（岩土工程专业论文）真空预压法对加固区周围土体的影响以及防护措施分析.pdf

摘要 真空预压法作为一种软土地基处理方法，主要应用于道路、港口、机场等工程中。 真空预压法的加固机理及理论计算研究已经取得了一定的成果，真空预压法也得到了较 为广泛的应用。但是，真空预压法存在对周围土体影响的问题，当影响范围内有地下管 道和地面建筑物时，应采取一定的防护措施。 本文在现有研究成果的基础上，通过对现场实测数据以及有限元计算结果分析研 究，探讨了真空预压对加固区周围土体的影响以及不同防护措施的防护效果，主要包括 以下几个方面的内容： 1 总结若干真空预压加固软土地基影响范围的论述，并对广州南沙港软基加固工程 某加固区周围土体地表沉降、水平位移以及深层最大水平位移监测数据进行分析，以实 测数据为基础探讨了真空预压对周围土体影响的一些规律。 2 用有限元方法分析了真空预压对加固区周围土体的影响，主要包括对土体最终水 平位移和沉降。另外，还分析了不同的抽真空时间，真空预压对加固区周围土体的水平 位移和沉降的影响，并对影响加固区周围土体变形的因素进行了分析。 3 真空预压引起的周影围土体变形的防护措施主要包括设置应力释放沟、打设桩体 以及局部堆载。本文用有限元方法分析设置应力释放沟离边界的距离、沟的深度，打设 桩体的弹性模量、厚度、长度、渗透系数等因素对防护效果的影响，给出了一系列计算 结果，并得到一些结论，在工程实践中具有一定的参考价值。 关键词：软土；真空预压；周围土体；影响范围；防护措施；有限元 a b s t r a c t v a c u u mp r e l o a d i n gi sa ne f f c t i v em e t h o dt oi m p r o v es o f tc l a yg r o u n d t h em e t h o dh a s b e e nm a i n l yu s e di nf r e e w a y , p o r ta n da i r p o r t ，e t c w i t h t h em e c h a n i s ma n dt h e o r yo f c o n s o l i d a t i o ni nt h ep r o c e s so fv a c u u r np r e l o a d i n gh a v i n ga c h i e v e ds o m e r e s e a r c h f i n d i n g s ，v a c u u mp r e l o a d i n gh a sb e e nu s e dw i d e l yi ne n g i n e e rp r a c t i c e h o w e v e r , v a c u u n l p r e l o a d i n ga l s oh a sd i s a d v a n t a g ef o ri t sb a d i n f l u e n c ew i t ha d j a c e n ts o i l ，e s p e c i a l l yw h e nt h e r e a r eb u r i e dp i p el i n ea n db u i l d i n g sw i t h i ni t si n f l u e n c ec i r c l e ，s o m ep r o t e c t i v em e a s u r e sm u s t b et a k e n b a s e do nt h es u m m a r yo fp r e s e n tr e s e a r c hr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c ew i t ha d j a c e n ts o i la n d e f f e c t i v e n e s so fd i f f e r e n tp r o t e c t i v em e a s u r e sw e r ed e e p l ys t u d i e dt h r o u g ha n a l y s i so ff i e l d t e s ta n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e r a l ea sf o l l o w i n g ： 1 s o m ed i s c u s s i o n so fi n f l u e n c ec i r c l ec r e a t e db yv a c u u l np r e l o a d i n ga r e s u m m a r i z e d ，a n dt h ef i e l dt e s tr e s u l t so fo n ec o n s o l i d a t i o np r o j e c ta r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n g s e t t l e m e n ta n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fa d j a c e n ts o i l ，l a t e r a ld i s p l a c e m e n to fd i f f e r e n t d e p t h b a s e do nt h er e s u l t s ，s o m e l a w so fi n f l u e n c ec r e a t e db yv a c u u mp r e l o a d i n ga r e g e n e r a l i z e d 2 v mt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ei n f l u e n c ew i t ha d j a c e n ts o i la r ea n a l y z e d ，m a i n l y i n c l u d i n gs e t t l e m e n ta n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fa d j a c e n ts o i l b e s i d e s ，t h ei n f l u e n c eo v e r d i f f e r e n tt i m e sa n dt h ef a c t o r si n f l u e n c i n ga d j a c e n ts o i la r ea l s oa n a l y z e d 3 t h ep r o t e c t i v em e a s u r e sc o n s i s to fs e t t i n gs t r e s s r e l e a s ed i t c h , p i l e sa n dl o c a lh e a p e d p r e l o a d i n g v i at h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h ee f f e c t i v e n e s so fs t r e s s - r e l e a s ed i t c hw i t h d i f f e r e n td i s t a n c ea w a yf r o mb o u n d a r ya n dd e p t h ，a n do fp i l e sw i t hd i f f e r e n t e l a s t i c m o d u l u s ，w i d t h , l e n g t h , p e r m e a b i l i t ye o e f f i c e i e n ta r ea n a l y z e d as e r i e so fc o m p u t a t i o nr e s u l t s a r ep r o v e i d e da n ds o m ec o n c l u s i o n sa r ea c h i e v e d ，w h i c hc o u l dh a v ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ei n e n g i n e e r i n gp r a t i c e s k e y w o r d s ：s o f tc l a yg r o u n d ；v a c u u mp r e l o a d i n g ；a d j a c e n ts o i l ；i n f l u e n c ec i r c l e ；p r o t e c t i v e m e a s u r e s ；t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：魏多橛日期：m 衫年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学逝蝴于 口保密，在年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：髫纵 指导教师签名：看私 日期：妒p ， 日期：彬侈 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 我国沿海除山东部分地段外，大部分的海岸线为淤泥质海岸，多为河相、海相或泻 湖相沉积层，在地质上属第四纪全新纪q 4 土层，多属于饱和的正常压密粘土。土的类 别多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土等。这类土具有“三高三低”特 点，即高含水量、高压缩性、大孔隙比、低密度、低透水性、低强度，并具有明显的流 变性和一定的结构性”“。随着经济建设的发展，沿海城市的建设用地日趋紧张，直接可 利用的天然优良地基越来越少，不少建筑物只能建造在这种软弱地基上。 在这种软弱地基上修建港口、码头、民用建筑，机场等工程，若对软土特性认识不 足，选择处理方法不当，技术控制不严，地基土因固结和剪切变形将会产生很大的沉降 和差异沉降，而且沉降的延续时间长，最终影响在建工程的正常使用。此外，由于其强 度低，地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求而容易产生地基破坏。为保证在施工 和使用期间的承载力与稳定性安全、消除过大的沉降变形，必须首先对这种软土地基进 行处理。 地基处理方法可分为两类：一类是对天然地基土体全部进行土质改良，如排水固结 法、强夯法、换填法等；另一类是形成复合地基，它由复合土体和天然地基土体形成， 如水泥土复合地基等。 真空预压属于排水固结法的一种。近年来，国内许多岩土工程师认识到真空预压法 处理软土地基的优越性，在具体工程应用中进行了很多有益的实践和探索，成功地解决 了真空预压法在实施过程中遇到的许多理论、工艺等方面的问题，取得了较好的经济效 益和社会效益，同时也积累了宝贵的工程经验n ”。 1 2 真空预压法的概念 真空预压系统由抽真空系统和排水排气系统两部分组成，膜上下压差一般可维持在 6 1 0 7 3 0 m h g ，即8 0 9 5 k p a 左右，一般取8 5 k p a 作为设计真空度。真空预压法处理地 基施工步骤为：首先在原地基表面铺垫一定厚度( 通常为5 0 c m ) 的砂垫层，再在土体中打 入砂井、袋装砂井或塑料排水板( 以下如不特殊说明，一律称为砂井) 作为竖向排水体。 将不透气的薄膜铺设在砂垫层顶面上，薄膜四周埋入不透水土中，借助埋设于砂垫层中 的管道，通过抽真空装置将薄膜下砂垫层中的空气抽出，使其形成相对负压，由于砂井 渗透性较大，该负压能够快速传递到砂井深部，从而在砂井和砂井周围土体之间形成孔 华南理工大学硕士学位论文 压差，使土体中的孔隙水流入砂井并被排出，以达到固结。 真空排水预压法加固软土地基的方法是属于排水固结法的一种，由加压系统和排水 排气系统以及密封系统三部分组成： 1 加压系统。主要是起固结作用的荷载，使地基土的有效固结压力增加而产生固结。 2 排水系统。设置排水系统主要在于改变地基原有的排水边界条件和借助于排水系 统来传递真空压力，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离，减少加固时间。 3 密封系统。是施加真空荷载成功与否的关键，也是真空排水预压法能够显著改 善地基条件的保障。 真空排水预压的三个系统见图卜2 所示。 管道 图1 1 真空预压加固软基示意图【3 l f i g 1 1i l l u s t r a t i o no f s o f tc l a yg r o u n di m p r o v e db yv a c u u mp r e l o a d i n g 排水系统 秉旱篆粢集二慕萎毒# 釜呈薯矗筹籍排水板、钢丝滤管 真空排水固结 加压系统一抽真空装置 密封系统一密封膜、密封沟、土体深层密封、地表开裂的密封 图1 - 2 真空预压的三个系统 f i g 1 2t h r e ep a r t so f t h es y s t e mo f v a c u u mp r e l o a d i n g 2 第一章绪论 真空预压法施工工艺流程见图1 3 。 图1 - 3 真空预压施工工艺流程图 f i g ，1 - 3f l o wc h a r to f t h ee o n s t r u t i o np r o g r a mo f v a c u u mp r e l o a d i n g 1 3 真空预压法的发展 真空预压法是一种利用抽真空达到加固软土地基目的的地基加固方法，该方法最早 的概念由瑞典皇家地质学院w k f i l l m a n 于1 9 5 2 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， 3 华南理工大学硕士学位论文 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开展了一系列的理论研究和实践工作，我 国5 0 年代末开始从事这方面的研究。但是多年来由于抽气设备、密封材料，垂直排水 通道、打设技术等方面的原因，这一技术的发展相当缓慢，没有得到大规模的实际应用。 1 9 5 8 年，美国费城国际机场跑道扩建工程，首次采用真空井点降水与砂井相结合的 方法，初步解决了真空施工工艺的技术难题而获得成功；1 9 7 3 年，美国怀尼米海军试验 室的威廉等人在现场试验的基础上提出了用渗流流网的概念来说明二维条件下真空预 压的最终效果；1 9 8 2 年，日本大阪南港的填筑工程也采用了该方法解决了大面积场地密 封的问题；法国、前苏联也开展了真空预压法的应用研究，为了提高滑动体液化土的稳 定性，利用该方法较好地解决了土坡的滑动问题；1 9 8 4 年日本港湾技术研究所在锦海湾 进行了真空预压的现场试验，并采用了通常的等应变的砂井固结理论进行了计算，计算 结果沉降速率较实测值快。 我国在2 0 世纪5 0 年代末和6 0 年代初开始对这一方法进行了研究，但未能达到工 程应用阶段。1 9 5 7 年8 0 7 部队和哈尔滨军事工程学院在室内和室外做过真空预压试验， 1 9 5 9 年对真空预压加固淤泥地基的野外试验进行了总结；1 9 5 9 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1 9 6 0 年提出“电渗排水加速海淤软土固结试验报告”；1 9 6 0 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，试验没有成功，大面积使用也就未能付诸实施，其原因除密封材料 当时没有轻、薄、不透气、易粘结的材料以外，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。 直到2 0 世纪8 0 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、研究。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5 3 0 m 汞柱，最大可达到6 0 0 r 咖汞柱，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1 9 8 5 年通过了国家技术鉴定， 获得国家“六五”科技进步奖。 4 第一章绪论 随后，从单一的真空预压法发展到真空一堆载联合法。、真空一电渗联合法一 1 0 l 、 5 - 9 1 真空一降水联合法【1 1 ，1 2 1 等，其中真空堆载联合预压法具有明显优势。为了满足某些使用 荷载大、承载力要求高的建筑物的需要，我国从1 9 8 3 年开展了真空堆载联合预压法的 研究，通过室内离心模拟试验和现场大面积试验表明，真空产生的负压和堆载产生的正 压效果是可以叠加的，从而形成了真空一堆载联合预压法。由于该工法可以将填筑的路 堤作为堆载加以利用，不仅具有很好的加固效果，而且经济效益很明，目前该工法已经 在广东、浙江、江苏、上海的高速公路建设中得到了比较广泛的应用。除了在高速公路 建设中的应用外，真空预压法及真空一堆载联合预压法也广泛应用于国内外港口、码头、 民用建筑、机场等工程建设中。现在，我国已在真空预压法理论与实践方面处于国际领 先地位。 ，。 1 4 真空预压法研究现状 随着真空预压加固软基技术的提出、发展以及在工程中的广泛应用，很多学者和研 究机构一直致力于研究真空预压加固机理，对真空预压法进行了一系列的理论和室内外 试验研究，取得了一些成果，但在很多问题上仍然没有取得一致的认识。可以说，相对 于真空预压法施工技术的日趋完善，其理论研究开展的还比较少。 1 4 1 真空预压法对加固区加固机理的研究 对于真空预压加固机理，主要有以下6 种观点： 第1 种观点是将膜内外压差作为等效荷载作用在地基土上。该观点认为膜内外所产 生的负气压差ap 即为地基土上的“真空”荷载，并产生等向应力ap 使土体固结。 第2 种观点是陈环等【1 3 ，1 4 】提出的负压下固结理论。该观点认为真空预压固结是在负 压条件下进行的，与在正压条件下的固结基本相同，只是边界条件有差别，仍然可用现有 的固结微分方程求解。 第3 种观点是高志义”1 提出的绝对孔隙水压力零点理论。该观点认为在基本不改 变总应力的情况下，最大限度地直接降低边界上的孔隙水压力( 一般方法可将孔隙水压 力最大降至相对压力零点，真空预压因密封膜可使孔隙水压力最大降至绝对压力零点) ， 从而导致孔隙水压力分布不平衡，土体自重有效应力使土体得以加固。 该理论首次论证了真空预压法不同于堆载预压法和降水预压法，但同时认为真空预 压过程中的渗流与固结不成因果关系。 5 华南理工大学硕士学位论文 第4 种观点是董志良1 于1 9 9 8 年提出的，该观点认为，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，也即地 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 于饱水的真空预压状态，虽然该部分土体中也有真空度，但真空负压是由土体中的孔隙 水压力承担，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于上部水位 下降区土体浮容重与湿容重的转化所增加的自重引起的，因此地下水位以下的土体符合 真空降水预压的加固机理。 该解释考虑了抽真空过程中水位下降的影响，但是仍然存在不足。主要是地下水位 下降后，地下水位降落区的土体，即原地下水位线与下降后的地下水位线之间的土体， 虽然可能变为非饱和状态，但是这种变化存在一定的先决条件，并且变化幅度并不大， l7 l 特别是粘粒含量大的土体，不会变成非饱和，并且目前也无法准确确定非饱和区，因 此此观点并不严谨。根据此观点，地下水位以下的土体仍然处于饱和的真空负压状态， 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，那么在地下水位线以 下的土体就不会发生朝向加固区的水平位移，反而可能在上部压力增大的时候，发生向 外挤出，显然，这与实测结果不符。 n 期 第5 种观点是龚晓南、岑仰润等一于2 0 0 2 年提出的真空渗流场理论。该理论以现 有的真空预压研究和多孔介质渗流理论为基础，认为抽真空过程是在土体中较大的连通 孔道( 如塑料排水板) 中形成“真空渗流场”，并将其中的水和气( 真空流体) 吸出，地下 水位下降而导致地基土体固结，较小孔道中的水随后也被吸出，产生固结，其固结范围仅 限于降低后的地下水位线以上的土体。 该理论解释的加固机理较为符合真空预压的实际情况，但仍存在不足之处。根据真 空渗流场理论，真空度只能在地下水位面以上扩散，而抽真空过程中地下水位不会一直 下降，而是在某一深度就趋于稳定，因此，无法解释水位面以下土体，尤其是深层土体 中真空负压渗流场的形成及扩散机理。 9 2 0 1 第6 种观点是李青松、吴爱祥等一1 于2 0 0 4 年提出的“真空渗流场作用下的渗透 固结”理论。该理论认为：真空预压法作为一种预压固结方法，其加压系统并不明确， 其实质是真空渗流场作用下的渗透固结，即通过在地基中建造排水系统，给排水系统提 供负压，使竖向排水通道发展成为动态完整井，并以其为中心，产生不同于通常抽水形 成的降落漏斗，减小孔隙水压力，在有效加固范围内土体产生渗透固结，并以堆载预压 6 第一章绪论 的形式作用于其下影响范围内的土体上，达到加固地基的目的；真空预压法的有效加固 深度小于动态完整井所能发展的最大深度。有效加固范围为动态完整井所形成的降落漏 斗区域，影响的加固深度达到竖向排水通道的设置深度；真空预压法的应力路径不是使 整个加固区域在球应力作用下固结，而是以单个竖向排水通道为中心的降落漏斗中的柱 状体在球应力作用下固结，然后卸载，接受正向应力。在此基础上，提出了“双弹簧固 结模型”。 1 4 2 真空预压法对加固区周围环境影响的研究 佗1 1 范须顺( 1 9 9 5 ) 一结合天津新港地区较厚的欠固结淤泥类土的真空排水预压工程实 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 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，假设单井排 水引起孔隙水变化的边限为渗透影响半径，假定渗流为单向连续渗流，以水文地质学中 库萨金公式为参考，提出了估计真空预压影响范围的一个经验公式。 | 2 2 1 于志强、朱耀庭、喻志发( 2 0 0 1 ) 一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，得到如下主要结论：( 1 ) 真空预压加固软土地基对加固 区外一定范围土体变形影响是显著的，加固后区外土质条件会得到一定改善；( 2 ) 加 固区外有建筑物时，预压加固对区外地表影响可根据施工区周围地质条件、预压区理论 计算最大沉降量瓦进行设计或施工前估算，预测其影响程度。加固区外2 0 m 以内一般 最大水平位移与的比值在1 0 2 5 之间；( 3 ) 确定预压边线距主要构筑物间安全 距离时，首先要考虑建( 构) 筑物变形的能力，其次是地质条件，一般情况下建议在1 8 m 左右，不宜小于1 5 m ，同时应加强施工观测。 n 1 1 彭劫、刘汉龙、陈永辉等( 2 0 0 2 ) 根据浙江杭金衢高速公路娄下陈段的真空一联 合堆载预压法的软基处理工程实践，报道了真空一联合堆载预压法对周围环境影响的实 测情况，并进行了有限元分析，指出：真空一联合堆载预压对周围环境有较大的影响， 在该工程中影响范围在加固区外3 0 m 左右；真空一联合堆载预压周围土体侧向位移具有 先向加固区内，然后向加固区外移动的特点。 r 2 棚 陈远洪、洪宝宁、龚道勇( 2 0 0 2 ) 。用有限元分析了真空预压法对周围环境的影响， 计算以平面b i o t 固结理论为基础，考虑了土的流变性，采用了粘弹塑性本构模型，较系 统地介绍了利用有限元处理真空预压法加固软基的数值方法，并以深圳河工程为例，计 算分析了软基中应力、位移、孔隙水压力的变化与周围环境相互影响，利用深层搅拌桩 7 华南理工大学硕士学位论文 的支护和阻水作用，可以有效地减少周围土体的不均匀沉降和最终沉降量，同时能较好 地控制土体侧向变形，保证土坡的稳定性，说明在真空预压中采取防护措施可以明显减 轻对周围环境的影响。 佗射 朱虹、朱建才，丁祥洲( 2 0 0 2 ) 一采用试验与有限元的方法，研究了真空联合堆载 预压加固软基对周围环境的影响，结果表明：真空预压使影响区的土体向加固区方向收 缩，在水平方向，地表的水平位移影响范围可达2 0 m ，沿深度方向，深层土体的水平位 移在l o m 以上，1 5 m 以下基本上无水平位移。 r 2 6 1 余湘娟、吴跃东、赵维炳( 2 0 0 2 ) 结合深圳河真空预压加固软基工程，采用了比 奥固结有限元法，在计算中采用了双屈服面粘弹粘塑性模型，应用了损伤理论，研究 砂井施工对土体扰动的影响，并考虑了土体流变的影响。采用平面应变有限元进行计算， 有限元计算结果表明，真空预压能加快地基固结，在有限的工期内大幅提高地基土的强 度，消除工后沉降；从侧向位移说明真空预压对周围建筑物有一定的影响；当采用搅拌 桩的支挡作用和止水作用，可以维持周围土的稳定，减少其水平位移和不均匀沉降，从 而可达到保证周围建筑物安全的目的。 r 2 7 1 童中、汪建斌( 2 0 0 2 ) 。报道了广肇高速公路k 5 4 + 3 5 0 k 5 4 + 5 6 0 段软基采用真空 一联合堆载预压法加固过程中侧向位移的监测情况。监测结果表明：( 1 ) 在近地表附 近( 0 2m 左右) 侧向位移一直指向场地内，并且有不断扩大的趋势，越近地表，侧向 位移越大，扩大趋势越明显；( 2 ) 在深度2m 以下的区域，填土后位移方向发生倒转， 由向内转为向外；( 3 ) 在深度4 2 6 6m 范围内，测斜曲线相应出现较大波折，自6 6 n l 以下侧向位移突然增大，在深7n l 处达到最大，在7m 以下部分的侧斜曲线出现收 敛的形态，最后尖灭于1 3m 深处，文中从地质条件和测斜管受力模式两方面对上述现 象进行了分析；( 4 ) 在填土荷载加载之前的纯真空预压时段，侧向位移向加固区内方 向增加；但当填土荷载加到一定程度后( 约2 0k p a ) ，侧向位移向加固区外方向缓慢递 减。在填土恒载期，侧向位移又向加固区内方向增加。 佗羽 董志良、胡利文等( 2 0 0 5 ) 一结合真空预压治理深圳河二期工程现场试验，分析了真 空预压对周围环境的影响及不同防护措施的防护效果。实测结果表明真空预压影响范围 可达4 0 m 以上，在距离加固区边缘8 m 处的最大侧向位移量可达3 3 5 c m ，影响深度达 1 4 m ；在距离加固区边缘1 4 m 处的最大侧向位移量可达2 3 2 c m ，影响深度达1 2 m 。采 用水泥土搅拌桩可减少土体向加固区内的侧向位移，降低真空预压对周围环境的影响， 8 第一章绪论 其中格栅型水泥搅拌桩的防护效果明显好于采用两排紧密布设的水泥土搅拌桩墙的防 护效果。 1 4 3 真空预压法计算理论的研究现状 目前关于砂井地基的真空预压的计算方法主要有：一种是以轴对称固结理论为基础 的单井解析法，如b a r r o n 解、h a n s b o 解和曾国熙解；一种是半解析法，孔隙水压力由 解析解求出，位移则用数值解法计算；还有一种是以t e r z a g h i 固结理论或b i o t 固结理 论为基础的数值计算法，如有限元法、边界元法和差分法等。 ( 1 ) 解析法 对于解析法，只能计算单井固结，比较适合加固区面积大、地基情况和边界条件、 初始条件比较简单的加固区中心点的固结沉降。真空预压法的解析解是在砂井理论上推 导出来的。加固区中打设了砂井，就形成了砂井地基。陈环例提出了负压条件下的太沙 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。此种分析方法与实际有较大差异。董志良口0 1 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。应该看到， 该法最大的优点就是计算简单，便于工程应用，但是需要对分析的问题做许多简化，如 边界条件比较简单、采用的土体模型也比较简单、对井阻和涂抹作用不能较好地考虑等， 对实际工程的复杂性反映不全面。由于解析解一般假设固结过程中总应力不变，所以无 法考虑固结过程中孔压与变形的耦合关系，此外，它还无法对整个地基特别是加固区边 界的固结变形进行计算。 ( 2 ) 半解析法 半解析方法是钱家欢、赵维炳p 1 1 在考虑土体流变的基础上提出的砂井地基固结分析 的简便方法。孔隙水压力由解析解求出，位移则用数值解法计算。这种方法计算比较简 便，也可以考虑比较复杂的情况，如土体的粘弹性、砂井井阻的影响。 ( 3 ) 数值解法 数值解法可以弥补解析解的不足，适应于土体的非线性、弹塑性和各向异性等特点。 b i o t 固结理论是从比较严格的固结机理推导出来的，能够反映孔隙压力消散与土骨架变 形之间的耦合关系。由于要解偏微分方程组，对于轴对称和平面应变中某些简单情况， 已有人推导出了解析解。但对于一般土层情况，边界条件稍微复杂一些，就很难获得其 9 华南理工大学硕士学位论文 解析解。 有限单元法是一种较为成熟、应用比较广泛的一种数值方法，可以反映土体较为复 杂的本构关系，能够较为有效地解决比奥固结问题。 r 1 1 沈珠江首先用b l o t 固结有限元法对某真空预压法处理的工程进行了计算，发现 土体本构模型对计算结果影响较大，通过结合三种土体本构模型按比奥固结理论进行计 算，结果发现没有一种方法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， n 43 扪 但其计算工作量较大，他建议对一般的工程采用变弹性模式即可。随后，陈环等一。 也进行了有限元和边界元在真空预压计算方面的应用并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，发现以比奥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。 一1 ， 砂井地基的变形和渗流都是三维空间问题，应用三维方法进行分析在理论上是比较 完善的，但是由于砂井本身细而长，而且砂井布置比较密集，如果对整个砂井地基进行 精确的三维有限元分析，其计算工作量是相当巨大的，甚至是不可能完成的。因此，需 要考虑如何将砂井地基这样一个三维问题转化为平面应变二维问题，把砂井等价为砂墙 是目前普遍采用的简化方法。 值得指出的是，以上计算方法都隐含一种假定，即：土体在负压条件下的排水和固 结变形过程同正压条件下的固结过程是相似的，都是通过孔隙水压力的变化将荷载传递 给土体骨架的过程，真空预压与堆载预压的区别在于孔隙水压力的初始条件和边界条件 不同，因此，可用各种固结理沦进计算。随着对真空预压加固机理研究的不断深入，真 空预压计算理论也必将不断完善。 1 5 论文研究背景、目的和意义 广州南沙港区原为围海滩涂地基，其强度和承载力均很低；港区陆域是在原有的地 面上吹填淤泥、中细砂形成的，由此形成了大面积、深厚的人工吹填造陆区。其特点是 本身地基土的工程性质很差，覆于其上的人工吹填淤泥土的工程性质更差，吹填初期的 强度几乎为零，小型施工设备和人员无法进入场地，更无法安排大型地基处理设备。而 吹填土地基在自重作用下的固结需要几年，甚至几十年时间才能趋于稳定；在荷载作用 下将发生可观的压缩变形，且有较大的工后沉降。因此，对人工吹填淤泥及其下的软土 地基采用怎样的地基处理方法，将是影响整个工程如何实施及实施经济性的关键。 1 0 第一章绪论 目前常用的地基处理方法有排水预压法、复合地基法、动力固结法、热化学加固法、 桩基础等。对南沙港软土地基条件，不适合选用复合地基法和动力固结法；热化学加固 法将引起一定的污染；桩基础在工期和费用上都没有优势。 对南沙港，采用排水预压法中的真空预压法，这项技术对码头堆场大面积软粘土地 基处理有明显的技术经济优势，是这类工程首选的地基处理方案。真空预压在我国的应 用已有四十多年的时间，在单块加固面积、真空度控制技术等方面均居国际领先水平， 成功地进行了码头、高等级公路、房屋等建筑物地基的处理，积累了丰富的工程实践经 验。 由于港口工程建设一般是分期进行的，前期建成的港区房屋、道路、地下管道等已 经开始使用；而后期在采用真空预压进行软土地基处理时，不可避免地要对前期已建的 建( 构) 筑物产生不利影响，这种影响有时甚至是破坏性的。 目前，对真空预压法的研究大多在加固区以内，而对加固区周围环境的影响缺乏深 入的研究。随着真空预压法在工程实践中的广泛应用，人们逐渐认识到采用真空预压法 加固软土地基，在固结过程中加固区土体不仅产生垂直沉降，同时也会产生向着加固区 的水平位移，使加固区边缘地表处产生裂缝。当在真空预压区的影响范围内有地下管道 和地面建筑物等，侧向位移将使结构物的地基土体产生侧向变形甚至破坏，危及上部结 构，导致工程事故。 真空预压加固软土地基对周围土体的的影响范围，一般认为距真空预压区边界大约 1 5 3 0 m 。但是在工程实践中，其影响距离受密封条件、土质条件的影响往往不同，有 些影响范围很小，而有些影响范围很大，有些甚至在5 0 m 的范围内都产生了明显的构筑 物或土体的拉裂。近年来，工程实践中为了减少真空预压对周围环境的影响通常采用打 设水泥搅拌桩、水泥旋喷桩、挖应力释放沟等防护措施，但是关于其防护效果研究还比 较少。因此开展真空预压对周围环境影响及防护措施研究不仅具有重要的理论意义，同 样具有重要的工程应用价值。 1 6 论文结构 本论文主要内容由以下几部分组成： 第一章：绪论。简要介绍真空预压法的概念及真空预压法发展历史，论述真空预压 法加固机理以及真空预压法对加固区周围环境影响的研究现状；概括本文研究背景、实 际意义及论文结构。 华南理工大学硕士学位论文 第二章：真空预压法对加固区周围环境的影响分析。总结若干真空预压加固软土地 基影响范围和对周围土体加固作用的论述，对广州南沙港软基加固工程某加固区对周围 土体影响的实测数据进行分析。 第三章：真空预压加固地基数值计算方法研究。概括土体固结理论及其发展，介绍 有限元解法通常采用的比奥固结理论以及真空预压有限元简化计算模型，并对第二章的 工程实例进行模拟计算。 第四章：用有限元方法分析了真空预压对加固区周围土体的影响，主要包括对土体 最终水平位移和沉降。另外，还分析了不同的抽真空时间，真空预压对加固区周围土体 的水平位移和沉降的影响，并对影响加固区周围土体变形的因素进行了分析。 第五章：真空预压影响范围内防护措施有限元分析。用有限元方法对防护措施进行 了分析，得出一些对工程实践具有指导意义的结论。 结论：介绍本论文的主要结论和今后的研究发展方向。 1 2 第二章真空预压法对加固区周围环境的影响分析 第二章真空预压法对加固区周围环境的影响分析 2 1 引言 在真空预压排水固结过程中，被加固地基不存在有稳定问题，地基土的侧向变形是 朝向加固区的，呈收缩的趋势，所以与堆载预压法相比，在发生同样的竖向变形时，真 空排水预压法加固的土体的密实度较高，这是真空预压法加固软基的一大优点。但是对 于真空预压加固区周围的土体而言，由于加固区土体的向内收缩，势必会在加固区周围 形成拉裂缝，造成土体的严重损伤。这些裂缝一般平行于加固区的边线，随着时问的增 长，土体固结度的提高，裂缝也在发展，逐渐变大加深，数量也逐渐增加，最终使得结 构物的地基土体破坏，进而影响到上部结构物的正常使用。图示是真空预压对周围构筑 物影响的照片。 一 目前，对真空预压法机理研究较为普遍，但真空预压对周围环境的影响研究还很少， 对影响范围以及影响程度还不十分清楚，而这在软基加固设计及施工时都必须仔细分 析，认真研究，以避免工程事故，减少损失。 图2 1 真空预压对周围结构物影响的照片 f i g 2 一lf h o t oo f t h ee f f e c to f a d j a c e n tc o n s t r u t i o nc r e a t e db yv a c u u mp r e l o a d i n g 1 3 华南理工大学硕士学位论文 2 2 侧向变形的应力路径、应变路径解释 真空预压法会使加固区周围土体向负压源方向移动，从而造成周围土体的侧向变 形，以下以应力路径和应变路径来解释真空预压形成侧向变形的原因。 图2 2 中，g = q 一码，p = ( t y i + 一+ 一) ，3 。天然地基中各点的初始应力状态都位于 固结线上。堆载预压下，由于附加应力的分布特点，在荷载边缘并靠近地基表面的 土体，由于0 一，其有效应力增加路径位于k 固结线下方，表明其侧向变形呈 收缩趋势，指向加固区。但由于堆载预压加固地基附加应力增量一的沿深度衰减速度 大于一，所以对离地表一定距离的地基土，其有a 玛c k a 一，其有效应力增加路径位 于k 固结线上方，表明其侧向变形呈膨胀趋势，土体朝向加固区位移。总体而言，堆 载预压加固地基，地基土大都发生侧向挤出变形。真空预压加固地基，地基土中各点由 于加固产生的有效应力增量各向相等，即一：q ，其有效应力增长路径是一组平行 于p 轴的水平线，均位于固结线下方，说明真空预压加固地基时，被加固土体都呈 现侧向收缩变形。 q ( a ) 堆载预压( b ) 真空预压 图2 2 堆载预压与真空预压加固地基应力路径朗 f i g 2 - 2s t r e s sp a t h e so f h e a p e dp r e l o a d i n ga n dv a c t l u mp r e l o a d i n g o 图2 - 3 堆载预压与真空预压加固地基应变路径p f i g 2 - 3s t r a i np a t h e so f h e a p e dp r e l o a d i n ga n dv a c u u mp r e l o a d i n g 1 4 p 第二章真空预压法对加同区周围环境的影响分析 图2 3 中，p = = 毛+ 龟+ 岛，q = 占l 一占，。k o 固结应变线代表单向压缩，无 侧向变形，该线正好平分p q 平面，有侧向正应变的应变状态点在该线下方，有侧向 负应变的应变状态点在该线上方。堆载预压加固地基，地基中某点的应变路径一般在k 固结应变线上方，表明土体变形呈现侧向挤出；而真空预压加固地基，地基中某点的应 变路径始终在固结应变线下方，水平离开线，说明土体变形是等向收缩。 从稳定角度看，侧向挤出的变形存在稳定问题，侧向收缩的变形不存在稳定问题， 但是存在对加固区周围环境影响的问题。 2 3 真空预压加固软土地基对周围环境的影响的总结 真空预压加固软土地基，加固区周围土体有向加固区内位移的趋势。真空联合堆载 预压加固软土地基，加固区周围土体具有先向加固区内，后向加固区外移动的特点。地 基土的单向位移或往复变形都会对加固区周围建筑物产生影响，影响程度与场地地质条 件、抽真空作用强度、地下水赋存情况、竖向排水体的打设情况等有关。表2 一l 统计了 若干真空预压加固软土地基影响范围和对周围土体加固作用的论述。从表中可以看出， 对不同的工程，由于工程地质条件以及设计施工情况各不相同，其影响范围报道并不一 致，但普遍认为真空预压加固软土地基影响范围比较远，大约在1 5 3 0 m 。 表2 1 真空预压加固软土地基影响范围的论述 t a b 2 - 1t h ed i s c u s s i o n so fi n f l u e n c ec i r c l ec r e a t e db yv a c u u mp r e l o a d i n g 工程引用出处地质条件 设计概况对影响范围的论述 耕植土，厚1 5 1 8 m ； 真空联合堆载预 李就好( 1 9 9 9 淤泥，厚8 0 1 1 o m ； 压，采用袋装砂井，从k 1 6 + 6 0 0 断面的水平位移 年) ，新( 会) 淤泥质粉砂。厚3 5 打设深度1 7 m ，间曲线来看，最大水平位移发生 台( 山) 高速牛 8 o m ；亚砂土，厚o 7 距为1 2 m 在地表下4 - - , 6 m 处，约6 5 c m 湾大桥南岸 6 7 m ；亚粘土，厚4 o 5 7 m 于志强、朱耀 真空预压影响可达到2 0 庭、喻志发 3 0 m ，变形较大区域主要在距 【2 2 】 ( 2 0 0 1 年)， 加固边线2 0 m 以内，3 7 m 范 天津港保税区 围内地表开裂 赵勤勇( 2 0 0 1 耕植土，厚o 5 1 5 m ；真空联合堆载预 年) 。，京珠高 淤泥，饱水、流塑状态， 压，采用直径7 e m 真空预压阶段，最大日位移 速公路广珠东 厚2 5 4 m ；淤泥质细 袋装砂井，间距为 2 5 c m ，3 0 天累计水平位移 段1 4 标段软基 砂，饱水、松散，平均厚1 3 m ，梅花形布置。 3 0 e m ，加固区周边均有可见收 处理试验段第1 5 7 m ：淤泥，饱水，膜下真空度达到 缩裂缝产生，最大连续裂缝跃 流塑状态，钻孔至3 0