孫 亞

(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092)

0 引 言

1982 年我國在真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上，提出了聯(lián)合堆載的加固方法.從1985 年的三月到十一月綜合項(xiàng)目開始了真空聯(lián)合堆載加固大的探究實(shí)驗(yàn)［1］.此法即先進(jìn)行真空預(yù)壓施工，而后在膜下真空度達(dá)設(shè)計(jì)需求并在確定運(yùn)行平穩(wěn)的一周到兩周時(shí)間后，實(shí)施堆載預(yù)壓運(yùn)行.并在工程完結(jié)以后，將真空與堆載結(jié)合使用，至達(dá)到固結(jié)度標(biāo)準(zhǔn)或者沉降速率標(biāo)準(zhǔn)時(shí)即可去除真空荷載.該方法也廣泛應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)［2］、建筑地基、路基等工程建設(shè)中.

1 加固機(jī)理

堆載預(yù)壓法遵從的是Terzaghi 的有效應(yīng)力理論.根據(jù)圖1 可以看出，附加外部壓力之后，土體的固結(jié)就變成了孔隙水壓消除、有效應(yīng)力提升與土體逐步壓密的進(jìn)程.加載瞬間，堆載壓力全部由孔隙水承擔(dān)，此時(shí)孔隙水將增大.通過在地基中布置豎向砂井，增加了排水途徑，縮短了排水距離，這時(shí)土層中的空隙水主要通過砂井部分豎向排出，超空隙水壓力u 減小.根據(jù)有效應(yīng)力原理，有效應(yīng)力增加.地基土發(fā)生沉降，且強(qiáng)度增加，從而達(dá)到了加固的效果，并且可以有效減小建筑物的沉降.

真空預(yù)壓法即將軟土地基表面首先添加砂墊層，之后加入垂直排水管道，并通過隔離的封閉膜讓軟土地基同空氣分離，薄膜周圍深入地中，利用砂墊層里添加的吸水通道，使用真空裝置排除空氣與水，讓整體設(shè)備產(chǎn)生真空壓力，從而推動(dòng)土體排水固結(jié)，進(jìn)而提升地基的有效應(yīng)力.將整體轉(zhuǎn)化真空狀態(tài)時(shí)，砂墊層和排水通道中逐步降為負(fù)壓，保持土體內(nèi)部和排水通道、墊層間產(chǎn)生壓力差.在這種情況中，土體中孔隙水持續(xù)通過通道流出，土體固結(jié).其示意圖如圖2 所示.

圖1 堆載預(yù)壓簡(jiǎn)圖

圖2 真空預(yù)壓簡(jiǎn)圖

關(guān)于該方法的作用機(jī)理，其中一個(gè)理念即把膜內(nèi)外壓差當(dāng)做等效荷載反應(yīng)在地基土上;另一個(gè)理念即陳環(huán)等公布的負(fù)壓下固結(jié)觀念.二十世紀(jì)80年代，陳環(huán)等［3］通過一維負(fù)壓固結(jié)儀實(shí)施抽氣實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同樣的壓差之下，正負(fù)壓的試樣通過加固后擁有大體一致的土體參數(shù)，也就是加固意義大體一致，其土體強(qiáng)度的提升效果也大體一致的結(jié)果.這就說明抽真空僅僅使孔隙壓力持續(xù)變化，也就是真空預(yù)壓利用減小土體中的孔隙壓力，讓有效應(yīng)力提升從而達(dá)到加固效果.閻澎叮、陳環(huán)［4］通過二軸儀實(shí)施正壓與負(fù)壓的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)正壓與負(fù)壓作用一下的固結(jié)過程大體一致.EC.Leong 等［5］用利用固結(jié)儀探究了在同種壓力中(正負(fù)壓)土樣剪切強(qiáng)度增加的狀況，獲得了堆載預(yù)壓加固成效高于真空預(yù)壓的加固成效的結(jié)果.龔曉南等［6］以現(xiàn)有真空預(yù)壓的研究和多孔介質(zhì)滲流理論為基點(diǎn)，給出了真空滲流場(chǎng)理論用以詮釋真空預(yù)壓加固軟土地基的機(jī)制.

從上述研究中可以看出，堆載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法在加固機(jī)理上存在著不同，堆載預(yù)壓法可以稱為正壓固結(jié)，真空預(yù)壓法可以稱為負(fù)壓固結(jié).從土中應(yīng)力可知，堆載預(yù)壓總應(yīng)力增加，隨著超靜孔隙水壓力的減少而使有效應(yīng)力增加;真空預(yù)壓法總應(yīng)力不變，降低孔隙壓力，而使有效應(yīng)力增加.從加壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，堆載預(yù)壓加載過程里剪應(yīng)力提升，也許會(huì)導(dǎo)致土體剪切損壞，所以必須調(diào)控加載速率分級(jí)加載;真空預(yù)壓法抽真空時(shí)，剪應(yīng)力不提升，無法導(dǎo)致土體剪切破壞，不需要控制加載速率.兩者處理深度不一樣，而且后者會(huì)引起地下水位下降，就造價(jià)方面來說也是后者比較高.

2 豎井地基固結(jié)理論

設(shè)置有豎向排水井的地基可簡(jiǎn)稱為豎井地基.豎井排水固結(jié)法思想最初由Moran 于1925 年提出.想要讓觀測(cè)預(yù)測(cè)豎井地基的固結(jié)過程合理化，探究人員在豎井地基固結(jié)觀念角度上完成了大規(guī)模任務(wù)，獲得了許多成就.Carrillo［7］簡(jiǎn)化了砂井地基固結(jié)方程，使得豎井地基固結(jié)問題能夠首先各自核算徑向固結(jié)與堅(jiān)向固結(jié)，之后綜合獲得地基總體固結(jié)度.

1948 年Barron［8］最初針對(duì)非井阻與涂抹效果的豎井地基固結(jié)實(shí)施推斷.Yoshikuni［9］等以Biot固結(jié)理論為基礎(chǔ)，得到了考慮徑向和豎向組合滲流的解答.高木俊介公布了逐步加荷條件下砂井地基固結(jié)的核算方式，這種方式和Terzaghi 公布的近似修正法相比更加準(zhǔn)確，但該方法使用范圍更加廣泛.

由最初的Terzaghi 一維固結(jié)理論進(jìn)步到Biot的真三維固結(jié)理論，再到之后Barron 公布了砂井的固結(jié)理論，在這一過程中有不同的人針對(duì)固結(jié)理論給出了不同觀點(diǎn)，但在實(shí)際工程中，專家們更多的是使用Terzaghi 與Barron 的固結(jié)理論，之后再綜合修正系數(shù)加以修正.此外現(xiàn)在的各種關(guān)于真空預(yù)壓的規(guī)定均使真空荷載等效當(dāng)做堆載實(shí)施沉降預(yù)測(cè).一方面因?yàn)樯鲜隼碚撚?jì)算方面，工程經(jīng)驗(yàn)較多，另一方目前其他理論尚未成熟，計(jì)算稍顯復(fù)雜，難以滿足工程需要，而有限元進(jìn)行三維計(jì)算由于建模難度以及土體本構(gòu)及參數(shù)選取問題未能廣泛使用.

3 固結(jié)計(jì)算

實(shí)際工程中，荷載大多是分級(jí)加載.分級(jí)加載下，工程中常用的地基固結(jié)度計(jì)算主要有下列兩種方法.

3.1 改進(jìn)的太沙基法

基本思想為:各級(jí)荷載增量導(dǎo)致的固結(jié)進(jìn)程是各自實(shí)施的;各級(jí)荷載為在加載起訖時(shí)間的中點(diǎn)一次瞬時(shí)加足的;其中各點(diǎn)時(shí)間的總平均固結(jié)度為此時(shí)每個(gè)級(jí)別荷載作用下固結(jié)度的加和.改進(jìn)的太沙基法表達(dá)式為:

3.2 改進(jìn)的高木俊介法

依照巴倫原理，利用多級(jí)等速加荷使砂井地基在徑向與垂直向條件下推斷出其平均固結(jié)度的精準(zhǔn)值，其主要優(yōu)點(diǎn)為無需精確求取瞬時(shí)加荷條件下的地基固結(jié)度，能直接求取已修正的平均固結(jié)度，可適用于多種排水條件，具有通用性.修正后的平均固結(jié)度為:

式中，α，β 的計(jì)算公式可根據(jù)不同的排水條件，查表得到.

4 實(shí)例分析

建筑場(chǎng)地為近年新淤積的海灘，含水量高，壓縮性大，抗剪強(qiáng)度低，采用預(yù)壓法進(jìn)行地基加固.軟弱土層厚度為12m，下部為不透水層.豎向排水通道采用塑料排水板，規(guī)格為100mm3.5mm，三角形布置，間距1.2m，穿透受壓土層.經(jīng)過室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)指標(biāo)，豎向固結(jié)系數(shù)是1.1×10－3cm2/s，徑向固結(jié)系數(shù)是2.6×10－3cm2/s.加載計(jì)劃為0d ～20d，加荷50kPa;30d ～50d，加荷50kPa;70d ～90d，加荷40kPa;110d ～120d，加荷30kPa;140d ～160d，加荷20kPa.

塑料排水板換算直徑，

塑料排水板徑向排水范圍的等效直徑，

井徑比，

根據(jù)改進(jìn)的高木俊介法在Excel 中輸入了公式，編制了相應(yīng)的表格，計(jì)算了160d 各級(jí)荷載的固結(jié)度，如表1 所示.

表1 各級(jí)荷載固結(jié)度

5 結(jié) 論

(1)本文論述了預(yù)壓法在處理地基方面的發(fā)展過程，解釋了真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓的鞏固原理，對(duì)真空預(yù)壓鞏固進(jìn)行了深度估算，真空預(yù)壓區(qū)地下水位的變化情況以及正負(fù)壓聯(lián)合作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究.并從應(yīng)力變化，加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，處理深度等比較了兩者加固機(jī)理的不同點(diǎn).

(2)目前研究者提出了許多豎井固結(jié)理論，考慮了不同的模型簡(jiǎn)化問題，但在工程實(shí)踐中工程師們?nèi)匀粡V泛的使用Terzaghi 和Barron 固結(jié)理論然后結(jié)合修正系數(shù)進(jìn)行修正方法.更加符合實(shí)際，更能滿足工程設(shè)計(jì)需要的固結(jié)理論需要進(jìn)一步研究.

(3)介紹目前常用的固結(jié)計(jì)算方法，它們?cè)陂L(zhǎng)期被使用，積累了大量的經(jīng)驗(yàn).并通過工程實(shí)例，運(yùn)用改進(jìn)的高木俊介法進(jìn)行了計(jì)算.手算過程略顯復(fù)雜，故本文編制了Excel 表格進(jìn)行計(jì)算.

［1］ 唐羿生，矯德全，楊玉璽.真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟基試驗(yàn)研究［J］.港口工程，1986，06:4－15.

［2］ Tang M，Shang J Q，CHU J，et al.Vacuum Preloading Consolidation of Yaoqiang Airport runway［J］.Ground and Soil Improvement，2004:44.

［3］ 陳環(huán)，鮑秀清.負(fù)壓條件下土的固結(jié)有效應(yīng)力［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1984，6(5):39－47.

［4］ 閻澍旺，陳環(huán).用真空加固軟土地基的機(jī)制與計(jì)算方法［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1986，8(2):35－43.

［5］ Leong EC，Soemeitro RM，Rchardjo H.Soil Improvement by Surcharge and Vacuum Preloading［J］.Geotechnique，2000(5):601－605.

［6］ 龔曉南，岑仰潤.真空預(yù)壓加固軟土地基機(jī)理探討［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，35(2):7－10.

［7］ Carrillo N.Simple Two and Three Dimensional Cases In the Theory of Consolidation of Soils［J］.Journal of Mathematics and Physics，1942，21(1):1－5.

［8］ Barron R A.Consolidation of Fine－grained Soils by Drain Wells［J］.1900.

［9］ Yoshikuni H，Nakanodo H.Consolidation of Soil by Vertical Drain Wells with Finite Permeability［J］.Soil and Foundations，1974，14(2):35－46.