真空预压处理吹填土的压缩率计算方法研究

张云冬，程 瑾

（中交（天津）生态环保设计研究院有限公司，天津 300461）

引言

随着中国经济发展和对外开放的进一步深入，沿海各港口对土地的需求日益增加，因此吹填造地工程便大规模的开展起来。真空预压地基处理技术作为一种相对经济的大面积处理软基的方法，在吹填造地工程中得到了广泛的应用，也积累了大量的工程经验[1]。但与真空预压技术取得广泛应用并积累大量实践经验形成鲜明对比的是，目前真空预压技术的理论研究相对滞后，实践中遇到的很多问题还停留在靠经验解决的阶段[2-3]，如吹填土在真空预压荷载下的沉降计算，还只能靠估计其压缩率的方式计算沉降量，一般设计中采用的吹填土的压缩率取值范围是20 %～40 %[4-5]。

由于吹填土在吹填过程中形成的横向不均匀、成层性较差、欠固结的特点，导致吹填土在真空预压荷载下的沉降难以采用如分层总和法、规范法等比较适宜成层性较好的土的沉降计算方法，而目前吹填土沉降计算又没有成熟的理论方法，因此吹填土的沉降量大多数时候主要是靠经验估计，因而计算结果不严谨[6-8]，说服力较差。

对于特定的土而言，塑性指数是一个相对稳定的参数，能否找出真空预压后土的物理性质参数与塑形指数的关系，从而根据土的塑性指数预测真空预压后的物性参数如含水率、孔隙比和密度，进而结合真空预压前土的物性参数如含水率、孔隙比和密度预测吹填土的压缩率，从而为吹填土压缩率的估算提供依据，提高吹填土沉降计算的准确性和结果的严谨性。

1 理论方法研究

1）通过对真空预压前后各土样物理性质参数的深入研究并进行筛选后，选择了真空预压前后的含水率ω1，ω2，密度ρ1，ρ2，和土颗粒比重G共5个指标作为吹填土压缩率计算的关键指标。

2）通过一系列的公式推导，得到了采用以上五个土的物理性质指标计算吹填土压缩率的计算公式，见以下三个公式：

式中：

ω1，ω2为处理前后土的含水率（%）；

ρ1，ρ2为处理前后土的密度（g/cm3）；

G为土颗粒的比重。

3）通过勘察取样和土工试验的方式得到真空预压前土的含水率ω1、密度ρ1和土颗粒比重G。

4）通过真空预压后土的含水率、密度与土的塑性指数的关系预测真空预压后土的含水率ω2和密度2ρ。

该方法的前三步，目前都能得到较好的解决，但对于方法的第四步，如何确定真空预压后土的含水率、密度与塑性指数的关系，由于缺少相应的试验和统计资料，因此难以确定各指标之间的相关关系，更无法运用这种关系预测相关指标。因而确定真空预压后土的含水率、密度和塑性指数的关系，确定其预测公式，就成为本文研究的重点内容。

2 试验方案

2.1 试验设计

为研究分析真空预压后土样的含水率、密度、孔隙比等物理性质参数与塑性指数的关系，共取得了三地、四种不同性质的土样，分三次进行真空预压模型试验，从而为研究提供依据。汇总的历次试验土样的物理性质参数及颗粒分析见表1。

表1 各土样物性参数

累计共进行了三次真空预压模型试验，第一次为连云港土样（两个模型，编号分别为1-1#，1-2#）和马来槟城1 土样（两个模型，编号分别为2-1#，2-2#），第二次为马来槟城2 土样（三个模型，编号分别为3-1#，3-2#，3-3#），第四次为滨州土样（三个模型，编号分别为4-1#，4-2#，4-3#）。每次试验均基本遵循相同的试验思路，主要试验步骤如下：

1）将取得的土样搅拌均匀，并从每个土样中取得少量的土样进行土工试验，以确定试验前土样的物理力学性质。

2）将试验模型土样放入抽真空密封装置中，装置为单体正方柱体，正方柱底边长为20 cm，柱高为30 cm，塑料排水板宽度为5 cm，采用同一真空气源，按现场真空预压地基处理的密封形式、加载流程等要求进行抽真空试验。试验装置如图1。

图1 试验装置示意

3）试验监测：按真空预压，岩土工程监测的技术要求进行膜下真空度、膜顶沉降等指标进行观测，直至土样变形稳定为止。

4）试验结果检测：达到卸载标准后，进行土的物理、力学指标试验，并测定土样的微型十字板抗剪强度。

2.2 试验监测及卸载

初期抽真空时，为防止排水板淤堵，每次试验均将真空压力分三级加载，分别为20 kPa、40 kPa和85 kPa。每次真空预压试验抽气时间约12 天，并按照真空预压岩土工程监测的变形观测要求，待土样变形基本稳定时，即停止抽真空，各土样沉降观测曲线见图2。

图2 时间～沉降曲线

3 试验结果分析

3.1 土样试验前后物理力学参数的对比

将抽真空试验前后变化比较大的物理性质参数如含水率、孔隙比、湿密度、液性指数，以及力学参数如微型十字板抗剪强度等进行对比，见表2。

表2 试验成果对比

从历次试验各土样的物性参数和力学参数的变化可以看出，试验前后土样的物理力学性质发生了明显的变化，含水率均不同程度的明显降低、孔隙比明显减小、湿密度明显增大、液性指数明显减小；十字板抗剪强度则明显增大。对比结果表明，真空预压试验对改善各土样的物理力学性质起到了明显的效果，试验达到了预期的效果。

3.2 试验后土样物性参数与塑性指数的关系分析

此外通过搜集天津临港、南港、黄骅、滨州、青岛等地的真空预压地基处理检测资料，结合以上试验成果，得到真空预压后土体的含水率、孔隙比、湿密度、与塑性指数的函数关系，具体见图3～图5。

图3 含水率与塑性指数的关系

图4 密度与塑性指数的关系

图5 孔隙比与塑性指数的关系

从图3 真空预压试验后土体的含水率与塑性指数的关系可看出，两者有良好的正线性关系，且两者的相关性较好，属于中～高度相关，其所显示的规律是随着塑性指数的增大，真空预压试验后土体的含水率升高。结合各组土样试验前后的力学性质可知，虽然塑性指数大的土试验后的含水率也高，但其强度却不比塑性指数相对低的土的强度低，甚至其抗剪强度还明显比塑性指数低的土大。

图4 真空预压试验后土体的密度和塑性指数的关系可看出，两者有良好的负线性相关关系，且两者的相关性较好，属于中～高度负相关，其所显示的规律是随着塑性指数的增大，真空预压试验后土体的密度减小。

图5 真空预压试验后土体的孔隙比和塑性指数的关系可看出，试验后土样的孔隙比与塑性指数有良好的正线性关系，且相关性较好，属于中～高度相关，其所显示的规律是随着塑性指数的增大，真空预压试验后土体的孔隙比增大。

由以上含水率、湿密度、孔隙比与塑性指数的拟合优度R²可以看出，三个指标与塑性指数的相关性大小类似，主要是由于这三个指标存在一定的相关性，密度和孔隙比均是含水率的函数，因而各拟合优度基本大小类似，若仅通过含水率与孔隙比和密度的函数关系计算这两个指标，则这两个指标的准确性就完全依赖于含水率的准确性了。但通过三个指标的分别预测，可减小单个指标误差的连锁影响，进而提高目标指标预测结果的可靠性。

4 工程应用

4.1 工程地质

将以上研究成果应用于天津临港北港池北侧施工区地基处理项目，地基为吹填土地基，采用真空预压法进行地基处理。场地拟处理的软土层主要是上部的吹填土层和下部原位淤泥土层，各土层详见表3。

表3 土层及参数

4.2 吹填土层压缩率分析

以场地A2 区（直排式真空预压工艺，总面积约11 万m2）某小分区和B 区（直排式真空预压工艺，总面积为35 万m2）某小分区为研究区域，以0～6 m 深度内的吹填土为主要分析对象，结合地基处理前后的钻探取样资料，以及地基处理期间的分层沉降监测资料，综合分析场地吹填土的压缩率，主要成果见表4。

表4 分析成果

表4 中土层的压缩率为处理前后土层体积的变化量与其初始体积的比值；从表4 的综合分析成果表可看出，采用塑性指数预测的含水率、密度计算得到的吹填土预测压缩率比地基处理后钻探取样得到的含水率、密度计算得到的实际压缩率小，比分层监测资料计算的监测压缩率也小。预测压缩率与实际缩率的误差平均为21.2 %，而监测压缩率与实际压缩率的误差平均为12.1 %。

预测压缩率与实际压缩率的误差较大主要原因可能是由于采用以上公式预测的含水率偏大、密度偏小，最终导致预测的压缩率偏小。表4 中，A2区的预测含水率比实际含水率高2.8 %，预测密度比实际密度小0.02，而B 区预测含水率比实际含水率高5.3 %，预测密度比实际密度小0.04。因此，为减小预测的误差，若将含水率预测值再减小3 %～5 %，将密度的预测值再减小0.02～0.04，则可将预测的压缩率误差减小至5 %以下。

5 结语

1）以土的物性指标为基础，推导出了真空预压土体的压缩率计算公式。经试验数据验证，三个公式计算得到的各土样压缩率与土样的实际压缩率误差较小，有较好的一致性。

2）真空预压后土的含水率、孔隙比和密度与土的塑性指数均有中～高的相关性，并据此建立了三个指标与塑性指数的相关函数关系。

3）以真空预压试验前后土的物性指标计算的各土样的压缩率与实际压缩率的误差一般为±5%之间，平均为-0.74 %，误差较小。

4）以真空预压试验前土样的物性指标和塑性指数预测得到的真空预压后物性指标计算得到的各土样压缩率与实际压缩率的误差一般在±20%之间，平均为-5.26 %。