滨海软土真空堆载预压法机理及影响的数值分析
摘要：从真空预压的机理出发，以平面应变固结理论为基础，通过比较前人的研究成果，结合工程实例探索一种合理的真空-堆载预压有限元计算方法。对不同性质的土采用不同的本构模型，考虑塑料排水板的涂抹作用， 将砂井地基等效为砂墙地基。由于抽真空过程中，砂垫层及砂井中存在一定的真空度，因此在计算中降低砂垫层及砂井的水头来模拟其真空度。土体的渗透系数较砂井小很多，真空度在土体中损失较大，所以砂墙间土体的水头应高于砂井水头来形成压力差。通过将计算结果与实测资料进行对比，验证了该方法可以较真实的模拟现场实际情况。根据土体变形规律，阐述了减小对周边地基影响的措施，为类似工程提供借鉴。
关键词： 软土地基；真空预压；有限元；水头；周边地基
中图分类号： TU471.8
1 引言
真空预压加固地基的概念是由瑞典皇家地质学院的杰尔曼教授于1952年在美国麻省理工学院首先提出。由于早期抽真空泵效率低、密封技术及气水分离问题等关键因素的制约，现场试验均没有预期的显著，所以该法在较长一段时间内没有得到广泛的应用。20世纪80年代，以中交一航局为主，南京水利科学院土工所、天津大学参加的联合攻关小组又重新探索研究了该项技术。解决了关键的抽气设备问题，用射流泵替代了真空泵，从而解决了气、水分离的难题，使抽真空的效率得到了很大的提高。
由于真空预压法加固软土地基技术具有安全、费用低、环境污染小等优点，目前已广泛应用于港口、机场、公路、堤坝边坡、人工岛、市政设施、工民建等地基处理中[1～2]。真空预压法加固软土地基，土体的受力状态为等向受力状态，所以土体在产生竖向变形的同时还会产生水平方向的变形，即场地沉降及水平方向的收缩变形。虽然场地变形规律有利于地基的稳定，但如果在加固场地周边有各种已建工程设施时，过大变形的会对其造成影响，危及建筑物安全，甚至造成管道断裂、围墙倒塌、路堤被毁坏等严重的工程事故。
本文结合工程实例，采用有限元数值模拟来分析真空预压或真空堆载联合预压法加固软土地基技术对周围环境的影响，通过对比现场实测数据来验证该方法的可靠性，并研究减小真空预压影响的防护措施。
2 排水固结法机理分析
2.1 堆载预压加固机理
堆载预压通常以土、砂石为加压系统，在加固土体中设置塑料排水板或砂井作为竖向排水系统。软土地基在附加荷载作用下产生正的超静孔隙压力，砂井或塑料排水板的透水性远大于淤泥地基的透水性，其孔隙压力能很快得到消散，所以在土体与竖向排水体之间产生压力差，孔隙水压力和孔隙气压力在压力差的作用下得到消散。根据太沙基饱和土的有效应力原理，随着孔隙压力的消散，土体中的有效应力不断的增加，从而提高土体抗剪强度[3]。总之，堆载预压过程是总应力增加，并且逐渐将总应力转化为有效应力的过程。
（a） 堆载预压
（b） 真空预压
图1 土体单元受力状态
荷载施加之前，天然地基土体单元处于K0应力状态，如图1（a）所示。令 ， ，如图2（a）所示，若一次施加的总附加应力过大，有效应力增长缓慢，总应力初始由孔隙压力承担，土体很容易达到 破坏包线而发生剪切破坏。因此如图2（b）所示，堆载预压要分级加荷，使剪应力增量小于抗剪强度增量[2、4]。
2.2 真空预压加固机理
文献[5]认为土体的固结并非总是由于外荷载作用引起。固结的必要条件是孔隙水压力u的不平衡分布，这种不平衡必然促使孔隙水流动，但孔隙水流动并不意味着孔隙水压力的消散。因此还需要一个充分条件，即边界排水条件。在排水条件下，u在不平衡势能下流动而消散， 才会增长， 的增长是土体固结的决定条件，没有 的增长就没有固结。真空预压法加固软土地基技术，其水平和竖向排水体系与堆载预压相同，并在砂垫层上铺设不透气薄膜，四周埋设于密封墙内，在总应力不变的条件下，抽真空造成土体与竖向排水体u的不平衡分布，并在短时间内排出水和气，从而引起 的增长。因为u的降低有下限值，故该方法的加固效果也是有限的。
（a） 一次加载
（b） 分级加载
图2 堆载预压加载应力路径
如图1（b）所示，真空预压法土体单元为等向受力状态。在 平面上，有效应力路径为从K0固结线上的一点出发并平行于 轴的直线（见图3），加固土体中只发生侧向收缩变形，没有侧向挤出的情况，无论 增加多少，都不会与Kf线相交。说明地基中剪应力并没有增大，加固过程中也不会出现地基失稳的情形。所以真空预压法不必如堆载预压那样分级加载，可以一次抽真空到要求的最大值[4]。
2.3 真空-堆载联合预压加固机理
真空堆载联合预压是在真空预压的基础上，在真空度达到要求值（一般为80KPa）稳定一段时间后，再进行堆载。真空堆载联合预压法的有效应力分布如图4所示，从图中可知，真空-堆载联合预压的有效应力是真空预压与堆载预压分别引起的有效应力的线性叠加[2]。真空-堆载预压法的实质是孔隙压力差的叠加，孔压差的增大加速了地下水排出的速度与地基固结的过程，真空泵抽水量有所增加，土体沉降量增大，强度得到增长。该方法克服了真空预压加固效果受限的缺点。
图3 真空预压应力路径
图4 真空-堆载预压的有效应力分布
3 工程实例分析
3.1 工程概况及地质条件
横琴口岸及综合交通枢纽过渡期通关设施地基处理工程位于珠海横琴新区。地基处理场地面积约112422m2，分别位于莲花大桥的南北两侧。场地分布情况如图5所示，其中B-3b区采用真空-堆载预压处理方式（见图6），堆载高度1.7m，其余采用真空预压处理。真空预压水平排水通道为厚度50cm的中粗砂垫层，竖向排水通道为间距1m、正三角形布置的塑料排水板，打设深度20m。
场地原始地貌单元属滨河平原地貌，场地内原始地势较低，后经人工吹经填、回填土抬高。根据场地岩土工程勘察报告可知场地地质情况（见表1）。
表1. 土层计算参数
土类厚度/mγ
/KN·m-3c
/kpaφ
/︒kx
/ cm·s-1kv
/ cm·s-1Es
/kpa
素填土1.518.514201.67×10-61.016×10-65000
冲填土3.519.42255.91×10-61.08×10-68210
淤泥1516.452.92.29×10-72.1×10-71930
粉质粘土5.518.62219.31.16×10-61.02×10-64160
淤泥质土617.27.44.65.23×10-75.13×10-72280
粉质粘土7.518.722.719.41.16×10-61.02×10-64240
砾砂2020.20340.50.4512980
图5 真空预压场地分布示意图
图6 真空-堆载预压示意图
3.2有限元计算
地基处理场地B-3b区和B-4区距离大桥桥墩只有10m，真空-堆载预压处理软土地基对莲花大桥的影响是不能忽视的。为了分析真空-堆载预压对大桥的影响，建立有限元模型进行数值分析。
严格意义上讲，若用有限元来分析砂井地基（塑料排水板可以等效为砂井），采用三维固结有限元进行计算比较合理[6]。但是由于三维有限元固结分析本身计算量很大，且场地砂井较密集，如此则导致划分的单元数量大为增加。本文采用平面应变有限元来分析砂井地基，因此需要将砂井地基转化为砂墙地基[6～8]。文献[6]将砂墙地基双向应变、双向渗流等应变固结理论解与巴隆轴对称固结理论解相比较，得到轴对称与平面应变两种情况之间的等效公式：
（1）
（2）
（3）
（4）
通过该等效公式将砂井地基转化为平面应变情况下的砂墙地基，建立有限元模型如图7所示。模型宽度140m，其中90m为加固场地B-3b区的一半，50m为考虑影响区宽度；深度为60m，大约到砾砂层底部。
为了能够较准确反映软土特性，本次计算对软土和粘性土采用了修正剑桥粘土本构模型，对砾砂层等无粘性土采用了莫尔-库伦本构模型。关于真空荷载，目前规范的做法是将真空等效为堆载压力施加在地基表面进行计算。然而，这种做法从真空预压机理上来说是不合理的，因此本文通过降低砂垫层及排水板水头的方式来模拟真空荷载。其中砂垫层水头降低8m，相当于密封膜下80KPa的真空压力。由于塑料排水板存在一定的井阻作用，真空度沿塑排深度方向的传递会有一定的损失，文献[8]对工程中塑排中真空度的实测数据进行研究，表明20m深度的速料排水板底的真空度只有20KPa左右。因此，本文将塑料排水板的水头分阶段依次降低，来模拟塑排中的真空度。模型上表面为自由变形面，左、右边界仅设置水平约束，底部约束竖向和水平位移。底部和右边界为不透水面。加固区上表面为堆载压力30KPa，影响区上表面压力水头为零。
3.3沉降分析
加固区地表沉降是固结度、地基强度、工后沉降的重要判别依据[7]。由本文方法计算结果可知，加固区场地沉降量为949mm。实测平均沉降量为891mm，实测地表沉降曲线见图8所示。虽然计算沉降量较实测平均值大58mm，但基本趋势是一致
图7.真空堆载预压有限元模型
的，并且地基有限元模型变形情况与实际情况较符合（见图9）。结果发生偏差主要有三个方面的原因，一是土体本构模型参数的选取不够准确；二是数值模型不能精确的模拟实际施工过程，包括排水板施工、边界条件的设置及荷载的施加过程；三是实测数据没有包括排水板打设过程中产生的沉降，现有沉降量只是从抽真空开始到抽水150天的产生的沉降量。
图8.B-3b区地表实测沉降曲线
图9.场地沉降变形图（计算值）
地基沉降等值线见图10所示，图中显示地基变形情况从左到右沉降逐渐减弱，加固区中心变形量较大，边缘变形最小。自地表往下变形量亦成减小趋势，砂墙深度范围内变形较明显，对比加固区与影响区沉降变形可知，竖向排水体系的存在对促进土体固结有显著的作用。但加固区对周围的影响不能忽视，影响区距离加固区边界10m处沉降量计算值达到93mm。
图10.地基沉降等值线图（计算值）
3.4水平位移分析
由真空预压法的机理可知，地基在产生沉降的同时还会产生向场地内侧的收缩变形。加固区外5m处的水平位移随深度变化如图11所示。从图11可以发现如下规律：计算得出的深层土体水平位移较实测大，但基本趋势是一致的，两者都向场地内侧收缩变形。加固区边缘地表的水平位移最大，距离加固区越远水平位移越小，水平位移随深度的增加也逐渐减小。加固外10m处地表水平位移计算值达125mm，由于在为10处没有监测点，无法与计算值进行对比。
图11.深层土体水平位移
4 周围建筑保护措施
综述所述，真空-堆载预压法处理软土地基可以明显提高土体的固结度和承载能力，但是在加固区沉降的同时，周边地基一定范围内也会产生一定量沉降和水平位移，对周围建筑物或构筑物产生重大影响，轻者造成房屋开裂，重者导致倒塌。图12为现场抽真空区外6m处混凝土路面产生了裂缝，此类裂缝在场地周边较常见且都为环状，可以反映出地基变形规律。
原设计方案中，莲花大桥距离抽真空区边界只有10m，计算可知此处的沉降为93mm，水平位移达到125mm，这对桥墩影响是比较大的，为了确保莲花大桥的安全，采取了如下措施：
（1）划出隔离带。为了减轻加固区真空预压对大桥的影响，尽量预留出足够的安全距离。根据有限元计算结果，及专家讨论会论证，将原设计方案中靠近大桥40m范围地块划出不做真空堆载预压处理，
图12.场地周围裂缝
改为其他处理方式。
（2）重力式搅拌桩。在加固区与大桥之间，靠近大桥区域设置一道重力式水泥搅拌桩，搅拌桩为5排，格构式布置。设置搅拌桩一方面可以起到支挡作用，减小土体的侧向位移，保证大桥桥墩的安全。另一方面，搅拌桩的渗透系数比软土小，真空度不易向边界外传递，使边界土体的沉降和水平位移大大减小[9～10]。
（3）应急措施。在抽水预压过程中，对桥台地下水位进行严密监测，当地下水下降超过控制值时，及时采取回灌措施，保持桥台周边水位相对稳定。
5 结语
（1）采用有限元法进行数值分析要从真空预压的机理出发，合理的设置边界条件及荷载条件。本文通过降低砂垫层水头来考虑膜下真空度，以及考虑砂墙与土体的水头差，模拟土体固结的充分和必要条件，从计算结果来看是合理的。
（2）从有限元计算及实测数据表明，真空预压或真空堆载预压会产生较大的竖向沉降和侧向收缩，且对周边一定范围内产生较大的影响。
（3）采用格构式重力式搅拌桩不仅可以形成止水帷幕，还可以起到阻止土体侧向水平位移的作用。当影响较大时，应尽量留出足够的安全距离，保证周边建筑物的安全。
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