真空预压加固软土地基机理探讨
2015-07-09
真空预压法和堆载预压法同属于排水固结法，但二者在机理方面有着本质的不同。目前，总的来说，真空预压加固机理的研究在不同程度上采用堆载预压的思想，现有的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。真空预压不同于堆载预压，因此对真空预压的解释也不能沿用堆载预压的思路。
真空度的传递过程
真空度的产生
射流泵为真空度源, 它通过铺设在砂垫层中的主管和滤管使密封膜下形成真空度。其主要影响因素有: 射流泵的设备性能、泵后连接的管路、膜下砂层渗透性、滤管布置及周围土体特别是表层土体的特性等。
真空度沿竖向传递
膜下真空度通过沿纵向打设的排水体向加固区域深度方向传递, 使加固区域形成网状真空度。其主要影响因素有: 膜下真空度, 排水体自身的纵向通水能力, 滤膜渗透性、隔土性及径向土体渗透性等。
真空度深部横向传递
纵向排水体中的真空度通过土体的孔隙沿横向传递, 使整个加固区域形成一定的真空度。其主要影响因素有: 膜下和纵向排水体的真空度, 加固区域内土体的孔隙比、饱和度、渗透性, 土层分布状况及地基中有无强透水层等。
真空预压加固软土地基机理
1、真空预压有效应力原理
用真空预压法加固地基时，在地基上施加的不是实际重物，而是把大气作为预压荷载。真空预压的加固机理是在外荷不变的情况下，通过抽真空对加固区施加以流体压力，它作用于砂垫层和砂井内孔隙流体上，在短时间内砂垫层和砂井内的孔隙水压力迅速降低并排出水和气。由于软土和砂井的渗透系数的差别极大，土体在刚开始抽气时仍保持抽气前孔隙水压力分布状态。这样，土体内与作为边界的砂井和砂垫层间形成孔压差。孔隙水在压力差的作用下，伴随着渗流使水排出并使土中孔隙水压力u 降低。u（势）的不平衡逐渐由近及远地向距离较远的点波及，形成土体内距砂井和砂垫层远与近各点间的u（势）差。无数次上述循环，u（势）差逐渐向更远的点波及并使各点u 降低。根据太沙基的有效应力原理，由于真空预压法加固的整个过程是在总应力基本不变，即Δσ = 0情况下发生的，加固中降低的孔隙水压力即为增加的有效应力，即
Δσ ’= −Δu 或Δσ = Δσ ’+Δu = 0 （1）
土体就是在该有效应力作用下固结压密，直到土体内与边界上的u（势）达到新的平衡为止。
2、真空预压渗流场理论
在真空预压稳定预压阶段，如图1 所示，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。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。
3、真空预压加固软基若干问题的探讨
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。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，具有一定真空度，加之土体微观结构的复杂性，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。抽真空表面，可以作为流量边界条件，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。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。
施工工艺
真空(堆载)预压法随着开发研究不断的深人,己获得了丰富的施工经验,并总结出了一套完整的施工工艺。
1、施工准备:清理场地,搭临,测量放线并标出真空预压区的边线范围,安排施工材料和设备进场。
铺设砂垫层、打设袋装砂井或排水板:打设袋装砂井或排水板一般有机械进场施工,施工中各井点、板点定位要准确,袋装用砂的含泥量和饱满度须达到要求,打设的砂袋或排水板要高出砂垫层30cm。
水平排水滤管的布设及安装:进行主、支滤管的连接、安装和埋设。出膜主管超、露出预压区并防止杂物进人。同时埋人膜下真空表测头。
铺、埋密封膜及密封:铺膜前首先平整砂垫层并捡除表面尖棱的石子、贝壳等杂物,同时埋好露出砂垫层的袋装砂井或排水板,之后逐层展铺密封膜并将之埋人四周的密封沟内,回填密封沟的粘土要进行压实,以防渗水漏气。
真空设备的安装和真空试抽:安装泵体、连接出膜主管和配电使之组成完整的抽真空体系。完成以上工作后即可进行真空预压试抽。
抽正常真空维护:真空预压加固区内真空度达到75kPa后就进人正常抽真空,为了及时、快效地修补刚处于高负压状态易遭损坏的密封膜在正常抽真空前期须留7～10天作为适应期.
工程验收:达到设计要求或地基固结度Ut>85%(或设计要求的固结度)时,即可停机卸荷,交工验收。
四、质量保证要点
在真空施工应用中为确保其达到设计效果,施工要做到精心组织,步步为营,杜绝一切可影响抽真空密封效果的不利因素。竖向排水体施工时不要穿透淤泥层,这完全不同于堆载、超载预压法的施工要求,一旦穿透淤泥层就形成通过竖向排水体构筑了一个循环连续的渗水通道,将严重影响真空(堆载)预压的效果。在真空预压法主要工程施工前.必须查明施工区内饱和软粘土层内和密封沟深度范围内是否夹有透水〔K≥1cm/s)层、地表地层是否存在较厚(不小于3m)的透水层,一经发现必须采取密封措施。真空抽气膜下真空度达到设计标准后,施工维护人员要对密封膜进行地毯式的搜索,查找漏气点;一旦发现及时修补。
总结
（1）真空预压法是通过降低土体中的孔压来达到加固土体的目的, 真空预压使土体产生等向固结,不会产生剪应力, 因此更适合于工期较紧的超软地基加固。
(2) 真空预压时, 加固区内的地下水位并没有降低, 降低的只是孔隙水压力中的大气压力部分, 因此, 加固区中的土体可以按饱和土体考虑。
( 3) 真空预压的有效加固深度取决于砂井或塑料排水板的阻力和土体的渗透系数, 对于一般的软土地基且井阻较大时, 可以认为其加固深度与纵向排水体的打设长度基本一致。
