覆水真空预压法加固软土地基效果分析

雷世旺　刘红军　刘克伦　罗耀华

摘 要：為验证和评价覆水真空预压法加固软土地基的处理效果，结合珠海市某软基处理项目，通过现场的实测数据对膜下真空度、浅层地表沉降、水平位移和原位十字板试验等监测项目进行分析。研究结果表明：①满载预压期的沉降量占总沉降量60%，并且随着软土地基的固结排水，沉降曲线逐渐趋于平缓，在卸载前加固区的平均固结度已达到90%以上，说明覆水真空预压法处理软基地基的效果较好。②水平位移的变化趋势呈现开口型，最大位移发生在地表处，其值为256.6 mm。由于加固区的水平位移以收缩变形为主，不会因土体抽真空的速率过快而引起失稳现象，故真空预压加载可一次性达到设计要求。③覆水真空预压法的加固深度与竖向排水体的埋设深度相同。研究成果可为本区域类似的工程项目提供合理可靠的参考依据。

关键词：覆水真空预压法;软土地基;监测数据;原状土抗剪强度增长率

中图分类号：TU435    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2020）06-0095-08

Analysis on the Effect of Reinforcement of Soft Soil Subgrade

by Covering Water Vacuum Preloading Method

LEI Shiwang1， LIU Hongjun1*， LIU Kelun1，LUO Yaohua2

（1.College of Civil Architecture， Wuyi University， Jiangmen 529020， China;2. British Columbia， Vancouver  V6T 1Z4， Canada）

Abstract：In order to verify and evaluate the treatment effect of water-covered vacuum preloading method for strengthening soft soil subgrade， combined with a soft foundation treatment project in Zhuhai City， the monitoring items such as vacuum degree under membrane， shallow surface settlement， horizontal displacement， in-situ cross plate test and so on were analyzed by field measured data. The results indicated that： ① The settlement of the full load preloading period accounted for 60% of the total settlement， and with the consolidation and drainage of soft soil subgrade， the settlement curve gradually tended to be flat， and the consolidation degree of the reinforcement area before unloading was more than 90% on average， which indicated that the water-covered vacuum preloading method had a better effect on the treatment of soft foundation. ② The change trend of the horizontal displacement presented open type， and the maximum displacement occured at the surface with a value of 256.6mm. Since the horizontal displacement of the reinforced area was mainly shrinkage deformation， it would not cause instability due to the excessive vacuum pumping rate of the soil， so the vacuum preloading could meet the design requirements at one time. ③ The reinforcement depth of the water-covered vacuum preloading method was the same as the buried depth of the vertical drainage body. The research results can provide a reasonable and reliable reference for similar engineering projects in the region.

Keywords：Water-coverd vacuum preloading method; soft soil foundation; monitoring data; growth rate of undisturbed soil shear strength

收稿日期：2020-09-03

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（41702323）;校企合作项目-恒大滨江左岸花园项目软基监测及检测工程（HX19159）

第一作者简介：雷世旺，硕士研究生。研究方向：岩土工程与道路工程.E-mali：845589637@qq.com

通信作者：刘红军，博士，教授。 研究方向：岩土工程与道路工程，E-mali：liuhongjun_0821@163.com

引文格式：雷世旺，刘红军，刘克伦，等.覆水真空预压法加固软土地基效果分析[J].森林工程，2020，36（6）：95-102.

LEI S W， LIU H J， LIU K L，et al. Analysis on the effect of reinforcement of soft soil subgrade by covering water vacuum preloading method[J]. Forest Engineering，2020，36（6）：95-102.

0 引言

从经济特区到湾区枢纽，珠海市作为内地唯一一座与港澳陆路相连的城市，必须加强其基础设施的建设，但该区域地基由分布广泛的软土组成，由于软土具有强度低、压缩性大、渗透性差和明显的流变性等特点[1-3]，若直接在软土地基上进行工程建设，极易发生工程事故。

例如较大的工后沉降导致基础沉陷、道路开裂、桥头跳车等。因此必须采用一定的加固措施，以改善其承载力、稳定性和变形量等问题，以达到相应工程要求。李时亮[4]对真空预压加固软基的加固机理进行分析，研究表明抽气后加固土体与膜上及周围的土体产生一个大气压差（Δp），在Δp的作用下产生正的超静孔隙水压力（Δu），随着Δu消散逐渐转化为有效应力。程瑾等[5]设计真空预压法处理对高、低液限黏土室内模型对比试验，试验研究结果表明，处理后高液限土样的体积压缩率为47.4%，低液限土样的体积压缩率为22.9%，且两者的含水率、孔隙比明显减小，密实性与强度明显提高。

何长明等[6]采用真空联合堆载预压法对软基进行加固处理，表明加固后土体的力学性质得到了提高，尤其是在15～20 m处加固效果最为显著，但土体触变性未得到改良。刘勇等[7]基于某真空预压工程中考虑涂抹、变井阻效应等因素，建立三维有限元模型并对其进行分析，模拟结果与现场实测数据相吻合，为以后软基加固工程三维有限元模拟提供了一种有效方法。可见真空预压因加固机理明确、加固效果显著和工期短等优点，已广泛运用到实际工程中。

本文以珠海市白藤湖软基项目为背景，对加固区采用覆水真空预压法，通过对膜下真空度、地表浅层沉降、水平侧向位移和十字板剪切试验等监测数据分析，验证了该法处理软土地基的加固效果，为今后类似的工程项目提供一定的参考依据。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

项目位于广东省江门市新会区，该地区地势平坦，地面标高为1.40～3.30 m，沿线主要分布有鱼塘、农田等。其中，典型断面K 0+200主要分布两层软土，第一层为淤泥、淤泥质土，灰黑色，呈饱和流塑状态，含有有机质，层厚为8.00～19.95 m，在荷载作用下易产生固结沉降，工程性质极差。第二层为粉质黏土，褐黄色、可塑，具有砂感，层厚为2.00～6.90 m，具有一定承載力，工程性质较好。主要软土层的物理力学指标见表1。

1.2 软基处理方案

为加快试验区域固结沉降和减少后期基坑开挖的土方量，项目组采用覆水真空预压法对试验区进行软基处理[8-9]。其中，竖向排水系统为塑料排水板，正方形布置，间距为0.9 m，埋设深度为20 m，横向排水系统主要是抽真空管系，在抽真空过程中孔隙水通过蝶形接口导入真空支管，再通过真空主管从射流泵中排出。当确定整个场地的密封效果较好时，可进行蓄水工作，蓄水总高度为1 m，并满载预压不少于70 d，待处理深度范围内软土平均固结度不小于75%时，方可进行卸载工作。

为掌握施工过程中土体变形情况，合理确定固结效果与卸载时间。对该场地膜下真空度、地表浅层沉降、水平侧向位移和十字板剪切试验等项目进行监测，现场监测点布置如图1所示。

1.3 软基处理施工程序

覆水真空预压法的主要施工工序为：①场地清表、整平;②打设双排叠合搅拌桩密封墙;③打设塑料排水板;④铺设真空预压管系统;⑤再次清表后填筑围堰，铺设土工布、密封膜，并将密封膜压入密封沟中;⑥抽真空，待真空度达到80 kPa稳定后蓄水;⑦满载预压，待达到设计要求的固结度时，停泵卸载。现场施工图如图2所示。

2 现场监测及结果分析

2.1 膜下真空度监测数据分析

膜下真空度监测目的是了解膜下真空压力随

时间变化情况[10]，在进行真空预压过程中需要对真空度进行观测，在施工期间主要观测膜下真空度随时间变化的情况。采用真空压力表直接测量，监测频率为1次/d，本项目共设计了6个真空压力观测点，监测结果如图3所示。

由图3可得，本项目共抽真空80 d，其中在抽真空进行到第5 d时膜下真空度平均值已达到了80 kPa，可见在短时间内，膜下浅层土体中的空气迅速被抽走，膜下真空度大幅度上升。但在抽真空第8 d，膜下真空度大幅度的下降，这是由于现场的电箱损坏使得真空泵暂停工作，待电力恢复之后仅用了1 d时间，真空度就恢复到80 kPa左右。随后膜下真空度长期保持稳定，在抽真空第75 d开始进行“放水”卸载，此时真空度略有下降，但整体真空度维持在80 kPa左右，说明加固区四周密封措施较好，覆水加载相当于给土体又加了一层密封膜，能在一定程度上提高真空度。

2.2 地表浅层沉降监测数据分析

地表沉降是控制施工进度的重要指标，也是加固效果最直接的反映[11]。在对现场80 d的沉降观测基础上，将整个沉降过程分为3个阶段：①抽真空至稳定80 kPa;②覆水加载阶段;③满载预压阶段。在进

行抽真空施工过程中，为了确保整个沉降过程稳定，同时也为了保证整个施工过程中周边建筑物以及周边路面稳定性，在抽真空初期监测频率为1次/d，在预压末期可换成1次/3d。得到地表沉降随监测时间变化规律以及沉降速率的变化规律如图4和图5所示。

由曲线的分布特征可得，在抽真空初期沉降量与时间（0～10 d）呈线性变化，此时最大沉降量位于C-13观测点，沉降量达到42.2 cm， 最小沉降量位于C-9观测点，沉降量为30.1 cm，整体平均沉降量为38.0 cm，最大日沉降量发生在抽真空第4 d，此时开泵率刚好达到100%。最大日沉降量高可达7 cm。待真空度稳定至80 kPa时，可进入覆水加载阶段（10～15 d），此期间沉降量变化依旧显著，最大沉降量位于C-13观测点，沉降量达到68.6 cm，最小沉降量位于C-9观测点，沉降量达到47.0 cm。此阶段的最大日沉降量发生在C-13观测点处，高达9.9 cm，并且加固区北侧（C-13、C-14）的沉降速率明显要大于南侧（C-9、C-10）。在随后的满载预压期间，沉降曲线整体呈现逐渐变缓的趋势，50 d后各点的沉降速率均不大于2 cm/d，但沉降仍在持续，并且现场抽水泵的出水量明显小于加载初期。可见主固结沉降是一个逐渐收敛的过程，沉降量会逐渐趋于稳定。为保证卸载前加固区平均固结度不小于75%，本项目采用双曲线法推算工后沉降。该法假定地基的沉降速率随时间以双曲线形式递减[12-13]，并在满载预压阶段任意时刻相应的沉降量均可以用双曲线方程表示，其公式如下：

St=S0+tα+βt。（1）

移项可得

tSt-S0=α+βt。（2）

当t=∞时，最终沉降量为：

St=S0+1β。 （3）

式中：S0为t=0时的初始沉降量;St为t时刻的沉降量，α、β为线性回归求得常数，本文取抽真空第53 d的沉降量作为S0，双曲线法所用的计算数据见表2。

双曲线法所求的各观测点的固结度见表3。

由表3各观测点的最终沉降量来看C-13、C-14的最大沉降量明显大于南侧（C-9、C-10），最大差值为60.4 cm。造成加固区沉降不均匀的主要原因：一方面是由于各观测点所处位置的软基厚度与土层略有差异;另一方面是现场地面南侧原始地表面的绝对高程平均值为1.2 m，北侧原始地表面的绝对高程平均值为0.8 m，导致南侧的覆水量明显小于北侧。但分析各观测点的固结度可得，该加固区的处理效果较为显著，固结度已满足设计要求，可进行卸载工作。

2.3 深层水平位移监测数据分析

深层水平位移的变化是控制施工稳定性的重要指标之一[14-16]。由于真空预压加固区内的气体稀薄形成一个负压区，等效于对加固区的土体施加了围压，使得土体的水平位移具有向加固区中心移动的趋势，故本项目为了能有效地预知真空预压期间水平位移的发展趋势，确保周边建筑的稳定性，在距离南侧密封沟边界1 m处设置水平位移观测点，该区域水平位移随深度的变化规律如图6所示。

由图6中的变化趋势可得，該观测点的水平位移整体呈现为开口型，水平位移的最大值位于地表处，其值为256.6 mm。并在0～20 m范围内随深度的增加，水平位移不断减小。而当土层深度超过20 m之后，水平位移基本可以忽略不计。可见加固区的有效深度为20 m，正好与塑料排水板的埋设深度相符合。从图6中的数据可以看出，本项目施工计划分为3个阶段：第1阶段为抽真空初期（全面稳压80 kPa），此阶段土体只有收缩变形而无挤出现象，浅层土体的收缩大于深层土体，该阶段的侧向位移最大值达到85.7 mm;第2阶段为覆水加载阶段，此时水平位移发展迅速，水平位移最大值达到154.8 mm，并且在20～25 m处土体开始出现挤出现象，在覆水加载结束时挤出变形达到-19.8 mm，因为真空度随着深度的增加有所消散，导致浅层土体受真空预压的影响较大，水平位移以收缩变形为主，而深层土体受覆水加载的影响较大，水平位移以挤出变形为主，但由于覆水高度只有1 m，深层土体所受到的附加应力较小，挤出变形量较小;第3阶段为满载预压阶段，由现场的实测数据可得，此阶段的侧向位移占总侧向位移的60%，水平位移随着预压时间的增长而逐渐减缓，在卸载前土体侧向位移已基本稳定。

2.4 十字板剪切试验数据分析

为研究覆水真空预压法加固软土地基的强度增长规律，并评价其加固效果[17]，选取同一位置对软基处理前后分别进行十字板原位检测试验[18-20]，试验结果见表4及图7所示。

由图7可得，无论是原状土还是重塑土，加固后增长趋势基本一致，抗剪强度增长率均随着深度的增加而减少。在0～2 m处，原状土的抗剪强度明显大于其他深度，然而加固后增长率只有19.9%，主要因为该处的土层主要为含砂的淤泥层，导致十字板试验结果明显偏大。在3～8 m处，卸载后原状土的抗剪强度增长率为82.5%，重塑土的抗剪强度增长率为65.1%，尤其在4 m时两类土变化最为显著，原状土的抗剪强度增大了27.7 kPa， 重塑土的增大了15.4 kPa。重塑土的增长幅度明显小于原状土。可见，真空预压法对浅层土体的加固具有良好的处理效果，但对土体的触变性改善不大，加固处理后土体仍然不宜扰动。在9～17 m处，原状土的抗剪强度增加了5～7 kPa， 重塑土的增加了1～2 kPa，增长幅度远小于浅层土体。这是因为随着加固深度的增加，真空与覆水加载所引起的附加应力传递逐渐消散，处理效果逐渐减弱，相对应的土层强度加固效果逐步减小。

3 结论

（1）满载预压期的沉降量占总沉降量60%，并且随着软土地基的固结排水，沉降曲线逐渐趋于平缓，在卸载前加固区的固结度平均已达到90%以上，说明覆水真空预压法处理软基地基的效果较好。

（2）水平位移的变化趋势呈现开口型，最大位移发生在地表处，其值为256.6 mm。由于加固区的水平位移以收缩变形为主，不会因土体抽真空的速率过快而引起失稳现象。因此，真空预压加载可一次性达到设计要求。

（3）覆水真空预压法的加固深度与竖向排水体的埋设深度相同。本项目加固区的影响深度达到20 m，尤其是在3～8 m范围内加固效果最为显著，原状土抗剪强度增长率平均值达到82.5%，但仍未改善软土的触变性。

【参 考 文 献】

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