真空堆载联合预压地基沉降分析有关问题探讨

韩志霞,崔俊杰,王 凯,刘 浩

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

目前，真空预压加固地基的沉降分析计算仍按照传统的堆载预压方法进行。但国内外试验研究与工程实践均表明，真空预压的作用机理、真空度(附加荷载)衰减规律、有效加固深度等与堆载预压均有相当大的差异，按堆载预压相关规定及计算方法分析得到的真空预压地基总沉降、固结度等与实际监测数据有较大差距；对于为加快地基固结沉降，采用真空、堆载联合预压的工程，单纯地把真空预压荷载等效为堆载荷载，进行地基沉降分析，其计算结果与现场实际监测数据的差异则更大[1]。拟从分析真空预压的作用机理入手，结合现场试验与监测[2]，对真空预压的真空度衰减规律、有效加固深度等进行研究，分析其与堆载预压的附加荷载传递规律、计算压缩层厚度的差异，进而探讨真空堆载联合预压沉降分析的合理规定与计算方法，旨在提高其计算准确度。

2 堆载预压与真空预压机理

真空预压与堆载预压同属于排水固结法，排水固结法加固软土地基的基本原理为Terzaghi有效应力原理。在分析真空预压的作用机理之前，有必要了解堆载预压的加固机理[3]。

2.1 堆载预压机理

堆载预压是在建筑场地临时堆填土石或以建筑物荷载等对软土地基进行加载预压。在附加荷载的作用下，地基中首先产生正的超静水压力，孔隙中的水随着时间缓慢排出，孔隙体积随之减少，地基发生固结变形。同时，随着超孔隙水压力消散，有效应力逐渐提高，地基土强度逐渐增长。在工程实践中，通常需打设竖向排水通道(塑料排水板)缩短排水路径，或采用超载预压措施，以加快固结过程的发生。

2.2 真空预压机理

真空预压是在地基总应力不变的条件下，孔隙水压力降低，有效应力增加的过程，一般可看作是利用大气压差作为预压荷载，使地基逐渐固结的过程。抽真空时，由于密封膜把地基和大气隔离，使得砂垫层和竖向排水通道(塑料排水板)内的孔隙水压力迅速下降，逐步形成负压，并导致地基中的孔隙水压力和竖向排水通道内的孔隙水压力形成压差。在压差作用下，地基孔隙中的水通过竖向排水通道迅速排出，孔隙体积减小，完成固结过程。

3 堆载预压沉降分析基本方法与规定

3.1 基本思路与方法

采用排水固结法加固软土地基，其沉降主要由瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降组成。一般情况下地基沉降主要是固结沉降，对于新近吹填造陆形成的吹填土地基，其瞬时沉降会占相当的比例，对于泥炭土、有机质土或高塑性黏土，其次固结沉降则不可忽视。

采用堆载预压法加固软土地基，其沉降分析的基本假定：压缩时地基土不产生侧向变形，地基最终固结沉降量等于压缩层范围内各土层压缩量的总和。沉降计算通常如下：先计算地基固结沉降，见式(1)，再乘以一个大于1.0的综合修正系数，以考虑瞬时沉降、次固结沉降以及土工试验精度等因素的综合影响，得到地基总沉降，见式(2)。

(1)

S∞=msSc

(2)

式中，Sc为地基固结沉降量；n为地基压缩层范围内土的层数；e0i为第i层土中点处自重压力对应孔隙比；e1i为第i层土中点处自重压力与附加应力之和对应孔隙比；hi为第i层土厚度；ms为综合修正系数；S∞为地基总沉降量。

3.2 附加应力计算与压缩层厚度确定

3.2.1 附加应力计算

对于堆载预压，附加荷载在地基中产生附加应力，附加应力随深度扩散，在地基中形成附加应力场。附加应力的计算，一般采用Boussinesq半无限表面上作用集中力的弹性解。

3.2.2 地基压缩层厚度确定

软土地基压缩层厚度在不同行业的常用确定方法不同：建筑行业，常采用某一深度处一定厚度土层的变形占地表以下该深度范围内总变形的比值不大于0.025，作为判定标准；铁路行业，主要利用路基附加应力与地基自重应力之比进行压缩层厚度判断，根据铁路轨道类型和地基土性质，一般取0.1～0.2，作为判定标准。

以上沉降分析与计算方法简便易行，相关假设和规定较合理，在工程中广泛应用，积累了相当的经验，普遍被相关规范采纳。

4 真空预压的真空度衰减与有效加固深度

国内外学者在大量科学试验的基础上，对真空预压加固机理进行了研究，目前主要存在正压固结、负压固结、真空渗流场等固结理论[4-6]。无论哪种固结理论，真空预压沉降分析与计算的主要方法，都是基于Terzaghi有效应力原理，均采用单向压缩的分层总和法。但鉴于真空预压和堆载预压的机理不同，其真空度衰减(等同于附加应力传递)规律、有效加固深度(等同于堆载预压的压缩层厚度)的确定非常关键。

分析真空预压作用机理，主要是研究负压在竖向排水通道及地基中的扩散、衰减规律，即竖向排水通道中的真空度衰减与地基土中真空分布规律。一方面真空在地基土中的扩散与在竖向排水通道中的衰减有很大差异；另一方面由于竖向排水体井阻与涂抹作用的存在，真空在竖向排水通道中的分布也是复杂的。理论分析确定地基中的真空分布规律较困难，通过工程实际监测，可间接分析竖向排水通道及地基中的真空分布规律，进而可以研究负压的扩散、衰减规律[7]。

真空预压时，与堆载预压压缩层厚度确定相对应的问题，就是真空预压有效加固深度的确定。以前有一种观点，认为其有效加固深度与真空提水的极限深度一致，为10 m 左右。另一种理论认为真空预压加固地基的作用由两部分组成，真空渗流场引起的真空预压作用，以及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部分地基[5]。

5 真空堆载联合预压试验与真空度测试

5.1 工程概况

天津新港北铁路集装箱中心站先期工程(以下简称“新港北铁路工程”)总面积约70万m2，场区所在位置原为天津东疆港的滨海滩涂，地基土为刚完成围海造陆的吹填土，厚13～22 m。地基土呈层状分布，以淤泥、淤泥质土为主，含水量高、灵敏度高，具流变性和触变性，工程性质极差[8]。

新港北铁路工程包括到发区、装卸区、集装箱区以及杂货堆场等区域，场区内根据需要设置环形道路和铁路正线、到发线、装卸线、机走线[7]。场区内的箱区、堆场根据选定的联锁块铺面类型，其沉降控制标准确定为50 cm，道路、铁路等按其等级，并考虑与相邻工程的协调，确定沉降控制标准为20～30 cm。

考虑到吹填造陆工程刚完成，地表仍有未排干的海水，施工机械和人员进场困难；地基以淤泥、淤泥质黏土为主，地下水具硫酸盐、镁盐、氯盐等侵蚀性，搅拌桩等水泥土桩复合地基成桩质量难以保证。设计选择真空堆载联合预压作为本工程的地基处理方法，同时考虑到天津滨海一带中粗砂来源困难，采用了无砂垫层的增压防堵直排真空预压技术[9-13]。

5.2 真空度测试

为分析真空预压阶段、真空堆载联合预压阶段吹填土地基的变形规律，确定真空预压的卸载时间，对真空预压过程进行质量监控，评估真空堆载联合预压效果，施工期间埋设了分层沉降管、孔隙水压计、真空计等元件进行了综合监测。下面着重分析地基中真空度的测试数据，探讨地基中真空场的分布规律，进而分析真空预压的有效加固深度[14]。

5.2.1 密封膜下真空度随时间变化规律

图1为密封膜下真空度随时间变化曲线。由图1可以看出，初始阶段随着空气被迅速抽出，密封膜下真空度随时间快速上升，随后稳定在85 kPa左右，整个抽真空期间膜下真空度变化不大，卸载以后密封膜下真空度快速下降。

图1 密封膜下真空度随时间变化曲线

5.2.2 塑料排水板中真空度随时间变化规律

图2 塑料排水板中真空度随时间变化曲线

图2为塑料排水板中真空度随时间变化曲线。由图2可以看出，塑料排水板(设计深度13 m)中的真空度，初始阶段，几乎与密封膜下真空度一样，快速上升；随着抽气时间增加，塑料排水板中各深度处的真空度均趋于相对稳定，浅部真空度随时间变化曲线与密封膜下真空度几乎一致。

5.2.3 淤泥中真空度随时间变化规律

图3为淤泥中真空度随时间变化曲线。由图3可以看出，淤泥中的真空度随着深度增加迅速减少，远小于密封膜下真空度；随着深度增加，淤泥中真空度的衰减梯度很大，远大于塑料排水板中真空度的衰减梯度。上述现象说明淤泥中真空扩散阻力很大。且淤泥中真空的扩散存在滞后现象，不同深度淤泥中的真空启动时间差异明显，深度越深滞后现象越明显。

图3 淤泥中真空度随时间变化曲线

5.2.4 塑料排水板中真空度随深度变化规律

图4为抽真空15，30，60，90 d时，塑料排水板中真空度沿深度变化曲线，地基表层以下上部真空度衰减较快，下部真空度衰减相对较慢，真空度沿深度衰减的平均值约为4 kPa/m，塑料排水板底部处真空度接近40 kPa，说明真空预压的有效加固深度可达整个塑料排水板的打设深度。

另外，本项目测试的真空度沿塑料排水板深度衰减值约为4 kPa/m，相对偏小，说明设计采用的防淤堵无纺布滤膜整体式排水板的加固效果良好。

图4 塑料排水板中真空度沿深度变化曲线

5.2.5 淤泥中真空度随深度变化规律

图5为抽真空30，60，90 d时，淤泥中实测真空度沿深度分布情况，从图5可以看出，抽真空开始，浅部淤泥中的上升幅度相对较大，深部出现迟滞现象。抽真空历时30 d时，淤泥中5 m深度以下仍没有真空度；抽真空历时90 d时，淤泥中5 m深度处的真空度也不到20 kPa。说明淤泥中真空度沿深度衰减相当明显。

图5 淤泥中真空度沿深度分布变化曲线

从图1～图5中可以发现，真空预压的有效加固深度可达整个塑料排水板的打设深度。地基中淤泥内的真空度随着深度增加则迅速减少，远小于密封膜下真空度；淤泥内的真空度衰减很快，远大于塑料排水板中的真空度衰减梯度；淤泥中真空度存在滞后现象，其有效加固时间远少于塑料排水板。以上现象表明：对于真空预压，竖向排水通道(塑料排水板)的作用，不同于堆载预压时的仅限于缩短排水路径，更为重要的是其决定了真空场的空间分布，构成了真空预压所必须的负压边界，决定了真空预压的有效加固深度[15]。

6 真空联合堆载预压沉降分析方法探讨

6.1 真空联合堆载预压沉降分析方法优化

综合前述理论分析和现场监测数据验证，地基在堆载作用下形成正压附加应力场，对于铁路工程，软土地基的压缩层可采用附加应力与自重应力之比等于0.1计算其厚度；在抽真空作用下形成稳定负压渗流场，稳定负压渗流场的作用范围限于竖向排水体(塑料排水板)的加固范围[16](图6)。

图6 真空堆载联合预压沉降分析示意

另外，真空预压期间，由于地下水位下降，在地基中产生额外正附加应力，新地下水位线以下部分的地基土，受此影响也会产生额外固结沉降，其加固效果与单纯由抽真空引起的加固效果可以看作是独立的，其压缩层厚度可按堆载预压的相关规定计算。不过，要注意其起算面为下降后新的地下水位线[17-18]。

根据上述分析，真空堆载联合预压的固结沉降可表示为

Sc=Slc+Svc+Swc

(3)

式中，Sc为地基总固结沉降量；Slc为堆载预压固结沉降量；Svc为真空预压固结沉降量；Swc为地下水下降引起的固结沉降量。

地基总沉降则可按式(2)计算。

6.2 新港北铁路工程总沉降修正系数建议

通常计算堆载预压地基总沉降时，修正系数ms一般取值1.1～1.4，以考虑瞬时沉降和次固结沉降的影响。由于真空预压加固地基属于等向固结，因此，ms不能简单参照堆载预压的取值[19]。

选取新港北铁路工程ZY-3真空预压区作为研究对象，吹填土厚度12.5 m，打插塑料排水板深度13 m。其荷载组成包括：真空荷载85 kPa；堆载荷载包括密封膜下施工土垫层厚0.9 m、密封膜上覆水深0.5 m、后期场区填土厚1.0 m；地下水下降幅度平均2.0 m。

根据不同荷载的影响深度和作用时间[20]，施工期间的沉降分析结果见表1，结合新港北铁路工程的其他监测数据分析，建议类似地基条件下真空联合堆载预压(联合预压的堆载换算高度按2.0 m计)的修正系数可取0.85。

表1 新港北铁路工程修正系数取值建议

7 结论

(1)通过真空预压与堆载预压内在作用机理分析发现，该两者属排水固结法，其沉降分析与计算的主要方法均基于Terzaghi有效应力原理，建议采用单向压缩的分层总和法进行计算。

(2)探索了真空预压有效加固范围的决定因素。真空预压竖向排水通道(塑料排水板)的作用不同于堆载预压时的仅限于缩短排水路径，其决定了真空场的空间分布，构成了真空预压所必须的负压边界，决定了真空预压的有效加固深度。

(3)明确了真空和堆载预压因加固机理不同导致有效加固深度存在明显差异。真空预压的有效加固深度为整个塑料排水板的打设深度，软土地基堆载预压的压缩层深度以地基表面为起算面，并采用附加应力与自重应力之比为0.1进行计算。此外，地下水下降引起的压缩层深度可采用附加应力与自重应力之比为0.1计算，起算面为新的地下水位线。

(4)优化了真空堆载联合预压沉降计算方法。真空-堆载过程可看作真空荷载、堆载荷载、地下水下降分别预压的过程，分别对其进行固结沉降分析，再进行叠加并修正计算其地基总沉降。考虑真空预压属于等向预压，真空堆载联合预压的总沉降修正系数通常要小于单纯堆载预压修正系数。