真空作用下软土固结机制及实例分析

雷鸣，徐汉勇，匡希龙，夏力农

(长沙学院 土木工程学院，湖南 长沙 410022)

摘 要：真空作用下土体固结机制不明确，严重制约了真空预压技术的推广。对比研究前人的固结机理，发现单纯从加载角度或者渗流角度难以解释土体固结现象，归纳出真空作用下土体固结有等向挤压固结、渗透压密固结和由水位下降造成的竖直向堆载固结3种类型。结合监测资料，分析加固区土体压力差及变形分布、土中超孔隙水压力变化和有效加固深度。研究结果表明：加固区内等向固结压力沿深度递减，同深度处靠近塑料排水板的各点大于远离塑料排水板的各点，呈水平波浪形分布；土体变形兼有等向压缩变形、竖向沉降和侧向挤出变形，土体最终变形结果为3种变形的叠加；超孔隙水压力先上升后消散，分析必须考虑孔压计受力膜内外压差影响；负压固结理论是土体产生渗透压密现象的理论基础，并无不妥。

关键词：真空预压；固结机制；软土地基；压力差；孔隙水压

真空预压法是利用排水固结原理加固软土地基的一种方法。此方法最早由瑞典皇家地质学院Kjellmen[1]于1952年提出，国内天津大学于1958年最早进行此方法的室内试验研究。之后该方法被广泛应用于港口、道路及铁路等工程当中，取得了巨大的成功和经济效益[2]。但是由于真空预压法的作用机理至今仍存在争议，严重影响了它的进一步推广。本文在对比研究前人机理的基础上，先分析真空预压加固软土机理，后结合工程试验资料进行验证，期望能给予工程界有益启迪。

1 真空预压机理研究现状

目前，真空预压机理主要有：1) 等效堆载理论；2) 负压固结理论[3−4]；3) 绝对孔隙水压力零点理论[5]；4) 真空渗流场理论[6−7]。等效堆载理论认为抽真空产生的膜内外气压差可以等效为数值相等的堆载，加固过程完全可以用堆载预压固结理论进行解释。但众所周知，堆载情况下土体将发生侧向挤出变形，这与真空作用下土体的侧向收缩变形相违，雷鸣等[8]研究表明，真空荷载不能简单地等效为堆载。负压固结理论认为，真空作用使土中产生负的超孔隙水压力，即负压。负压使土中水流出，负超孔隙水压力逐渐消散，转变为土中有效应力，土体得以加固，可用式(1)表示。

(1)

式中：Δσ′为有效应力增量；Δu为超孔隙水压力 增量。

整个过程土中总应力没有变化，即

(2)

式中：Δσ为总应力增量。土中的水都是由射流泵从下往上抽出的，水在土中产生渗透力的方向在有竖向排水通道时为水平指向通道，在无竖向排水通道时为竖直向上。根据渗透变形的方向应该与渗透力的方向一致原则，土体应该发生水平向收缩变形和竖直向上的变形，这不能解释真空作用下土体竖直方向的变形规律。绝对孔隙水压力零点理论认为抽真空使得边界上的孔隙水压力降低至“零点”，进而使得土中孔隙水压力分布不平衡，土体有效容重增加，土体得以固结。此理论虽可解释土体竖向变形规律，但也无法解释水平向变形规律。真空渗流场理论也存在着与负压固结理论相同的矛盾。

综上所述，现有真空预压土体固结机制理论都存在自身的局限性，建立既满足真空作用下土体的应力变化状态，又符合土体变形规律的机制是非常困难和复杂的。

2 真空预压下土体受力及变形分析

真空作用下，土体加固区界面上存在着压力差，主要有加固区边界压力差(加固区上表面密封膜内外压差ΔP1，加固区底部边界压差ΔP2，加固区侧向边界压差ΔP3)和竖向排水通道侧边压力差ΔP4，如图1所示。

(1)鼓励企业兼并重组，淘汰落后产能，提高技术和装备水平。发挥行业联盟作用，开展联盟企业座谈会，互通信息、交流经验、研究存在困难和问题及时的协调解决。

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图1 加固区边界及内部压差

Fig. 1 Differentialpressure in boundary and inside of improving region

这些压力差综合作用使得软土体产生固结现象。在真空预压的初始阶段，根据不少实测资料知道密封膜内外压差将迅速达到约一个大气压，即ΔP1。ΔP1不能等同为堆载，堆载是在竖直方向对软土体施加力，而ΔP1在各个方向相同，并且ΔP1在抽真空初始阶段只存在于且影响到贴近密封膜的砂垫层及浅层土体当中，对加固区的大部分软土作用不大。ΔP1使得砂垫层及浅层软土体产生等向压缩，水和空气被挤出，由射流泵抽走。软土体孔隙比大，抵抗变形能力差，孔隙通道无比细小，排出空气和水的能力极差，所以现场必须打设大量的竖向排水通道(砂井或者塑料排水板)，其担负着排水及向软土体深部传递ΔP1的重要作用。流体压力差的传递存在衰减现象，所以软土体中各点的压力差不相同，根据大量测量资料可以知道压力差沿深度是逐渐递减的，且在同一深度处竖向排水通道的压力差大于软土体中的压力差。理论上描述真空预压有效加固软土深度，应该是压力差为0的深度，或者是有微小压力差但土体不发生变形的深度。但是这个深度难以确定，因为这与所加固的土体性状、竖向排水通道的打设深度及间距、施工质量、地下水赋存情况等太多的因素有关。比如竖向排水通道打设深一些，间距小一些，加固深度则大一些。当土体某一深度处压力差很小，从土体单元中挤出的水的体积与周围地下水补充进来的水的体积相同时，则土体不再变形，此深度即为有效加固深度。有效深度面即为加固区底面，其上压力差为ΔP2，ΔP2为0或者是一个接近于0的数值。加固区侧向边界压差ΔP3和竖向排水通道侧边压差ΔP4沿深度逐渐向下衰减，它们是计算土体各深度处水平位移的关键。

真空预压是利用射流泵主动抽气抽水，在加固区边界形成上述压力差，进而使土体发生固结现象的过程。取任一深度处土体单元分析，土体单元受到附加应力(等向压力差) ΔP作用，土体单元中的颗粒和水将一起承担ΔP，则有

(3)

式中：Δσ′为有效应力增量；Δu为超孔隙水压力 增量。

土单元随Δu转变为Δσ′而固结，这符合太沙基的有效应力原理，由此得出真空作用下土体的总应力增加的结论。也就是说真空作用对土体施加附加应力，使土中超孔隙水压力上升，并逐渐转变为有效应力，土体单元发生等向收缩变形，土体固结。

从渗流的角度分析，真空作用的等向压力差在加固区各部位不相等，促使水从土中流出。水渗流的过程为：非稳态→稳态→非稳态→结束。初期，加固区各点的压力差都在发生变化，导致水流非稳态；中期，压力差恒定，水流稳态；后期，土体固结即将完成，水流非稳态。水在土中流动将因做功而使土颗粒重新排列，土体压缩，称为渗透压密[9]。加固区土体中的水汇集到塑料排水板中，塑料排水板中的水由下而上流动。前者将使得土颗粒发生水平方向的位移，导致土体渗透压密。

此外，真空作用会使每根竖向排水通道附近土体形成降落漏斗[10]，使得地下水位下降，原本属于地下水位以下的土体变成地下水位以上的土体，有效重度增加，除土体自身发生竖直向沉降及水平向挤出变形外，对下卧层也将产生类似堆载的效应，使得下卧层发生类似堆载情况下的变形。

由上述分析可知，真空预压作用下土体的响应过程是非常复杂的。主要表现为以下几个方面： 1) 加固区土体各点受到大小不同的等向压力，其大小由膜内外压力差及其传递情况决定。等向压力沿深度递减，在同一深度处靠近塑料排水板的各点大于远离塑料排水板的各点，大小呈波浪形分布。 2) 各处不同的等向压力使土中各点产生附加应力，由土骨架及孔隙水承担，土中总应力增加的同时，土中超孔隙水压力增大，随水排出而转变为有效应力，土体固结，符合太沙基有效应力原理。3) 土中水渗透方向为水平向，指向竖向排水通道，渗透力使土体发生渗透压密，土体发生水平向收缩位移的同时产生了竖向位移。4) 地下水位迅速下降，使相关土层有效重度增加，产生堆载效应，土体产生竖向沉降的同时发生水平向挤出变形。5) 不同时间段土体各点受力状态不同。比如浅层土体在真空作用初期受等向压力最大，渗透压密现象明显，固结速度非常快；而深层土体在真空作用初期受等向压力小，渗透压密现象不明显，但受地下水位下降形成的堆载效应明显，真空预压中后期，深层土体受等向压力变大，其渗透压密现象逐渐变得明显。

3 实例验证

3.1 工程基本情况

京沪高铁昆山试验段，长850 m，其中k0+ 276.51~k0+535采用真空预压软基加固，竖向排水通道采用塑料排水板，梅花形布设，打入深度为14.5~18.5 m，间距1.2 m，水平排水体采用厚度50 cm的砂垫层[11]。

地基土自上而下依次为：1) 黏土，软−硬塑，层厚0.76~3.6 m；2) 淤泥质粉质黏土，流塑，层厚3.2~16.5 m；3) 黏土，软塑−硬塑，厚0~7.4 m； 4) 粉土局部夹薄层粉砂或黏土，软−硬塑，厚0~ 5.4 m。

试验工程于2003年4月26日开始抽真空，6月20日正式路堤填筑，10月30日停止抽真空。4月26日至6月20日，可认为土体单纯受到真空 作用。

3.2 试验结果及分析

3.2.1 加固区压力差分析

真空预压加固软基，地表没有施加堆载，而是采用射流泵抽气抽水，通过PVC滤管、砂垫层及竖向排水通道在加固区边界及内部形成大小不同的压力差，这些压力差等向作用于相关土体中各点，使土体产生固结。膜内外压差可称为大气压差，而其他部位的压差可统称为流体压差。明确这些压力差在时间和空间上的分布规律，对分析真空预压加固软土的机理帮助颇大。

图2 塑料排水扳中压差

Fig. 2 Differentialpressure in drainage channel

图2和图3分别为塑料排水板中及地基土中的压差沿深度随时间的变化曲线。可知，膜内外压力差在8 h之内就达到了80 kPa以上，塑料排水板中及地基土中的压差随时间逐渐上升，塑料排水板中的压差上升速度明显快于地基土压差，并且在同一深度处塑料排水板中压差值大于地基土中压差值。压差都沿深度递减，表明流体压差的传递存在，且有能量衰减。塑料排水板中的能量衰减主要用于克服水的重力做功，地基土中衰减的部分主要用于对土骨架做功，使其产生位移响应。在5月2日至5月4日，因减少了射流泵工作台数，膜内外压差降低为50 kPa左右，导致塑料排水板及地基土中的压差有些许波动，旁证了加固区土体所受压力差大小主要由膜内外压力差决定的结论。18.5 m深度处塑料排水板中的压力差比较小，地基土中的压力差几乎为零，表明真空预压的有效加固深度为18.5 m左右，达到了塑料排水板的底部，远低于地下水位深度2 m。

图3 地基土中压差

Fig. 3 Differentialpressure in soft soil

3.2.2 加固区应力及变形分析

真空预压加固区土体的应力状态非常复杂，在抽真空的各个时期，加固区各部分土体受力都不同，这决定了土体的变形响应在不同时期也不同。如何理解抽真空各个时期加固区各部分土体受力状态是解释真空预压土体固结的关键。天然土体由三相组成，气、液两相充填于固相(土颗粒)搭建而成的骨架孔隙当中。抽真空初期，等向压力未传递至深层土体，基本只作用于贴近密封膜的砂垫层及浅层土体中，浅层土体存在等向挤压固结及渗透压密固结，产生竖向沉降、侧向收缩变形。同时，地下水位迅速下降，一部分水下土体变为水上土体，容重由有效容重(浮容重)变为饱和容重，这部分土体将产生竖直向下堆载固结，并对其下卧土层施加堆载效应，使得下卧土层发生竖直向下堆载固结，产生竖向沉降、侧向挤出变形。随着时间增长，接近于大气压的等向压力差向土体深层传递更加明显，深层土体就不仅只发生竖直向下堆载固结，还会产生等向挤压固结及渗透压密固结。各种不同时期的固结类型构成了真空作用下的土体固结。等向挤压固结使土体发生各向相同的变形，渗透固结的水流方向在地基土当中为水平指向排水通道，使土体产生水平向收缩位移，竖直向下堆载固结使土体产生竖直向下位移和水平向挤出变形。各种位移的叠加综合形成了真空作用下土体的变形特征。土体单元各种类型固结下的变形见图4~6。

图4 等向挤压土体单元变形

Fig. 4 Soil element displacement in isotropic compression consolidation

图5 竖直向堆载土体单元变形

Fig. 5 Soil element displacement in vertical surcharge consolidation

图6 渗透压密土体单元变形

Fig. 6 Soil element displacement in permeation densification consolidation

图7和图8分别为线路前进方向加固区左侧和右侧边界水平位移沿深度随时间变化曲线。在加固区边界上土体位移为内向收缩变形，深度3 m之内收缩变形最为明显，5 m左右的土体有向外挤出变形现象，10 m左右的土体收缩变形也比较明显，15 m以下变形很小。宏观监测到的边界水平位移曲线是地基土中微观土体单元各类型固结变形的综合体现。浅层土体以等向挤压及渗透压密固结为主，产生内向收缩变形；深层土体先发生水位下降造成的竖直向堆载固结，随传递压力增大逐渐演变成等向挤压固结、渗透压密固结及水位下降造成的竖直向堆载固结3种固结类型皆有状态。图中曲线表明，未在土体表面堆载而土体发生了侧向挤出变形，虽监测值为负值(水平内向收缩变形)，却不能掩盖土体侧向挤出的趋势，可知竖直向堆载固结类型不可忽略。

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图7 前进方向左侧加固区边界水平位移

Fig. 7 Horizontal displacement in left boundary of improving region

图8 前进方向右侧加固区边界水平位移

Fig. 8 Horizontal displacement in right boundary of improving region

3.2.3 真空预压孔隙水压力分析

以往不少文献在进行数据整理，进而分析真空预压机理时，得出了超孔隙水压力下降的结论，这也是负压理论的基础。负压理论认为土中总应力不变，土中水在负超孔隙水压力驱动下排出，土体产生固结现象。这与式(3)相违，本文认为真空作用下土体固结类型有等向挤压固结、渗透压密固结及水位下降造成的竖直向堆载固结3类。等向挤压固结、水位下降造成的竖直向堆载固结会使土中的超孔隙水压力上升。渗透压密发生的根本原因是水在土中流动，而水流动取决于水流起点和终点的驱动势能[12]。地基土中的驱动势能高于同深度处排水板中的驱动势能，水则从地基土中水平向流入排水板，进而竖直沿排水板被抽走。若认为射流泵造成的流体压差(驱动势能)为−ΔP1，则地基土中各点的驱动势能都高于−ΔP1，所以水会从下往上流，从这个角度将0~−ΔP1值赋予土中孔隙水，称之为负压也未尝不可。负压只是一种定义和说法，可将它理解成水流动的驱动力，结果是造成了土体的渗透压密。LEI[13]曾阐述过真空预压土体固结过程是不同阶段正、负压共同作用的结果，可以理解为正压是等向挤压及水位下降造成的竖直向堆载在土中所增加的正的孔隙水压。而负压是解释渗透压密固结的定义，它为水在地基土中的渗流提供理论支撑。

如图9所示，从所测试的各点超孔隙水压力值随时间的变化曲线来看，除初始阶段有些点瞬增，有些点基本维持不变外，之后迅速减小至基本维持负值，这与上述分析产生正孔压的结果有出入。这是因为真空预压作用下孔隙水压力的测试值为土中孔隙水压变化与大气压力变化共同作用的结 果[14]。真空作用下，孔压计内腔存在一个标准大气压力值Pa，地基土在抽真空作用下流体压力下降为Pt，它们的差值即为土体受到的等向压力差ΔP。实测值为式(4)所示。

(4)

式中：uc为孔压测量值；uj为施加真空载荷前静水压；Δu为真空作用引起的超孔压；Δuj为水位变化引起的静水压变化值；ΔP为等向压差。

分析式(4)可知Δuj和ΔP随时间增加，Δu随时间减小，那么uc则明显减小。这造成了图9的结果。将上式变化为

由图4可得，在采用摆线运动驱动规律情况下，末端执行器的位移、速度、加速度曲线随时间连续变化、过渡平滑，具有良好的运动学性能；图5所示为理论轨迹和仿真轨迹求解。

(5)

图9 超孔隙水压力分布

Fig. 9 Distribution of super pore water pressure

可据式(5)反算真空作用引起的超孔压，图10为反算6 m深度处超孔隙水压力的曲线，由图可知，超静孔隙水压力变化曲线如按加固区地基土实际应力状态考虑，消除地基土中真空度的影响，地基土中超静孔隙水压力将增加、随后消散，与单纯堆载作用基本一致。这并不意味着二者作用下地基土固结渗流场相同，抽真空时“真空渗流场”中存在一个主动的吸水、吸气作用，表现在工程实践中真空预加固地基时地基固结速度相对堆载预压快。

图10 6 m 深度处超孔压实际变化

Fig. 10 Actual value of super pore water pressure in 6 m depth

4 结论

1) 真空作用下加固区各部分土体应力状态变化复杂，单纯从加载角度或者渗流角度难以解释土体固结现象。从不同角度考虑多种因素，总结土体固结机制不失为一种有效方法。真空预压下土体固结负压理论为水在土中渗流指明方向，为土体产生渗透压密现象提供理论基础，这种理论说法本身并无不妥。

他终于要离开J市，登上前往河遥县的火车。半月之前，河遥县姑家的大表哥来了信，劝他再来河遥，看看十年未见的姑姑。

2) 真空作用下土体固结类型有等向挤压固结、渗透压密固结及水位下降造成的竖直向堆载固结3类。等向挤压固结、水位下降造成的竖直向堆载固结会使土中总应力增加，会使土中的超孔隙水压力上升，土体随其转变为有效应力发生固结。水在土中流动使土产生渗透压密固结。土体变形兼有等向压缩变形、竖向沉降和侧向挤出变形。

3) 在分析真空作用下土体固结机制时，考虑不同时期、不同深度处土体固结主导因素，或能起到至关重要的作用。

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Analysis of consolidation mechanism and example of treating soft foundation in vacuum preloading

LEI Ming, XU Hanyong, KUANG Xilong, XIA Linong

(School of Civil Engineering, Changsha University, Changsha 410022, China)

Abstract:Indefinite soil consolidation mechanism interferes with popularizing vacuum preloading. Analyzing all kinds of consolidation mechanisms has shown that consolidation could be difficultly interpreted merely from surcharge viewpoint or seepage viewpoint. There occur isotropic compression consolidation, permeation densification consolidation, and vertical surcharge consolidation caused by water table falling. Based on tests, the stress, strain, super pore water pressure and effective depth with vacuum preloading have been analyzed. All results have shown that: isotropic pressure descended along with depth increment. Isotropic pressure near drainage channel is greater than that far from drainage channel. Distribution of isotropic pressure is undee in horizontal. There are isotropic compression, vertical settlement, and horizontal extrusion displacement in soft foundation. Super pore water pressure is increased rapidly, and then dissipated. Pressure difference of film in piezometer must be considered in analyzing pore water pressure. Negative pressure theory which provides theorical basis for permeation densification consolidation is suitable.

Key words:vacuum preloading; consolidation mechanism; soft foundation; pressure difference; pore water pressure

中图分类号：TU447

文献标志码：A

文章编号：1672 − 7029(2019)06− 1433 − 07

DOI: 10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.06.011

收稿日期：2018−08−07

基金项目：长沙市科技计划一般项目(ZD1601031)；长沙市科技计划重点项目(ZD1601009)

通信作者：雷鸣(1977−)，男，湖南长沙人，副教授，博士，从事软基加固分析研究；E−mail：[e-mail]

(编辑 涂鹏)