周仰東，黃永基，陳武榮，倪偉林，張 榮，謝運(yùn)鵬

（1、廣州環(huán)投南沙環(huán)保能源有限公司 廣州 511400；2、廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，現(xiàn)有土地資源難以滿足建設(shè)的需要，圍海造陸的出現(xiàn)有效緩解了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與建設(shè)用地不足的矛盾。然而圍海造陸的材料通常是大面積的軟土或淤泥，該類土層一般含水量高、承載力低、孔隙大且富有壓縮性，為滿足工程實(shí)際需要，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟土地層的處理開(kāi)展了大量的研究，比較有代表性的單一地基處理方法主要有堆載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法。堆載預(yù)壓法［1］是指在飽和軟土地基上施加荷載后，孔隙水被緩慢排出，孔隙體積隨之縮小，地基發(fā)生固結(jié)變形，且隨著堆載時(shí)間的延長(zhǎng)，土中孔壓逐漸消散轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?yīng)力，土體強(qiáng)度因此提高，該方法所用材料、器具簡(jiǎn)單、施工操作方便，然而堆載預(yù)壓需要一定的時(shí)間，工程較長(zhǎng)，且為了減小卸壓后土體的沉降，堆載高度往往超出設(shè)計(jì)標(biāo)高很多，待地基強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)還須挖除該部分超載填土，導(dǎo)致成本較高、工期較長(zhǎng)。真空預(yù)壓法［2］是通過(guò)抽真空的方式降低邊界孔隙水壓力，孔壓全部消散轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?yīng)力，土體強(qiáng)度進(jìn)一步提高［3］，該方法明顯減小了超載填土的數(shù)量，節(jié)省預(yù)壓材料，降低了工程的造價(jià)，施工簡(jiǎn)潔，固結(jié)快，工期短，然而缺乏預(yù)壓的效果，導(dǎo)致該方法加固土體的深度有限。單一的地基處理方法一般存在著明顯的缺點(diǎn)［4］，故現(xiàn)有的地基處理方法逐漸朝著兩種或者多種處理技術(shù)聯(lián)合使用的復(fù)合型地基處理方式的方向發(fā)展，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理技術(shù)［5］是一種比較典型的真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法相結(jié)合的復(fù)合型地基處理方法，該方法克服了真空預(yù)壓法荷載過(guò)小的缺點(diǎn)，同時(shí)也克服了堆載預(yù)壓法填筑速度過(guò)慢的缺點(diǎn)，真空預(yù)壓產(chǎn)生的是向內(nèi)收縮的變形，可以抵消因堆載引起的土體向外擠出變形問(wèn)題，不會(huì)導(dǎo)致地基失穩(wěn)，因此，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法比堆載預(yù)壓法安全可靠，效果更佳，一般抽真空10～15 d后就可以連續(xù)填筑堆載土方。

為提高真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理技術(shù)的施工速度和施工效率，降低施工成本，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理軟土地基開(kāi)展了大量的研究，獲得了豐富的成果，在加固機(jī)理方面，陳環(huán)等人［6］提出抽真空只是不斷地改變土體內(nèi)的孔隙水壓力，即真空預(yù)壓是通過(guò)降低土體中的孔隙壓力，使有效應(yīng)力增加而加固，得出了在相同的壓差下，正壓與負(fù)壓下的試樣在加固后有基本相同的土體參數(shù)，即其加固效果基本相同，土體強(qiáng)度的增長(zhǎng)也基本相同的結(jié)論；朱建才等人［7］通過(guò)對(duì)橋頭試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得出真空堆載聯(lián)合預(yù)壓的附加應(yīng)力為真空預(yù)壓引起的附加應(yīng)力與堆載預(yù)壓引起的附加應(yīng)力的線性疊加。真空預(yù)壓加固軟土地基的有效應(yīng)力增加值主要由地下水位下降而引起的有效應(yīng)力增加值與真空度傳遞而引起的有效應(yīng)力增加值這兩部分組成。在穩(wěn)定控制研究方面，侯紅英［8］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)真空預(yù)壓加固前后軟土工程性質(zhì)的變化分析，結(jié)果認(rèn)為加固前后土的含水量、孔隙比、壓縮系數(shù)等指標(biāo)減小，容重增大，土的物理力學(xué)性質(zhì)得到改善，強(qiáng)度明顯增長(zhǎng)，取得了較好的加固效果；江茂盛等人［9］對(duì)廣東新會(huì)-臺(tái)山高速公路真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓方法及堆載預(yù)壓方法加固的軟基路堤穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算和分析，通過(guò)比較得出真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固的軟基有較高的穩(wěn)定性的結(jié)論。在沉降計(jì)算與預(yù)測(cè)方面，裴元新［10］對(duì)傳統(tǒng)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法進(jìn)行了改進(jìn)，將真空源設(shè)置在土體下方以充分利用重力作用加快排水速率，根據(jù)該方法設(shè)計(jì)了室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)，通過(guò)研究得到了任意時(shí)刻沉降量計(jì)算公式；在土體微觀結(jié)構(gòu)模型方面，秦炎［11］通過(guò)對(duì)真空預(yù)壓加固前后土體的微結(jié)構(gòu)變化規(guī)律對(duì)比，結(jié)果表明加固前結(jié)構(gòu)單元體以蜂窩狀、絮凝狀結(jié)構(gòu)為主，大孔隙雖然數(shù)量不多，但所占面積含量較大，孔隙定向分布頻率在各個(gè)區(qū)間含量較均勻；加固后，結(jié)構(gòu)單元體以團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)為主，大孔隙基本消除，但孔隙的定向沒(méi)有明顯的變化，由此說(shuō)明真空預(yù)壓加固法是一種等向固結(jié)的加固方法。在地基變形特點(diǎn)方面，于海成［12］通過(guò)地面變形觀測(cè)，基本掌握了山東某港口，在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓作用下地基的變形規(guī)律，可供類似工程參考。曾起召［13］通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的分析，準(zhǔn)確掌握某場(chǎng)區(qū)軟土地層在軟基處理過(guò)程中形變規(guī)律，獲得了優(yōu)化設(shè)計(jì)及指導(dǎo)施工所需的巖土形變參數(shù)；沙玲等人［14］采用Abaqus有限元軟件對(duì)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓荷載下的吹填土進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，得出真空預(yù)壓階段的吹填土在加固區(qū)以內(nèi)主要產(chǎn)生收縮變形而加固區(qū)以外則為剪切變形；真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓階段的加固區(qū)以外土體仍向加固區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生收縮變形，隨著堆載的增加，加固區(qū)以外的土體會(huì)產(chǎn)生向上的隆起現(xiàn)象。

從以上研究成果可以看出，針對(duì)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理技術(shù)開(kāi)展了大量的研究，他們通過(guò)試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)軟土進(jìn)行加固效果的分析、軟土變形理論方法的研究和數(shù)值模擬的探索等，豐富了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓作用下軟土變形的研究，然而大多研究成果是基于中淺軟土地層開(kāi)展的，較少涉及深厚軟土地層，深厚軟土地層預(yù)壓固結(jié)機(jī)理仍需進(jìn)一步探討，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的穩(wěn)定設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)控制標(biāo)準(zhǔn)還需完善，對(duì)工后沉降控制與預(yù)測(cè)的研究成果還較為少見(jiàn)。

為此本文在廣州市某熱力電廠的深厚軟土地層中開(kāi)展了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，詳細(xì)介紹了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程，分析了區(qū)域內(nèi)土體沉降、孔隙水壓力、側(cè)向位移的變化規(guī)律以及對(duì)周邊建筑物變形影響，為真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理技術(shù)的現(xiàn)成施工提供了技術(shù)參數(shù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況及試驗(yàn)方案

1.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地概況

本試驗(yàn)對(duì)象為廣州市某熱力電廠的深厚軟土地層，試驗(yàn)場(chǎng)地位于廣州市南沙區(qū)大崗鎮(zhèn)，北臨東新高速，東靠上橫瀝河道，西鄰十一頃涌，南靠中船中路，試驗(yàn)場(chǎng)地位置如圖1所示。試驗(yàn)依托工程的區(qū)域總用地面積145 800 m2，分為A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)和D 區(qū)。4 個(gè)區(qū)域用地面積分別為74 200 m2、22 300 m2、19 200 m2、30 100 m2，如圖2 所示。且場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布著沖積形成的軟土地層。

圖1 施工場(chǎng)地布置Fig.1 Construction Site Layout

圖2 場(chǎng)地分區(qū)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Site Zoning

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)土體物理力學(xué)參數(shù)

該深厚軟土地層主要為軟粘土，具有含水率高、孔隙比大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)。其中，液限和塑限采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定，比重采用比重瓶法，試驗(yàn)方法均參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50123—2019》。其主要物理力學(xué)參數(shù)如下：比重為2.67，含水率為56.06%，液限為39.89%，塑限為32.69%，塑性指數(shù)為7.20%，粘聚力為5.0 kPa，內(nèi)摩擦角為2.6°，彈性模量為1.74 MPa。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程

鑒于工程中存在大面積軟土且物理力學(xué)性質(zhì)較差，本文采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)［15］對(duì)該軟土地基進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

施工布置如圖3所示。施工中通過(guò)真空泵將鋪好的土工膜進(jìn)行膜內(nèi)抽真空，使膜下砂墊層和豎向排水體內(nèi)形成負(fù)壓，與此同時(shí)，土工膜外仍承受著大氣壓力，此時(shí)膜內(nèi)外將產(chǎn)生壓力差△p。當(dāng)壓力差達(dá)到80 kPa 以上并保持穩(wěn)定后，再進(jìn)行堆載，堆載應(yīng)分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)控制在20 kPa 以內(nèi)，加載后待孔隙水壓力穩(wěn)定再進(jìn)行下一級(jí)的加載。

圖3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法Fig.3 Vacuum Combined Stacking Preloading Method

1.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)土體沉降采用沉降板觀測(cè)地表沉降、采用分層沉降管監(jiān)測(cè)地基分層沉降；孔隙水壓力采用孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀測(cè)軟土地基孔隙水壓力變化情況，評(píng)價(jià)加固效果及穩(wěn)定性；側(cè)向位移采用剖面沉降管監(jiān)測(cè)地基側(cè)向不均勻沉降的大小及發(fā)生；監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示，最大可監(jiān)測(cè)深度為25 m。其中，KYA 表示孔隙水壓觀測(cè)點(diǎn)，F(xiàn)CA 表示分層沉降觀測(cè)點(diǎn)，ZKA表示真空度觀測(cè)點(diǎn)，SWA表示水位觀測(cè)點(diǎn)，CX 表示周邊建筑位移、傾斜觀測(cè)點(diǎn)。堆載材料選用普通土方。

圖4 監(jiān)測(cè)平面布置Fig.4 Monitoring Floor Plan

施工過(guò)程中塑料排水板最大埋設(shè)深度為30 m?？s短塑料排水板間距可以有效減少固結(jié)時(shí)間，但是超過(guò)一定范圍后，縮短其間距對(duì)縮短固結(jié)時(shí)間效果不明顯［16］，如圖5所示。綜合考慮工期及造價(jià)后，排水板設(shè)置間隔為1 m。

圖5 堆載-時(shí)間關(guān)系Fig.5 Load-time Relationship

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 真空度分析

真空度［17］是表示真空狀態(tài)下氣體稀薄的程度的量，用壓力值表示，此處以千帕斯卡（kPa）為單位。如圖6所示，本試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體的真空度，在采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)對(duì)該軟土地基進(jìn)行處理的初期（0～14 d），由于前期施工準(zhǔn)備的原因，真空度幾乎為0 且暫未發(fā)生變化；隨著時(shí)間的增加（14～21 d），真空度幾乎線性增加，真空度上升速度約為4 kPa/d，從0迅速增加到30 kPa，這是因?yàn)檎婵毡瞄_(kāi)始工作，孔隙水逐漸沿預(yù)先鋪設(shè)好的管道排出；當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間超過(guò)28 d 后，真空壓力逐漸保持穩(wěn)定，真空度基本穩(wěn)定在80 kPa 左右，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明真空預(yù)壓施工工序基本完成，膜內(nèi)外氣壓差基本穩(wěn)定，孔隙水排出，固結(jié)過(guò)程基本結(jié)束。施工開(kāi)始87 d后真空泵停止工作，膜下真空度有所下降，但下降幅度較小。

圖6 真空壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of Vacuum Pressure Versus Time

2.2 孔隙水壓力分析

兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均于8 月26 日開(kāi)始施工，孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線如圖7 所示。對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)KYA 1，在施工初期（0～14 d），土體的孔隙水壓力迅速消散。這是因?yàn)樵诘鼗鶅?nèi)外壓差的作用下，孔隙水迅速排出；在施工開(kāi)始42 d 后，孔隙水壓力達(dá)到了-60 kPa，此后孔隙水壓力消散速率有所放緩，這是因?yàn)榭紫端掷m(xù)排出所伴隨的孔隙水壓逐步消散，土顆粒“自發(fā)”重新排列，變形增加導(dǎo)致消散速率減緩；在施工開(kāi)始63 d后，孔隙水壓力逐漸保持穩(wěn)定，此時(shí)孔隙水壓力約為-80 kPa，這說(shuō)明伴隨著孔隙水壓力的減小，固結(jié)過(guò)程基本結(jié)束。對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)KYA 2，與觀測(cè)點(diǎn)KYA 1 類似，施工初期孔隙水壓力消散迅速。在施工開(kāi)始42 d后，孔隙水壓力達(dá)到-50 kPa，略低于KYA 1。在施工開(kāi)始后63 d 后，孔隙水壓力同樣達(dá)到了-80 kPa。在土方開(kāi)始堆載后，孔隙水壓力基本保持穩(wěn)定。

圖7 孔隙水壓隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Variation Curve of Pore Water Pressure with Time

比較KYA 1 和KYA 2 兩點(diǎn)的孔隙水壓力消散曲線，可以發(fā)現(xiàn)其趨勢(shì)比較相似，但是最終的孔隙水壓力略有不同。這是因?yàn)槎演d預(yù)壓過(guò)程中，土體的孔隙水壓力分布是各向異性，極其復(fù)雜的，但其增長(zhǎng)值（或增長(zhǎng)率）與土體穩(wěn)定之間存在一定的聯(lián)系，并出現(xiàn)增長(zhǎng)的規(guī)律性。兩點(diǎn)的孔隙水壓力均在施工開(kāi)始60 d后達(dá)到了-80 kPa，隨后進(jìn)行了土方堆載。堆載后，孔隙水壓力仍然保持穩(wěn)定。

2.3 沉降分析

本次真空聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗(yàn)共設(shè)置了23 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均進(jìn)行了18次沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，每次監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔約為7 d。本文基于CJA 4、CJA 5 和CJA 7 三個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)地基沉降進(jìn)行分析，沉降量隨時(shí)間的變化如圖8?所示，沉降速率隨時(shí)間的變化如圖8?所示。

圖8 土體沉降及土體沉降速率隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Curve of Soil Settlement and Soil Settlement Rate with Time

分析沉降數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓初期（0～14 d）各觀測(cè)點(diǎn)的沉降量稍有不同，這是因?yàn)閰^(qū)域土體性質(zhì)差異導(dǎo)致的真空壓力分布不均有關(guān)。隨著施工的進(jìn)行（14～42 d），土體沉降速率逐步提升。以測(cè)點(diǎn)CJA 5為例，施工開(kāi)始42 d后土體沉降速率達(dá)到最大，達(dá)到60 mm/d。這是因?yàn)榈鼗林锌紫端M(jìn)一步排出，土骨架重新排列，沉降最為明顯。當(dāng)施工時(shí)間到達(dá)63 d后，地基沉降速率逐漸降低。該階段的沉降變化趨勢(shì)與前文中孔隙水壓力的變化趨勢(shì)相似，這說(shuō)明了伴隨固結(jié)過(guò)程的基本結(jié)束，沉降過(guò)程也已基本結(jié)束，此時(shí)地表累積沉降約為2 m。在真空預(yù)預(yù)壓處理70 d 后開(kāi)始土方堆載，堆載后地基進(jìn)一步排水固結(jié)，但沉降速率明顯較小，日沉降量約為5 mm/d。

2.4 分層沉降分析

為進(jìn)一步分析加固區(qū)的分層沉降趨勢(shì)，選取點(diǎn)FCA 1 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分層沉降曲線結(jié)果如圖9 所示。在施工初期（0～21 d），即真空預(yù)壓?jiǎn)为?dú)作用階段，上層土體沉降速率較大，同時(shí)沉降速率隨著深度的增加而減小。這是因?yàn)樵撾A段真空預(yù)壓產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致地下水位的降低和孔隙水壓力的消散，引起土體壓縮沉降。隨著時(shí)間的增加（21～42 d），沉降量線性增加，上層沉降依舊大于下層沉降，這是因?yàn)檎婵疹A(yù)壓的持續(xù)作用。施工開(kāi)始63 d后，各測(cè)深位置處土體沉降速率明顯降低。這是因?yàn)檎婵斩纫呀?jīng)基本穩(wěn)定，真空固結(jié)過(guò)程結(jié)束。施工現(xiàn)場(chǎng)于10 月23 日開(kāi)始土方堆載，堆載后土體的沉降量明顯增大，上層土的沉降量同樣大于下層土。這說(shuō)明了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓對(duì)土體表層加固效果較顯著，隨著土體深度增加，效果逐漸減弱。這是因?yàn)殡S著土體沉降排水板發(fā)生彎折，導(dǎo)致真空度傳遞效率進(jìn)一步降低，更為主要的是真空度沿豎向排水板衰減較為嚴(yán)重，導(dǎo)致深層土體加固效果較差。

圖9 FCA 1分層沉降曲線Fig.9 FCA 1 Layered Settlement Curve

2.5 地基土側(cè)向變形規(guī)律

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固后，由于深厚軟土地層高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度的物理特性，軟土地基會(huì)出現(xiàn)較大的豎向變形和側(cè)向變形。其中側(cè)向變形會(huì)顯著影響地基的穩(wěn)定性，當(dāng)側(cè)向變形過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致地基失穩(wěn)，出現(xiàn)安全隱患。因此，地基側(cè)向位移的大小是評(píng)價(jià)其對(duì)周邊建筑物影響的重要依據(jù)。為分析南沙地區(qū)軟土地基在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理下的側(cè)向變形，在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了16 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。本節(jié)選取了CXA 1 觀測(cè)點(diǎn)的側(cè)向變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 水平位移曲線Fig.10 Horizontal Displacement Curve

由圖10 可知，沿x軸深度方向進(jìn)行分析，在第一及第二次觀測(cè)時(shí)，即真空預(yù)壓階段，地基淺層土（0～-10 m）略微產(chǎn)生側(cè)向位移的變化，地基深層土（-10～-25 m）基本不發(fā)生側(cè)向位移，在第三次觀測(cè)時(shí)，即土方堆載后的首次觀測(cè)，地基土淺層土（0～-10 m）側(cè)向位移發(fā)生變化，隨后保持穩(wěn)定。這是因?yàn)榈乇韨?cè)向位移受堆載預(yù)壓影響較大，而真空預(yù)壓階段基本不會(huì)對(duì)地基土的側(cè)向位移產(chǎn)生影響。并且堆載預(yù)壓階段，隨著土層深度的增加，土側(cè)向位移增量逐漸減少。

沿水平方向分析，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理南沙軟土地基時(shí)，在第二次觀測(cè)前，即10月23日之前，地基土各深度均無(wú)明顯的側(cè)向變形。此后開(kāi)始土方堆載，自第三次觀測(cè)開(kāi)始，各深度的地基土側(cè)向位移明顯增大，曲線發(fā)生顯著變化。隨后，該變形逐漸趨向于穩(wěn)定。

在施工初期（0～14 d），即真空預(yù)壓?jiǎn)为?dú)作用階段，土體主要發(fā)生豎向的沉降。隨著土方堆載的進(jìn)行，各深度土層的土體均發(fā)生顯著的側(cè)向變形，隨后趨于穩(wěn)定。綜上所述，地基的側(cè)向位移主要出現(xiàn)在地表，隨著深度的增加，土體的側(cè)向變形逐漸減小，在地下25 m 處，也就是本次觀測(cè)的最深處，地基土側(cè)向位移基本不發(fā)生變化。

2.6 周圍環(huán)境影響

對(duì)于大面積軟土地基加固，沉降不均勻的情況時(shí)有發(fā)生，當(dāng)這種不均勻性沉降比較大時(shí)對(duì)日后的建筑是極其不利的。除了不均勻沉降，側(cè)向位移也應(yīng)該予以重視，當(dāng)側(cè)向位移過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)周圍的建筑產(chǎn)生不利影響，如上海某小區(qū)某樓由于一側(cè)堆土過(guò)高導(dǎo)致兩側(cè)壓力差過(guò)大，過(guò)大的水平向壓力超過(guò)了樁基的抗傾覆能力，由此而產(chǎn)生水平位移導(dǎo)致大樓整體傾覆，因此在真空預(yù)壓聯(lián)合堆載處理吹填土地基時(shí)，土體側(cè)向位移的大小和變化規(guī)律對(duì)周圍環(huán)境的影響也應(yīng)引起足夠重視。因此，在本次真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理南沙地區(qū)軟土地基中，監(jiān)測(cè)了周邊建筑以及周邊管線的沉降情況，如圖11、圖12所示。

圖11 周邊建筑累計(jì)沉降曲線Fig.11 Cumulative Settlement Curve of Surrounding Buildings

圖12 周邊管線累計(jì)沉降曲線Fig.12 Cumulative Settlement Curve of Surrounding Pipelines

施工過(guò)程中對(duì)處理地塊周圍建筑的沉降情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，共設(shè)置25 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，選取了CJJ1、CJJ3、CJJ6、CJJ7、CJJ10、CJJ12 和CJJ13 七個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的側(cè)向變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。圖11為周邊建筑的累計(jì)沉降曲線。

由圖11 可得，大部分建筑都出現(xiàn)了略微沉降，其沉降值約在施工開(kāi)始后63 d 穩(wěn)定，最終沉降值在10～15 mm 之間。而最大沉降可達(dá)60 mm，其原因可能與該建筑的與地基情況、樓層高度等相關(guān)，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

施工階段周邊建筑沉降增長(zhǎng)較穩(wěn)定，無(wú)論是真空預(yù)壓?jiǎn)为?dú)作用階段還是真空聯(lián)合堆載預(yù)壓階段，說(shuō)明土方堆載不會(huì)對(duì)周邊建筑產(chǎn)生較大影響。

施工過(guò)程中對(duì)處理地塊周圍管線的沉降情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，共設(shè)置8個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，周邊管線的累計(jì)沉降曲線如圖12所示。

分析圖12可知，所有管線均出現(xiàn)了不同程度的沉降，最終沉降量主要分布在100～300 mm 之間，且沉降量均隨著處理時(shí)間的增長(zhǎng)而增加。其增漲速率最大的時(shí)間段為開(kāi)始處理后25～40 d，隨后沉降量逐漸趨向于穩(wěn)定?？紤]該階段為真空預(yù)壓?jiǎn)为?dú)作用，其原因可能與該階段的地基土沉降有關(guān)。

綜上，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓對(duì)周邊環(huán)境的影響較小。對(duì)于周邊建筑來(lái)說(shuō)，大部分建筑的累計(jì)沉降為10～15 mm 之間，不會(huì)影響其正常使用。但是，對(duì)于一些特殊的建筑，比如高層建筑或者地基處理不當(dāng)?shù)慕ㄖ?，在附近使用真空?lián)合堆載預(yù)壓法處理地基時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯沉降，出現(xiàn)安全隱患。對(duì)于此類建筑，在施工前，要慎重考慮處理范圍，若無(wú)法避免，則在處理過(guò)程中需要對(duì)其沉降量實(shí)時(shí)觀測(cè)，避免危險(xiǎn)發(fā)生。

3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固機(jī)理分析

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的加固機(jī)理可采用水—彈簧模型來(lái)反映，如圖13所示。抽氣前該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，孔隙水壓力μ等于大氣壓力P0，有效應(yīng)力σ'=0。抽氣后，真空管內(nèi)氣壓為P1，當(dāng)模型達(dá)到平衡狀態(tài)后施加外力P（即堆載壓力），此時(shí)彈簧沒(méi)有承受壓力，而是由水承擔(dān)了全部壓力，在壓力作用下水開(kāi)始由真空管快速排出，帶孔活塞隨之下降，彈簧逐漸被壓縮，外壓力逐漸由彈簧承擔(dān)后才達(dá)到新平衡。

圖13 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的水-彈簧模型Fig.13 Model of Vacuum Combined Surcharge Preloading Method

基于太沙基有效應(yīng)力原理，對(duì)超靜水壓力疊加的解釋如下：

在堆載預(yù)壓前，距離水壓零線hm處初始孔隙水壓力u0=γwh；真空預(yù)壓先于堆載預(yù)壓施加，在h深度處抽真空氣壓下降達(dá)到P1，大氣壓力為P0，△u2=P0-P1；然后進(jìn)行堆載，設(shè)施加后地基某點(diǎn)產(chǎn)生正的超靜孔隙水壓力為△u1，根據(jù)有效應(yīng)力原理，孔隙水壓力減少量即為該點(diǎn)增加的有效應(yīng)力，即△σ'=-△u=γwh+△u1+△u2；而單獨(dú)使用堆載預(yù)壓有效應(yīng)力增量為△σ'=γwh+△u1，單獨(dú)使用真空預(yù)壓有效應(yīng)力增量為△σ'=γwh+△u2。故在加固軟土?xí)r產(chǎn)生真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓產(chǎn)生的超靜水壓力可以疊加，具有更好的加固效果，其有效應(yīng)力變化如圖14所示。

圖14 真空堆載聯(lián)合預(yù)壓有效應(yīng)力分布Fig.14 Effective Stress Distribution of Vacuum Stacking Combined with Preloading

真空預(yù)壓過(guò)程的總應(yīng)力不變，產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力為負(fù)值，孔隙水在抽真空后隨著管路被吸出。隨著土中超靜孔隙水壓力越來(lái)越小，有效應(yīng)力越來(lái)越大。堆載預(yù)壓過(guò)程的總應(yīng)力增大，產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力為正值，孔隙中的水在正壓力作用下向管路排出。隨著土孔隙中的水被排出，外力逐漸轉(zhuǎn)嫁給土骨架，土體的有效應(yīng)力增量等于超孔隙水壓力的減少量，直到超孔隙水壓力全部由土骨架來(lái)承擔(dān)為止。

故在真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行堆載，由于正負(fù)超靜孔壓的相互抵消，所產(chǎn)生的聯(lián)合超靜孔隙水壓力相對(duì)較低，利于軟土地基的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文開(kāi)展了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理深厚軟土地基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了孔隙水壓力、真空度、沉降、分層沉降、地基土側(cè)向變形等隨著時(shí)間的變化規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程闡明了產(chǎn)生該種現(xiàn)象的具體原因，同時(shí)分析了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理深厚軟土地基對(duì)周邊建筑、周邊管線等的影響，得到如下結(jié)論：

⑴真空預(yù)壓階段，膜內(nèi)真空度逐步增加，真空壓力上升，導(dǎo)致孔隙水壓力不斷消散，土體強(qiáng)度得到有效提高。

⑵堆載預(yù)壓階段，土體的孔隙水壓力分布是各向異性，極其復(fù)雜的，但其增長(zhǎng)值（或增長(zhǎng)率）與土體穩(wěn)定之間存在一定的聯(lián)系，孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，土體強(qiáng)度提高。

⑶在真空預(yù)壓階段，地下水位的下降和孔隙水壓力的消散導(dǎo)致了土體的沉降，上層土體的沉降速度比下層更快，因此，上層土體沉降較大。在堆載預(yù)壓階段，土體附加應(yīng)力進(jìn)一步增加，導(dǎo)致土體沉降進(jìn)一步增大。

⑷表層土孔隙多，土質(zhì)較為松軟，故真空聯(lián)合堆載預(yù)壓對(duì)土體表層加固效果較顯著，隨著土體深度增加，效果逐漸減弱。在堆載后，土體沉降量小，即土體沉降在真空預(yù)壓階段已基本完成。

⑸在真空預(yù)壓階段，地基土無(wú)明顯側(cè)向變形。在堆載預(yù)壓階段，隨著堆載高度的增加，側(cè)向位移不斷增大。在深度25 m以下，地基土側(cè)向位移基本不發(fā)生變化，即該工程影響深度最深可達(dá)25 m。

⑹真空度最終基本穩(wěn)定在80 kPa，在滿足了工程設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，取得了較好的加固效果。

⑺ 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工對(duì)周邊建筑影響較小，大部分建筑的累計(jì)沉降為10～15 mm。對(duì)于周邊管線，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工會(huì)導(dǎo)致管線沉降，最終沉降量主要分布在100～300 mm 之間；施工前要對(duì)周邊管線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)于重要的管道線路，要提前做好處理，防止出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。

⑻地基的側(cè)向位移主要出現(xiàn)在地表，隨著深度的增加，土體的側(cè)向變形逐漸減小。對(duì)于地基沉降及側(cè)向變形十分敏感的建筑，在施工前，要慎重考慮處理范圍，若無(wú)法避免，則在處理過(guò)程中需要對(duì)其沉降量實(shí)時(shí)觀測(cè)，避免危險(xiǎn)發(fā)生。