王波 ，陳庚 *，陳永輝 ，2，徐鍇

（1.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

航道疏浚、圍墾工程等常需要處理高含水率、高壓縮性、低滲透性的土體（下述為超軟土）。對于超軟土的處理，真空預(yù)壓法在施加真空過程中在土體中不產(chǎn)生剪應(yīng)力，從而對施工承載力沒有要求，因此真空預(yù)壓法是超軟土處理的一種有效方法，具有加固效果好、造價低和工藝簡單等特點。

目前有關(guān)真空預(yù)壓法處理軟土的研究：真空預(yù)壓處理超軟土效果與被處理超軟土特性之間的關(guān)系方面，馮軍等[1]通過室內(nèi)模型試驗研究，認為飽和軟土中黏粒含量高，對孔隙水的吸附作用大，是導致真空預(yù)壓加固流泥效果較差的原因之一。為提高真空預(yù)壓處理效果，縮短處理時間，諸多學者也做相關(guān)研究，如武孟瓊等[2]進行了底部抽真空加固淤泥的試驗，認為底部抽真空的加固效果要優(yōu)于上部抽真空；李麗慧等[3]進行了立體式真空降水法室內(nèi)試驗，認為該方法能使淤泥土的自然沉淀和加固同時進行，從而縮短地基的加固時間；孫立強等[4-5]進行了超軟土的真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗，認為二次插板可以改善土體的加固效果。馮會芳[6]采用淺層與深層相結(jié)合的兩次真空預(yù)壓先后對新近吹填淤泥形成的超軟土地基進行了加固處理，認為兩次加固效果明顯，且成本偏高。除排水體的選擇與布置外，載荷施加過程中的控制對處理效果也有明顯影響，Myint等[7]在單向固結(jié)試驗中研究了不同正壓加載速率（0.66～6.66 Pa/s）對沉降和孔壓的影響，并認為線性加載與瞬時加載對地基的加固效果存在差異；周源等[8]針對泥漿淤堵排水通道的問題，通過室內(nèi)試驗驗證透氣真空處理高含水率泥漿的可行性和有效性。

為提高真空預(yù)壓處理超軟土的處理效果，本文提出一種新的真空載荷施加方式，即異步真空吸水法。室內(nèi)試驗采用異步真空載荷施加，并與常規(guī)的真空載荷施加方式進行對比，從排水量、處理后土體含水率及強度增長等方面分析不同真空載荷加載方式對處理效果的影響。試驗結(jié)果表明，相同預(yù)壓時間下，異步真空吸水法處理效果優(yōu)于傳統(tǒng)的真空預(yù)壓法。

1 異步真空吸水法介紹

由于超軟土的自身特性（尤其是黏性含量較多的土體），盡管采用分級加載真空預(yù)壓方式，排水通道附近土體顆粒仍會向其方向聚集，在排水通道一定范圍內(nèi)形成致密的弱透水層，這不僅影響工程加固效果，也會影響工程工期及造價。

有異于現(xiàn)行的真空預(yù)壓法真空度的控制，該法的目的在于通過對豎向排水體同時施加不同的真空負壓，即通過對豎向排水體（下以塑料排水板為例）的間隔連接及真空度的差異選擇，實現(xiàn)異步真空吸水。塑料排水板的間隔連接，采用塑料排水板直連板頭分別與塑料排水板和三通接頭相連，再利用PU氣管對三通接頭進行連接，實現(xiàn)塑料排水板的間隔連接；真空度的差異選擇，即保證在同一時刻相鄰豎向排水板內(nèi)真空度不同的前提下對水平排水主管內(nèi)的真空度進行高低循環(huán)調(diào)節(jié)，使不同真空度傳遞至已打設(shè)完成的相鄰塑料排水板，連接示意圖如圖1所示。

圖1 異步真空吸水法布置圖Fig.1 Layoutofasynchronous vacuum suctionmethod

異步真空吸水法的原理如圖2所示，相鄰的塑料排水板PVD-1與PVD-2通過不同的水平連接管進行聯(lián)通，以保證PVD-1與PVD-2內(nèi)真空度不同。

排水固結(jié)第1階段（t1時刻段），PVD-1內(nèi)真空度大于PVD-2內(nèi)真空度，使得PVD-1內(nèi)的排水量大于PVD-2內(nèi)排水量，此時超軟土中的細顆粒會隨孔隙水的排水主要向PVD-1遷移。

圖2 異步真空吸水法原理圖Fig.2 Schematic ofasynchronousvacuum suctionmethod

排水固結(jié)第2階段（t2時刻段），調(diào)節(jié)水平排水管的真空度，使得PVD-1內(nèi)真空度小于PVD-2內(nèi)真空度，此時，PVD-1內(nèi)的排水量小于PVD-2內(nèi)的排水量；根據(jù)排水量的變化量，重復上述兩步，直至調(diào)節(jié)至PVD-1內(nèi)的真空度等于PVD-2內(nèi)的真空度（t3時刻段）。

此過程中，土顆粒在排水過程中不再朝固定的排水體方向單向運動，緩解或消除同時施加相同真空度條件下的土顆粒定向均布遷移造成的排水體的淤堵，從而推遲排水管道及附近土體的淤堵時間，提高處理效果。

2 試驗用土的基本物理性質(zhì)

取申嘉湖航道嘉興段疏浚淤泥，取樣已疏浚堆放3個月的土樣，灰褐色，成流塑狀，平均含水率為35.6%。采用密度計法進行土體顆粒分析，發(fā)現(xiàn)粒徑小于0.075mm的細粒土含量為52%，屬細粒土；疏浚淤泥土塑限為18，液限為35，塑性指數(shù)為17，屬低液限黏土。表1為試驗用超軟土的基本物理力學性質(zhì)。

表1 超軟土的基本物理力學性質(zhì)Table 1 Physicalandmechanicalparametersof ultra softsoil

為模擬超軟土的形成及特征，室內(nèi)配置超軟土，將疏浚淤泥晾曬，并用碎土機進行破碎，過0.5 mm的篩后，按初始含水率105%（3倍液限）配置，分別稱取對應(yīng)的土、水，采用電動攪拌器制成泥漿，靜置1周后待其沉降穩(wěn)定后除去表層水，檢測土體含水率，測其含水率為66.7%，為液限的1.9倍，對配置桶內(nèi)的超軟土做十字板剪切試驗發(fā)現(xiàn)，幾乎無抗剪強度（配置筒深度0.5m）。

3 低壓蒸發(fā)試驗及分析

進行超軟土室內(nèi)真空預(yù)壓試驗時，儲水器中的水會在低壓條件下進行水分蒸發(fā)。為消除該因素對排水量的影響，首先進行低壓蒸發(fā)的真空預(yù)壓模型試驗，在常溫20℃、常壓45 kPa下進行水量標定。為滿足試驗條件，本次試驗在地下室（溫度變化：20℃±2℃）進行并采用調(diào)節(jié)螺栓維持真空壓力不變，試驗布置及儀器如圖3所示。

圖3 低壓常溫下水分蒸發(fā)試驗Fig.3 M oisture evaporation testunder low pressure at room tem perature

考慮到T形管試驗采用15kPa—30 kPa—45 kPa的真空吸力進行，而本試驗主要目的是為了消除蒸發(fā)因素對T形管2組對比試驗的影響，故采用常壓45 kPa進行試驗。儲水器中原有水量66.48 g，試驗整點時刻記錄剩余水量，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)水量隨時間變化曲線圖Fig.4 Variation of evaporation water flowsw ith time

4 異步真空吸水法室內(nèi)試驗

為模擬超軟土異步真空吸水法，室內(nèi)采用T形管來進行相關(guān)試驗（圖5所示），通過T形主管左右管連接真空泵施加真空荷載，管中充滿超軟土，副管中超軟土通過密封膜進行密封處理。

圖5 T形管試驗?zāi)M排水板示意圖Fig.5 T-tube testsimulates the drainage board schematics

在T形管主管左右抽真空處分別放置塑料排水板芯板和濾膜，尺寸直徑均為85 mm，略大于T形管主管直徑（80mm）。該裝置是為模擬塑料排水板徑向排水條件下超軟土在滲流力作用下的固結(jié)特性。本試驗儀器中，在同一時刻左右管分別施加不同的真空度來模擬連接排水體內(nèi)差異真空的控制。

首先進行常規(guī)真空預(yù)壓試驗，即左右排水截面同時施加某一真空度（本試驗為45 kPa），異步真空步驟見表2，即在相同時刻在T形管兩側(cè)采用2種不同真空度的水平排水管使相鄰水平排水體內(nèi)形成大小不同的真空負壓，初始時刻高真空度的水平排水管內(nèi)真空度控制在30 kPa，低真空度的水平排水管內(nèi)真空度控制在15 kPa，不同真空度的排水管內(nèi)真空度差異值保持在15 kPa之間，異步調(diào)節(jié)左右兩管的真空度，以儲水器水量不再增長時開始真空度調(diào)節(jié)，2次調(diào)節(jié)分別在30 h和45 h時進行，整個吸水過程持續(xù)60 h（60 h后儲水器內(nèi)的水量變化量為0，故停止真空泵工作）。

表2 異步真空吸水法真空控制步驟Table 2 The controlstepsof asynchronous vacuum method

4.1 排水量變化分析

圖6為常規(guī)真空預(yù)壓和異步真空吸水試驗排水量和膜下真空度隨試驗時間的變化曲線。通過低壓常溫下的水分蒸發(fā)的補充，可得出排水量隨時間變化的試驗曲線和修正曲線。常規(guī)真空預(yù)壓從開始至排水量曲線趨于平緩共用時間60 h，排水量161.8 g；異步真空吸水預(yù)壓共用時間60 h，排水量211.6 g，最終排水量比常規(guī)預(yù)壓試驗增加30.8%。由圖中可以看出異步真空吸水試驗在30 h和45 h時曲線趨于平緩，排水速率降低，故此時改變T形管左右兩端真空壓力，使得排水速率進一步提高。圖中常規(guī)預(yù)壓試驗在30 h時排水量大于異步真空試驗，隨后曲線趨于平緩（低壓蒸發(fā)作用）；異步真空吸水試驗在30 h，45 h改變真空壓力后曲線斜率陡然升高，排水速率增大。

圖6 排水量隨時間變化曲線Fig.6 Variation of drainage flowsw ith time

在真空預(yù)壓處理超軟土時，必然發(fā)生黏土細顆粒向排水板聚集淤堵，當采用異步真空吸水，左右兩端真空吸力大小發(fā)生轉(zhuǎn)變后，黏土細顆粒會隨著孔隙水的滲流力方向而相向調(diào)節(jié)，減緩其在排水體附近的聚集狀況，有利于孔隙水的排水。

4.2 真空度及含水率變化分析

圖7中常規(guī)預(yù)壓試驗距T形管左管10 cm、35 cm處的真空表在42min開始出現(xiàn)讀數(shù)11 kPa、11.5 kPa，到3 600 min最終讀數(shù)為35 kPa、34.5 kPa；而異步預(yù)壓試驗在3 600 min最終讀數(shù)為40.5 kPa、42 kPa，表明在常規(guī)一次加荷45 kPa時，黏土顆粒在較大真空吸力作用下造成的淤堵狀況較嚴重。圖8是2組試驗處理后T形主管中土體含水率，常規(guī)預(yù)壓法處理后的土樣含水率均比異步預(yù)壓法高4.5%左右，說明異步真空吸水法降低超軟土含水率的效果優(yōu)于傳統(tǒng)真空預(yù)壓法。

圖7 T形主管中真空度變化曲線Fig.7 The curve of vacuum degree in the T-director

圖8 T形主管中含水率變化曲線Fig.8 The curveofmoisture content in the T-director

4.3 十字板抗剪強度分析

十字板剪切儀選用（PS-VST-P）型便攜式十字板剪切儀，待試驗排水過程結(jié)束后，將T形管左管取下并使左管面豎直向上，然后將剪切儀刻度調(diào)至零并垂直插入左管土樣中間，順時針方向均勻轉(zhuǎn)動至停止，記錄剪切儀刻度，右管重復上述步驟完成相應(yīng)試驗。表3中常規(guī)預(yù)壓試驗十字板抗剪強度為19.50 kPa，異步預(yù)壓試驗則為27.56 kPa，采用異步真空吸水后的強度是傳統(tǒng)真空管預(yù)壓強度的1.4倍，表明異步預(yù)壓試驗處理的效果要好于常規(guī)預(yù)壓試驗。

表3 十字板抗剪強度Table 3 Vane strength kPa

5 結(jié)語

1）在真空預(yù)壓室內(nèi)試驗時，需考慮低壓蒸發(fā)對試驗結(jié)果的影響。通過室內(nèi)標定試驗表明：在溫度、壓力和蒸發(fā)面積一定時，蒸發(fā)水量隨時間成線性關(guān)系。在分析室內(nèi)真空預(yù)壓的排水量變化時，需進行低壓水分蒸發(fā)的補償。

2）異步真空吸水法是指通過對豎向排水體的間隔連接及真空度的差異選擇，實現(xiàn)相同時間下相鄰排水體內(nèi)差異真空，并根據(jù)其出水量進行真空度的調(diào)節(jié)，以緩解黏土顆粒的聚集淤堵影響排水效果。

3）通過模型試驗表明，在相同預(yù)壓時間內(nèi)，異步真空吸水法的排水量較傳統(tǒng)真空預(yù)壓法提高29.3%，處理后土體含水率較傳統(tǒng)方法降低4.5%，十字板剪切強度提高30%。因此，對于高含水率高流動性的超軟土而言，異步真空吸水法是一種有效提高處理效果的真空吸水方法。

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