下真空预压试验及理论分析 i i 1 1 r 1 d r 标 碍 8 群i4 。 | 。 i l 一一 ，r ；寸目_ + _ t i f # r 一 一 叫 1 扩 i1 g # 睾e g h 8 h f 8 1 日l i l h | 霉_ 茁 till 匝糖峰罂薄葛n由匝 厨e g $ g ! j l k 一 ， 匝# h $ g m 第二章水f 真空预压试验及理论分析 图2 - 3 试验槽照片 ( 1 ) 在拟抽真空区域的土层表面铺0 2 0 m 厚的砂垫层，长方形有机玻璃 窗处在砂垫层的上下表面与密封膜的交界处放上挂面条以便观察土的垂直变 化情况，在砂垫层中埋入一个孔压测头和一个土压力测头，并测读其初读数。 砂垫层内铺设根滤管，并接好出膜装置和测量真空度装置的膜下部分。 ( 2 ) 将槽外的密封膜翻过来铺在砂垫层上，个别地方重新粘和密封，将 非抽真空区域的试验土的厚度补齐至o 8 m 厚，同时完成密封膜的密封工作， 填试验土时注意有机玻璃窗处，对挂面条的破坏尽量要小。在膜的四周进行 踩实，保证密封膜与周围铁板的紧密接触。测量密封膜的标高，接好膜下真 空表和射流泵，射流泵的出口在试验槽内，接好测量膜下压力的u 型管压力 计( 见图2 5 、26 ) 。 ( 3 ) 在拟抽真空区域的土层表面铺0 2 0 m 厚的砂垫层，长方形有机玻璃 窗处在砂垫层的上下表面与密封膜的交界处放上挂面条以便观察土的垂直变 化情况，在砂垫层中埋入一个孔压测头和一个土压力测头，并测读其初读数。 9 第二章水下真空预压试验及理论分析 女i l 盟n h 卜 图2 4 室内试验一工艺图( 单位：彻) 1 0 ti引1辞i 笙三童查! 塞窒塑里堕竺墨堡堡坌生 图2 - 5 铺设密封膜场景 图2 - 6 铺膜并连接抽真空设备后场景 第二章水下真空预压试验及理论分析 砂垫层内铺设一根滤管，并接好出膜装置和测量真空度装爱的膜下部 分。 ( 4 ) 将槽外的密封膜翻过来铺在砂垫层上，个别地方重新粘和密封，将 非抽真空区域的试验土的厚度补齐至o 8 m 厚，同时完成密封膜的密封工作， 填试验土时注意有机玻璃窗处，对挂面条的破坏尽量要小。在膜的四周进行 踩实，保证密封膜与周围铁板的紧密接触。测量密封膜的标高，接好膜下真 空表和射流泵，射流泵的出口在试验槽内，接好测量膜下压力的u 型管压力 计。 ( 5 ) 对有机玻璃板处面条的走向在玻璃板的外侧做好记号，以便在真空 预压过程中观察土体的位移情况。接好测量膜下真空度的u 型管压力计，抽 真空，在膜下真空度达到8 0 k p a 以上时，在膜上尤其是密封膜的四周用泥进 行密封，保证在抽真空过程中不透气。 ( 6 ) 试验槽内加水，并接好测量膜上水压的u 型管压力计。 ( 7 ) 在试验槽和密封盖子的接触面上垫上橡胶垫，将所有测量仪器的线 缆从密封盖子的接塑料水管的孔中穿出，扣上密封盖子，拧好螺丝。 ( 8 ) 将水槽放在四楼的办公室内， 仪器线缆从塑料胶管中引至水槽外。 ( 9 ) 向试验槽内倒入1 o m 深的水 水槽和密封盖子用塑料胶管连接，将 开启抽真空设备( 见图2 7 ) ，开始对 膜上水压力、膜下真空度、两个孔压传感器和两个土压力测头进行测量并做 好详细记录，待膜下真空度稳定后，再向水槽内加水，使试验槽内土体的水 头压力达到2 5 m 。再进行上述项目的测量，真空度稳定后依次提高土体的上 覆水头压力为4 m 、6 m 、7 m 、8 5 m 、l o m 和1 1 i i l 。满载预压时问为7 、8 天，在 抽真空期间，可并通过有机玻璃窗观察密封膜边界处的土是否发生渗流破坏。 关闭真空泵，放掉试验槽内的水，测量密封膜标高，对密封膜中心 位置处的土体取原状土，确定其物理力学指标。 2 4 试验二( 抽真空设备在试验槽外) 见试验工艺图2 8 。 试验二基本上同试验一，只是抽真空设备放置在试验槽外，在抽真空过 程中应注意试验槽内的水头压力应保持稳定，同时需注意试验用土要同试验 一的试验用土尽量一致。 1 2 第二章永f 真空预压试验及理论分析 一 图2 7 抽真空设备工作场景 通过对两组试验的试验结果进行对比分析，判定膜上水压是否相当于预 压荷载起作用，同时观察土体是否出现渗流破坏。 3 试验过程 试验一：2 0 0 2 年9 月5 目开始向试验槽内装土，9 月1 2 日开始试抽真空， 后发现有漏气的地方，经检查修复后于9 月1 5 日正式抽气，9 月1 7 日满载 ( 膜上水压加至1 l o k p a ) 。9 月2 5 日卸载。试验二：2 0 0 2 年9 月2 7 日开始 向试验槽内装土，9 月3 0 日开始试抽真空，后在加压过程中两次发现有漏气 之处，经检查修复后于1 0 月7 日正式加水压( 膜上水压加至1 l o k p a ) ，i 0 月 1 5 日卸载。 4 试验结果 1 3 第二章水下真空预压试验及理论分析 、 十e 自* $ 车二二黛8 篓二二 二二：“! 釜一二二= 二i _ p 图2 8 室内试验二工艺图( 单位：r a m ) 1 4 r|，ldqlll+目q11f adhl_jl 第二章 水下真空预压试验及理论分析 4 1 真空度 两组试验膜下真空度的变化情况见图2 9 、2 1 0 。 1 5 0 1 0 0 5 0 藿 妄 。 到 一5 0 一1 0 0 一1 5 0 1 ，i ： j ；j ， ：_ l ! 。：【 。l 一- 膜上水压 l ：。f ：5 0 。 i o ! l ：1 5 。0 。：2 (1 0 ：2 ： ，。 ，r ，t ，! ：_ b 弋；：l ， 图2 9 膜下真空压力水压时间曲线( 试验一) i i 】ij ，j ：j ；， ：? l ：f ：；：；： ：_ 厂】j 。一 。l。【 - ：l ：，5| 。j 。 ：1 ，_ 叫立j i j ：三。士土= 圭兰主兰j 一 i _ ：i 膜下真卒压力：。 ；1去生压i上0 i 一1 。 5 0 ，：i $ o ：10 。：2 十o ：。2 5 0 ： ：踯o ：，：3 10 。1 ：。l ! ： - l i；l】 ij l j l l 二一 生 2 1 = ! 卜 一“0 4 斗+ 十十中f _ _ ： 一一，；一一，j ，一a1 一一- j j， ；十 ? 丁_ l r 一寸”一一 - i 【i 图2 一l o 膜下真空压力水压时间曲线( 试验二) 从图中可以看出： ( i ) 试验一中膜下真空度随着膜上覆水压力的增加而减小，开始时变化 幅度较小，当水压超过6 皿时，真空度的下降幅度增大( 见图2 - 1 1 ) ，这与抽 1 5 啪 m 。 瑚 m 第二章水f 真空预压试验及理论分析 真空设备在水下抽真空能力的试验结果较为吻合。当e h 于试验槽漏水导致膜 上水压下降时，膜下真空度则随之增大，这同样说明膜下真空度同膜上水压 确实有着一定的联系。膜上水压满载后，真空度随着时间的推移略有降低( 满 载时真空度为3 4 k p a ，试验结束时真空度为2 7 k p a ) ，这是由于随着沉降的增 大，密封膜和周围的槽壁产生一定的距离，使得膜上的水渗入量增大，从而 使得真空压力降低。 ok p a ) (：2 04 66 ：8 i：i ob ：，：【2) 一2 0 一4 0 之斧 翟 6 0 膏。 一b 0 - _ _ 一真空压力【 f 一；i # 鞣 ：真空压力( k p a ) 图2 一l l 膜下真空压力膜上水深变化曲线( 试验一) ( 2 ) 试验二中膜下真空度在加水过程中没有变化，但膜上水压满载后， 真空度随着时间的推移也略有降低( 满载时真空压力为一8 8 k p a ，试验结束时 真空压力为一6 6 k p a ) ，估计与密封膜四周渗水有关。 4 2 子l 隙水压力 两组试验孔隙水压力的变化情况见图2 1 2 、2 1 3 。 从图中可以看出： ( 1 ) 砂垫层中的孔隙水压力随膜下真空度的变化规律一致，其数值比膜 下真空压力略高51 0 k p a 。 ( 2 ) 土层中的孔隙水压力随膜上水压力的增加而增加，且增幅一致。膜 上水压稳定后随着时间的推移，土中的孔隙水压力逐渐缓慢消散，最后比膜 上水压还要小。 ( 3 ) 土层中的孔隙水压力与砂垫层中的孔隙水压力存在压力差，该压力 1 6 第二章水卜真空顶压试验及理论分析 差随着膜上水压的增大而增大，同时也随着膜下真空度的减小而减小，正是 在该压力差的作用下，土体得以排水固结。 ( 4 ) 两组试验的孔隙水压力变化规律相同。 勺 专 r 出 封整尊妻参霞 0 孳j 誊薹莨尊 l 0，间( h ) ：f ： ： ：lf ! 图2 1 2 孔隙水压力水压时间蓝线( 试验一) 1 5 0 ；if ：；f 二ff ii 1 0 0 肆棼j 感l 5 0 j ：r 1 l 砂垫层孔压l ：1 ： 芒 妻 。 ： 目 ，。5 o r 1 j 叫 ：1 5 。0 ： i 2 十。一：2 11 0 ：- - 3 0 0 30 l l + _ _ ：日f 间( h ) 5 0 0 择，；：矗艺= 种十_ ! 一- 4 _ 。r 1 0 0 ：? ：f ：i ： ：一：l ： - ，： ： ! i ：! ：l ： ：i ：j 。il：-_l 。1l 4 3 沉降 图2 1 3 孔隙水压力水压时间曲线( 试验二) 两组试验沉降的变化情况见图2 一1 4 、2 1 5 。 1 7 第一二章水下真空预压试验及理论分析 图2 1 4 沉降时间曲线( 试验一) 图2 1 5 沉降时间曲线( 试验二) 从图中可以看出：水位上升时，试验土体的沉降速率都有明显增大，说 明膜上水压对试验土有一定的加固效果。 4 4 土压力 两组试验土压力的变化情况见图2 一1 6 、2 一1 7 。 从图中可以看出：砂垫层中的土压力略大于土中的土压力，且土压力随 着膜上水压的增加而增加，膜上水压满载后，随着时间的推移，砂垫层中的 土压力略有减小，预压区土中的土压力变化不大。 1 8 第二章水下真空预压试验及理论分析 。! _ l _ ：_ v _ 上三煮i _ 。! j 旧 7 v ：j ? 一呈幸至壶芦“| ： ：h ： r ： 。： - r 、叫一 1。 一； ：f 剁 i：7 【 1 0 0 】5 0 2 0 0 图2 1 6 土压力水压时间曲线( 试验一) 1 2 0 1 0 0 靠8 0 桌6 0 崮4 0 z o 0 2 0 ：一- 上中上压力 l ；砂垫层中土压力 4 5 位移 图2 1 7 土压力水压时间曲线( 试验二) 在整个试验过程中，密封膜边界处土体没有明显的位移发生。分析其原 因如下：膜下抽真空使得加固区周围的土体向内收缩，而膜上覆水压力使得 加固区周围的土体向外变形，两者叠加使得变形极小，另外，试验土比较薄 也是变形较小的一个原因。 1 9 寻一 第二章水下真空预压试验及理论分析 4 ，6 土性改善情况 两组试验土性的变化情况见表2 - 2 。 表2 - 2 加固前后土性指标对比表 含水量 密度 孔隙比塑性指数液性指数 压缩系数粘聚力土名 土样编号 e 0i ll pa 1 2 c u u e d c m 3 m p a - 1 k p a 试验一前 7 1 0 01 5 52 0 2 32 7 7 01 7 21 0 8 0淤泥 试验一后 4 7 7 31 7 0 1 3 8 1 2 5 6 009 9l1 l o2 26 7淤泥质粘土 增减一2 3 2 701 5 0 6 4 2 试验二前6 5 3 0 1 6 0l8 4 02 6 。5 01 6 0l5 4 5 淤泥 试验二后4 7 2 01 7 31 3 3 82 7 4 008 7 l0 1 5 2 1 9 5粘土 增减 一1 8 1 00 1 30 5 0 2 加固前后的原状土样均取自试验土的表层，对比结果显示土性指标得到 很大程度的改善。但在向外清运试验土时发现，0 5 m 以下的试验土土性改善 并不明显。为此，根据土的实测结果对土的固结情况又进行了理论计算。 4 7 固结度 根据加固前的试验土性指标，采用地基计算系统，根据实际加荷过程线， 对地基土的各深度处固结情况进行了计算，固结系数为3 1 0 1 c m 2 s 计算结果 见表2 - 3 。 表2 - 3 试验二各深度固结度计算结果表 固结度( ) 深度( m ) 8 dl o d1 2 d1 4 dj 6 d 0 0 57 57 98 28 48 5 0 i5 36 06 56 87 1 0 i 53 5 4 45 0 5 45 7 0 2 2 l3 03 6 4 l 4 5 02 5132 l2 63 13 5 o371 21 82 22 6 o 3 5471 21 51 9 0424 7 1 01 4 04 5l2479 0 501346 0 5 5o1l34 o 6o0123 0 6 5ooo1 2 0 700o11 07 500001 第二章水下真空预压试验及理论分析 从表2 3 计算的固结度可以看出，孔隙水压力观测到的固结度( 见图 2 1 2 、2 1 3 ) 小于理论计算的固结度，而沉降观测到的固结度大于理论计算 的固结度。这与在预压过程中，应变固结度永远大于应力固结度这理论是 一致的。结合试验土上部物理力学指标改善较大，而下部改善较小的情况， 我们进行了理论验算，计算结果表明( 见图2 - 1 8 ) ：在没有竖向排水通道的 情况下，土体排水固结只发生在表层，表层0 2 m 厚的土层固结度达到了7 0 ，丽排水砂垫层以下0 4 - 0 ，8 m 处的土层基本上没有固结。为了研究水下真 空预压对较深处土层的加固效果以及真空度在土中的传递情况，我们又做了 补充试验，称之为试验三。 5 试验三 0 2 04 0 6 0 8 01 0 0 一 ul i ， 。0 ：碓3 雾 i - _ 一一 峄。 ：槲 。；l i ；l 1_ _ r _ _ ； 07 ，。i ：一： 深度( m 1 图2 1 8 试验二各点固结度深度曲线 试验三基本上同试验一的做法。为了研究水下真空预压对较深处土层的 加固效果以及真空度在土中的传递情况，在真空预压区域打设了塑料排水板， 排水板问距为0 4 m ，正方形布置，塑料排水板的尺寸为3 8 m m x4 m m ，经计算， 塑料排水板的井径比为1 5 ，该井径比相当于现场采用1 0 0 m m x 4 m m 的塑料排 水板，按正方形布置，打设间距为l m 情况下的井径比。排水板的打设深度为 泥面以下o 6 m 。 第二章水f 真空预压试验及理论分析 5 1 仪器埋设 试验三的观测项目和观测方法见表2 4 。 表24 试验三的观测项目和观测方法 监测项目仪器生产厂家 真空度 u 型管压力计 河北省河间市仪表厂 孔隙水压力u 型管压力计河北省河间市仪表厂 沉降沉降杯自制 在试验三中，为了精确测量地表沉降，专门制作了一个沉降杯，沉降杯 的尺寸及原理见图2 一1 9 。当沉降杯向下发生位移时。测量管中就会有液体流 入集水井中，测量管的液面就会下降，通过其下降的距离就可以知道沉降杯 向下发生的位移量。同时为了克服孔隙水压力测头测量精度的不足，经讨论 决定采用u 型管压力计来测量土体中的孔隙水压力。各观测仪器的埋设位置 见图2 2 0 、2 2 1 。 t 善 上 量 上 9 0 1 2 09 0 - 。，一i l j 图2 一1 9 沉降杯原理示意图 第二章水下真空预压试验及理论分析 酶静彀 辔 塑料排 曷 黎 黪 黪 辔黪 l i l。二等1 5 掌 o l 蔓1【释 癞 姆t 。蟹辔i 茸| _ 1 臻 臻黪姆蛰l l o 一一一一 ，2 0 04 4 0 0 = 1 6 0 0 2 0 0 , 1 3 0 0 图例 说明：i 、图中尺寸以i m 计。 二_ _ - t t e 测a 2 、排水板尺寸为3 8 m 4 m ，打设深度为 沉降泓点 泥面以下0 6 m ，井径比为1 7 。 水压力测点 真空度测点 图2 2 0 排水板及仪器埋设平面图 砂垫层 “ k 1 土层 。2 k 3 7 0 0 说明：l 、图中尺寸以m m 计。图例 2 、沉降测量采用沉降杯。如孔压测点 3 、孔压测量测量采用u 型管压力计。 沉降测点 4 、真空度和水压力测量测量采用u 型管压力计。 水压力测点 真空度测点 图2 2 1 仪器埋设深度图 盯刮下。， 一 鞋 一 一 l 一 r r j l p j o o n o o n o o n o o n o o n 第二章水下真空预压试验及理论分析 5 2 试验过程 2 0 0 2 年1 1 月1 8 日开始向试验槽内装土，2 2 目开始试抽真空，1 2 月7 日潜水泵坏了，更新潜水泵后于1 0 日重新抽气，1 2 月1 5 曰满载( 膜上水 压加至1 1 7 k p a ) 。2 0 0 3 年1 月1 7 日卸载。 5 3 试验结果 5 3 1 真空度 试验三膜下真空度的变化情况见图2 2 2 。 从图中可以看出： ( 1 ) 砂垫层中真空度的变化规律同试验一中的膜下真空度的变化规律一 致。 ( 2 ) 位于泥面以下0 6 m 处的塑料排水板端部的孔压测头观测到的真空度 比膜下砂垫层中的真空度要小8 5 k p a ，这是由两个原因造成的：首先，排水 板端部处的初始孔隙水压力比砂垫层中真空度测头处的初始孔隙水压力大 7 k p a ，其次真空压力沿自制的塑料排水板传递时有一定的损失。 一1 0 0 雎力 】i l 谢 ”。 | ；： 水压 ： l 一- 排7 k 桶中直卒压力卜“ ：l ： ：o ：矗i ： 茂 t - ， 爿 计! i d o备i d ： 【 i _ i i 游 6d i ( 1 il om1 01 1 0 i d d 】l0 )l2 出：】3) bl d) 0 1 1 t i e l | ： l i ： i h ：l 警f - ：i 叶u 卜 一 时l l 】( h ) 。a ) 图2 2 2 真空压力水压时间曲线 2 4 卯 0 轴 第二章 水下真空预压试验及理论分析 5 ，32 子l 隙水压力 孑l 隙水压力的变化情况见图2 2 3 、