博士论文-超软吹填土地基真空预压理论及模型试验的研究.doc

超软吹填土地基真空预压理论及模型试验的研究Theory and model test study of recently reclaimed soil foundation 一级学科：土木工程学科专业：岩土工程研 究 生：指导教师：天津大学建筑工程学院二零一零年三月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘 要随着天津滨海新区的开发建设，越来越多的土地是由围海造陆形成的吹填土地基。以往吹填土地基在吹填完毕后，经过2-3年的晾晒，然后才进行进行真空预压加固，而随着滨海新区开发建设步伐的加快，真空预压有了新的工艺，可使吹填土地基几乎不经过晾晒，直接进行真空预压加固，所以现在真空预压加固的对象变为不经过晾晒的新近吹填土地基。对于真空预压法的固结机理和加固效果，国内外众多学者和工程师已经做了大量的研究工作，得到了很多有意义的研究成果，真空预压法的工作机理和计算方法已经成熟。由于新近吹填土地基厚度大、含水量高、压缩性比较大，与以往经过晾晒的吹填土地基不同，导致在真空预压计算和实际工程中出现很多问题。由于新近吹填土地基的特点，使其在真空预压过程中会发生很大的沉降，使排水板的工作机理和固结计算方法都发生了很大的改变。由于真空预压加固对象性质的改变，导致以往的真空预压计算理论不适应于新近吹填土地基，使计算值与实测值存在着很大的偏差，本文针对这些问题，对新近吹填土地基真空预压从理论和试验上进行了以下研究：1.提出了新近吹填土地基真空预压沉降计算方法。本文首先分析了新近吹填土与以往吹填土地基的不同，通过分析新近吹填土地基的形成过程和特点，提出新近吹填土是欠固结土，加固前土体内存在由吹填土有效自重形成的超孔压，在插板期间会产生一定的沉降。本文认为新近吹填土地基真空预压沉降是由抽真空前的插板期间沉降和真空预压期间沉降两部分组成，通过研究吹填土地基的在插板期间的土层的附加荷载和抽真空期间土层的附加荷载情况，提出吹填土地基真空预压插板期间的沉降计算方法和抽真空期间的沉降计算方法。通过与现场监测数据相比，证明了计算方法的可行性，这种方法已经为相关的计算规程所采用。2.对新近吹填土地基真空预压进行了室内模型试验研究。新近吹填土地基是由含水量在80%以上的超软土形成。随着围海造陆的发展，吹填区底面标高越来越低，吹填土厚度越来越厚，使真空预压法进行地基加固时发生很大的压缩变形。在地基加固过程中出现很多理论上难以解释的现象，针对这些问题本文进行了超软土真空预压室内模型试验。通过试验可以发现：（1）土体加固后由于超软土发生很大的压缩变形，使排水板发生了很大的扭曲变形，甚至发生局部折断现象，改变了排水板的工作状态。（2）在加固土体变形基本稳定后，进行了二次插板再加固的试验，结果表明土体的沉降进一步发展，含水量进一步降低，十字板强度进一步提高，且十字板强度沿深度递减幅度大为减少。证明了第一次加固过程中由于土体发生大变形使排水板效率降低，地基不能达到预期的加固效果；采用二次插板可使吹填土产生较好的加固效果。同时通过实验对排水板中和土体中的真空度的分布规律和变化规律进行了研究。研究成果为以后的吹填土地基真空预压的理论分析和有限元计算提供了依据。3.通过对新近吹填土地基特点和加固过程的分析，提出适应于吹填土地基真空预压的有限元计算方法。新近吹填土地基真空预压有限元计算分为两个过程：一是插板期间的固结，另一个为真空预压过程。考虑真空预压不同过程的荷载形式，将非线性本构关系（Duncan-Chang模型）引入Biot固结理论，编制了通用的有限元程序，对新近吹填土地基真空预压法进行平面应变有限元分析；利用本文提出的有限元程序分别对新近吹填土地基整个加固过程和正常固结土地基的真空堆载联合预压进行了有限元分析，计算结果与实测结果对比表明，该方法较好的反映了实际工程沉降及孔隙水压力的发展趋势。同时本文利用有限元软件ABAQUS模拟了吹填土地基真空预压的整个过程，计算结果与实际工程比较吻合。4.为了探索更适合新近吹填土地基真空预压的新工艺，针对新近吹填土的特点，本文设计了可控通气真空预压试验，这种方法可以加速水体的排出，提高真空预压效率。对可控通气真空预压和常规真空预压进行了对比研究，结果表明可控通气真空预压在相同的条件下加固效果好于常规真空预压。最后阐述了可控通气真空预压法加固机理。关键词：吹填土地基，真空预压，模型试验，插板期间沉降，有限元，固结沉降，ABAQUS,可控通气真空预压ABSTRACTWith the development and construction of Tianjin Binhai New Area, more and more land is made up with reclaimed soil. In the past the reclaimed soil foundation is dried in 2 to 3 years, and then it was reinforced in vacuum preloading method. But with the development and construction of Tianjin Binhai New Area, there is new technics of vacuum preloading, so the reclaimed soil can be reinforced without dried, the object was changed to recently reclaimed soil. Vacuum preloading method is an effective reinforcement to soft soil foundation; and this method is suitable for reclaimed soil foundation. Many foreign and domestic scholars and engineers have done a lot of research and made many interesting research results in the Vacuum preloading mechanism. However, the recently reclaimed soil characterized by low-intensity, high water content, large thickness, there is many problems due to these characters in vacuum preloading method. The theory and calculation method is not accurate to the recently reclaimed soil foundation. In order to solve these problems the paper did some studies on the calculation theory and test as followings:First, the settlement calculation method of recently reclaimed soil foundation was put forward. The formation process and character of the recently reclaimed soil are analyzed, and it was proposed that the reclaimed soil is unconsolidated soil, there is excessive pore water pressure which is caused by the self weight in it before the reinforcement. So there will be settlement during the PVDs installment. It is considered that the vacuum preloading settlement is include the settlement during the PVDs installment and the settlement during the vacuum preloading. The settlement calculation method was put forward, and at the same time, the calculation result was compared to the field test data, it shows that the method is feasible.The indoor model test study was conducted to the recently reclaimed soil.The reclaimed soil have the water content of 80% and it is super-soft soil. With the development of land of Reclamation, the bottom elevation of the reclaimed area getting lower and lower, the thickness of the reclaimed soil reached 10m from the original thickness of 2m now, so that a great deformation occured in the course of the vacuum preloading. There are some phenomena that hard to explain. In order to solve these problems, this paper carried out an ultra-soft soil vacuum preloading indoor model test. Some research have been done through the experiments: (1)Though the indoor model experiment it was found that the PVDs has undergone a drastic distortion and even part of it was breaken due to large deformation of the ultra-soft soil during the vacuum preloading, this result the efficiency of the PVDs reduced, so that the soil reinforcement is ineffective and can not achieve the desired bearing capacity of foundation requirements. (2) in order to make secondary reinforcement, secondary PVDs installation was carried out, results show that the settlement was further developed,water content was further reduce,vane strength was further improved, and the Vane strength decline rate greatly developed. the distribution of vacuum degree along the PVDs and in the soil was also be studied. The test result provide reference to explore a more effective method of reinforcing the deep reclaimed soil foundation.Though the analysis of the the character of reclaimed soil and the consolidation process, the FE calculation method was put forward. The recently reclaimed soil foundation vacuum preloading is divided into two processes, the consolidation during PVDs installing and vacuum preloading. The paper incorporates the nonlinearity constitutive relation (Duncan-Changs model) into the Biots consolidation theory program. Considering different load conditions, a general-purpose program was compiled to analyze the behavior of the soft clay consolidation with plain strain FEM. Two actual projects were calculated using this program. Comparing to the field measurements data, it indicates that the method reflects very well the developing trend of settlement and pore water pressure for the projects. At the same time, the vacuum preloading of reclaimed soil foundation was analyzed using ABAQUS FE soft ware, the result goes well with the field data.At last, the paper presents a new method of vacuum preloading by improving the drainage system. An indoor experiment was made to compare the ventilating vacuum preloading with the ordinary vacuum preloading. On the basis of test data, described the theory of the ventilating vacuum preloading.KEY WORDS：reclaimed soil foundation, vacuum preloading, model test, settlement during PVDs intalling, finite element analysis, ABAQUS, ventilating vacuum preloading目 录第一章 绪论11.1 前言11.2 真空预压法的发展21.3 真空预压研究现状及存在的问题51.4本文拟进行的主要研究工作11第二章 超软吹填土地基真空预压沉降计算的研究132.1真空预压加固地基沉降计算研究现状132.2超软吹填土地基的组成特点分析142.3真空预压加固超软吹填土地基的加固过程152.4吹填土地基真空预压沉降计算方法162.5真空预压加固区固结度计算202.6工程实例252.7沉降计算值与实测值比较272.8小结29第三章 真空预压加固吹填土地基室内模型试验研究303.1 试验目的303.2 试验装置313.3 试验方法333.4 试验内容343.5 一次加固试验结果分析353.6 二次加固试验结果分析453.7 吹填土地基加固效果评价及原因分析493.8 试验结论56第四章 真空预压有限元分析理论584.1 比奥(Biot)固结理论584.2 平面应变有限元方程的建立62第五章 吹填土地基真空预压有限元程序的建立及验证705.1 引言705.2 有限元程序的建立725.3 工程实例一805.4 工程实例二835.5 吹填土地基真空预ABAQUS有限元分析855.6 小结94第六章 真空预压新工艺探索956.1 概述956.2 可控透气真空预压的概念966.3 可控通气真空预压试验设计976.4 试验结果分析1006.5 可控透气真空预压机理分析1026.6 试验结论107第七章 结论与展望1087.1 研究总结及结论1087.2 下步工作建议109参考文献110发表论文和参加科研情况说明118致 谢120第一章 绪论第一章 绪论1.1 前言根据国务院对天津港建成中国北方枢纽港的定位和天津滨海新区发展规划的要求，天津港已进入高速发展阶段。目前在港口发展区之内可利用岸线越来越少、土地资源紧张。新增港区从港岛造陆到南疆东部扩容，码头和后方堆场将全部建在新近吹填形成的软土地基上。在天津滨海新区建设过程中，大部分土地属于海相或泻湖相沉积层，在地质上属第四纪全新纪Q4土层，多属饱和正常压密或欠压密的软粘土，该土层的主要特征为：含水量高、孔隙比大、压缩性高、渗透性差、天然强度低、灵敏度较高的特点1。特别是随着天津滨海新区的发展，对土地的需求量越来越多，越来越多的土地是由围海造陆形成的，这部分土地是由含水量高达80以上的吹填泥形成的，不能直接在这种软弱地基上修建工业厂房、码头、机场、仓库、堆场、高速公路、房屋等建构筑物，需要利用真空预压法对其进行加固，由于新近吹填土地基于以往吹填土地基不同，以往吹填土地基在吹填完成后晾晒2-3年的时间，而新近吹填土地基在吹填完成后即进行真空预压，所以真空预压的计算方法和加固过程都与以往真空预压不同。需要对新近吹填土地基真空预压从理论和试验上进行研究，提出适合与新近吹填土地基真空预压的理论和计算方法。目前常用的软基加固方法有：(1)预压固结法，如真空预压、堆载预压等；(2)复合地基法，如碎石桩、旋喷桩和CFD桩等。这些软基处理方法各有优点，同时也受限于各自的使用条件：堆载预压易于操作、经济，但是吹填土地基的抗剪强度很低，限制了填土速率，使得施工期大大延长，影响了投资者的经济效益和社会效益。另外，在填筑过程中始终存在稳定性问题和不均匀沉降问题，工程质量难以控制。复合地基法虽然能缩短工期，但对于含水量较高的吹填土地基而言，几乎没有承载力，施工机械、材料等很难进入场地，还学要对其先进行真空预压。因此，真空预压是吹填土地基地基处理方法中最有效方式,通过大量的工程探索与实践，真空预压法因其设备简单、操作方便、加固面积大、能源消耗少、加固效果好、预压时间短、无环境污染等显著优点而被定为一种行之有效的加固软土地基的方法大力推广，并取得了良好的经济效益和社会效益。随着天津滨海新区的建设开发，大片的土地是通过填海形成的，这部分土地是由含水量较大的吹填土形成的，真空预压对这种土体的加固是一种行之有效的方法。真空预压法在实际应用上已趋于成熟，但是随着滨海新区建设步伐的加快，许多新近吹填土地基需要进行真空预压加固作为建设用地，由于新近出填土地基不同预压以往吹填土地基的特点，使真空预压在新近吹填土地基加固运用中存在许多问题有待解决，真空预压计算结果与实际工程之间还存在一定的差距，需要针对吹填土地基真空预压展开理论上的研究，并通过试验探索超软吹填土地基真空预压有效的加固方法和计算方法。特别对于吹填土这一新造地基，现有的设计和施工方法主要还是根据以往常规地基真空预压的工程经验进行，有一定的局限性。因此对真空预压法加固吹新近填土地基进行深入研究有较大的理论价值，有助于真空预压法工程实践的进一步发展成熟。1.2 真空预压法的发展1.2.1 真空预压法简介真空预压法(Vacuum Preloading)是指利用抽真空的方法，使土体中形成一个局部的负压源，通过降低砂井或排水板中的孔隙水压力而使土体中的孔隙水排出，从而增加有效应力来压密土体的地基加固方法。如图1-1所示，首先在原地基上打设塑料排水板作为竖直排水体，然后在地基表面铺垫一定厚度的砂垫层，在砂垫层中铺设排水滤管。将不透气的薄膜铺设在砂垫层之上，薄膜四周买入土中，通过埋设在砂垫层中的排水滤管将膜下砂垫层中的空气抽出，从而使砂垫层和排水板中形成负的真空压力，使排水板和周围土体之间形成孔压差，土体中的孔隙水在压力差的作用下渗流到排水板中，通过排水滤管排出土体，以达到固结的目的。真空预压系统由抽真空系统、排水排气系统和密封系统三部分组成，根据目前的施工经验，膜下真空度可以维持在8595kPa左右，一般的可取80kPa作为设计压差。当固结度达到一定的设计要求时停止抽真空。图1-1 真空预压发地基加固示意图真空预压法具有以下主要优点：(1) 区别于堆载预压，抽真空形成的压差所产生的荷载，不会使土体产生剪应力，故地基不会发生失稳破坏，载荷可一次快速施加，加固速度快，施工工期短；(2) 加固过程中土体除产生竖向压缩外，还伴随向着加固区的侧向收缩，加固后土的密实度较堆载预压高，处理深厚软基效果更好；(3) 施工工艺、机具和设备简单，能耗低，作业效率高，加固费用低，适用于大规模地基加固；(4) 不需要大量堆载材料，施工中无噪音、无振动、不污染环境；(5) 更适用于狭窄地段、边坡附近的地基加固等。1.2.2真空预压发展历史真空预压方法最早由瑞典皇家地质学院杰尔曼（W.Kjellman）于1952年提出，当时，他在美国麻省理工学院召开的加固土体会议上首次发表了“利用大气压力的方法加固粘土”论文，在论文中，他提出了利用该方法加固地基的初步力学模型。论文发表后立即引起了学术界和工程界的关注，国内外不少专家学者和研究机构先后展开了一系列的理论研究和实践工作，但是多年来由于抽气设备、密封材料、垂直排水通道打设技术等方面存在一定的问题，这一技术的发展相当缓慢，没有得到大规模的实际应用。1958年美国费城机场首次采用真空井点降水与砂井相结合的方法处理飞机跑道扩建工程的地基问题，随后日本、芬兰、苏联、法国、美国、瑞典等地都有该工法应用的相关报道，但由于抽真空设备效率、气水分离技术、密封技术等关键问题未能很好解决，很长一段时间该工法没有得到广泛应用。我国早在50年代就开始对该工法的研究，但当时也没能使之成功用于现场地基的加固。我国在20世纪50年代末和60年代初开始对这一方法进行了研究4-5，但未能达到工程应用阶段，1959年对真空预压加固淤泥地基的野外试验进行了总结；1959年天津大学开展了室内真空预压试验研究来探讨真空预压的规律性和效果，提出了“吹填土真空排水固结试验研究”的报告；同年南京水利科学研究所在天津做了“电渗真空砂井联合作业法”的试验研究，于1960年提出“电渗排水加速海淤软土固结试验报告”；1960年同济大学和南京水利科学研究院在上钢一厂做了小型现场试验，提出了“用真空预压加固吹填土的试验小结”的报告，但试验没有成功，其原因除当时没有轻、薄、不透气、易粘结的密封材料以外，主要是当时抽气用的都是真空泵，再配上气水分离器，将分离出的水由离心泵抽走，效果不是很理想6-7。这一时期国外真空预压加固软基也有个别成功的实例，1958年美国费城机场采用真空井点降水与排水砂井相结合，完成了飞机跑道的扩建工程，整个地区真空度最高380mm汞柱（约50kPa）8。日本横滨市武丰火力发电厂也运用该法加固地基，膜下真空度到达405mm汞柱。20世纪70年代日本东北地区新干线上，采用真空预压加固第七号谷底的泥炭土和混有有机物的淤泥土地区，膜下真空度达到478mm汞柱9。早期对真空预压的研究手段以现场试验为主。由于当时的机械设备及材料方面的限制，现场试验加固效果均不理想，大面积实用也未能付诸实施。个别工程的成功主要是在一定程度上解决了机械设备和密封问题，这为真空预压加固软土地基技术发展积累了重要经验。20世纪80年代，以交通部第一航务工程局为主，天津大学、南京水利科学院参加的联合攻关小组，对该项加固技术又重新进行了探索和研究10-16。在工程上采用射流泵代替真空泵，很好地解决了水气分离问题，使抽真空的效率大大提高，膜下真空度稳定在530mmHg，最大可达到600mmHg，从而使该项加固技术的施工工艺有了突破性进展，使之能满足加固大面积软土地基的要求。该工法于1985年通过了国家技术鉴定，获得国家“六五”科技进步奖。后又经多年的努力，在真空预压法的真空度和大面积加固方面达到了国际领先水平，膜内真空度目前已能达到610730mmHg，相当于8095kPa等效荷载，经处理的地基能满足大多数货场、仓库、道路及一般工业与民用建筑的要求，特别适用于荷载要求低于80kPa的软土地基加固。此外，针对一些使用荷载大，承载力要求高的建筑场地，自1983年以来，国内陆续开展了真空-堆载联合预压法的研究，开发了一套先进的工艺和优良的设备，并从理论和实践方面论证了真空和堆载的加固效果是可以叠加的，并在一百多万m2软基上使用，取得了良好的效果。90年代后，天津市水利科学研究所在传统技术的基础上对真空预压法进行了改良，提出了“低位真空预压软土地基加固法”，并于2000年8月获国家知识产权局颁发的专利证，达到了国际领先水平。在国外，1982年日本大阪南港在第二阶段加固过程中，采用袋装砂井或排水纸板作为垂直排水通道，用抽真空和抽水相结合来降低水位的方法加固地基，由于较好的解决了抽真空设备和场地密封等关键问题，真空度始终保持在630mm汞柱，加固效果显著17。前苏联还应用该方法解决了土坡的滑动问题，提高了滑动楔体液化土的稳定性，取得了较好的效果18。这一阶段，在抽真空设备和密封技术上有了很大的改进，使得真空预压技术在施工工艺上达到成熟阶段，并开始大规模的应用于软土地基加固。如今，真空预压及真空联合堆载预压等加固软土地基的技术应经广泛应用于我国的港口、码头、机场、高速公路、仓库、油罐、市政设施、人工岛、堤坝边坡等工程的地基处理，膜下真空度一般都能达到90kPa以上。国外的一些公司也开发了比较成熟的采用真空预压原理加固软土地基的技术，并在工程中得到了广泛的应用，如法国的Menard公司的真空固结法（Menard Vacuum Consolidation Method）和荷兰IFCO公司的IFCO真空强制固结法等19-20。1.3 真空预压研究现状及存在的问题1.3.1 真空预压研究现状在真空预压技术发展的过程中同时伴随着对真空预压机理的探索。对真空预压法和真空堆载联合预压法加固机理的研究主要通过理论分析、室内及现场试验来进行。（一）真空预压理论方面的研究1952年，杰尔曼教授(WKjellman)提出了真空预压加固软基一维问题的最终效果图。其后美国的PJVelent(1973)用流网解释真空预压的机理。苏联的Fer-Metirosyan(1983)采用拉普拉斯方程求解二维问题的最终效果。日本的小林正树用有限元方法求解二维问题的最终效果。以上研究主要解决真空预压加固软土地基的最终效果，属于稳定渗流问题。娄炎(1988)根据工程实践的孔压和真空度等实测资料，对负压条件下软土地基的孔隙水压力的形成、负压与砂井内真空度及土中真空度的关系、负压下的曼德尔效应、负压与地基加固特征、负压对地基变形的影响等问题进行了分析。陈环、杨国强等(1991)继续研究了真空预压下的固结问题，认为真空预压加固软土地基时，地基土的固结是在负压条件下进行的，它和正压条件(堆载预压)下的固结问题基本相同，只是边界条件有差别，因此负压下的固结可以沿用原有固结理论的方程。董志良(1992)通过对真空预压的加固机理、设计理论、施工工艺的深入研究，提出了以下观点：(1)真空预压过程实际上是地下水、气被抽出的同时，真空度不断向地基土中传递、扩散并在地基土中形成一定的真空负压及其压力梯度的过程；(2)真空预压加固过程也是地下水位不断降低的过程，造成地下水位以上的土体处于非饱和的真空负压状态，地下水位以上的土体符合孔压不断降低而有效应力增加的观点。地下水位以下的土体仍处于饱和的真空负压状态，但真空负压是由土体中的孔隙水承担，并未转化为土体的有效应力，土体有效应力的增加实际上是由上部水位降落区土体浮容重转化为湿容重所引起的，因此地下水位下的土体符合降水预压的加固机理。陈环等(1994)报道了实测10m袋装砂井井底真空度损失了25，并认为这就是真空预压下的砂井阻力，该文献应用Hansbo理论进行了计算。董志良(1995)的研究表明，SPB-1型塑料排水板在抽气期间，随抽真空历时板中各深度处真空度均有增加，前期增长快，后期较小。板中真空度沿深度逐步衰减，前期衰减大，后期衰减小，仅衰减了lOkPa即12左右。范须顺(1995)结合天津新港地区较厚的欠固结淤泥类土的真空预压工程实践，假设只考虑施工区最边部排水板向施工区以外的影响距离，以边部一根打入土层中的排水板作为单个排水井考虑，假定地下水向承压排水井的运动为稳定运动，假定单井排水引起孔隙水变化的边限为渗透影响半径，假定渗流为单向线性连续渗流，以水文地质学中库萨金公式为参考，提出了一个估计真空预压影响范围的经验公式。杨顺安，吴建中(2000)综合讨论了真空联合堆载预压法的基本原理，加固特点与加固效果，认为该法利用真空预压与堆载预压加固效果可以叠加的原理，在超软基上可以获得较单一真空预压更大的预压荷重，获得更佳的加固效果。董志良(2001)对堆载和真空预压法加固地基地下水位及测管水位高度进行了分析与计算，在不考虑真空度的影响条件下，分析计算了测管水位高度及其与地下水位高度的误差。刘志丰(2001)分析了真空-堆载联合预压法的固结机理，分析了真空堆载预压的固结过程，给出了真空-堆载联合预压的沉降预测半经验半理论曲线。于志强、朱耀庭、喻志发(2001)根据若干工程实测结果，对真空预压法加固软土地基的影响区进行了分析，提出了利用理论计算最大沉降量估算加固影响区可能发生变形的经验方法，指出加固区外20m以内地基土水平位移约占总沉降量的1015之间。龙正兴，彭劫(2002)介绍了真空-堆载联合预压法的原理，通过试验段数据分析，得出了真空-堆载联合预压加固土体，可以使地基具有更强的抗失稳性等结论。龚晓南、岑仰润(2002)采用多孔介质理论和真空渗流场理论对真空预压法的加固机理进行了新探索，辨析了真空度与负压概念的区别，认为抽真空作用在土体较大孔道中形成真空渗流，土体中较小孔道中的孔隙水与较大孔道中流动的“真空流体由于压差作用而排出，产生固结现象。真空预压加固软基的效果由真空渗流场引起的真空预压和地下水位下降引起的排水固结两方面的作用组成。其中，前者的作用范围仅限于降低后的地下水位线以上土体。朱建才、龚晓南等(2004)通过对现场试验的真空度、地下水位、流量、孔隙水压力、地表沉降等监测结果的分析，阐述了真空-堆载联合预压的联合机理，指出真空预压与堆载预压的联合方式是真空预压引起的孔压差与堆载预压引起的孔压差的叠加。同时，通过现场试验指出了地下水位对真空传递的影响，并对水位线以下真空度的形成机制进行了分析，水位线以下的真空度主要是由于测试软管中水位下降或空气从测试软管末端的逃逸引起的，水位线以上的真空度由抽真空直接引起。水位在抽真空的初始阶段下降较快，在堆载阶段有所上升，联合预压阶段逐渐下降至基本稳定状态，形成一个稳定的渗流场。高海江等(2005)根据真空渗流场理论，阐述了在真空预压中场地内不同区域地下水位的变化情况；并借鉴真空井点降水概念提出了降水“漏斗”的观点，还就真空预压中地下水位下降的影响因素、地下水位下降的极限深度、地下水位的现场观测问题和出水量与地下水位下降关系等问题进行了研究。李青松等(2005)研究真空预压加固机理后，认为：真空预压是真空渗流场作用下的渗透固结，它从顶部抽真空，所产生的真空度在沿竖向排水通道向下传递过程中随深度递减，其作用是在沿各竖向排水通道产生无数动态完整井，以各完整井为中心产生无数凸面向下的降落漏斗，各降落漏斗即形成真空渗流场；其中土体将以各完整井为中心产生渗透固结，并使整个土体强度得到改善。（二）真空预压实验方面的研究陈环、鲍秀清(1984)用一维负压固结仪进行了抽气试验，得出了在相同的压差下，加固效果基本相同，土体强度的增长也基本相同的结论。陈环等人提出抽真空只是不断地改变土内的孔隙压力，即真空预压是通过降低土体中的孔隙压力，使有效应力增加而加固土体的。闫澍旺、陈环(1986)用三轴仪也进行了正负压对比试验，认为在负压作用下的固结过程是基本相同的。沈珠江、陆舜英(1986)通过研究认为砂井井底真空度是顶部的三分之一，中间则按直线变化。林丰等(1987)用1218m的模型槽进行了模型试验，试验后对砂井间的土进行了含水量试验，表层土含水量有较大地降低，而十字板强度有不同程度的提高。高志义、张美燕等(1988)进行了真空预压的离心模型试验，将现场试验区的一个横断面作为平面应变情况进行了模拟，得出抽真空的同时进行压载的联合加固可以进一步提高加固效果，两者产生的有效应力是可以叠加的结论。尚世佐(1988)结合真空-堆载联合预压在上海某装卸区软基加固的工程应用，对真空度的进行观测，表明真空度是随深度增加而递减的，说明确实存在着砂井阻力，它影响着真空度的传递，也影响排水固结的时间。高志义，张美燕等(1988)在真空预压加固的离心模型试验中，得出了真空度在lOm长的砂井底部损失了10的结论。高志义、张美燕、刘立钮等(1988)于1983年10月至1984年4月进行了真空预压加固的离心模型试验。张诚厚、王伯衍、曹永琅(1990)进行了真空预压加固的室内模型试验，研究了真空作用面位置及排水管间距对预压效果的影响。张力霆、卢勇正、李树国(1999)通过室内模型试验验证了真空预压加固地基时，将负压源由地表移至地基深处，可改善加固效果，在真空预压加固吹填土时应采用这种措施。王永强(1999)进行了真空预压荷载下地基土的静载试验分析，试验表明加固后地基承载力基本值为128kPa，远远大于膜下真空度值80kPa。高志义、张美燕、张健(2000)进行了真空预压联合电渗法室内模型试验的研究。李丽慧、王清、王剑平、王年香等(2001)通过室内试验，对真空预压下土体变形特性进行了应力路径分析，测定了软土地基在真空预压加固后应力路径的改变对沉降量的影响，论证了真空预压加固软土地基不能消除其剪应力引起的剪切变形的观点。张泽鹏，李约俊等(2002)对塑料排水板与袋装砂井的真空度传递性能，在10m厚加固土层范围内进行了比较，采用塑料排水扳(国产SPB-1型)的真空度传递损失率为2.2kPam，袋装砂井的真空度传递损失率为6.3kPam，埋深10m处塑料排水板的真空度占膜下真空度的比例为68，袋装砂井中的真空度占膜下真空度的比例为20。温晓贵、刘汉龙、李豪、彭劫等(2004)通过室内试验模拟相同竖向应力状态下真空预压、堆载预压、真空-堆载联合预压三种方法加固软土地基，对比分析了三种方法的加固效果和加固机理，并提出了三种方法加固机理的微观解释可以较好地解释试验和工程实践的一些现象。（三）真空预压数值分析方面的研究：对于沉降、孔压随时间变化的固结过程，其计算方法主要包括解析法、半解析法和数值计算法。解析法便于工程实际的应用，但是分析的边界条件比较简单，只能进行一维或轴对称分析，采用的土体模型也比较简单，对井阻、涂抹作用等因素不能较好地考虑，所以无法考虑固结过程中孔压与变形的耦合关系，对实际工程的复杂性反映不是很全面。数值计算法可以弥补解析法的不足，能考虑土体的非线性、弹塑性、流变等特点。目前数值计算中一般采用Biot固结理论，Biot固结理论是由物理方程、几何方程和连续性方程联合推导而来的，准确反映了固结过程中位移与孔隙压力的相互影响，因而能精确反映二维、三维固结问题。在强度增长计算理论方面，目前工程界通常把真空预压施加的荷载等同于相同大小的堆载作用进行简化处理，常用的计算方法包括有效应力法和有效固结应力法两种。沈珠江(1986)首先用基于Biot固结理论的有限元法对新港一个试验场地的软土层在真空作用下的固结变形进行了计算，把砂井视为砂墙，把砂井和砂垫层作为已知水头边界，将空间问题转化为平面问题进行计算。在计算中分别采用了南水模型、剑桥模型和弹性模型等三种本构模型，结果表明土体本构模型对计算结果影响较大，没有一种模型能与实测结果很好的吻合，总的来看南水模型比较符合实际，但其计算工作量较大，他建议对一般的工程采用变弹性模型即可。陈环等(1987，1991)分别采用有限元和边界元对真空预压进行计算，将各种计算方法所得的结果与实测平均固结度进行了比较，发现以Biot固结理论为基础的有限元法和边界元法两者比较接近，而以太沙基固结理论为基础的有限差分法与实测结果偏差较大。钱家欢、赵维炳(1988)在考虑土体流变的基础上提出了真空预压砂井地基固结分析的半解析解方法，这种方法计算比较方便，可以考虑比较复杂的情况，如土体的粘弹性、固结的三向性、砂井井阻和涂抹效应及砂井群的共同影响等，其孔隙水压力由解析解求出，位移则用数值解法计算。董志良(1990)在单井理论的基础上，首次推导了单井在负压及正、负压联合作用下的等应变解析解。但是其解析解没有考虑真空荷载与堆载荷载施加时间上的不同，因此与实际情况有一定差异。薛红波、娄炎(1990)阐述了砂井真空预压法加固软土地基的强度增长机理和强度增长特性，指出相对于堆载预压下地基土的强度变化，真空预压下地基土在加固过程中无剪切蠕动及由此引起的强度衰减，其地基强度增长率要大。陈环(1991)提出了负压作用下一维情况的太沙基固结解，认为负压条件下的固结问题与正压条件下基本相同，只是边界条件有变化，因此仍可以用太沙基固结方程求解。在其固结计算中，未考虑砂井的作用，实际将真空预压处理的地基视为均质地基。赵维炳(1991)改进了真空预压砂井地基固结分析半解析方法，使它也适用于堆载预压和成层地基情况，改进后侧向位移计算结果的精度比原方法有很大提高。麦远俭(1998)探讨了真空预压加固中软粘土不排水剪切强度的增长规律，建议以等效固结压力计算真空预压加固地基土强度增量。吴跃东，赵维炳(1999)在对广东京珠高速公路某真空-堆载联合预压处理段进行分析时，将殷宗泽双屈服面模型与考马拉一黄模型结合，从而可以考虑土的粘弹、粘塑性以及剪胀性，结果表明考虑土体流变的结果要好于仅考虑弹塑性变形的结果。陈远洪、洪宝宁、龚道勇(2002)用有限元方法分析了真空预压法对周围环境的影响，计算时以平面Biot固结理论为基础，考虑了土的流变性，采用了粘弹塑性的本构模型，计算结果表明采用防护措施可明显减轻真空预压对周围环境的影响。高海江，俞建霖，金小荣，龚晓南等(2006)根据固结度等效的原则，提出了基于双指数衰减的负压分布模式的砂井地基等效公式，可用于平面应变。其有限元计算公式表明，真空作用越大，土体固结越快，真空预压加固地基的效果不仅仅与负压大小有关，而且还和负压的分布模式密切相关，在以往研究真空预压加固地基解析理论成果的基础上，推导了下伏承压水软基真空预压和真空联合堆载预压加固地基的孔压解析解。通过现场试验，分别研究了软土地基在没有防护、打设水泥搅拌桩和设置应力释放沟等三种情况下，加固区外的水平位移和附加沉降。实测结果表明了设置应力释放沟能有效减小加固区外水平位移和附加沉降的影响范围和程度。朱继伟、闫澍旺、孙万禾（2004）在比奥（ Biot）固结理论的基础上，采用弹性本构关系，将排水板看成一条直线，通过在排水板所在直线上的土体节点上施加负的真空压力实现负真空压力的施加，对真空预压进行了有限元计算；余湘娟、吴跃东、赵维炳（2002）采用粘弹塑性本构模型，主要考虑了土的流变和损伤等因素，通过将砂垫层中所有节点孔隙水压力设为负的真空压力，土体表面各节点孔压设为0来实现负的真空压力的施加，对真空预压进行了有限元计算；吴跃东、余湘娟，殷宗泽（2002）介绍了负压条件下软件加固的理论计算，通过将砂垫层中所有节点孔隙水压力设为负的真空压力，土体表面各节点孔压设为0来实现负的真空压力的施加，考虑了土的流变和施工扰动引起的损伤，采用平面应变有限元法进行分析。魏丽敏，何群，孙愚男（2005）将非线性本构关系引入到Biot固结理论有限元程序，施加堆载荷载，对砂井地基进行了平面有限元分析。雷鸣，王星华，聂重军（2007）采用线弹性本够关系，通过调节边界单元节点孔隙水压力为实则值来实现真空加载。陈小丹、李建平，赵维炳（2005）对真空预压地下水位的变化情况以