匀速等量堆载的真空联合堆载预压下吹填土工程特性试验研究

随着温州地区基础设施的建设，可用土地面积越来越少，人们对于土地的需求日益增大。吹填土是所需用地的主要来源，该类土具有高含水率、大孔隙比、渗透性低、抗剪强度低、地基承载力低等一系列不利工程特性[1]，需进行处理之后才能进行开发应用。真空预压法具有工艺简单、造价低、有利于环保等优点广泛应用于吹填土加固中。但随着海涂围垦的发展，需加固的土体越来越深，传统真空预压法对于深层软土处理效果不佳，需进行再处理才能达到深层土体的设计要求[2—5]。真空联合堆载预压法兼具真空预压和堆载预压的优点[6]，是一种较有效的软弱土地基处理新技术，可以满足时代的发展需求；但在真空度、孔压、沉降和加固效果等方面与真空预压有所差异。许多学者都研究过其作用机理, 以数值模拟或工程案例为主[7—9]。数值模拟是在理想模型的基础上进行计算分析，与现实情况有所差异。在实际工程中，由于项目工期、资金、天气和施工等影响因素，堆载时间和堆载量无法达到预期要求，导致真空联合堆载预压的监测数据变化规律难以摸索。室内模型试验既能够控制一些变量，也具有一定的现实意义[10]。娄炎等[11]通过工程实际和应力路线分析真空联合堆载预压时分级加荷和加荷速率的必要性，认为实际工程中第一级总荷载控制在50～60 kPa以内比较合适。因此，为了探索真空联合堆载预压法监测数据的变化规律和加固效果，本试验控制加载速率和加载量，以5 kPa/d的堆载速率进行真空联合堆载预压加固温州地区吹填土室内模型试验，并与传统真空预压法相比较，得出了合理的试验结论。

1 试验土样

试验所用土样取自温州洞头区沙岗村附近滩涂围垦区，取样深度为地面下0.5 m。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)通过室内土工试验测得模型箱内吹填土的基本物理性质参数见表1，土体强度统计值见图1。

2 模型试验

2.1 试验目的和内容

表1 试验土样基本物理参数
Table 1 Physical properties indexes of soil

图1 土样强度统计值
Fig.1 Soil strength statistics value

为了探究真空联合堆载预压下吹填土工程特性，本试验控制了堆载量和堆载时间，以匀速等量的堆载方式进行“排水板+真空预压+堆载预压”室内模型试验，堆载分为4级，并与“排水板+真空预压”加固方法进行对比，分析不同时期监测数据变化情况、原因和工后加固效果，为将来的实际工程作参考。试验方案见表2。

表2 试验方案
Table 2 Test plan

2.2 试验装置及过程

试验模型装置如图2、图3所示。试验模型箱尺寸为长×宽×高=1.8 m×1.8 m×1.2 m，模型箱由三面钢板和一面钢化玻璃制成，厚度均为10 mm。试验泥面高度1 m。箱内分为中央处理区(1 m×1 m)和非处理区。其中处理区由监测系统、排水体系和密封体系构成。监测系统包括真空表及探头、刻度尺和孔压传感器；排水体系包括排水管、真空泵和新型防淤堵塑料排水板[12]；密封体系包括聚氯乙烯密封膜、编织布和土工布。堆载采用30 kg/块的砝码。

图2 模型试验装置
Fig.2 Model testing device

图3 试验实物
Fig.3 Actual object

将未处理土体注入试验箱进行整平，然后静置三周。静置后在土体自身重力作用下，孔隙水会析出聚集在土体表层。通过虹吸法将其排出试验箱。排水板表层和深度0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m处安装Y—60型真空表探头，用于监测排水板中的真空度。在土体0.2 m、0.6 m深度处放置YH04—B03型孔压传感器，用于监测孔隙水压力。将捆绑着排水板、真空表探头、孔压感应器的支架埋入处理区。

在处理区土体上方将排水板通过连接组件与抽真空管(排水管)相连，然后依次铺设土工布、编织布，最外层是聚氯乙烯密封膜。为了保证密封性，提高处理效果，密封膜尽可能地埋设到处理区边缘土体深处。排水管另一侧与真空泵连接，形成“排水板+真空预压”联合处理方法。在前者的基础上将砝码放置在密封膜上进行堆载预压，形成“排水板+真空预压+堆载预压”联合处理方法。最后开启真空泵抽真空。

3 试验结果及分析

3.1 真空度

抽真空时，密封膜内空气被抽出，处理区内外形成压力差，这个压力差称为“真空度”[13]。根据试验过程中的实时真空度数据绘出其膜下和板中真空度随时间变化曲线(图4)。从图4可知：①堆载前，真空-堆载组和真空组的真空度相差较小，其中膜下真空度保持最好，可以达到-90 kPa以上。但随着深度的增加，板间真空度呈现下降的趋势，是因为塑料排水板的井阻作用导致真空度传递受阻。从能量的角度分析，气体分子从高密度土体向低密度土体运动时，会因阻力而做负功，从而导致能量损失，所以真空度会随深度的增加而衰减。②堆载时，板间真空度有所增加。这是由于堆载导致总应力增加，克服了一部分对水的垂直渗流阻力，从而促进真空度的传递。③随着处理时间的推移，由于周围土体开裂等原因，处理区密封性下降导致真空度呈整体下降趋势。试验结束时，真空-堆载组的真空度优于真空组，说明堆载可以提高处理区密封性。

图4 排水板中真空度随时间变化的曲线
Fig.4 Curves of vacuum degrees in the PVDs change with time

3.2 孔隙水压力

图5为不同深度孔隙水压力随时间变化图。由图5可知：①两组试验中，孔压随着试验的进行整体呈消散趋势。抽真空初期，孔压消散缓慢，是因为未处理吹填土含水量很高，土颗粒处于悬浮状态，无法形成有效的应力传递路径。试验中期，在真空负压的作用下孔隙水排出，土颗粒骨架形成，有利于应力的传递，孔压消散速度加快。试验后期随着土体的排水固结，孔压消散速度减缓。②同一时刻，随着深度的增加，孔压消散量减小，这与真空度在土中随深度分布的规律相同。从侧面反映出处理效果随着深度的增加而减弱。③堆载时，土体及其中的孔隙水承受来自外界的附加应力，形成超静孔压。孔压消散较快时期，前期堆载产生的一部分孔压被迅速消散，因此前期堆载时孔压变化相对较小。随着时间的推移，孔压消散速度减缓，中期堆载时产生孔压大于消散的孔压，这时孔压会产生较大的上升。随着土中孔隙水的排出，土体固结度提高，相同堆载量下后期堆载产生的孔压会变小。④真空-堆载组最大孔压值为936 h的39.5 kPa，真空组最大孔压值为为816 h的32.5 kPa，相差7 kPa。说明真空-堆载组孔压消散量比真空组多，这是因为堆载压力压缩土体，加速土中孔隙水向排水板移动，在真空吸力的协助下，促进孔隙水排出处理区，从而使得孔隙水压力消散，提高了土体的固结效率。

图5 不同深度孔压随时间变化曲线
Fig.5 Curves of pore water pressures change with time

3.3 表层沉降

为了避免处理时密封膜横向变位造成读数误差，在处理区较内侧设置4个表层沉降监测点，取其平均值作为沉降数据。图6为表层沉降监测图。随着孔压消散和孔隙水的排出，沉降速度由快至慢，并逐渐达到稳定。真空-堆载组处理区平均沉降量为174 mm，真空预压对照组处理区平均沉降为141 mm。根据三点法公式推算最终沉降量和固结度：

图6 表层沉降随时间变化曲线
Fig.6 Curves of surface settlement change with time

(1)

(2)

式中，S1、S2、S3为t1、t2、t3时刻沉降量，mm；S∞为最终沉降量，mm；St为某时刻沉降量，mm；Ut为某时刻沉降固结度，%。

真空-堆载组最终沉降量为200 mm，最终固结度为87%；真空预压对照组最终沉降量为186 mm，最终固结度75%。说明真空-堆载联合预压与传统真空预压相比可以又快又好地处理吹填土地基。

堆载时，附加应力突然增加，土体孔隙中的弱结合水和自由水会被挤出，使得土体发生明显的瞬时沉降。随着处理时间的推移，处理区土颗粒在联合作用下会重新排列组合，土体固结度越来越高，有效应力逐渐增大，这种瞬时沉降逐渐减弱。

3.4 含水率

在排水板90°的方向，距其5 cm、15 cm、25 cm、35 cm的4个位置(图7)，沿土体深度每20 cm测一次含水率，绘制含水率变化图(图8)。由图8可见：①两组试验含水率随着深度和距离的增加而增大，其中真空-堆载组平均含水率由表面的42%变化到深度80 cm处51%左右；真空组平均含水率由表面的45%变化到深度80 cm处61%左右，说明真空-堆载联合预压处理效果要优于真空预压方法。②两组试验表层含水率相差较小为3%，随着深度的增加，在深度80 cm处两组试验含水率相差10%，说明真空-堆载联合预压与传统真空预压相比可以更好地处理深层土体。

图7 测点位置俯视图
Fig.7 Location of measuring point

图8 含水率随深度的变化曲线
Fig.8 Water content chang curve with different depths

3.5 十字板剪切强度

利用十字板检测土体抗剪强度对土体扰动小、检测速度快。本试验采用CLD-3型十字板，测点位置与含水率测点相同。十字板剪切强度如图9所示：①加固后，不同深度真空-堆载组十字板峰值强度为16～28.5 kPa，真空组十字板峰值强度为8.2～24.2 kPa，真空-堆载组土体整体强度要优于真空组。真空联合堆载处理后的土体强度相较于初始强度，表层和深层均有显著提高，提高了78.9%～87.5%。②十字板剪切强度随深度增加而减弱，这是因为真空负压随着深度的增加而衰减，其次排水板的淤堵也是底层土体强度较低的原因之一。真空-堆载组强度减少12.5 kPa，真空组强度减少16 kPa，进一步说明了真空-堆载预压法可以更好地处理深层土体。③堆载前(360 h)，真空组和真空-堆载组的真空预压值(真空度)相差不大，两组孔隙水压力消散量分别为-21.8 kPa、-22 kPa，二者相近，说明真空预压阶段两组试验土体固结效率相同。堆载后，真空-堆载组多施加了20 kPa堆载预压，加固后土体孔压消散量比真空组多7 kPa，十字板强度比真空组提高了4.3～7.8 kPa，说明总预压值越大，孔压消散量越多，土体固结效率越高，强度提升越大。

图9 十字板剪切强度随深度的变化曲线
Fig.9 Vane shear strength change curve with different depths

4 结论

通过本文设计的温州吹填土真空-堆载联合预压下匀速等量堆载与真空预压对比模型试验，得出以下结论。

(1)板中真空度随深度和时间而减弱。试验结束时，真空组和真空-堆载组膜下真空度较最大值均衰减6 kPa，板深90 cm处真空度分别衰减9 kPa、7 kPa，说明堆载会提高处理区密封性，促进真空度在深层土体中的传递。

(2)试验结束时，深度20 cm、深度60 cm处，真空-堆载预压比真空预压分别多消散7.4 kPa、5.6 kPa孔压，说明真空-堆载预压可以促进吹填土整体孔隙水的排出，更有利于孔压消散。

(3)真空-堆载预压沉降量为174 mm，固结度87%；真空预压沉降量为141 mm，固结度75%。堆载可以加快吹填土固结变形，提高固结度。

(4)加固后，真空组和真空-堆载组吹填土含水率范围分别在45%～61%和42%～51%，抗剪强度范围在8.2～24.2 kPa和16～28.5 kPa。说明真空-堆载预压处理效果更优，能够更好地处理深层土体。

(5)若要得到更好加固效果，在地基承载力允许的范围内，可以加大后期的堆载量。适用于实际工程的计算理论和堆载方案还需要进一步探索。