真空预压加固软土地基机理研究

真空预压加固软土地基机理研究

1真空预压加固软土地基研究如图1所示，真空预压是在必要加固的软粘土基础上配置砂井或垂直排水带，然后将砂垫层放置在地面上。无法接触水的密封膜被覆盖以覆盖空气。沙垫层覆盖着滤水管的分布管道，通过排水管抽吸和抽气，达到加固基底的目的。真空预压最早是瑞典皇家地质学院kjellmen于1952年提出的，1958年天津大学就开始进行真空排水固结的室内试验研究。在早期，由于工艺上存在问题，因而真空预压未能在工程中应用。直到80年代，交通部一航局、天津大学和南京水利科学院等单位对这项技术进行室内和现场的试验研究，取得了成功的经验，膜下真空度可以达到85～92kPa，并成功地将这项技术应用于天津新港软基加固工程中。此后，真空预压法在工程中得到了推广应用。相对于真空预压的工程应用，真空预压的理论和试验研究开展的还比较少。理论研究方面，一种观点是将膜内外压差作为等效荷载作用在地基土上；另一种观点是陈环等人提出的负压下固结理论，即认为真空预压地基的固结是在负压条件下进行的，它和在正压条件下的固结问题基本相同，只是边界条件有差别，因而仍然可用现有的固结微分方程求解。一些文献在探讨和计算真空预压问题时都沿用了以上这两个思路。室内模型试验研究方面，有学者做了一些工作，但还比较少，而且在模拟现场实际情况上存在不足，可能影响结论的有效性。总的来说，现有对真空预压加固软土地基机理的研究在不同程度上带有堆载预压的思维方式，现有研究成果难以解释目前工程实践中遇到的一些问题，如真空预压加固软土地基的有效深度大小，抽真空作用强度对真空预压加固效果的影响，场地条件对真空预压加固效果的影响等。真空预压不同与堆载预压，因此对真空预压机理的解释也不能沿用堆载预压的思路，本文将在多孔介质渗流理论基础上详细阐述真空预压加固软土地基机理，比较真空预压和堆载预压的区别，并在此基础上探讨真空预压加固软土地基的几个问题。2真空渗流场及其作用机理土是一种多孔介质，土中的孔隙组成大小不一的孔道，孔道中充满了水和气。在天然状态下，如图2所示，大气、地基中地下水位线1-1位置以上土体中的水和气以及地下水位以下土体中的水，处于平衡状态，不存在流动现象。如图3所示，当开始抽真空时，砂垫层中的气体首先被抽走，形成真空，接着接近砂垫层的地基土中较大的连通孔道中的水和气由于压差的作用被吸出，并逐渐在土体中较大的连通孔道（塑料排水带可视为人工在土体中形成的较大孔道）中形成连通的真空渗流场，真空渗流场的流动介质以气体为主，夹杂着一定量的水。为了便于理解，可将真空渗流场中的流动介质看做类似于水和气的流体介质———“真空流体”。真空渗流场的形成类似于不混溶流体在多孔介质中的驱替现象：“真空流体”作为驱动相，在被驱动流体———水中通过“指进”作用打开一条路，“指进”以后逐渐分枝，最后形成连通的网络。必须指出的是，“真空流体”只在较大的土中的孔道中流动，并形成连通的网络，此时，虽然排出了水，但这些水主要是分布于土体中较大孔道中的重力水，土中重力水的排出，并不产生通常意义上的固结现象。举例来说，在降水预压过程中，为了降水而抽走的水是重力水，其本身并不引起固结，而是在地下水位下降后，改变了土层中竖向自重应力，由于上覆土重的增加，使得土中更为细小孔道中的水承受了超静孔隙水压力，并逐渐排出，产生固结现象。真空渗流在地基土中较大的孔道中扩散并形成连通的真空渗流场的同时，持续的抽气抽水作用会导致原有地下水位线由1-1降到2-2，并继续下降。如图4所示，在真空预压稳定预压阶段，抽真空作用最终在地基土中较大的孔道中形成一定范围一定真空度分布的网络连通体系———真空渗流场，并使地下水位降到3-3位置。在真空渗流场各处，由于土中较大孔道中流动的“真空流体”与土中较小孔道中的水存在压差，使得较小孔道中的水在这种压差下被吸出，直到在该处较大孔道中的压力和较小孔道中的压力达到重新的平衡为止，这就产生了固结现象。与堆载预压情况下土中孔隙水被压出的固结过程相比，真空预压情况下土中孔隙水是被吸出的。由于降低后的地下水位线以下的土体中充满了水，所以真空渗流场不可能扩散到降低后的地下水位线3-3以下的的土体，也就是说，真空渗流场直接产生土体固结作用的范围仅限于降低后的地下水位线以上。伴随着真空渗流场的形成，地基中的地下水位线由1-1下降到3-3，地下水位的下降将导致地基土体的固结。上述真空渗流场理论表明，真空预压加固地基机理包括以下两点：真空渗流场直接使土体固结和地下水位下降导致土体固结。需要补充说明的是，由于地基土中的孔道大小实际上无法明确界定，认为“真空流体”首先在地基土中较大孔道中形成连通的网络，而后再将更为细小的孔道中的孔隙水吸出而产生固结，这是在固结理论基础上为便于说明真空渗流场及其作用机理而提出的一种描述。实际上也可以将真空预压情况下的固结过程看做“真空流体”在更为细小的孔道中扩散，或者说“真空流体”对土中更为细小孔道中的孔隙水的驱替，而这种扩散和驱替与时间有关，其结果导致土颗粒之间的重组和土体的压密。此外，当接近于抽真空表面的真空渗流场开始形成时，真空渗流场范围内的固结现象也同时产生了，这可以认为真空渗流场的形成和固结是一个耦合的过程，也可以认为真空渗流场在较大孔道中的扩散和在较小孔道中的扩散是同步的。3堆载预压与超静孔隙水压力场的关系在堆载预压时，由于堆载的作用，在土体中形成一个附加应力场，这个附加应力场开始时由孔隙水承担，即形成了一个超静孔隙水压力场，随着孔隙水的排出，超静孔隙水压力场消散，超静孔隙水压力转化为有效应力，导致土体变形和强度增加。堆载预压的效果由超静孔隙水压力场的大小和分布决定，与堆载的大小，分布以及土体力学性质有关。堆载预压下固结的快慢由超静孔隙水压力场的消散决定，与排水条件、土体渗透系数有关。虽然真空预压法和堆载预压法虽然都是通过减小孔隙水压力而使土的有效应力增加，但两者的加固机理并不相同，由此而引起的地基变形、强度增长的特性和影响因素也不尽相同，表1从几个方面对两者之间的异同进行了比较。4关于真空预压加固软土基的几个问题的讨论4.1真空预压加固软土地基的作用采用真空预压方法加固软土地基，普遍认为浅层处理效果较显著，而对加固的有效深度大小意见不一。不同的工程实践和试验研究得出不同的结论，有认为真空预压效果只限于浅层的，有认为可以达到20m左右深度的，也有认为可以达到塑料排水带底部附近的，对此理论和工程至今没有形成一致的看法。文献的条文说明中总结指出：真空预压的有效影响深度目前还缺少资料，国内对此有不同的看法，有待进一步研究。要确定真空预压加固软土地基的处理深度，实质是要明确真空预压加固软土地基的两个不同方面的作用。一方面，在地基表面抽真空后，降低后的地下水位线以上地基土中较大连通孔道中，形成了一个真空渗流场，地基中较小孔道中的孔隙水由于压差被吸走，发生固结。由于真空渗流场的作用而产生的固结现象只发生在降低后地下水位线以上土体，对降低后地下水位以下地基土没有作用。另一方面，由于抽真空造成地下水位下降，由于地下水位下降导致相关土层产生固结现象。因此，可以说，真空预压对下降后地下水位以上土体的加固强度较大，而对下降后地下水位以下土体直至地基深处也都有加固效果。采用真空预压加固软土地基，深层土体的加固效果与地下水位下降程度和持续时间密切相关。4.2真空渗流场的考虑在有关土中的渗流问题中，最常用到的就是达西定律。在堆载预压加固软土地基情况下，达西定律基本上是适用的。但是在真空预压情况下，真空渗流场范围内流动的是“真空流体”，“真空流体”包含气水两相，具一定真空度，加之土体微观结构的的复杂性，其渗流性状将是复杂的。此时，必须对达西定律的适用性重新作出评价。在工程上已观测到，在膜下真空度达到一定程度以后，继续增加射流泵数量，可使出水量增加，提高真空预压效果，但膜下真空度却无明显变化，这就无法用达西定律的有关概念来解释。4.3．保压时真空度值为5.抽真空表面，可以做为流量边界条件，也可以作为恒定负压边界条件，由于水气流量较难测定和估计，而膜下真空度值在真空稳定预压时比较稳定，所以一般将抽真空边界作为恒定负压边界条件。但将抽真空边界处理成恒定负压边界，难以处理实际工程中膜下真空度基本不变情况下，增加抽真空作用强度还能继续提高真空预压加固效果这一现象，同时也无法事先估计地下水位的下降情况。4.4地下水位下降的影响真空预压过程中持续的抽气抽水作用将使地基中的地下水位下降，直到预压地基周围的补充水和排出的水达到一个动态的平衡为止。地下水位的下降将使相应土层的上覆土重增加，并产生排水固结现象。同时，地下水位的存在将产生“水封”作用，使得地基土上部的真空渗流场无法向地基深处扩散，使得真空渗流场局限于降低后地下水位线以上。因此，地下水位的下降程度对真空预压加固软土地基的效果有很大的影响。地下水位下降与抽真空作用强度、地基土的渗透性质、周围水源补充情况等因素有关，如果地基中存在贯穿连通的薄沙层，或者预压区域附近有恒定的水源补充如河流湖泊的话，应该慎用真空预压处理，或者采用一定措施加以处理，消除或减少不利的地质条件影响。5真空预压加固软土地基(1）真空渗流场理论认为，抽真空在土体较大孔道中形成真空渗流，土体中较小孔道中的孔隙水与较大孔道中流动的“真空流体”由于压差作用而排出，产生固结现象。实际上也可以将真空预压情况下的固结过程看做“真空流体”在更为细小的孔道中扩散，或者说“真空流体”对土中更为细小孔道中的孔隙水的驱替，而这种扩散和驱替与时间有关，其结果导致土颗粒的重组和土体的压密。(2）真空预压加固软土地基由两个方面的作用组成，一是真空渗流场引起的真空预压作用，二是地下水位下降引起的排水固结作用。其中，前者的作用范围仅限于降低后的地下水位线以上