增压防堵真空预压加固吹填土对比试验研究

近年来随着我国基础建设的大规模开展，土地资源日趋紧张。在沿海地区应用吹填围海造陆的施工方法正被大规模使用，形成了以淤泥质土为主的吹填土地基。吹填土具有含水率高、孔隙比大、渗透性差和强度低等特点，导致其承载力很低，所以必须对吹填土地基进行加固处理。

真空预压不仅能够大幅度提高吹填土地基承载力，而且具有较好的经济效益，使其成为目前最常用的吹填土地基加固方法。由于常规真空预压方法需要中粗砂垫层作为水平排水通道，受中粗砂价格上涨和环境保护的制约，常规真空预压方法发展遇到了瓶颈。

直排式真空预压和增压防堵真空预压都是在常规真空预压基础上发展而来，和常规真空预压相比，它们都具有真空利用率高、原材料省、工程造价低和对环境友好等特点，国内一些学者已经对直排式真空预压较常规真空预压的优势做了许多研究［1-3］。由于增压防堵真空预压出现时间较短，目前关于增压防堵真空预压的研究较少。

1 真空预压原理简介

真空预压过程是在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，实质为利用大气压差作为预压荷载，使土体逐渐排水固结的过程［4］。由于密封膜把土体和大气隔离，抽真空时使得砂垫层和排水板的孔隙水压力迅速下降，逐步形成负压，并导致土体内部的孔隙水压力和排水板内的孔隙压力存在压差。在压差作用下，土体中的孔隙水由排水板通道排出，孔隙水压力降低。根据Terzaghi有效应力原理可知:在总应力不变的条件下，若孔隙水压力降低，则有效应力增加，其真空预压原理如图1所示。

图1 真空预压原理示意

2 几种真空预压方法简介

2.1 常规真空预压

常规真空预压是在需要加固的软土内打设排水板，然后在地面铺设中粗砂垫层作为横向排水系统，再在砂垫层顶部铺设密封膜，利用射流真空泵进行抽气，形成真空度。常规真空预压加固断面如图2所示。

图2 常规真空预压加固断面

2.2 直排式真空预压

直排式真空预压法是在常规真空预压基础上取消了水平排水砂垫层和滤管，用密闭的主管、支管、连接管与排水板上部直接相连，与排水板形成封闭的真空压力传递系统，消除了真空压力传递过程中在水平排水砂垫层和滤管中的能量损耗，显著提高了排水板内真空压力和真空作用能效［1］。直排式真空预压加固断面如图3所示。

图3 直排式真空预压加固断面

2.3 增压防堵真空预压

增压防堵真空预压也是在常规真空预压基础上发展而来，增压防堵真空预压加固断面如4所示。和常规真空预压方法相比，增压防堵真空预压方法做了如下改变［5-6］:

图4 增压防堵真空预压加固断面

(1)取消了水平砂垫层，用手型接头将排水板和钢丝软管连接组成水平排水系统;

(2)采用防淤堵无纺布滤膜PDPS整体式排水板代替普通FDPS塑料排水板;

(3)增加了表层增压系统。

2.4 增压的施工工艺和增压原理

增压系统通过在防淤堵排水板中间设置增压管，和外面的增压泵通过气管相连。吹填土在真空作用下适当时间开始增压。增压采用间隙式增压，首先保持真空在0.08 MPa以上，然后开始逐步加正压至0.02 MPa，使出水量明显减少后逐步加正压至0.00～0.02 MPa，在增压过程中要保持真空不小于0.08 MPa，连续抽至无出水。现场可根据实际情况调整增压系统。

吹填土内的自由水在真空压力作用下，向排水板移动，孔隙水压力减小，进而有效应力增加，土体固结被加固。但由于吹填土的渗透系数很小，有机质含量很高，导致在真空预压后期真空压力变化不明显。增压时，增压管内为正压，塑料排水板内为负压，塑料排水板和增压管之间会产生压力差。自由水在压差作用下产生，向排水板的定向流动。加速了孔隙水的流动，进而使土体的有效应力增加，土体加速固结。

2.5 增压防堵、直排式和常规真空预压对比

常规真空预压真空度由水平排水系统(主管、滤管和砂垫层)传递到塑料排水板，再由塑料排水板传递到预压土体。在真空度传递过程中，由于水平排水系统的阻尼作用，导致真空度损失很大。已有的资料［7-9］表明，真空泵抽水形成的近1个大气压的真空压力，经水平排水系统后有一定幅度的下降，下降幅度达10～15 kPa;排水板内的真空度受土层和排水板滤膜的影响，采用常规塑料排水板作为竖向排水系统，在软土中板底的真空度比板头衰减更大。

与常规真空预压法相比，增压防堵真空预压用手型接头和钢丝软管替代水平排水系统，可使真空压力基本无衰减地传递到软土地基的排水板中，可加速吹填土的排水固结;而防淤堵无纺布滤膜PDPS整体式排水板在材料和孔径上板较普通的FDPS塑料排水板更具优势，防淤堵效果更好。综上所述，在增压防堵真空预压的水平和竖向排水系统内，真空压力传递过程中能量损耗较常规真空预压法有显著降低，进而提高了排水板内真空强度和真空作用能效。同时，手型接头和钢丝软管替代砂垫层能有效地降低工程造价，更符合环保的要求。

直排式真空预压也取消了水平砂垫层，和增压防堵真空预压的区别在于塑料排水板和增压系统，直排式真空预压采用普通塑料排水板，增压防堵真空预压采用防淤堵无纺布滤膜PDPS整体式排水板;直排式真空预压没有表层的增压系统。各种真空预压方法的区别见表1。

表1 不同真空预压方法的区别

3 试验概况

3.1 工程概况

天津新港北铁路集装箱中心站工程站场吹填土地基试验段工程场区地层主要为第四系全新统至上更新统的冲海积层，岩性以黏性土、粉土、粉砂、细砂、淤泥、淤泥质土为主，表覆第四系全新统人工吹填土层，从新到老分述如下。

(1)冲填土(Q4 ml):灰色、褐灰色、灰褐色，流塑，厚度13.0 m左右。

(2)海相沉积层(Q4 m)

粉质黏土:灰色、褐灰色、灰褐色，软塑～流塑，层状分布。

粉土:灰色、褐灰色、灰褐色，中密～密实，潮湿，层状分布。

(3)海陆交互相沉积层(Q4al+m)

黏土:灰黄色、褐黄色，黄灰色，软塑～硬塑，透镜状分布。

粉质黏土:灰黄色、褐黄色，黄灰色，软塑～硬塑，层状分布。

由试验段地质条件可知:场地上部覆盖13 m厚的吹填土，吹填土的物理力学性质较差，必须经地基处理后才能满足沉降和稳定的要求。真空预压是处理吹填土地基最常用的方法，鉴于常规真空预压目前遇到的瓶颈，试验段优先考虑直排式真空预压和增压防堵真空预压进行加固，为比较增压防堵真空预压和直排式真空预压在加固效果及经济上的优劣，以及为真空预压设计提供设计参数，特设立试验段进行验证分析。

3.2 试验方案

试验段采用直排式真空预压和增压防堵真空预压进行对比试验，分别进行试验过程监测及加固效果检测。试验区主要设计参数如表2所示。

3.3 试验段的监测与检测

为全面反映真空预压施工质量及加固效果，对直排式真空预压和增压防堵真空预压进行对比研究，参考已有的资料，在加固区布置多项监测和检测项目［10-11］。

(1)试验段的监测

表2 试验区主要设计参数

其中包括:地表沉降、孔隙水压力、水平位移、地下水位、膜下真空度等，并对真空预压全过程进行跟踪监测。

(2)试验段的检测

为判定软基处理完成的效果，在地基处理完成后在加固区内钻孔取样，进行室内土工试验，以获取土样的相关物理、力学性质指标。

预压前后地基进行原位测试，原位测试包括:载荷试验、静力触探、十字板强度试验。监测和检测项目平面布置如图5所示。

图5 试验段监测和检测项目平面布置

4 监测数据分析

通过对真空预压的监测和检测，掌握了真空预压过程中吹填土地基的分层沉降、孔隙水压力、深层水平位移等的变化情况，为分析增压防堵真空预压和直排式真空预压提供了数据支持。

4.1 地表沉降观测

试验段上部土层为新近吹填土，为欠固结土。吹填土地基的沉降主要包括打板期沉降、预压期沉降和工后沉降。插板期间沉降就是在真空预压法进行地基加固时，对于插板前土体中有尚未消散超孔压的地基土在插板过程中产生的固结沉降［12］。在打设塑料排水板过程中以及打设之后铺膜之前，排水板缩短了吹填土的排水路径，地基土在其自重压力作用下，产生固结沉降。试验区监测过程中实测地表沉降量包括打板期沉降和真空预压期间沉降，试验区地表沉降实测汇总如表3所示。

从表3可以看出，相同的加载时间下，采用增压防堵真空预压加固后的吹填土地表沉降较采用直排式真空预压加固的地表沉降大66 mm。分析原因如下:PDPS整体式排水板较常规的FDPS塑料排水板防淤堵效果更好，地基沉降在初期发展更快;另外表层增压系统能够加速表层吹填土的固结，进而沉降更大。

表3 试验区地表沉降实测汇总

4.2 分层沉降观测

试验1区和2区的深层分层沉降统计如表4和表5所示。从表4和表5可以看出，无论是直排式真空预压还是增压防堵真空预压，对吹填土地基都起到了很好的加固效果。增压防堵真空预压比直排式真空预压在排水板中下部土层压缩率相近，加固效果差异较小;在表层，土层经增压防堵真空预压加固后压缩率明显大于经直排式真空预压加固的土层，增压防堵真空预压对吹填土在表层的加固效果更好。

表4 试验1区分层沉降统计

表5 试验2区分层沉降统计

4.3 孔隙水压力监测

在排水板打设完成之后，为观测试验区的孔隙水压力消散情况，在每个试验区中心附近埋设1组孔隙水测头，自地表以下2 m起向下每隔2 m埋设一个孔隙水压力测头，最大埋设深度为地表下13 m。根据观测结果绘制孔隙水压力变化曲线如图6和图7所示。

从图6和图7可以看出:在抽真空之前，吹填土地基内的孔隙水压力明显大于测头位置的静水压力，即吹填土地基内存在超静水压力，地基土为欠固结土，与吹填土地基的应力历史基本吻合;抽真空以后，各个测点的孔隙水压力值均呈现下降趋势，但是受真空度衰减、土层土性的影响，各个测点的变化值存在较大差异，试验1区孔隙水压力变化值为45.8～87.5 kPa，试验2区孔隙水压力变化值为42.9～103.5 kPa。

图6 试验1区孔隙水压力变化曲线

图7 试验2区孔隙水压力变化曲线

4.4 水平位移监测

依据观测结果绘制试验1区和2区的深层水平位移曲线如图8所示。由图8可以看出:在真空预压过程中，试验1区和2区压膜沟外的土体都呈现向内侧移动的趋势，最大水平位移发生在预压地面表层，深层水平位移量随着深度的增加逐渐减小，影响深度可达到地表以下15 m。

图8 试验段水平位移曲线

5 加固效果分析

真空预压前后分别进行了现场取土和室内土工试验、十字板剪切试验、静力触探试验，加固后进行了载荷试验。

5.1 加固前后各土层变化

试验区吹填土经过增压防堵真空预压和直排式真空预压地基处理之后，土体含水率、孔隙比降低，而压缩模量和剪切强度均有所提高。加固前后吹填土地基物理力学指标变化情况如表6和表7所示。

从表6和表7可以看出:除了试验2区②1土层受试验因素影响，个别数据不准确外，加固土层物理力学指标变化明显。

(1)物理性指标

采用增压防堵真空预压加固后①2淤泥、②1淤泥质粉质黏土和②2淤泥的含水量分别下降了30.1%、19.1%和20.7%，直排式真空预压加固后①2淤泥、②1淤泥质粉质黏土和②2淤泥的含水量分别下降了24.3%、10.8%和 14.5%;孔隙比分别降低了14.0% ～28.0%和10.4% ～23.3%;液性指数分别降低了23.9% ～40.2%和20.2% ～40.4%。

表6 增压防堵真空预压区加固前后土的物理力学指标对比

表7 直排式真空预压区加固前后土的物理力学指标对比

(2)力学性指标

增压防堵真空预压加固后的土体力学指标有明显改善，加固后①2淤泥、②1淤泥质粉质黏土和②2淤泥的压缩模量分别提高了18.7%、13.0%和67.6%，②1淤泥质粉质黏土和②2淤泥的黏聚力分别提高了2.3 kPa和3.1 kPa;直排式真空预压加固后①2淤泥和②2淤泥的压缩模量分别提高了15.0%和58.1%，黏聚力改善效果并不明显。

对比可知，增压防堵真空预压加固后的土体工程性质更好。

5.2 十字板剪切试验

试验区加固前后十字板剪切强度如图9所示。通过加固前后现场十字板剪切试验可以看出，采用增压防堵真空预压和直排式真空预压加固后，土层的抗剪强度均有所提高。土层的十字板抗剪强度由加固前1.1～34.2 kPa增到加固后12.0～47.8 kPa。

图9 加固前后十字板剪切强度对比

6 结论与问题

6.1 结论

新工艺和新材料在真空预压中的应用，国内外很多学者做了多方面的研究，而且取得了很多成果，通过增压防堵真空预压和直排式真空预压的对比试验得到如下结论。

(1)增压防堵真空预压采用手型接头将PDPS整体式排水板和钢丝软管相连作为水平排水系统，替代常规真空预压的中粗砂垫层，提高了排水板内真空强度和真空作用能效，能有效地降低工程造价，更符合环保的要求。

(2)加固吹填土地基增压防堵真空预压和直排式真空预压都能起到很好效果，但是增压防堵真空预压在初期沉降速率更快，相同工期内沉降更大;增压防堵真空预压能节省更多的预压时间。

(3)增压防堵真空预压加固后的土体物理力学指标均有明显改善，增压防堵真空预压加固后的土体较直排式真空预压加固后的土体工程性质更好。

6.2 存在的问题

(1)对比试验中增压的作用效果，在监测中并不明显;而且关于增压的压力、增压的时间以及增压效果的检测还存在不明确之处。

(2)与直排式真空预压相似，采用现有规范推算真空预压的沉降和固结度时，推算结果并不完全适用于增压防堵真空预压。

因此，为解决以上问题增压防堵真空预压有待进一步研究。