真空预压法处理软土地基的试验研究
摘要: 结合上海某机场跑道真空预压加固软基的试验成果, 对加固试验区的地表沉降及其估算方法、不同深度处的超孔隙水压力消散和加固效果等方面进了探讨, 并简要介绍了浅部含有较深粉砂层软弱地基的真空预压法施工工艺和密封技术。对试验结果的分析表明: 加固区土体沉降从大到小依次为场地中央、场地边缘和场地角落, 反映出真空预压的空间效应; 当真空度发生变化时, 浅层土的超孔隙水压力升、降速度较快, 而深层土反应较慢, 加固区竖向排水体负压沿深度的分布基本一致, 负压范围集中在58~65kPa，约占膜下真空度的68%~76%。
关键词: 真空预压; 软基; 现场试验; 地表沉降; 孔隙水压力
Abstract: combining the Shanghai some airport runway vacuum preloading consolidation of soft foundation test result for strengthening the surface subsidence area and its estimation method, different depths of excess pore water pressure dissipation and reinforcement effect into the discussion, and briefly introduces the shallow contains a deep powder sand layer weak foundation vacuum preloading method construction technology and sealing technology. Test result analysis shows that the soil reinforced area from large to small settlement is in the middle of the field, the edges and corners field, reflecting the vacuum preloading the space effect; When the vacuum degree change, shallow soil excess pore water pressure rise, fall faster, and deep soil reaction is relatively slow, reinforced area along the vertical line negative pressure distribution of water depth basic consistent, negative pressure range focus on 58 to 65 kPa, accounts for about 68% of the vacuum membrane down to 76%.
Keywords: vacuum preloading; Soft foundation; Field test; The ground surface settlement; Pore water pressure
前言
对于软弱地基的处理，目前主要采用堆载预压和复合地基或桩基础。尽管传统的堆载预压法造价低，但工期长且工后沉降大[1]，而桩基础则造价高。真空预压法处理软弱地基以其经济节省、质量可控制等优势，近年来在港口与航运工程中得到广泛应用[2]。真空预压法最早由Kjellman提出，后来我国经过大
量试验研究和实际工程应用，取得了一定施工经验与理论计算依据[3]。真空预压法是将需要加固地基的表面铺设土工薄膜，再将膜下抽真空形成负压，通过负压沿竖向排水通道向下传递，使土体中孔隙水渗流到排水通道中，从而达到土体排水固结和地基加固的目的。
上海某机场跑道地基为软弱地基，浅部含有8m左右的粉砂层，下部的软土最大厚度为12.0m。由于传统的处理方法对地基沉降控制不足，该工程地基拟采用真空预压法处理，并对工程的部分路段加固效果进行了试验研究。本文通过对试验段地基处理实测数据的对比分析，对加固试验区的孔隙水压力发展与地表沉降及其计算分析方法进行了探讨，并简要介绍了真空预压法该加固区的施工工艺和搅拌桩密封技术，为类似地基的真空预压法施工提供资料。
工程概况及其地质条件
建筑场地位于长江三角洲冲积平原，地貌形态单一。场地浅部地下水为潜水类型，水位随季节而变化，其静止水位埋深在0.8~2.0m之间。在35m深度范围内，地基土均属第四纪河口-滨海相、河口-湖沼相和浅海相沉积，试验段地基划分为6个工程地质地层，各地层土的物理力学性质指标列于表1。
试验段场地真空预压处理面积为9872m2，处理深度均为20m，砂砾石垫层为0.5m，排水板布置为等边三角形，主要处理软弱的第④工程地质地层。根据排水板间距不同将处理区分为Z1和Z2两个试验区，排水板间距分别为1.5m与1.2m，用以研究排水板间距对地基表面沉降和加固效果的影响。加固区共布置12台功率为7.5kW真空泵，有效抽真空历时90d，加固区累计最大沉降为291mm。
边界密封即是对加固土体四周进行有效封堵，通过边界密封能够提高膜下土体的真空度。目前常用的密封措施有密封沟、密封搅拌墙和垂直侧向铺塑等几种。由于试验区地基表层存在透水的粉土层、粉砂层，因而边界密封采用在地基四周进行密封帷幕处理，以切断透水透气层。该试验段密封墙采用水泥搅拌桩(图 1)，直径0.70m，桩距0.50m，成墙时彼此搭接0.20m。搅拌桩长度控制以穿透表层粉砂透水层进入其下不透水层0.50m为准。水泥搅拌桩采用6%、8%和10%三种水泥掺量，通过原位注水试验，得到成桩一周后各掺量搅拌桩渗透系数分别为1.8×10-8m/s、1.4×10-8m/s与6.1×10-9m/s，因而密封墙具有一定的抗渗能力和持久的气密性。试验段加固区内水位降深不超过10m，因而根据粉砂层厚度将水泥搅拌墙深度设定为10m。
表1 土层物理力学性质指标
Table 1 Index of physical and mechanical properties
现场测试方案布置及施工工序
现场试验测试元件包括沉降标、真空度测头、孔压计和水位管，测试元件埋设平面布置如图1所示。由图可见，加固Z1和Z2区分别埋设20个沉降标，在每个区分4行呈近似平行分布，以便监测加固区各处地表沉降。真空度测头布置在膜下，Z1和Z2区分别为6个与8个。本次试验在各地层中共布置4组孔压计，每组钻孔2个，孔内沿垂直方向每隔约2m埋设4个孔压计，用以测试各个真空预压阶段的淤泥质粘土层的孔隙水压力变化。
试验区真空预压的基本施工工序为：1) 砂垫层铺设前准备，主要包括场地平整、测量放样、砾料和施工机具进场等准备工作。2) 砂垫层施工，主要包括砾石、砂的运送到位和按设计铺设厚度铺平。3) 排水板施工，考虑到试验区浅部存在7~9m厚粉砂层，插板难度较大，施工时选用4.0吨履带式振动插板机。采用振动沉管法插入排水板，沉管过程中注意测桩管的垂直度，导管拔出时剪断排水板，使其露出砂垫层0.5m。4) 水泥搅拌桩施工，包括开挖、定位、灰浆制备、搅拌成桩等工序，在成桩过程中主要采用SJB-2型深层搅拌机。5) 真空预压施工，主要包括开挖密封沟、埋设滤水管、铺设密封膜和抽真空等工序，其中滤水管间距为5m，直径为55mm，外部用土工布包裹，以防止堵塞滤眼。在埋设真空表测头等观测仪器后，先铺设一层彩条布，然后分层铺设两层密封薄膜，并将薄膜周边埋入密封沟。
测试结果及其分析
对于浅部含有较大粉砂层的软弱地基，采用真空预压法处理的研究资料较为少见，因此有必要在施工过程中进行动态观测和试验研究，及时指导现场施工和对真空预压加固软基的力学性状进行研究，为该工法在类似地质条件的应用积累经验。
地表沉降及其计算分析
在Z1与Z2两个区内，由真空探头测得的真空度随时间的变化如图2所示。由图可见，在抽真空开始的6天内，真空度一直徘徊在65kPa左右，主要由
于膜内残留气体排出所致，后去除停电、破膜修补等造成真空度降低的时间，其余时间真空度一直保持在80kPa以上。该机场跑道地基真空预压处理历时113天，有效加载时间为90天，有效加载的真空度均达到80kPa以上。真空预压卸载标准较为严格，是根据沉降速率连续5天低于1.5mm/d才卸除真空荷载。
受密封帷幕、地层地质条件等因素的影响，Z1区与Z2区不同位置处真空预压造成的地表沉降量有一定的差异和规律。位于C11、C12、C13与C14线上的不同位置处地表沉降如图3所示。由图可见，在真空预压的前期，各个位置处的沉降速率相对较大，随着抽真空时间的增加沉降速率逐渐减小，然而各处的最终地表沉降不同，沿密封帷幕的C11线沉降约为150mm，在C14线附近沉降约为170mm，中部的C12、C13线沉降量较大，约为260mm。即是场地中部区域的真空预压沉降最大，场地边缘次之，场地角落最小，反映真空预压的空间效应。Z2区的真空预压沉降变化曲线模式与Z1区基本相似，所不同的是场地中部最终沉降量与沉降速率较大，可能由于排水板间距较小造成。抽真空结束时各处沉降速率已经减小至1~3mm/d。抽真空结束后场地表面出现一定的反弹，反弹值在1~4mm之间，总体反弹不明显。
孔隙水压力变化
观测孔隙水压力的主要目的是监测软土地基中超孔隙水压力的消散情况和判断软土地基的固结状态。该加固试验区不同深度处的超孔隙水压力随抽真空时间的变化如图4所示，由图可见，较浅土层受真空作用显著。当真空度发生变化时，浅层土的超孔隙水压力升、降速度较快，而深层土反应较慢，甚至无影响。
加固效果
针对加固区第④层地基土，通过室内试验对真空预压加固前后的物理力学性质指标进行了对比分析。试验表明加固后淤泥质黏土的含水量为35.2%，比加固前减少了15.1%；加固后孔隙比为0.97，比加固前减少了0.41；直剪和三轴剪切试验表明加固后抗剪强度有较大幅度的提高，且整个加固区范围内第④层地
基土的强度大小接近。
结语
(1) 采用真空预压法能够加固浅部含有较深粉砂层的软弱地基。有效抽吸90天后，软弱地基的固结度达到85%以上，较好满足了设计要求。
(2) 加固区土体沉降从大到小依次为场地中央、场地边缘和场地角落，反映出真空预压的空间效应。
(3) 孔隙水压力测试结果表明，当真空度发生变化时，浅层土的超孔隙水压力升、降速度较快，而深层土反应较慢，甚至无影响。
参考文献
钱家欢, 殷宗泽. 土工原理与计算[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1996.
任志福. 真空预压法软基加固密封技术及应用[J]. 工程勘察, 2007, (8): 19-23.
叶伯荣. 综述真空预压法在我国的发展[J]. 地基处理, 2000, (3): 49-57.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
真空预压法处理软土地基的试验研究
摘要: 结合上海某机场跑道真空预压加固软基的试验成果, 对加固试验区的地表沉降及其估算方法、不同深度处的超孔隙水压力消散和加固效果等方面进了探讨, 并简要介绍了浅部含有较深粉砂层软弱地基的真空预压法施工工艺和密封技术。对试验结果的分析表明: 加固区土体沉降从大到小依次为场地中央、场地边缘和场地角落, 反映出真空预压的空间效应; 当真空度发生变化时, 浅层土的超孔隙水压力升、降速度较快, 而深层土反应较慢, 加固区竖向排水体负压沿深度的分布基本一致, 负压范围集中在58~65kPa，约占膜下真空度的68%~76%。
关键词: 真空预压; 软基; 现场试验; 地表沉降; 孔隙水压力
Abstract: combining the Shanghai some airport runway vacuum preloading consolidation of soft foundation test result for strengthening the surface subsidence area and its estimation method, different depths of excess pore water pressure dissipation and reinforcement effect into the discussion, and briefly introduces the shallow contains a deep powder sand layer weak foundation vacuum preloading method construction technology and sealing technology. Test result analysis shows that the soil reinforced area from large to small settlement is in the middle of the field, the edges and corners field, reflecting the vacuum preloading the space effect; When the vacuum degree change, shallow soil excess pore water pressure rise, fall faster, and deep soil reaction is relatively slow, reinforced area along the vertical line negative pressure distribution of water depth basic consistent, negative pressure range focus on 58 to 65 kPa, accounts for about 68% of the vacuum membrane down to 76%.
Keywords: vacuum preloading; Soft foundation; Field test; The ground surface settlement; Pore water pressure
前言
对于软弱地基的处理，目前主要采用堆载预压和复合地基或桩基础。尽管传统的堆载预压法造价低，但工期长且工后沉降大[1]，而桩基础则造价高。真空预压法处理软弱地基以其经济节省、质量可控制等优势，近年来在港口与航运工程中得到广泛应用[2]。真空预压法最早由Kjellman提出，后来我国经过大
量试验研究和实际工程应用，取得了一定施工经验与理论计算依据[3]。真空预压法是将需要加固地基的表面铺设土工薄膜，再将膜下抽真空形成负压，通过负压沿竖向排水通道向下传递，使土体中孔隙水渗流到排水通道中，从而达到土体排水固结和地基加固的目的。
上海某机场跑道地基为软弱地基，浅部含有8m左右的粉砂层，下部的软土最大厚度为12.0m。由于传统的处理方法对地基沉降控制不足，该工程地基拟采用真空预压法处理，并对工程的部分路段加固效果进行了试验研究。本文通过对试验段地基处理实测数据的对比分析，对加固试验区的孔隙水压力发展与地表沉降及其计算分析方法进行了探讨，并简要介绍了真空预压法该加固区的施工工艺和搅拌桩密封技术，为类似地基的真空预压法施工提供资料。
工程概况及其地质条件
建筑场地位于长江三角洲冲积平原，地貌形态单一。场地浅部地下水为潜水类型，水位随季节而变化，其静止水位埋深在0.8~2.0m之间。在35m深度范围内，地基土均属第四纪河口-滨海相、河口-湖沼相和浅海相沉积，试验段地基划分为6个工程地质地层，各地层土的物理力学性质指标列于表1。
试验段场地真空预压处理面积为9872m2，处理深度均为20m，砂砾石垫层为0.5m，排水板布置为等边三角形，主要处理软弱的第④工程地质地层。根据排水板间距不同将处理区分为Z1和Z2两个试验区，排水板间距分别为1.5m与1.2m，用以研究排水板间距对地基表面沉降和加固效果的影响。加固区共布置12台功率为7.5kW真空泵，有效抽真空历时90d，加固区累计最大沉降为291mm。
边界密封即是对加固土体四周进行有效封堵，通过边界密封能够提高膜下土体的真空度。目前常用的密封措施有密封沟、密封搅拌墙和垂直侧向铺塑等几种。由于试验区地基表层存在透水的粉土层、粉砂层，因而边界密封采用在地基四周进行密封帷幕处理，以切断透水透气层。该试验段密封墙采用水泥搅拌桩(图 1)，直径0.70m，桩距0.50m，成墙时彼此搭接0.20m。搅拌桩长度控制以穿透表层粉砂透水层进入其下不透水层0.50m为准。水泥搅拌桩采用6%、8%和10%三种水泥掺量，通过原位注水试验，得到成桩一周后各掺量搅拌桩渗透系数分别为1.8×10-8m/s、1.4×10-8m/s与6.1×10-9m/s，因而密封墙具有一定的抗渗能力和持久的气密性。试验段加固区内水位降深不超过10m，因而根据粉砂层厚度将水泥搅拌墙深度设定为10m。
表1 土层物理力学性质指标
Table 1 Index of physical and mechanical properties
现场测试方案布置及施工工序
现场试验测试元件包括沉降标、真空度测头、孔压计和水位管，测试元件埋设平面布置如图1所示。由图可见，加固Z1和Z2区分别埋设20个沉降标，在每个区分4行呈近似平行分布，以便监测加固区各处地表沉降。真空度测头布置在膜下，Z1和Z2区分别为6个与8个。本次试验在各地层中共布置4组孔压计，每组钻孔2个，孔内沿垂直方向每隔约2m埋设4个孔压计，用以测试各个真空预压阶段的淤泥质粘土层的孔隙水压力变化。
试验区真空预压的基本施工工序为：1) 砂垫层铺设前准备，主要包括场地平整、测量放样、砾料和施工机具进场等准备工作。2) 砂垫层施工，主要包括砾石、砂的运送到位和按设计铺设厚度铺平。3) 排水板施工，考虑到试验区浅部存在7~9m厚粉砂层，插板难度较大，施工时选用4.0吨履带式振动插板机。采用振动沉管法插入排水板，沉管过程中注意测桩管的垂直度，导管拔出时剪断排水板，使其露出砂垫层0.5m。4) 水泥搅拌桩施工，包括开挖、定位、灰浆制备、搅拌成桩等工序，在成桩过程中主要采用SJB-2型深层搅拌机。5) 真空预压施工，主要包括开挖密封沟、埋设滤水管、铺设密封膜和抽真空等工序，其中滤水管间距为5m，直径为55mm，外部用土工布包裹，以防止堵塞滤眼。在埋设真空表测头等观测仪器后，先铺设一层彩条布，然后分层铺设两层密封薄膜，并将薄膜周边埋入密封沟。
测试结果及其分析
对于浅部含有较大粉砂层的软弱地基，采用真空预压法处理的研究资料较为少见，因此有必要在施工过程中进行动态观测和试验研究，及时指导现场施工和对真空预压加固软基的力学性状进行研究，为该工法在类似地质条件的应用积累经验。
地表沉降及其计算分析
在Z1与Z2两个区内，由真空探头测得的真空度随时间的变化如图2所示。由图可见，在抽真空开始的6天内，真空度一直徘徊在65kPa左右，主要由
于膜内残留气体排出所致，后去除停电、破膜修补等造成真空度降低的时间，其余时间真空度一直保持在80kPa以上。该机场跑道地基真空预压处理历时113天，有效加载时间为90天，有效加载的真空度均达到80kPa以上。真空预压卸载标准较为严格，是根据沉降速率连续5天低于1.5mm/d才卸除真空荷载。
受密封帷幕、地层地质条件等因素的影响，Z1区与Z2区不同位置处真空预压造成的地表沉降量有一定的差异和规律。位于C11、C12、C13与C14线上的不同位置处地表沉降如图3所示。由图可见，在真空预压的前期，各个位置处的沉降速率相对较大，随着抽真空时间的增加沉降速率逐渐减小，然而各处的最终地表沉降不同，沿密封帷幕的C11线沉降约为150mm，在C14线附近沉降约为170mm，中部的C12、C13线沉降量较大，约为260mm。即是场地中部区域的真空预压沉降最大，场地边缘次之，场地角落最小，反映真空预压的空间效应。Z2区的真空预压沉降变化曲线模式与Z1区基本相似，所不同的是场地中部最终沉降量与沉降速率较大，可能由于排水板间距较小造成。抽真空结束时各处沉降速率已经减小至1~3mm/d。抽真空结束后场地表面出现一定的反弹，反弹值在1~4mm之间，总体反弹不明显。
孔隙水压力变化
观测孔隙水压力的主要目的是监测软土地基中超孔隙水压力的消散情况和判断软土地基的固结状态。该加固试验区不同深度处的超孔隙水压力随抽真空时间的变化如图4所示，由图可见，较浅土层受真空作用显著。当真空度发生变化时，浅层土的超孔隙水压力升、降速度较快，而深层土反应较慢，甚至无影响。
加固效果
针对加固区第④层地基土，通过室内试验对真空预压加固前后的物理力学性质指标进行了对比分析。试验表明加固后淤泥质黏土的含水量为35.2%，比加固前减少了15.1%；加固后孔隙比为0.97，比加固前减少了0.41；直剪和三轴剪切试验表明加固后抗剪强度有较大幅度的提高，且整个加固区范围内第④层地
基土的强度大小接近。
结语
(1) 采用真空预压法能够加固浅部含有较深粉砂层的软弱地基。有效抽吸90天后，软弱地基的固结度达到85%以上，较好满足了设计要求。
(2) 加固区土体沉降从大到小依次为场地中央、场地边缘和场地角落，反映出真空预压的空间效应。
(3) 孔隙水压力测试结果表明，当真空度发生变化时，浅层土的超孔隙水压力升、降速度较快，而深层土反应较慢，甚至无影响。
参考文献
钱家欢, 殷宗泽. 土工原理与计算[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1996.
任志福. 真空预压法软基加固密封技术及应用[J]. 工程勘察, 2007, (8): 19-23.
叶伯荣. 综述真空预压法在我国的发展[J]. 地基处理, 2000, (3): 49-57.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。