陳 富

（1. 哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引 言

自 1980年中交一航局在天津新港進行真空預壓現(xiàn)場試驗成功以來，真空預壓軟基處理技術在大面積深厚軟黏土地基處理工程中得到了廣泛的應用，隨著現(xiàn)場實踐的發(fā)展，對真空預壓的加固機理也基本明確，即負壓作用下的排水固結[1-2]。軟黏土進行真空預壓處理一般需要 3個月以上的固結時間，同時由于軟黏土的自身特性導致真空預壓加固后的工后沉降量比較大。

針對傳統(tǒng)真空預壓的不足之處，國內外學者或者技術人員提出了若干真空預壓改進工藝，包括直排式、分級式、低位式、增壓式、電滲式、膨脹氣囊式、自密封式、水汽分離式等。增壓式真空預壓在真空預壓的基礎上增設增壓管向地基內充入高壓氣體。2019年實施的江蘇省地方標準《氣壓劈裂真空預壓加固軟土地基技術規(guī)程》（DB 32/T 3643—2019）明確了增壓法真空預壓的設計和施工方法[3]，進一步促進了增壓法真空預壓的現(xiàn)場應用。

隨著增壓法真空預壓現(xiàn)場應用的進行，對增壓法真空預壓的加固機理研究也取得了一系列成果。本文從防淤堵、加壓、卸載作用三方面分析和總結增壓法真空預壓的加固機理，相關結論供同行參考。

1 增壓法真空預壓介紹

1.1 施工工藝簡介

增壓法真空預壓主要由金亞偉和劉松玉提出[4-5]，當真空預壓固結度達到 40%后或者真空預壓后期的10～15 d時, 真空泵不停止工作的條件下[6-8]，采用空氣壓縮機及增壓管向土體中打氣增壓。待膜下真空度降低至 40 kPa后停止打氣，待膜下真空度恢復到80 kPa后，重復上述過程若干次。

《氣壓劈裂真空預壓加固軟土地基技術規(guī)程》（DB 32/T 3643—2019）規(guī)定了增壓管的布置要求，豎向注氣管間距應根據(jù)注氣壓力、地基土類型等確定，一般為3.0～4.8 m，可取塑料排水板間距的3～4倍。豎向注氣管的打設深度應根據(jù)擬劈裂土層深度確定，一般為5～8 m，氣壓劈裂點豎向間距宜為2.0～3.0 m[3]。

增壓管的布置方式分為間隔和緊貼兩種方式，間隔布置方式為增壓管位于塑料排水板圍成的形心位置，見圖 1。緊貼布置方式為增壓管緊貼近塑料排水板，或增壓管和排水板兩者集合成一體[7]。

圖1 增壓法真空預壓工藝的布置面Fig. 1 Diagram of air-boosted vacuum preloading

增壓法真空預壓需要密切觀察膜下真空度的降低幅度，及時調整注氣壓力，避免注氣氣體頂起密封膜導致失敗[8]?！稓鈮号颜婵疹A壓加固軟土地基技術規(guī)程》（DB 32/T 3643—2019）未給出注氣壓力的確定依據(jù)。實踐中注氣氣體的壓力值為 200～800 kPa，注氣持續(xù)時間約2～8 h，其經(jīng)驗性較強[8-11]，屠紅珍等[12]指出在不沖破土層的情況下，注氣壓力越大，促進加固的效果越好。

1.2 加固機理

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，增壓法真空預壓加固機理包括以下6個方面：

（1）產生劈裂裂縫，加速排水固結

金亞偉等[4]認為在真空預壓過程中采用增壓管向土體注入高壓氣體，可以增強真空滲流場，迫使孔隙水排出。史吏等[8]認為增壓管與排水板之間產生微小的劈裂裂縫，提高了土體的滲透性，并且該裂縫在增壓結束后繼續(xù)提供額外的排水通道，從而在增壓后仍能加快孔隙水壓力消散和固結。雷華陽等[13]認為注入氣體發(fā)生斷裂形式擴張,導致土體形成微劈裂裂縫,加速土中水的排出,能夠提高加固效果。

（2）高壓氣體將飽和土變成非飽和土，提高抗剪強度

龔永康等[14]認為增壓法充入高壓氣體后土體飽和度和含水率均下降，飽和土變?yōu)榉秋柡屯?，基質吸力增大會使土體抗剪強度大幅提高。

（3）高壓氣體沖刷濾膜防淤堵

CAI等[15]認為增壓過程可以直接沖刷增壓板的排水通道和濾膜表面上的細顆粒，起到防止塑料排水板濾膜淤堵的作用。

（4）降水預壓

楊子江等[6]認為增壓氣流可以擠迫土中自由水進入塑料排水板,降低地下水位起到降水預壓的作用。謝立全等[16]認為注氣結束后氣體排開的水體在重力作用下將會流到注氣過程中所形成的非飽和區(qū)，降低地下水位。

（5）高壓氣體施加壓力增量

蔡袁強[7]認為增壓系統(tǒng)充入高壓氣體可以對土體單元施加壓力增量?σbp,能夠實現(xiàn)真空聯(lián)合堆載的處理效果。沈宇鵬等[10]認為增壓法真空預壓可以在土體深層產生相當于3～5 m土體堆載的壓力。楊子江等[6]指出增壓法真空預壓將土體內外壓差由普通真空預壓的 0.015～0.045 MPa提高到0.070～0.120 MPa。雷華陽等[13]認為高壓氣體在土體內部賦存形式以具有一定氣壓的封閉空間為主,使得注氣管與塑料排水板之間的壓力差增大。

（6）高壓氣體促進真空度深層傳遞

楊子江等[6]認為增壓法可以減緩真空度沿塑料排水板深度方向的衰減，提高深層土體的真空度及其加固效果。

2 增壓法真空預壓加固機理的分析

筆者對增壓法真空預壓的增強真空滲流場、飽和土變非飽和土、促進真空度深層傳遞、降水預壓等加固機理已進行了分析[17]，本文進一步分析高壓氣體的防淤堵作用、加壓作用和卸載作用的加固機理。

2.1 高壓氣體的防淤堵作用

CAI等[15]認為真空預壓過程中黏土顆粒會發(fā)生向塑料排水板的移動，繼而在塑料排水板濾膜處淤堵，不利于超靜孔隙水壓力的消散，可采用高壓氣體“沖洗”濾膜，起到防淤堵的作用，加快固結速率。

高壓氣體“沖洗”濾膜的效果受增壓管的布置方式影響，以增壓管間隔布置和增壓管緊貼布置兩種情況為例，當增壓管間隔布置時，高壓氣體噴射口與塑料排水板濾膜之間存在較厚的軟黏土土體阻隔，因此高壓氣體很難對較遠處的塑料排水板濾膜起到?jīng)_刷防淤堵的作用；當增壓管緊貼布置時，高壓氣體“沖洗”濾膜上顆粒，但會減小塑料排水板內的真空度和膜下真空度。

分析增壓法真空預壓的防淤堵作用，首先要確定真空預壓過程中土體顆粒是否發(fā)生移動及其淤堵程度?，F(xiàn)已有真空預壓研究發(fā)現(xiàn)顆粒移動一般發(fā)生在在超高含水量的吹填淤泥中。蔡袁強[7]通過PTV技術觀測到超高含水量的吹填淤泥在真空預壓過程中細顆粒發(fā)生移動，該土樣的初始含水量106%～159%，是其液限含水量的 2.0～3.0倍。婁晨暉[18]通過室內模型試驗發(fā)現(xiàn)高含水率淤泥中的塑料排水板濾膜淤堵更嚴重。但對于正常固結軟黏土含水量遠小于上述研究的超高含水量的吹填淤泥，在自重應力及其他先期固結應力的作用力下，正常固結軟黏土內部黏土顆粒已經(jīng)形成較為穩(wěn)定且連成一體的土體骨架，因此正常固結軟黏土在真空預壓的壓差作用下，發(fā)生顆粒移動及其濾膜淤堵的可能性較小。

由于超高含水量淤泥的真空預壓是否符合太沙基排水固結理論還有待商榷，為此本文后續(xù)章節(jié)只針對正常固結軟黏土的真空預壓的增壓效果進行研究。

2.2 高壓氣體對土體單元的加壓作用

聯(lián)合堆載由于砂石料及費用問題，開發(fā)堆載替代技術實現(xiàn)堆載附加應力效果，成為真空預壓的研究重點。陳富等[19]借鑒扁鏟側脹試驗的構造及其加壓原理，發(fā)明了扁帶側脹聯(lián)合真空預壓地基處理裝置，在土體內插入密閉的扁帶，然后向扁帶內充入高壓氣體使之側向膨脹對周圍土體加壓，實現(xiàn)對周圍土體的水平向附加壓力。李雪苑等[20]基于模型試驗對沖填土地基在內部豎向氣囊施加的側向壓力產生的沉降固結進行分析研究,發(fā)現(xiàn)氣囊側向壓力引起的附加應力增量沿豎向分布均勻，該側向壓力對提高土體的固結度有明顯的作用。

增壓法真空預壓的高壓氣體為開敞式充氣，主要表現(xiàn)在增壓管為打孔構造，高壓氣體直接噴射進土體內部，同時增壓管側壁也不會發(fā)生側向膨脹，因此增壓法開敞式充氣引起的附加應力與上述密閉氣囊側脹的附加應力也將不同。

現(xiàn)行的《氣壓劈裂真空預壓加固軟土地基技術規(guī)程》沒有給出高壓氣體引起的附加應力的確定方法[3]，相關學者對于真空預壓過程中開敞式充入高壓氣體是否能夠提供附加應力進行了研究。陳環(huán)[2]指出大氣壓力是一種流體壓力，不能直接作用于顆粒間成為有效應力。蔡袁強[7]認為增壓法真空預壓充入的高壓氣體可以對土單元施加各方向均等的壓力增量?σbp，見圖2。

圖2 真空和增壓壓力作用下土單元的應力狀態(tài)[7]Fig. 2 Stress states of soil element subjected to vacuum pressure and air-boosted pressure

史吏等[8]通過室內模型試驗研究增壓法真空預壓充入高壓氣體過程中的孔隙水壓力的實時響應，發(fā)現(xiàn)在增壓開始后約60 s內，各孔壓計讀數(shù)上升至穩(wěn)定值，增壓期間孔壓在此穩(wěn)定值上下波動，在停止增壓的同時各孔壓計讀數(shù)迅速下降（大約用時40 s），具體見圖3。

由圖3可知，增壓停止后土體中孔壓迅速下降，即軟黏土中超靜孔隙水壓力快速消失，傳統(tǒng)正常軟黏土中超靜孔隙水壓力難以在圖3顯示的短時間內消散，因此充入高壓氣體引起的孔隙水壓力的短暫升高并不是引起軟土排水固結的超靜孔隙水壓力，即高壓充氣不能夠對土體單元施加用于排水固結的附加應力，即圖2中的壓力增量?σbp。

圖3 增壓過程中孔隙水壓力實時變化[8]Fig. 3 Real-time variations of pore water pressure during the air-boosted period

由于真空預壓的加固機理是總應力不變條件下的超靜孔隙水壓力逐漸轉換成有效應力，充入的高壓氣體很有可能在升高孔隙水壓力的同時減小了土體的有效應力，無法產生真空聯(lián)合堆載的效果。

對于高壓氣體可能加快滲流速度的作用，史吏等[8]進一步指出間歇式增壓的持續(xù)過程較短，即使增壓時長內（每天10 min）的滲流速度加快，相對于持續(xù)時間35 d的固結試驗而言，其提高效果基本可以忽略不計。如果選擇增加每天增壓時長或者頻次，則可能有頂起密封膜導致真空預壓失敗的風險，因此增壓法真空預壓的高壓氣體壓力值和持續(xù)時間的選擇面臨相互矛盾或者制約的難題。增壓法真空預壓現(xiàn)場施工時主要由操作人員決定高壓氣體的壓力值和持續(xù)時間，經(jīng)驗性較強，無法事先確定兩個參數(shù)的具體數(shù)值。

2.3 高壓氣體的卸載作用

上述2.2節(jié)分析得出增壓法真空預壓中高壓氣體無法起到“聯(lián)合加載”的作用，增壓法真空預壓還是遵循真空預壓的加固機理，即總應力不變條件下超孔隙水壓力（負壓）轉換為有效應力。充入高壓氣體是否會降低真空預壓效果，是需要進一步研究的問題。

真空預壓影響區(qū)是指在真空預壓區(qū)外一定范圍區(qū)域內，該區(qū)域會受到區(qū)內負壓的外擴影響，發(fā)生土體沉降和水平位移，對附近的建筑物產生不良影響。為保護附近建筑物，高志義[1]在平行于真空預壓區(qū)的邊線處插入2排高壓管，深度與加固區(qū)排水板的深度基本一致，高壓管上布置噴射眼，通過噴射眼向土體內注入高壓氣體。注入的高壓氣體可以減弱或者阻斷加固區(qū)外的負壓傳遞，因此加固區(qū)外的土體在負壓壓差作用下的滲流固結也將減弱或者消失，減小土體發(fā)生固結沉降和變形，起到了保護附近建筑物的作用。

增壓法真空預壓中充入高壓氣體與高志義[1]采取的影響區(qū)噴射氣體類似，也會影響土體真空度（負壓）的大小，降低排水固結的效果。下面結合真空預壓過程中土體單元應力和變形變化的算例，對充入高壓氣體的卸載作用進行深入分析。該算例的增壓管與塑料排水板為間隔式布置，A點位于4根塑料排水板的形心位置（此處無增壓管），埋深為2 m。地下水位位于地表處，土的浮重度和水的重度均為10 kN/m3，假定真空預壓的膜下真空度為80 kPa，算例的斷面示意圖見圖4。

圖4 計算算例A點的示意圖Fig. 4 Location of point A

土體的e-logσ′壓縮曲線可以直觀表達真空預壓過程中的應力及變形情況，假定普通真空預壓固結度達到 100%后卸載，而增壓法真空預壓在固結度達到50%后注入高壓氣體，當膜下真空度由80 kPa下降至 40 kPa時停止增壓充氣并繼續(xù)抽真空使膜下真空度恢復。兩種真空預壓過程中A點的有效應力及孔隙比變化過程見圖 5，普通真空預壓的變化過程見藍色箭頭，增壓法真空預壓的變化過程見紅色箭頭。

圖 5 普通真空預壓和增壓法真空預壓的有效應力及孔隙比變化軌跡Fig. 5 Variations of effective pressure and void ratio subjected to vacuum pressure and air-boosted pressure

一般情況下，真空預壓塑料排水板內首先形成80 kPa的負壓，A點的孔隙水在壓差的作用下向塑料排水板發(fā)生水平向排水固結，在此過程中，總應力不變，靜孔隙水壓力逐漸變?。ㄘ撝担?，有效應力增大，當固結度達到100%時，80 kPa的真空負壓全部轉換成A點的有效應力。真空預壓卸載后土體恢復為初始應力狀態(tài)。各個狀態(tài)點的總應力、有效應力和孔隙水壓力值見表1。

表1 普通真空預壓的應力變化Table 1 Variations of pressure during vacuum preloading

通過表1和圖5可以看出，在普通真空預壓中A點的軌跡為1→2→3，對于卸載后的土體而言，先期固結有效壓力為 100 kPa，卸載后土體的超固結比OCR為5.0，孔隙比為e2。

增壓法真空預壓過程如下，前期不進行增壓充氣，在抽真空作用下塑料排水板內首先形成80 kPa的負壓，前期抽真空階段A點的孔隙水在壓差的作用下向塑料排水板發(fā)生水平向排水固結，在此過程中，總應力不變，靜孔隙水壓力逐漸變小（負值），有效應力增大，當A點的固結度達到50%時，即有40 kPa的真空負壓轉換成有效應力，即圖5中的4號點。緊接著開始注入高壓氣體，膜下真空度由 80 kPa下降至40 kPa，受此影響A點的負壓受到影響開始變小，有效應力也相應減小。后續(xù)停止增壓充氣并繼續(xù)抽真空，并不斷重復此步驟，最終真空預壓卸載后土體恢復為初始應力狀態(tài)。

由于A點位于塑料排水板圍成的土體中央，與排水板之間存在土體的阻隔作用，增壓充氣后A點的超靜孔隙水壓力變化幅度小于排水板內的變化幅度，假定增壓后A點的減小幅度為遠處塑料排水板內真空度減小幅度的50%，即20 kPa（注：此處假定 A點負壓的變化幅度不會影響最終卸載后超固結比OCR的數(shù)值）。各個狀態(tài)點的總應力、有效應力和孔隙水壓力值見表2。

表2 增壓法真空預壓的應力變化Table 2 Variations of pressure during air-boosted vacuum preloading

通過表2和圖5可以看出，增壓法真空預壓的軌跡為 1→4→5→6（→4→5重復次數(shù)與增壓充氣的重復次數(shù)相同），對于卸載后的土體而言，先期固結有效壓力為60 kPa，卸載后土體的超固結比OCR為3.0，孔隙比為e1。

通過表1、表2和圖5對普通真空預壓和增壓法真空預壓的加固效果對比可以發(fā)現(xiàn)，增壓充氣過程減小了膜下真空度，進而減小了真空預壓過程中土體的有效應力增長，造成卸載后土體的孔隙比大、超固結比小。卸載后土體的孔隙比和超固結比是評價真空預壓加固效果的重要指標。孔隙比的大小反映了土體的壓縮性能，加固后的孔隙比越大則地基工后沉降越大，影響后續(xù)構筑物的正常運營。超固結比OCR直接決定土體不排水抗剪強度Su，繼而影響加固后的地基承載力，不排水抗剪強度Su與超固結比 OCR的關系可以由修正劍橋本構模型推導出[21]，見式（1）。

林巖等[11]在連云港旗臺作業(yè)區(qū)進行了普通真空預壓和增壓法真空預壓的現(xiàn)場比對試驗，卸載后的十字板不排水抗剪強度的結果見圖6。

從圖6表示的埋深2～3 m處卸載后十字板剪切強度可以發(fā)現(xiàn)，增壓法真空預壓卸載后的十字板不排水抗剪強度約為 10 kPa,而普通真空預壓卸載后的十字板不排水抗剪強度約為15 kPa，兩者的比值與上述公式（1）理論計算得出的1.6倍接近。

圖6 連云港普通真空預壓和增壓法真空預壓十字板剪切強度對比[11]Fig. 6 Comparison of vane shear test results between vacuum preloading and air-boosted vacuum preloading

因此從卸載后土體不排水抗剪強度和孔隙比的角度，增壓法真空預壓充入高壓氣體在某種意義上起了“卸載”的負面作用，導致其最終加固效果要比普通真空預壓差。除上述連云港地區(qū)的比對試驗外，鄒峰等[23]在天津港進行的增壓法和普通真空預壓的現(xiàn)場比對試驗也證實了增壓法真空預壓的加固效果要比普通真空預壓差。對于正常固結黏土的真空預壓，增壓法高壓充氣會浪費能源和工期，需要引起足夠的重視。

3 結 論

（1）對于正常固結軟黏土，真空預壓過程中發(fā)生顆粒移動及其濾膜淤堵的可能性較小。高壓氣體“沖洗”濾膜的實際效果受增壓管的布置方式影響。當增壓管間隔布置時，高壓氣體很難對較遠處的塑料排水板濾膜起到?jīng)_刷防淤堵的作用；當增壓管緊貼布置方式時，高壓充氣雖能直接“沖洗”濾膜防淤堵，但會減小塑料排水板內的真空度和膜下真空度，甚至導致真空預壓失敗。

（2）增壓法真空預壓的高壓氣體壓力不能直接作用于顆粒間成為有效應力。停止增壓充氣后不能維持住穩(wěn)定的超靜孔隙水壓力，高壓充氣不能對土體單元施加能夠帶來排水固結的附加應力，無法產生真空聯(lián)合堆載的效果。

（3）增壓充氣過程減小了膜下真空度，在某種意義上起了卸載的負面作用，可能在一些情況下浪費能源，并延誤工期。對于正常固結軟黏土的軟基處理，增壓法真空預壓與普通真空預壓相比，其加固后土體的孔隙比大、超固結比小、不排水抗剪強度低。