馬昌龍 顧全 呂進(jìn) 王梅花

摘? 要：該文對(duì)無(wú)砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓法加固超軟地基進(jìn)行了介紹，筆者在浙江蒼南進(jìn)行了相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果從室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)等方面進(jìn)行分析，結(jié)果均表明該方法能夠有效提高地基承載力，并能夠增大硬殼層的厚度和土體的有效加固深度。同時(shí)對(duì)真空膜面覆水預(yù)壓法進(jìn)行了比較，分析了該方法存在的缺陷，特別是在產(chǎn)生“循環(huán)水”的情況下該方法的失效性。

關(guān)鍵詞：真空預(yù)壓? 水袋堆載預(yù)壓? 地基承載力? 覆水預(yù)壓

Abstract： In this paper， the method of no-sand cushion joint water bag vacuum preloading to reinforce super soft foundation are introduced， the author made field tests in zhejiang cangnan， the tests results from laboratory tests and field tests in situ were analyzed， and the results showed that this method can effectively improve the bearing capacity of foundation， and can increase the thickness of crust layer and the effective reinforcement depth. At the same time， vacuum membrane surface overlying water preloading method are compared， and the analysis of the defects of the method， especially in case of "cycle water"， the failure of the method.

Key Words： Vacuum preloading; Water bag preloading; The bearing capacity; Overlying water preloading

自從1952年W.Kjellman[1]教授提出了真空預(yù)壓加固地基的施工工藝，其材料和設(shè)備都不斷地更新?lián)Q代，使得這一工藝便得到了不斷地發(fā)展和完善，該工藝更是從單純的真空預(yù)壓法逐步發(fā)展為真空-聯(lián)合堆載預(yù)壓法，真空-聯(lián)合電滲預(yù)壓法等。

近10年逐漸推廣使用了一種新的真空預(yù)壓法——無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法，張文彬[2]、唐蔚東[3]對(duì)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法工程進(jìn)行了加固效果分析，結(jié)果表明該方法在加固軟土方面具有很好的加固效果。也有學(xué)者認(rèn)為無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法對(duì)淺層土體的加固效果很好，而對(duì)深層土體的加固效果并不理想[4]，但整體上土體的工程性質(zhì)得到了很大的改善。

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于加固軟土，且已經(jīng)成為一種成熟的施工工藝。Bergado.D.T[5]、謝弘帥[6]、王炳龍[7]對(duì)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法進(jìn)行了研究，認(rèn)為該法能夠縮短預(yù)壓時(shí)間，有助于提高地基的承載能力，減少工后沉降。吳躍東[8]、駱行文[9]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法不僅能夠提高地基的整體承載能力，而且能夠有效增大加固深度，縮短施工工期，減小工后沉降。在無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法施工過(guò)程中，若結(jié)合堆載預(yù)壓法，需要在密封膜上布置堆載體，為了提高加固效果和就近利用水資源，無(wú)砂墊層真空膜面覆水預(yù)壓法也被提出并應(yīng)用。劉寒鵬[10]、馮仁祥[11]對(duì)膜面覆水聯(lián)合真空預(yù)壓法進(jìn)行了研究，認(rèn)為該方法能夠提高土體強(qiáng)度。姜彥彬[12]認(rèn)為膜上覆水可以減緩密封膜的老化和真空度的損失。

無(wú)砂墊層真空膜面覆水預(yù)壓法看似很好地結(jié)合了真空預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法的優(yōu)點(diǎn)，且能夠就近利用水源，即做到了資源的合理利用。然而，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)該方法在施工前需要修筑圍堰，施工過(guò)程中，若出現(xiàn)破洞，容易產(chǎn)生“循環(huán)水”[13]，且難以發(fā)現(xiàn)和進(jìn)行密封膜的修補(bǔ)。該文基于此，提出無(wú)砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓法。

1? 工程概況

該工程位于浙江省蒼南縣龍港鎮(zhèn)規(guī)劃的江南涂區(qū)域內(nèi)，工程包括A1區(qū)、A2區(qū)和C區(qū)，總吹填面積約為1063.63萬(wàn)m2（約合15954.45畝），共包括5個(gè)區(qū)塊，如圖1所示，區(qū)域呈“倒置L”形。其中，C1區(qū)面積為14582m2，C2區(qū)面積為16002m2，C3區(qū)面積為13056m2，C7區(qū)面積為16200m2，C8區(qū)面積為12960m2，C區(qū)總面積為72800m2。此次選用的水袋為4個(gè)20×10×2m3和1個(gè)10×10×2m3的水袋，在C7區(qū)塊內(nèi)選擇一塊場(chǎng)地900m2進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合預(yù)壓試驗(yàn)，場(chǎng)地的尺寸為30m×30m，考慮到軟土厚度為3～4m，因此試驗(yàn)場(chǎng)地的大小能夠避免尺寸效應(yīng)。具體布置圖如圖2所示。

通過(guò)鉆孔取樣，得到土層的工程地質(zhì)情況如下。

第一層：粘土;褐黃、褐灰色，軟塑-可塑狀，中-高壓縮性，見(jiàn)有鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，層厚0.40～2.20m。

第二層：含細(xì)砂淤泥;灰色、淺灰色，流塑狀，局部軟塑狀，中-高壓縮性，夾貝殼碎片和半炭化物，層頂埋深0～2.20m，層厚3.40～6.70m。

第二亞層：細(xì)砂;褐灰色，飽和，松散狀為主，含少量貝殼碎片。層頂埋深3.80～6.50m，層厚3.50～13.70m。

第三層：淤泥;青灰色、灰色，流塑狀，高壓縮性，靜探孔均未揭穿，揭露厚度6.80～17.50m。

2? 加固效果

2.1 真空度和孔壓的變化規(guī)律

圖3為各區(qū)真空度隨時(shí)間的變化曲線，從圖中可看出，前45天真空度緩慢增長(zhǎng)，之后各區(qū)真空度穩(wěn)定在80kPa以上直至卸載。前期各區(qū)開(kāi)泵率緩慢增長(zhǎng)使得真空度增加緩慢，這是為了避免真空預(yù)壓工程中常見(jiàn)的“土柱”現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖4中為C3區(qū)和C7區(qū)的孔壓變化曲線，從圖中可以看出，埋深越淺的孔壓變化值越大，C3區(qū)3條曲線開(kāi)始階段變化較大，后期變化相對(duì)小得多，這主要是由于負(fù)壓在土中傳遞受到井阻和涂抹作用的影響，使得負(fù)壓沿深度的傳遞效果減弱。圖中C7區(qū)3條曲線在抽真空進(jìn)行了45d后均有所增長(zhǎng)，這是由于此時(shí)水袋開(kāi)始逐步充水，堆載作用下使得孔壓增大的緣故。

2.2 表層沉降

表層沉降可用于推算工后沉降和固結(jié)度，能夠?qū)υ摯蔚募庸绦ЧM(jìn)行評(píng)價(jià)，此次通過(guò)在各區(qū)布設(shè)監(jiān)測(cè)元件，對(duì)各區(qū)的表層沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。測(cè)得各區(qū)表層沉降曲線如圖5所示，從圖中可以看出C7區(qū)總沉降量均大于其余各區(qū)，總沉降量差值在30～40cm之間，即采用無(wú)砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓法加固效果要明顯優(yōu)于采用常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法。圖6為表層日均沉降曲線圖，從圖中可以看出，施加水袋堆載作用后，日均沉降變化很大，在荷載逐步增加的過(guò)程，日均沉降變化趨勢(shì)減小，這是由于土體在真空聯(lián)合堆載作用下而變得逐步密實(shí)。

2.3 加固前后土體的物理力學(xué)性質(zhì)

為了對(duì)無(wú)砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓加固效果進(jìn)行研究，此次對(duì)C3、C7兩區(qū)塊加固前的土體進(jìn)行了基本的室內(nèi)土工試驗(yàn)，和加固前后土體的孔隙比、含水率試驗(yàn)，并在加固后進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)和淺層平板載荷試驗(yàn)。具體試驗(yàn)結(jié)果如下。

表1為浙江蒼南沿海地區(qū)軟土的土工試驗(yàn)參數(shù)，該土的液限值為58.1，塑性指數(shù)IP=31.7，根據(jù)塑性圖可將該土劃分為高液限粘土。

從表2和圖7中可以看出，加固前C3區(qū)和C7區(qū)的土體的孔隙比和含水率都較為接近，越接近表層，土體的含水率越大，甚至超過(guò)100%。而通過(guò)對(duì)該土加固前后孔隙比和含水率的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)C7區(qū)土體加固后孔隙比和含水率均小于C3區(qū)，即C7區(qū)土體比C3區(qū)土體更為密實(shí)，但是兩者在3m深度所取得的土體的孔隙比和含水率都十分接近。

以上說(shuō)明了無(wú)砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓作用的效果在一定深度范圍內(nèi)要明顯優(yōu)于無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法，而當(dāng)超過(guò)一定深度后，其加固效果并不能得到有效的提高。

表3為工后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)所得成果，通過(guò)壓縮試驗(yàn)得到不同荷載作用下土樣的孔隙比。

結(jié)合表3和圖8，可以看出在相同的取土深度范圍內(nèi)，加固后C7區(qū)的孔隙比均小于C3區(qū)。隨著荷載的增加，C7-1和C7-2兩條曲線的變化相對(duì)較緩，而其余曲線的斜率變化較大，這就說(shuō)明了C7區(qū)1m和2m深度土體較為密實(shí)，加固效果較好;而C7區(qū)3m深度土體的孔隙比變化大得多，這就表明3m深度以上土體的加固效果較差。

以上分析表明：采用真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓法得到的硬殼層厚度在2～3m之間，而采用真空預(yù)壓法得到的硬殼層厚度在1.5m左右，這就說(shuō)明了采用真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓法能夠有效增大硬殼層的厚度，這將顯著地提高地基的承載力?？傊绻麊为?dú)采用真空預(yù)壓法，則需要注意后期的工程建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的較大的沉降;而采用真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓法則可以有效避免過(guò)大的沉降變形。以上數(shù)據(jù)也可用于今后工程建設(shè)當(dāng)中，為避免產(chǎn)生過(guò)大沉降變形作為參考。

2.4 加固后現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)對(duì)比

此次通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)，測(cè)試了C3區(qū)和C7區(qū)的不排水抗剪強(qiáng)度cu，其值隨深度的變化曲線如圖9所示。從圖中可以看出采用水袋聯(lián)合堆載的C7區(qū)的強(qiáng)度在3m深度范圍內(nèi)都要大于只采用真空預(yù)壓法的C3區(qū)。按照中國(guó)建筑科學(xué)研究院和華東電力設(shè)計(jì)院的經(jīng)驗(yàn)公式：fk=2Cu+rh，算得C3區(qū)和C7區(qū)的0～1.5m土體承載力均值分別為：54.0、78.4kPa， 承載力相對(duì)提高了45.2%，均滿足大于50kPa的要求。

此次通過(guò)靜力觸探試驗(yàn)，測(cè)試了C3區(qū)和C7區(qū)的錐尖阻力Ps，其隨深度的變化曲線如圖10所示，根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試》（TB10041-2003）中對(duì)地基承載力的估算公式，即：σ0=0.112Ps+5，可算得工后C3區(qū)和C7區(qū)的0～1.5m土體承載力均值分別為：53.13、70.7kPa，承載力相對(duì)提高了33.1%，均滿足大于50kPa的要求。

此次采用載荷板的規(guī)格為：0.7m×0.7m，通過(guò)在C3區(qū)和C7區(qū)進(jìn)行淺層平板載荷試驗(yàn)，測(cè)定加固后地基的承載力特征值，其P-S曲線如圖11、圖12所示。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）中對(duì)承載力特征值的確定方法，對(duì)加固后的軟基承載力進(jìn)行了評(píng)估，得到C3區(qū)的承載力為49.8kPa，C7區(qū)的承載力為62.4kPa，承載力相對(duì)提高了25.3%，均滿足大于50kPa的要求。

從圖9至圖12中均可看出，C7區(qū)的加固效果要優(yōu)于C3區(qū)。但根據(jù)十字板和靜探試驗(yàn)可以看出，C7區(qū)的加固效果在2m深度以下則增大不多，在2m深度范圍內(nèi)的加固效果相對(duì)較好。這就表明，無(wú)砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓雖然也能提高深層土體的加固效果，但超過(guò)一定深度后，其加固效果會(huì)有一定的降低，也即土體的強(qiáng)度增長(zhǎng)會(huì)有所減少。盡管如此，這部分提高的強(qiáng)度對(duì)于土體的承載力提高而言，還是起到了重要的作用。

3? 無(wú)砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓法與膜面覆水預(yù)壓法的對(duì)比

在無(wú)砂墊層真空預(yù)壓技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，膜面覆水曾被認(rèn)為具有很多優(yōu)點(diǎn)[10]，比如，可將膜面覆水作為堆載荷載，即起到了聯(lián)合堆載的作用;認(rèn)為膜面覆水能夠起到密封的作用，能保持和提高膜下真空度;主張膜面覆水能夠避免密封膜受到氣候條件的影響，延長(zhǎng)其使用壽命。

然而實(shí)際情況卻并非如此。第一，對(duì)于將膜面覆水作為附加荷載在原理上是可行的，但是1m厚的水層只有10kPa的附加壓力，而實(shí)際上要使膜面覆水達(dá)到0.5m已經(jīng)是很不容易。采用膜面覆水法不僅需要在加固區(qū)周圍修筑圍堰，這就增加了施工成本的投入，而且圍堰修筑時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)圍堰的強(qiáng)度、穩(wěn)定性也有要求，這就會(huì)對(duì)施工工期產(chǎn)生影響，而原理上，10kPa對(duì)提高地基承載力貢獻(xiàn)并不大。第二，當(dāng)水下膜面有破損，就會(huì)使得膜面水與膜下濾管相通，膜面水進(jìn)入濾管，再經(jīng)濾管輸送至水箱，再排至膜面，即形成了“循環(huán)水”，如圖13所示，這個(gè)過(guò)程白白耗費(fèi)了真空泵的做工，消耗了電能卻沒(méi)有起到加固的效果。第三，膜面覆水較深會(huì)影響真空期間的膜面維護(hù)，由于水較深，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員要進(jìn)入場(chǎng)區(qū)后行動(dòng)會(huì)十分不便，且要發(fā)現(xiàn)0.5m深水下密封膜何處發(fā)生損壞變得十分困難，即便發(fā)現(xiàn)了破損，想要修補(bǔ)也需花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。第四，雖然密封膜較薄，但經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)表明合格的密封膜壽命可達(dá)6個(gè)月以上，相對(duì)與4～5個(gè)月的施工工期而言已完全可以滿足使用要求。

與膜面覆水不同的是，采用充水水袋作為堆載載荷，能夠克服膜面覆水方法帶來(lái)的弊端。如：（1）采用水袋預(yù)壓法，由于水袋的充水高度可以控制，雖然此次采用2m的水袋進(jìn)行堆載預(yù)壓，但只要水袋的強(qiáng)度滿足要求，其充水高度可以達(dá)到更高，而且前文已有論證，證明了水袋預(yù)壓法的加固效果良好;（2）由于在水袋底部預(yù)先布置了兩層土工布，這就能夠有效地對(duì)密封膜起到保護(hù)作用，避免膜下破洞的產(chǎn)生;（3）采用水袋作為水的載體，在充水前，只需將水袋運(yùn)至指定位置，再通過(guò)輸水導(dǎo)管進(jìn)行充水即可，即其靈活性很高，對(duì)小范圍和大范圍的軟基加固均適用;（4）采用水袋預(yù)壓法，其并不會(huì)影響真空預(yù)壓工程的施工進(jìn)度，即對(duì)施工工期不產(chǎn)生影響，且通過(guò)合理地劃分施工場(chǎng)地，能夠有效解決現(xiàn)場(chǎng)真空維護(hù)人員難以進(jìn)入預(yù)壓場(chǎng)區(qū)進(jìn)行維護(hù)的問(wèn)題。

如上所述，在加固機(jī)理方面，二者都是采用水作為堆載體，假設(shè)二者堆載到相同的高度，如果密封膜并未產(chǎn)生破損，那么二者的作用效果是相同的。但如果膜面覆水法密封膜有破損，由于形成“循環(huán)水”，那么加固區(qū)土體受力就發(fā)生了變化，具體變化如圖14所示。即在膜面如果產(chǎn)生了破洞，那么由于膜面水進(jìn)入土中，膜面上下連通，那么膜面覆水產(chǎn)生的壓力不再轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸掏馏w的有效應(yīng)力，即膜面覆水預(yù)壓法不能夠繼續(xù)加固土體，該法也就失效了。而水袋預(yù)壓法由于有水袋的束縛，即使在膜面存在破洞時(shí)，上部荷載也能繼續(xù)提供加固作用。

通過(guò)以上對(duì)膜面覆水問(wèn)題的分析，可知在無(wú)砂墊層真空預(yù)壓施工及維護(hù)時(shí)，并不需要膜面覆水以產(chǎn)生附加應(yīng)力作用，卻需及時(shí)將膜面較深的水導(dǎo)入明溝，以便于維護(hù)人員巡查和發(fā)現(xiàn)膜面的破損并修補(bǔ)。

4? 結(jié)語(yǔ)

該文基于對(duì)現(xiàn)有無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法以及膜面覆水預(yù)壓法的分析，認(rèn)為膜面覆水預(yù)壓法存在一定的缺陷，因此提出采用無(wú)砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓法進(jìn)行軟基的加固。該文主要研究了該方法的加固效果和該方法與膜面覆水預(yù)壓法之間的不同，主要結(jié)論如下。

（1）C7區(qū)采用了無(wú)砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓法，其表層沉降較一般區(qū)域大30～40cm。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取土，C7區(qū)加固后孔隙比與含水率均低于C3區(qū);現(xiàn)場(chǎng)十字板試驗(yàn)、靜探試驗(yàn)和載荷板試驗(yàn)結(jié)果表明C7區(qū)較C3區(qū)承載力分別提高了45.2%、33.1%和25.3%;通過(guò)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，表明C7區(qū)E-P曲線較C3區(qū)緩和，說(shuō)明了C7區(qū)土體得到有效加固，能夠避免過(guò)大的沉降變形。

（3）對(duì)比了無(wú)砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預(yù)壓法和膜面覆水預(yù)壓法，分析了膜面覆水預(yù)壓法的優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是對(duì)膜面有破洞時(shí)發(fā)生“循環(huán)水”的情況進(jìn)行了分析，說(shuō)明了膜面覆水預(yù)壓法的不適用性。

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