（岩土工程专业论文）真空预压加固机理的研究.pdf

摘要 摘要 真空预压是加固软土地基行之有效的方法之一，工程应用发展迅猛，而对其加固 机理的研究却仍然存在着许多值得探讨的问题。在本文中，首先调查研究了真空预压 的发展历史与现状，并详细介绍了负压固结理论和真空渗流场理论。 本文在前人研究成果的基础上，结合大量的试验资料，通过理论分析和数值模拟， 对真空预压法加固软基过程中，地下水位、真空度、孔隙水压力等的变化规律进行了 深入研究。通过对监测数据的分析，详细研究了真空预压作用下土体的固结机理和变 形机理；在现场试验的基础上，对真空预压加固区内土体变形特性、孔隙水压力的时 空变化、地下水位的变化和真空度的传递等进行了综合分析。 介绍并采用有限元软件p l a x i s 进行实际工程的模拟计算及分析，采用平面应变模型 和莫尔一库仑土体本构关系，模拟真空预压中孔隙水压力的变化( 加固机理) 和真空 预压下土体的固结变形过程。模拟过程中，采用了两种加荷方式进行对真空预压中真 空荷载的模拟，结果显示，采用真空荷载法加荷进行计算所得结果比较符合真空预压 工程实际。 通过对真空预压机理模拟结果的分析，认为在真空预压中，施加荷载后在地基中 同深度处的塑料排水板和地基土体中形成孔压差，这是地基中孔隙水发生渗流的直接 原因；随着固结时间的持续，靠近塑料排水板的土体内的“这种孔压差”首先消散直 至消散基本结束。 通过对真空预压变形特性的模拟的结果表明，采用真空荷载法加荷进行计算所得 结果比较符合真空预压工程实际，地表沉降最大值发生在加固区中心点处且采用真空 荷载法计算所得沉降过程与实测资料吻合良好；采用等效外荷载法加荷计算所得结果 显示，其侧向位移并不符合真空预压工程实际所得的侧向位移的变化趋势。 关键词：真空预压；加固机理；现场试验；固结理论；数值模拟；孔隙水压力 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ev a c u u mp r e l o a d i n gi sau s e f u lm e t h o di ni m p r o v i n gt h es o f tc l a yf o u n d a t i o n i n t h er e c e n ty e a r s ，t h ev a c u u mp r e i o a d i n gm e t h o dh a sg o tag r e a td e v e l o p m e n t ，b u tt h et h e o r y o fi tc a nn o te x p l a i nt h ep h e n o m e n o no b s e r v e di np r a c t i c ee x a c t l y i nt h i sp a p e r ，t h eh i s t o r y o fv a c u u mp r e l o a d i n gi sd e s c r i b e d ，a n dt h et h e o r ya b o u tn e g a t i v ep r e s s u r ea n dv a c u u m s e e p a g ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l e d a b a s e do nt h er e s u l t so b t a i n e db yt h ef o r m e rr e s e a r c h e r ，t h em e c h a n i s mo fv a c u u m p r e l o a d i n gi sd i s c u s s e dw i t han e wm e t h o d a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t si n s i t u ，t h el o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e s ，t h ea c t i v ea n de x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e t i m ec u r v e s ， t h eg r o u n d w a t e rt a b l ec h a n g i n gp r o c e s sa n dt h et r a n s f e r r i n go fd e g r e eo fv a c u u mw a s g e n e r a l l ya n a l y z e d t h es o f t w a r en a m e dp l a x i si su s e dt om a k es o m en u m e r i c a la n a l y s i si nt h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ，i nw h i c ht h em o h r - c o u l o m bm o d e lw a sa d o p t e d i nt h ea n a l y s i s ，t w ol o a d i n g m e t h o d sw e r ea p p l i e d ，w h i c hw ec a l lv a c u u ml o a d i n ga n de q u i v a l e n te x t e r n a ll o a d t h e r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma n ds o i lc o n s o l i d a t i o ni nv a c u u mp r e l o a d i n ga r es i m u l a t e dw i t h t h e m w ec a nf i n dt h a tt h er e s u l t sg e t t i n gf r o mv a c u u ml o a d i n gm e t h o di sm o r ec l o s e dt o t h et e s t sr e s u l t si ns i t u ，a n dt h a to ft h ee q u i v a l e n te x t e r n a ll o a dm e t h o di sd i f f e r e n tf r o m t e s t sd a t ao b v i o u s l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti ti sm o r er e a s o n a b l eb ya p p l y i n gt h ev a c u u m l o a dt h a ne q u i v a l e n te x t e r n a ll o a d b a s e do nt h er e s u l t sf r o mn u m e r i c a la n a l y s i s ，s o m es u g g e s t i o n sa r eg i v e n t h ee x c e s s p o r ew a t e rp r e s s u r ei sp r o d u c e da f t e rp r e l o a da p p l i e d t h ed i f f e r e n c eo fe x c e s sp o r ew a t e r p r e s s u r eb e t w e e nt h ep v da n dt h ef o u n d a t i o nm a k e sw a t e rf l o wi nac e r t a i nd e p t hw h i c h c a u s et h ec o n s o l i d a t i o nh a p p e n e d t h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ei nt h es o i ln e x tt ot h e p v di sd i s s i p a t e df i r s t ，a n dt h i sp r o c e d u r ec o n t i n u e su n t i lt h ec o n s o l i d a t i o nf i n i s h e d k e yw o r d s ：v a c u u mp r e l o a d i n g ，m e c h a n i s m ，i n - s i t ut e s t ，t h e o r yo fc o n s o l i d a t i o n ，p o r e w a t e rp r e s s u r e 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，也不包含为获得鑫鲞走堂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：锄招菪签字日期：研年白弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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：徘酷 签字日期：厶姊年6 月弓日 一名：专 签字日期：切，年石月弓日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 伴随着经济的迅猛发展，我国的基础设施建设如火如荼的进行着，厂房、码头、 港口、机场、高速公路等建筑物( 构筑物) 如雨后春笋般拔地而起。然而可以不经处 理而直接利用的天然优良地基却越来越少，不少建筑物( 构筑物) 不得不建造在一些 不良地基上，例如软土地基。我国是软土多分布国家，在沿海和内陆地区广泛分布着 海相沉积、湖泊沉积和河相沉积的软弱粘土层。这种土的特点是然含水量高( 接近或 大于液限) ，孔隙比大( 一般大于1 0 ) ，压缩性高( 压缩系数a o ，_ o 2 5 k p a 1 或。舢 1 0 k p a l ) ，强度低( 快剪的内摩擦角妒 5 0 ，内聚力c 2 0 k p a ) ，渗透性小( 渗透系数 k = 1 0 。7 1 0 。8 c m s ) 。由于其压缩性高、透水性差，在建筑物荷载作用下会产生相当大 的沉降和沉降差，而且沉降过程延续的时间可能很长，有可能影响建筑物的正常使用。 另外，由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不够，不能满足工程要求。为保证在 施工和使用期间的稳定性，消除过大的沉降变形，这种地基通常需要采取加固处理措 施【l 】e 目前在软基处理工程中常用的方法有：( 1 ) 排水固结法，! t 1 1 真空预压、堆载预 压、井点降水预压法等；( 2 ) 复合地基法，如：粉喷桩、旋喷桩和碎石桩等。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， 但是软土地基的抗剪强度低，限制了填涂速率，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， 工程质量控制较困难。复合地基法能够缩短工期，但费用高，若采用水泥土搅拌桩， 费用大约为堆载预压的3 4 倍，而且成桩的质量较难控制，采用超长桩设计处理深 厚软土地基时，类似问题尤为突出。 实践证明，采用真空预压法处理软土地基是较为有效的处理方法之一，可以很好 的缩短工期，经济效益和社会效益都很明显。 第一章绪论 1 2 真空预压法简介 1 2 1 真空预压法发展历史 真空预压加固地基方法最早由瑞典皇家地质学院的杰尔曼( w k j e l l m a n ) 于1 9 5 2 年提出。但是，多年来由于施工工艺方面的困难，主要是抽气设备、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。1 9 5 8 年美国费城机场 首次采用真空井点降水与砂井相结合的工法处理飞机跑道扩建工程的地基问题，并获 得成功。2 0 世纪7 0 年代，日本东北地区新干线在加固第七号谷地的泥炭土和混有有 机物的淤泥土地基时，在加固区内打设了垂直排水通道纸板，在加固区四周打设 钢板桩并利用膨润土溶液进行密封，解决了漏气问题，但膜下真空度仍仅达到6 0 k p a ( 4 7 8 m m 汞柱) 。1 9 8 2 年，日本大阪南港在第二阶段的加固工程中，采用袋装砂井或 排水纸板作为垂直排水通道，采用抽真空和抽水相结合来降低水位的方法，取得了良 好的加固效果。同时，芬兰、法国、前苏联、瑞典等也开展了真空预压法的研究应用。 我国从5 0 年代末和6 0 年代初开始对真空预压法进行研究，但当时未能应用于实 际工程。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进行过真空预压试验， 王仁权就探讨过用真空预压加固淤泥地基，1 9 5 9 年他们对淤泥地基加固的室外试验进 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 津进行了“电渗真空砂井联合作业法”的试验研究，于1 9 6 0 年提出“电渗排水加固 海淤软土固结试验报告”。19 6 0 年同济大学和南京水利科学研究院在上海钢铁一厂做 了小型现场试验，提出了“用真空预压法加固吹填土的试验小结”。 2 0 世纪8 0 年代，以交通部第一航务工程局和天津大学、南京水利科学研究院土 工所组成的联合攻关小组，对该项加固技术重新进行了探索和研究。经过几年的努力， 解决了关键的抽气设备和水气分离问题，使抽真空效率大大提高。一航局在天津新港 进行了几次现场试验后获得成功，并于1 9 8 5 年1 2 月通过了国家技术鉴定。随后真空 预压法在我国软土地基处理中得到了广泛的应用，施工工艺有了很大的提高，目前我 国真空预压法的工艺技术处于国际领先水平。 在过去几十年的发展过程中，真空预压法加固软土地基在实际应用上已经趋于成 2 第一章绪论 熟，但是，在加固机理研究方面仍存在许多问题( 例如抽真空过程中地下水位变化及 对真空度、孔隙水压力和加固效果等的影响、抽真空过程中土体强度变化及土体沉降 估计及固结度预测、卸载标准的确定、加固后土体再压缩变形特性等等) 。理论用于 指导生产实践，但是理论滞后于实践，制约了该工法的进一步发展和工程应用。根据 现有的丰富的实践经验，对真空预压法加固软土地基的机理进行更深入的研究，己引 起学术界和工程界的普遍关注。 1 2 2 真空预压组成系统及其施工流程 真空预压系统主要由加压系统和排水排气系统两部分组成，如图1 1 所示。 排水排气系统：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。上文 所述的砂井或塑料排水板和砂垫层都是排水系统。 加压系统：用于施加起固结作用的荷载，使地基土的有效固结压力增加而产生固 结。主要就是抽真空装置，如真空泵等。 图1 1 真空预压示意图 空装置 排水排气系统与加压系统缺一不可。如果没有加压系统，空隙中的水没有压力差， 水就不会自然排出，地基也就得不到加固。如果只增加固结压力，无排水系统或不缩 短土层的排水距离，则不能取得好的加固效果或不能在预压期间尽快完成设计所要求 的沉降量，强度不能及时提高，加载也就不能顺利进行，工期要求得不到满足。所以 上述两个系统都是必不可少的，设计时总是要联系起来考虑【3 】。 采用真空预压法加固软土地基时，首先对加固区地表进行平整并在平整后的地表 铺垫一定厚度( 通常为4 0 5 0 c m ) 的砂垫层，以此作为水平向排水通道；然后再土体 第一绪论 中打入袋装砂井或者塑料排水板作为竖向排水通道，并在砂垫层中埋设排水管道：最 后将不透气的薄膜铺设在需要加固的软土地基表面的砂垫层上，并将薄膜四周埋八密 封沟。准备就绪后，将埋设于砂垫层中的管道另端联结抽真空装置，将密封膜下砂 垫层中的空气抽出，从而使这个区域的真空度增加；由于砂井溘透性较大，真空度可 以传递到砂井中，从而在砂井和砂井周围土体之间形成孔压差，使土体中的孔隙水流 入砂井被排出，以达到固结的效果。图l 一2 为某工程真空预压加固现场图片，图 - 3 为真空预压施工流程图。 图】o 寞宅预压加固现场 第一章绪论 图1 - 3 真空预压施工流程图f 2 】 5 。，。，。l。，l。il 前期准备阶段 设备安装阶段 真空预压阶段 第一章绪论 1 3 真空预压理论研究 就施工工艺方面而言，真空预压法已经不存在什么难题，但在理论研究方面仍存在 不少问题。这些问题大致包括加固机理和计算方法两大类。加固机理方面的问题包括真 空预压的加固深度、真空度和超孔隙水压力在砂井及地基土中的传递规律、真空预压引 起地下水位的变化情况等；计算方法理论则包括三维砂井向二维砂墙的转换方法、砂井 井阻和涂抹作用的影响、土体本构关系的选择、工后沉降的预测等。为了进一步推广真 空预压法，继续对其加固机理、设计方法及沉降计算进行深入研究是十分必要的。 1 3 1 真空预压加固机理研究 真空预压技术发展的过程中伴随着对真空预压加固机理的探索。1 9 5 2 年，杰尔曼教 授( w k j e l l m a n ) 提出了真空预压加固软基一维问题的最终效果 3 2 】；其后美国的p j v e l e n t ( 1 9 7 3 ) 等人用流网解二维问题，苏联的f e r - m e t i r o s y a n ( 1 9 8 3 ) 则采用拉普拉斯方程求 解，二者解决的都是最终效果，属于稳定渗流问题；曰本的小林正树( 1 9 8 4 ) 用有限元 方法求解三维问题的最终效果【1 5 】。 在国内，对真空预压机理的研究也早就进行着，1 9 5 8 到1 9 6 0 年间，天津大学对此 课题就进行过研究获得了某些概念。但一直把真空预压看做某种荷载，未能获得有效进 展。1 9 8 0 至1 9 8 5 年间，天津大学与交通部一航局合作，承担此问题的机理研究和试验 验证，获得了突破，国内同行也陆续地进行了研究，丰富与完善了研究成剁1 0 j 。 鲍秀清( 1 9 8 1 ) 用一维负压固结仪进行了抽气试验，7 得出了在相同的压差下，正压 与负压下的试样在加固后有基本相同的土体参数，即其加固效果基本相同的结论。陈环、 鲍秀清( 1 9 8 4 ) 研究了负压条件下土体固结的有效应力问题；闰澍旺、陈环( 1 9 8 6 ) 用 三轴仪也进行了正负压对比试验，认为正负压作用下的固结过程是基本相同的。此后， 娄炎( 1 9 9 0 ) ，陈环( 1 9 9 1 ) ，杨国强( 1 9 9 1 ) ，钱家欢、赵维炳( 1 9 9 2 ) 继续研究了真 空预压下的周结问题，确立了负压下固结理论，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，它和在正压条件下即堆载预压固结问题基本相同，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。 李丽慧、王清、王剑平等( 2 0 0 0 ) 通过室内试验，对真空排水预压下土体变形特征 进行了应力路径分析【2 4 1 。 6 第一章绪论 张泽鹏、李约俊、冯淦清等( 2 0 0 2 ) 分析了塑料排水板在真空预压加固软基中的作 用，认为采用塑料排水板作为纵向排水体，其加固效果要优于采用袋装砂井。 丁绿芳、郭志平、赵维炳( 2 0 0 2 ) 从损伤力学的观点出发，引入损伤比因子考虑土 体的损伤，根据室内试验确定了土体的损伤比及计算参数【1 3 】。 龚晓南、岑仰润( 2 0 0 2 ) 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，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。实 际上也可以将真空预压情况下的固结过程看作是“真空流体”在更为细小的孔道中扩散 的过程，这种扩散与时间有关，结果导致土颗粒的重组和土体的压密。真空预压加固软 基由两方面的作用组成，一是真空渗流场引起的真空预压作用，二是地下水位下降引起 的排水固结作用。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旧。 闰澍旺等人( 2 0 0 5 ) 研制了一套真空预压机理的演示模型装置，解释了真空预压的 影响深度问题瞄j 。 梅国雄、徐锴等( 2 0 0 7 ) 在进一步研究真空预压机理时考虑土体各向异性对土体变 形的影响，阐述了引起工后沉降的主要原因可能是应力诱导的土的各向异性【9 1 。 1 3 2 真空预压计算理论研究 真空预压的计算理论研究包括两个方面，即解析理论方面的研究和数值分析计算方 面的研究。 1 真空预压固结解析理论方面的研究 叶柏荣、董志良( 1 9 9 1 ) 在砂井固结理论的基础上，通过改变初始条件和边界条件， 推导了真空预压的解析解。在此基础上，董志良( 1 9 9 2 ) 推导了真空联合堆载预压砂井 地基固结解析解。董志良，( 1 9 9 3 ) 在正负压砂井地基固结解析解的基础上，导出了排水 板的渗流量、加固区竖向固结渗流量及区内外进出渗流量的计算公式。黄腾、张迎春、 杨春林等( 2 0 0 1 ) 从应力状态入手分析真空联合堆载条件下计算地基稳定的数学模型， 提出抽真空作用下真空度衰减公式和土体抗剪强度增量的计算公式，并应用于某真空联 合堆载试验段的稳定分析中。徐泽中、刘世同、柴玉卿( 2 0 0 2 ) 从b a r y o n 的砂井地基 等应变固结解出发，建立了真空联合堆载预压的渗流模型。 解析解便于工程的实际应用，但是分析的边界条件比较简单，采用的土体本构模型 7 第一章绪论 也较简单，对井阻、涂抹作用不能较好地考虑。解析解只能进行一维或轴对称分析，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。 2 数值分析的研究现状 数值解法可以弥补解析解的不足，能考虑土体的非线性、弹塑性、粘性和各向异性 等特点。闫澍旺、陈环( 1 9 8 6 ) 分析了真空预压加固软土地基地机制与二维问题的有限 元计算方法，分析过程中假定抽真空表面与砂井均为恒定负压。林丰、陈环( 1 9 8 7 ) 用边 界元分析真空和堆载作用下砂井地基的固结过程。 沈珠江、陆舜英( 1 9 8 6 ) 在比奥固结理论基础上，分别采用了南水模型、剑桥模型 和弹性模型等三种本构模分析了某港口中一个5 0x6 0 m 试验场地的软土在真空作用下 的固结变形过程，计算中假定真空表面为恒定负压，砂井井底真空度是顶部的三分之一， 中间按直线变化。结果表明土体本构模型对计算结果影响较大，并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。 梁志荣、曹名葆、叶柏荣( 1 9 9 3 ) 用有限元分析比较了堆载预压与真空预压加固软 上地基的不同固结特性；邱长林、闫澎旺( 1 9 9 9 ) 用有限元分析了真空堆载联合预压加 固软基过程。 李格平( 2 0 0 1 ) 编制了以比奥固结理论为基础，按平面应变问题分析地基加固效果 的有限元程序，对工程实例及现场试验进行了计算分析，并将程序计算结果和实测值进 行比较，证明采用该程序计算真空预压、堆载预压及真空联合堆载预压时，计算所得的 变形是可信的，从而为设计提供依据。 杨海彤( 2 0 0 1 ) 研究了正负压共同作用下土体的固结特性和变形机理，介绍了有关 真空预压的解析解及有限元数值计算理论。应用比奥固结有限元方法，采用邓肯一张土 体本构关系，模拟现场情况，计算分析了真空堆载预压下土体固结变形过程。最后，根 据实测资料，采用一维反演分析法，推导了最终沉降量计算公式，结合改进后的高木俊 介固结度计算方法，建立真空堆载联合预压的沉降预测模型。 周顺华、王炳龙、李尧臣等( 2 0 0 1 ) 结合比奥固结理论，建立了饱和软土地基真空 预压法流固耦台模型，从而较好地考虑了排水条件对材料参数的影响。依据迭加原理， 对地基的初应力条件进行简化，获得了体积压缩与土体骨架压力和孔压间的对比关系， 并由虚功原理建立了饱和软土地基排水固结法流固耦台问题的有限元计算格式分析了 r 第一章绪论 不同排水井间距的地基处理效果。 3 砂井地基 在计算时，陈环和沈珠江把砂井视为砂墙，将空间问题转化为平面问题，他们都把 砂井和砂垫层作为己知水头边界进行计算。陈环把砂井作为砂墙，沈珠江则按砂墙间距 放大系数的平方放大地基的渗透系数。陈环令砂垫层和砂井在初始时刻同时达到负的真 空压力，沈珠江则根据部分实测结果对砂井孔压进行假设。 在2 0 0 3 年，李豪、高玉峰、刘汉龙等在真空预压机理和砂井地基固结理论的基础 上，根据固结度等效的原则，将复杂砂井地基转化为无砂井成层地基，提出了真空堆载 联合预压法的简化计算方法。 1 4 真空预压新发展 进入2 1 世纪以后，随着港口、沿海铁路等工程的大量实施，许多新方法、新工艺、 新装置如雨后春笋般的涌现出来。 1 4 1 新材料、新装置 张功新、董志良、莫海鸿等( 2 0 0 6 年5 月公开) 发明了一种真空预压加固区地下水 位测试装置( 专利申请号：2 0 0 5 2 0 0 5 6 7 6 7 2 ) 。本装置在测试地下水位时不需要打开水位 管口的密封膜，避免了由于每次测试从打开密封膜到测试结束这段时问所导致的水位管 内的水位下降值。测量数据真实可靠，即使是测量多次，也不会影响测试结果。 金亚伟( 2 0 0 7 年2 月公开) ：真空预压用排水板、真空管连接接头( 专利申请号： 2 0 0 6 2 0 0 6 8 3 6 6 3 ) ，是工程施工中对深厚软土地基进行真空预压加固中的一种实用设备。 接头有两部分组成，下端呈中空箱形，中空箱形的上端面长度方向上设置若干个分布均 匀的凸管，使用这种接头后，解决了沙粒堵塞真空管、真空度传递不顺畅等问题，使真 空预压达到快速固结软基的目的，缩短了工期，降低了施工成本。 沈水龙、柴锦春、洪振舜等( 2 0 0 8 年3 月公开) ：用于真空预压同结的带顶盒的土 工塑料排水板( 专利申请号：2 0 0 7 1 0 0 4 7 1 4 2 3 ) 。这种排水板不需要担心薄膜的质量问题 以及可能带来的不利影响，而且可以使真空预压固结在局部进行，不需要特别考虑整个 处理区域的密封问题。 9 第一章绪论 王海鹏、平克磊、张静( 2 0 0 8 年6 月公开) ：真空预压软基处理的水下补密封膜装 置( 专利申请号：2 0 0 7 2 0 0 4 1 3 3 5 3 ) 。该装置结构简单，使用方便，成本低，不需排水、 打围堰，实现真空预压工程中水下补密封膜，不影响工程的工期，节约工程造价。 郭爱国、孔令伟( 2 0 0 9 年2 月公开) ：一种地基加固区内孔隙水压力测量装置( 专 利申请号：2 0 0 8 1 0 1 9 6 9 2 0 x ) 。本发明是由孔隙水压力传感器、传感器电缆、二次仪表、 数据自动采集系统组成：在土体加固前，按照符合相应技术规程、规范和设计要求的方 法埋设孔隙水压力传感器，将传感器的电缆线引到加固区外便于与二次仪表连接的位置 保护好，然后即可按照预定的加固方法对土体进行加固处理，在加固处理过程中可以采 用与二次仪表相连的数据自动采集系统按照一定的频率测读各孔隙水压力传感器的压 力值，从而实现不同阶段、不同压力范围内土体内部孔隙水压力的实时量测。 1 4 2 新方法、新工艺 刘松玉、洪振舜、章定文等( 2 0 0 5 年6 月公开) 提出气压劈裂真空预压法加固软土 地基的操作方法( 专利申请号：2 0 0 5 1 0 0 3 8 6 4 4 ：0 ) 。采用高压空气通过导气塑料排水板输 入深部地基内部，从内部产生挤压力；同时通过气体劈裂作用，使深部土体产生劈裂， 形成裂隙，迅速增大深部土层的渗透性，并与排水板联通，在项部真空压力作用下，大 大提到排水固结速率，缩短加固时间并有效地加固深厚软基。 张志铁、叶吉( 2 0 0 6 年8 月公开) 提出了双真空预压及动力挤密法联合加固软土地 基的方法( 专利申请号：2 0 0 6 1 0 0 3 8 7 8 2 3 ) ，适用于大面积软土加固并利用吹填泥浆提高 其高程的围海造地或低洼地填高工程。 包建国( 2 0 0 7 年5 月公开) ：“短程超载真空预压一动力排水固结联合法”( 专利申请 号：2 0 0 6 1 0 0 9 7 7 0 4 。0 ) 。在常规的真空预压法的真空膜上建造围堰，并进行腹水超载，对 每个沉降观测点按照真空预压操作规程进行观测，在预压沉降量达到计算沉降值的8 0 以上时，继续预压5 1 0 日，确认完全平稳后停止腹水超载真空预压；在真空膜拆除并 晾晒1 - 2 天，然后进行排水固结，快速排出真空预压时砂垫层中的存水，在水位达到 1 5 m 以下后进行强夯或振动碾压。 张敬、苗中海、刘爱民等( 2 0 0 7 年9 月公开) ：水下真空预压加固软基技术方法( 专 利申请号：2 0 0 6 1 0 0 1 3 2 6 4 6 ) 。由以下步骤顺序进行：第一次水下铺砂，水上打设塑料排 水板，铺设滤管，第二次水下铺砂，铺密封膜，连接抽真空设备，抽真空。其优越性是 l o 第章绪论 睡下真空预压加固软基技术可以应用与水下开挖工程、高桩码头的岸坡处理工程、防波 堤施工等领域，应用前景广阔。 汤连生、梁永根( 2 0 0 8 年2 月公开) 提出一种无密封快速真空预压强夯法( 专利申 请号：2 0 0 7 1 0 0 2 9 5 4 5 5 ) ，比较适用大面积软土地基处理。本方法根据图层情况为滤管设 置滤孔，且不需要使用砂垫层( 或使用很薄砂垫层) ，因此，其不仅施工工期短、真空 度损失小、节省施工材料，且可阻断砂层的横向排水，经济节约，加固效果好。 陈江涛( 2 0 0 8 年5 月公开) ：一种复合电渗、真空降水、真空预压加固地基的方法 ( 专利申请号：2 0 0 7 1 0 0 5 0 7 2 4 7 ) 。本发明方法所用装置，采用了复合管和开孔冗余膜或 网状帽眼膜或带连接器的网状帽眼真空膜。本发明方法是集电渗、真空降水、真空预压 三项工作程序并行实施，也可分项实施的加固地基方法，它具有处理均衡、施工简便、工 程短、性价比高等优点。 夏玉斌、刘强、邓磊( 2 0 0 8 年7 月公开) ：直排式真空预压地基处理方法( 专利申 请号：2 0 0 7 1 0 3 0 6 0 7 2 9 ) 。本发明公开了一种直排式真空预压地基处理方法，在真空装置 上设有主管，主管上分出若干支管，每个支管通过连接管与排水板相连接，将排水板内 的水分直接抽出。本发明直排式真空预压地基处理方法除去了现有处理方法中水平排水 砂垫层和真空虑管、滤膜，直接用连接管将软基中的塑料排水板与真空管相联接，大大 减少了真空压力传递的沿程损失，提高了真空传递效能和加固效果，降低了加固费用。 夏玉斌、刘强、邓磊( 2 0 0 8 年7 月公开) ：真空预压软土地基侧向垂直的密封方法 ( 专利申请号：2 0 0 7 1 0 3 0 6 0 7 3 3 ) 。本发明公开了一种真空预压软土地基侧向垂直的密封 方法，包括如下步骤：a 开沟槽；b 铺设密封膜；c 形成侧向垂直密封帷幕，沟槽回填。 本发明的密封方法，具有密封深度大、效果好，质量高，造价低的优点。 苗中海、刘爱民、王良辰等( 2 0 0 9 年1 月公开) ：自密封真空预压加固地基技术方 法( 专利申请号：2 0 0 7 1 0 0 5 8 1 5 8 4 ) 。节省了一般真空预压中加固地表的塑料密封膜、水 平排水垫层、全部滤管、出膜装置及压膜密封沟；简化了施工程序，施工方便快捷，缩 短工期；节省了大量工程材料和人力及工程投资。 1 5 本文拟进行的主要工作 作： 结合当前的研究现状和存在的问题，本文拟在实际工程的背景下，着重开展以下工 第一章绪论 ( 1 )简要叙述真空预压法的发展历史，介绍真空预压的实际工程操作；重点介绍 两种大多数人赞同的真空预压理论：负压固结理论和真空渗流场理论。 ( 2 ) 运用土力学、水力学等知识对真空预压的机理进行分析，阐述对真空预压机 理的认识。 ( 3 ) 以某港口码头真空预压工程的现场试验为背景，对真空预压现场试验检测成 果进行分析。 ( 4 ) 介绍并应用p l a x i s 软件对真空预压机理进行模拟，将模拟结果与实测数据进 行对比分析。运用该软件对某港口真空预压工程现场试验进行变形模拟，并对比实测数 据进行分析。 1 2 第二章真空预压理论 第二章真空预压理论 如前所述，真空预压理论包括加固机理和计算方法两大类。本章侧重介绍真空预压 的加固机理。 2 1 真空预压法相关概念 2 1 1 真空、真空度 真空，是指在给定空间低于环境大气压力的气体状态，即该空间内的气体分子密度 低于该地区大气压的气体分子密度，而并不是没有物质的空间。在真空技术中，称处于 真空状态下气体稀薄程度的量称为真空度或真空压力，通常用气体的压力( 剩余压力) 值来表示，其标识通常有两种方法：用真空中气体的“绝对压力”、“绝对真空度? 标 识，即比“理论真空”高多少压力。例如，在海平面上气温为2 0 0 c 处，绝对真空度初 始值为一个标准大气压( 1 0 1 3 2 5 k p a ) 。用真空中气体的“相对压力”、“相对真空度” 标识，即比一个标准大气压低多少压力来标识。“相对真空度”指被测对象的压力与测 量地点大气压的差值。例如，在常压下，相对真空度为零1 7 j 。 国际真空行业通用的“真空度”是“极限真空、绝对真空度、绝对压力”。但是，“相 对真空度”由于测量的方法简便、测量仪器普遍，因此得到广泛应用。理论上两者是可 以互相换算的，两者的换算方法为：相对真空度等于绝对真空度( 绝对压力) 减去测量 地点的气压。所以，真空技术中的“相对真空度”是个负值，称为负压。 在真空预压加固软土地基技术中，真空度所采用的概念和上述“相对真空度”基本 相同。但是，为了叙述方便，在实际工程中真空度的取值一般都采用正值。 真空预压加固软土地基中，真空度的产生过程如下所述：抽真空后，真空薄膜下砂 垫层中的气体首先被抽出，其压力逐渐下降至p v ，真空膜外大气压力匕与膜内气体压 力p ，形成一个压差妒，使薄膜紧贴于砂垫层上，这个压差称为膜下真空度。真空薄膜 内气体压力越低，表示真空度越高；反之，真空薄膜内气体压力越高，真空度越低。 第二章真空预压理论 2 1 2 孑l 隙压力、静水压力和超静孑l 隙水压力 岩土工程基本术语标准( g 5 0 2 7 9 1 ) ( 下称：标准) 中定义了静水压力、孔隙压力 和超静水压力等概念。其中，孔隙压力是由于荷载变化等原因在土孔隙水和气体中引起 的压力，可分为孔隙水压力和孔隙气压力两种，两者之和即为孔隙压力。 孔隙水压力是“土中某点孔隙水承受的压力”。孔隙水压力有静水孔压( 地) 、动水 孔压( 蜘) 、应力孔压( ) 、结构孔压( u c ) 和传递孔压( 蜥) 等成因类型。在真空预压 技术中，涉及到的的类型有静水孔压( 地) 、动水孔压( ) 和传递孔压( 蜥) 。 表2 - 1 真空预压技术中涉及的孔隙水压力类型 描述 孔压痛爪 基本定义产生条件 基本性质 静水作用条件下饱和 土是饱和 土骨架无胀缩变化，体应变势为零； 静水孔压( 1 j 1 )的；静水作用条 土颗粒收到浮力作用而使土粒重量减轻， 土中产生的孔隙水压力致使土的有效应力减小；静水位变化不引 件 起水位以下的有效应力变化 土骨架体应变势为零土是饱和 条件下饱和土中孔隙水渗 的；排水条件： 土骨架无胀缩变化，体应变势为零： 动水孔压( 1 l p ) 大小变化与水力梯度有关；引起有效应力 流而产生的孔隙水压力，通有一定水力梯 常也称渗透压力度 变化，与渗流作用的方向有关 在排水条件下饱和土土是饱和伴随有土骨架的胀缩与体应变势的 骨架冈孔隙水压力渗流而的；排水条件： 增减；变化与消散扩散路径有关；有效应 传递孔压( u o 产生的体应变势所引起的外荷或总应力力发生重分布；大小主要取决于孔压梯 孔隙水压力变化度、渗流条件与消散扩散的持续时间 标准中定义：静水压力是给定点与自由水位高程差引起的水压力，是一种全方位的 力，均匀地施向物体表面的各个部位。对于无水流条件下的土体，孔隙水压力约等于没 有水流作用下的静水孔压。 标准中并没有出现“超静孔隙水压力”、“超孔隙水压力”、“超额孔隙水压力”等词 语。但是，该标准定义了“超静水压力9 9 9 英文翻译为“e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e 9 9o 因 此，标准中“超静水压力”应该就是通常意义上人们所说的“超静孔隙水压力”。 超静孔隙水压力，顾名思义，超静孔隙水压力就是“超出孔隙水压力的那部分孔隙 压力”，有正负之分。正的超静孔隙水压力的产生，是由于土体受到挤压，而水又是不 可压缩的，因此孔隙水必然承受外加荷载力，这就产生了正的超静孔隙水压力，土孔隙 中的气水混合物相对地表现为“胀”。而负的超静孔隙水压力，使土孔隙中的气水混合 1 4 第二章真空预压理论 物相对地表现为“缩”，例如超固结土体受到剪切时，土体发生剪胀作用使体积变大， 其孔隙比增加，气水混合物相对于整个土体体积来说表现为“收缩”，必然要吸收一定 量的水来填充。对于无水流条件下的土体，超静孔隙水压力就是“超出静水压力的那部 分力【5 】【6 1 。 2 1 3 负压的概念 广义上的“负压”是一种相对压力，它既可用来描述气体状态，也用来描述液体状 态，描述气体状态及真空预压法的边界条件时与真空压力同义，描述液体状态时则是指 负的超静孔隙水压力。 通常，在地下水面和地下水面以上的土孔隙中作用着大气压力p 。巴是流体压力， 传至土孔隙中即为孔隙压力。抽真空时，土中产生负压一，此负压也是通过流体传向土 孔隙，所以也是孔隙压力【1 0 】。我们定义，使土体产生正值孔隙水压力的外荷载为正压； 使土体产生负值孔隙水压力的外荷载为负压】。大气压力为匕，绝对真空压力( 绝对真 空度) 为尸v ，则负压的大小为r 一户口- 尸，。真空预压过程中，抽真空在土中某些边界造成 负压源，使土中的原有孔隙压力与边界降低的孔隙压力之间形成压差，从而发生渗流， 逐渐降低土中的孔隙压力，这就是负压作用下土的固结过程。从这个角度看，负压作用 实际上指的是膜下边界处的真空压力即真空度，它相对于标准大气压而言。 但是，真空度和负压不属于同一个范畴。本文认为，真空压力或真空度( 确切的说 是相对真空度) 是负压的一种形式。真空，是用来描述气体状态的，不能用于描述液体 状态。但是负压除了可以描述真空压力之外，也可用来描述液体状态。当负压用于描述 液体压力状态时，通常指负的超静孔隙水压力，属于液体的测管压力，它是相对于初始 孔隙水压力来定义的【1 2 】【1 4 1 。 因此，在真空预压技术中，“负压”是个通用的概念，既指真空度，又指负的超静 孔隙水压力。真空度与负的超静孔隙水压力的区分原则是：真空度是描述气体状态的； 负的超静孔隙水压力是描述液体状态的。真空度的测量一般采用真空表，负的超静孔隙 水压力的测量采用孔隙水压力计。 第二章真空预压理论 2 2 真空预压机理的两种理论 自真空预压法创建以来，对其加固机理的研究有增无减，得出的结论也是云云总总。 本文中将着重介绍两种最常用的理论。 2 2 1 负压固结理论 负压固结理论认为，真空预压是通过覆盖于地面的密封膜下抽真空，使真空膜内外、 土体内部与排水通道之间形成气压差，使软土层产生固结压力。即是在总应力不变的情 况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法，加固过程中降低的孔隙水压力就等 于增加的有效应力。真空预压是在负超静孔隙水压力下排水固结，称为负压固结【1 5 】【16 1 。 1 9 5 8 到1 9 6 0 年间，天津大学对此课题就进行过研究获得了某些概念。但一直把真 空预压看做某种荷载，未能获得有效进展。1 9 8 0 到1 9 8 5 年间，天津大学与交通部一航 局有关人员通过试验研究发现，抽真空只是不断的改变土体中的孔隙压力，而其总应力 是不变的，因此用太沙基有效应力原理观点进行分析，概念得到了明确。 大气压力是一种流体压力，属于中性压力，不能直接作用于颗粒间，成为有效应力。 根据有效应力原理，土中应力必须满足关系式： 仃= 盯+ ” ( 2 1 ) 抽真空过程中未施加外荷载，总应力基本不变，对2 1 式求导可得： d 盯= 一d “ ( 2 2 ) 表明土中孔隙压力的降低值即为有效应力的增加值，这是真空预压加固效果的根本 原因。孔隙压力降低是逐步实现的，首先在边界产生负压，而后逐渐向土中传递。 对于只在表面铺透水层并密封的情况，负压首先在膜下产生，当土中同时打设排水 通道时，负压同时在排水通道产生。这些边界孔隙水压力的降低，使与土体中的孔隙水 压力形成压差和水力梯度，发生由土体中向边界的渗流。渗流过程是土中孔隙压力不断 降低，有效应力不断增加的过程，这就是众所周知的固结过程，可由固结理论来求解。 1 9 8 1 到1 9 8 2 年间天津大学进行了室内模型试验，解出相应固结方程的解析解，解析解 和差分解的结算结果为模型试验所证实。加固过程大概如图2 1 ( 据一维固结理论) 所 示，土中凡是大气压力，可以看出地下某处的总应力是不变的。 1 6 第二章真空预压理论 抽真空之前 2 2 2 真空渗流场理论 一一 抽真空之后地表完全固结真空度完全通过竖向排水体之后 图2 1 真空预压加固机理示意图 真空渗流理论认为，抽真空作用将在地基土中形成真空渗流场，其间产生流动介质 为真空流体，真空渗流场将产生两个方面的作用：对于地下水位以上地基，真空流体 使土粒中较小孔道处孔隙水排出而产生固结；对于地下水位以下地基，真空渗流场不 能向下传递，真空预压本身对地下水位以下的地