雷世旺　劉紅軍　劉克倫　羅耀華

摘 要：為驗證和評價覆水真空預壓法加固軟土地基的處理效果，結(jié)合珠海市某軟基處理項目，通過現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)對膜下真空度、淺層地表沉降、水平位移和原位十字板試驗等監(jiān)測項目進行分析。研究結(jié)果表明：①滿載預壓期的沉降量占總沉降量60%，并且隨著軟土地基的固結(jié)排水，沉降曲線逐漸趨于平緩，在卸載前加固區(qū)的平均固結(jié)度已達到90%以上，說明覆水真空預壓法處理軟基地基的效果較好。②水平位移的變化趨勢呈現(xiàn)開口型，最大位移發(fā)生在地表處，其值為256.6 mm。由于加固區(qū)的水平位移以收縮變形為主，不會因土體抽真空的速率過快而引起失穩(wěn)現(xiàn)象，故真空預壓加載可一次性達到設(shè)計要求。③覆水真空預壓法的加固深度與豎向排水體的埋設(shè)深度相同。研究成果可為本區(qū)域類似的工程項目提供合理可靠的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：覆水真空預壓法;軟土地基;監(jiān)測數(shù)據(jù);原狀土抗剪強度增長率

中圖分類號：TU435 ???文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2020）06-0095-08

Analysis on the Effect of Reinforcement of Soft Soil Subgrade

by Covering Water Vacuum Preloading Method

LEI Shiwang1， LIU Hongjun1*， LIU Kelun1，LUO Yaohua2

（1.College of Civil Architecture， Wuyi University， Jiangmen 529020， China;2. British Columbia， Vancouver? V6T 1Z4， Canada）

Abstract：In order to verify and evaluate the treatment effect of water-covered vacuum preloading method for strengthening soft soil subgrade， combined with a soft foundation treatment project in Zhuhai City， the monitoring items such as vacuum degree under membrane， shallow surface settlement， horizontal displacement， in-situ cross plate test and so on were analyzed by field measured data. The results indicated that： ① The settlement of the full load preloading period accounted for 60% of the total settlement， and with the consolidation and drainage of soft soil subgrade， the settlement curve gradually tended to be flat， and the consolidation degree of the reinforcement area before unloading was more than 90% on average， which indicated that the water-covered vacuum preloading method had a better effect on the treatment of soft foundation. ② The change trend of the horizontal displacement presented open type， and the maximum displacement occured at the surface with a value of 256.6mm. Since the horizontal displacement of the reinforced area was mainly shrinkage deformation， it would not cause instability due to the excessive vacuum pumping rate of the soil， so the vacuum preloading could meet the design requirements at one time. ③ The reinforcement depth of the water-covered vacuum preloading method was the same as the buried depth of the vertical drainage body. The research results can provide a reasonable and reliable reference for similar engineering projects in the region.

Keywords：Water-coverd vacuum preloading method; soft soil foundation; monitoring data; growth rate of undisturbed soil shear strength

收稿日期：2020-09-03

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目（41702323）;校企合作項目-恒大濱江左岸花園項目軟基監(jiān)測及檢測工程（HX19159）

第一作者簡介：雷世旺，碩士研究生。研究方向：巖土工程與道路工程.E-mali：845589637@qq.com

通信作者：劉紅軍，博士，教授。 研究方向：巖土工程與道路工程，E-mali：liuhongjun_0821@163.com

引文格式：雷世旺，劉紅軍，劉克倫，等.覆水真空預壓法加固軟土地基效果分析[J].森林工程，2020，36（6）：95-102.

LEI S W， LIU H J， LIU K L，et al. Analysis on the effect of reinforcement of soft soil subgrade by covering water vacuum preloading method[J]. Forest Engineering，2020，36（6）：95-102.

0 引言

從經(jīng)濟特區(qū)到灣區(qū)樞紐，珠海市作為內(nèi)地唯一一座與港澳陸路相連的城市，必須加強其基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，但該區(qū)域地基由分布廣泛的軟土組成，由于軟土具有強度低、壓縮性大、滲透性差和明顯的流變性等特點[1-3]，若直接在軟土地基上進行工程建設(shè)，極易發(fā)生工程事故。

例如較大的工后沉降導致基礎(chǔ)沉陷、道路開裂、橋頭跳車等。因此必須采用一定的加固措施，以改善其承載力、穩(wěn)定性和變形量等問題，以達到相應工程要求。李時亮[4]對真空預壓加固軟基的加固機理進行分析，研究表明抽氣后加固土體與膜上及周圍的土體產(chǎn)生一個大氣壓差（Δp），在Δp的作用下產(chǎn)生正的超靜孔隙水壓力（Δu），隨著Δu消散逐漸轉(zhuǎn)化為有效應力。程瑾等[5]設(shè)計真空預壓法處理對高、低液限黏土室內(nèi)模型對比試驗，試驗研究結(jié)果表明，處理后高液限土樣的體積壓縮率為47.4%，低液限土樣的體積壓縮率為22.9%，且兩者的含水率、孔隙比明顯減小，密實性與強度明顯提高。

何長明等[6]采用真空聯(lián)合堆載預壓法對軟基進行加固處理，表明加固后土體的力學性質(zhì)得到了提高，尤其是在15～20 m處加固效果最為顯著，但土體觸變性未得到改良。劉勇等[7]基于某真空預壓工程中考慮涂抹、變井阻效應等因素，建立三維有限元模型并對其進行分析，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相吻合，為以后軟基加固工程三維有限元模擬提供了一種有效方法。可見真空預壓因加固機理明確、加固效果顯著和工期短等優(yōu)點，已廣泛運用到實際工程中。

本文以珠海市白藤湖軟基項目為背景，對加固區(qū)采用覆水真空預壓法，通過對膜下真空度、地表淺層沉降、水平側(cè)向位移和十字板剪切試驗等監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，驗證了該法處理軟土地基的加固效果，為今后類似的工程項目提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

項目位于廣東省江門市新會區(qū)，該地區(qū)地勢平坦，地面標高為1.40～3.30 m，沿線主要分布有魚塘、農(nóng)田等。其中，典型斷面K 0+200主要分布兩層軟土，第一層為淤泥、淤泥質(zhì)土，灰黑色，呈飽和流塑狀態(tài)，含有有機質(zhì)，層厚為8.00～19.95 m，在荷載作用下易產(chǎn)生固結(jié)沉降，工程性質(zhì)極差。第二層為粉質(zhì)黏土，褐黃色、可塑，具有砂感，層厚為2.00～6.90 m，具有一定承載力，工程性質(zhì)較好。主要軟土層的物理力學指標見表1。

1.2 軟基處理方案

為加快試驗區(qū)域固結(jié)沉降和減少后期基坑開挖的土方量，項目組采用覆水真空預壓法對試驗區(qū)進行軟基處理[8-9]。其中，豎向排水系統(tǒng)為塑料排水板，正方形布置，間距為0.9 m，埋設(shè)深度為20 m，橫向排水系統(tǒng)主要是抽真空管系，在抽真空過程中孔隙水通過蝶形接口導入真空支管，再通過真空主管從射流泵中排出。當確定整個場地的密封效果較好時，可進行蓄水工作，蓄水總高度為1 m，并滿載預壓不少于70 d，待處理深度范圍內(nèi)軟土平均固結(jié)度不小于75%時，方可進行卸載工作。

為掌握施工過程中土體變形情況，合理確定固結(jié)效果與卸載時間。對該場地膜下真空度、地表淺層沉降、水平側(cè)向位移和十字板剪切試驗等項目進行監(jiān)測，現(xiàn)場監(jiān)測點布置如圖1所示。

1.3 軟基處理施工程序

覆水真空預壓法的主要施工工序為：①場地清表、整平;②打設(shè)雙排疊合攪拌樁密封墻;③打設(shè)塑料排水板;④鋪設(shè)真空預壓管系統(tǒng);⑤再次清表后填筑圍堰，鋪設(shè)土工布、密封膜，并將密封膜壓入密封溝中;⑥抽真空，待真空度達到80 kPa穩(wěn)定后蓄水;⑦滿載預壓，待達到設(shè)計要求的固結(jié)度時，停泵卸載?，F(xiàn)場施工圖如圖2所示。

2 現(xiàn)場監(jiān)測及結(jié)果分析

2.1 膜下真空度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

膜下真空度監(jiān)測目的是了解膜下真空壓力隨

時間變化情況[10]，在進行真空預壓過程中需要對真空度進行觀測，在施工期間主要觀測膜下真空度隨時間變化的情況。采用真空壓力表直接測量，監(jiān)測頻率為1次/d，本項目共設(shè)計了6個真空壓力觀測點，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

由圖3可得，本項目共抽真空80 d，其中在抽真空進行到第5 d時膜下真空度平均值已達到了80 kPa，可見在短時間內(nèi)，膜下淺層土體中的空氣迅速被抽走，膜下真空度大幅度上升。但在抽真空第8 d，膜下真空度大幅度的下降，這是由于現(xiàn)場的電箱損壞使得真空泵暫停工作，待電力恢復之后僅用了1 d時間，真空度就恢復到80 kPa左右。隨后膜下真空度長期保持穩(wěn)定，在抽真空第75 d開始進行“放水”卸載，此時真空度略有下降，但整體真空度維持在80 kPa左右，說明加固區(qū)四周密封措施較好，覆水加載相當于給土體又加了一層密封膜，能在一定程度上提高真空度。

2.2 地表淺層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

地表沉降是控制施工進度的重要指標，也是加固效果最直接的反映[11]。在對現(xiàn)場80 d的沉降觀測基礎(chǔ)上，將整個沉降過程分為3個階段：①抽真空至穩(wěn)定80 kPa;②覆水加載階段;③滿載預壓階段。在進

行抽真空施工過程中，為了確保整個沉降過程穩(wěn)定，同時也為了保證整個施工過程中周邊建筑物以及周邊路面穩(wěn)定性，在抽真空初期監(jiān)測頻率為1次/d，在預壓末期可換成1次/3d。得到地表沉降隨監(jiān)測時間變化規(guī)律以及沉降速率的變化規(guī)律如圖4和圖5所示。

由曲線的分布特征可得，在抽真空初期沉降量與時間（0～10 d）呈線性變化，此時最大沉降量位于C-13觀測點，沉降量達到42.2 cm， 最小沉降量位于C-9觀測點，沉降量為30.1 cm，整體平均沉降量為38.0 cm，最大日沉降量發(fā)生在抽真空第4 d，此時開泵率剛好達到100%。最大日沉降量高可達7 cm。待真空度穩(wěn)定至80 kPa時，可進入覆水加載階段（10～15 d），此期間沉降量變化依舊顯著，最大沉降量位于C-13觀測點，沉降量達到68.6 cm，最小沉降量位于C-9觀測點，沉降量達到47.0 cm。此階段的最大日沉降量發(fā)生在C-13觀測點處，高達9.9 cm，并且加固區(qū)北側(cè)（C-13、C-14）的沉降速率明顯要大于南側(cè)（C-9、C-10）。在隨后的滿載預壓期間，沉降曲線整體呈現(xiàn)逐漸變緩的趨勢，50 d后各點的沉降速率均不大于2 cm/d，但沉降仍在持續(xù)，并且現(xiàn)場抽水泵的出水量明顯小于加載初期?？梢娭鞴探Y(jié)沉降是一個逐漸收斂的過程，沉降量會逐漸趨于穩(wěn)定。為保證卸載前加固區(qū)平均固結(jié)度不小于75%，本項目采用雙曲線法推算工后沉降。該法假定地基的沉降速率隨時間以雙曲線形式遞減[12-13]，并在滿載預壓階段任意時刻相應的沉降量均可以用雙曲線方程表示，其公式如下：

St=S0+tα+βt。（1）

移項可得

tSt-S0=α+βt。（2）

當t=∞時，最終沉降量為：

St=S0+1β。 （3）

式中：S0為t=0時的初始沉降量;St為t時刻的沉降量，α、β為線性回歸求得常數(shù)，本文取抽真空第53 d的沉降量作為S0，雙曲線法所用的計算數(shù)據(jù)見表2。

雙曲線法所求的各觀測點的固結(jié)度見表3。

由表3各觀測點的最終沉降量來看C-13、C-14的最大沉降量明顯大于南側(cè)（C-9、C-10），最大差值為60.4 cm。造成加固區(qū)沉降不均勻的主要原因：一方面是由于各觀測點所處位置的軟基厚度與土層略有差異;另一方面是現(xiàn)場地面南側(cè)原始地表面的絕對高程平均值為1.2 m，北側(cè)原始地表面的絕對高程平均值為0.8 m，導致南側(cè)的覆水量明顯小于北側(cè)。但分析各觀測點的固結(jié)度可得，該加固區(qū)的處理效果較為顯著，固結(jié)度已滿足設(shè)計要求，可進行卸載工作。

2.3 深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

深層水平位移的變化是控制施工穩(wěn)定性的重要指標之一[14-16]。由于真空預壓加固區(qū)內(nèi)的氣體稀薄形成一個負壓區(qū)，等效于對加固區(qū)的土體施加了圍壓，使得土體的水平位移具有向加固區(qū)中心移動的趨勢，故本項目為了能有效地預知真空預壓期間水平位移的發(fā)展趨勢，確保周邊建筑的穩(wěn)定性，在距離南側(cè)密封溝邊界1 m處設(shè)置水平位移觀測點，該區(qū)域水平位移隨深度的變化規(guī)律如圖6所示。

由圖6中的變化趨勢可得，該觀測點的水平位移整體呈現(xiàn)為開口型，水平位移的最大值位于地表處，其值為256.6 mm。并在0～20 m范圍內(nèi)隨深度的增加，水平位移不斷減小。而當土層深度超過20 m之后，水平位移基本可以忽略不計。可見加固區(qū)的有效深度為20 m，正好與塑料排水板的埋設(shè)深度相符合。從圖6中的數(shù)據(jù)可以看出，本項目施工計劃分為3個階段：第1階段為抽真空初期（全面穩(wěn)壓80 kPa），此階段土體只有收縮變形而無擠出現(xiàn)象，淺層土體的收縮大于深層土體，該階段的側(cè)向位移最大值達到85.7 mm;第2階段為覆水加載階段，此時水平位移發(fā)展迅速，水平位移最大值達到154.8 mm，并且在20～25 m處土體開始出現(xiàn)擠出現(xiàn)象，在覆水加載結(jié)束時擠出變形達到-19.8 mm，因為真空度隨著深度的增加有所消散，導致淺層土體受真空預壓的影響較大，水平位移以收縮變形為主，而深層土體受覆水加載的影響較大，水平位移以擠出變形為主，但由于覆水高度只有1 m，深層土體所受到的附加應力較小，擠出變形量較小;第3階段為滿載預壓階段，由現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)可得，此階段的側(cè)向位移占總側(cè)向位移的60%，水平位移隨著預壓時間的增長而逐漸減緩，在卸載前土體側(cè)向位移已基本穩(wěn)定。

2.4 十字板剪切試驗數(shù)據(jù)分析

為研究覆水真空預壓法加固軟土地基的強度增長規(guī)律，并評價其加固效果[17]，選取同一位置對軟基處理前后分別進行十字板原位檢測試驗[18-20]，試驗結(jié)果見表4及圖7所示。

由圖7可得，無論是原狀土還是重塑土，加固后增長趨勢基本一致，抗剪強度增長率均隨著深度的增加而減少。在0～2 m處，原狀土的抗剪強度明顯大于其他深度，然而加固后增長率只有19.9%，主要因為該處的土層主要為含砂的淤泥層，導致十字板試驗結(jié)果明顯偏大。在3～8 m處，卸載后原狀土的抗剪強度增長率為82.5%，重塑土的抗剪強度增長率為65.1%，尤其在4 m時兩類土變化最為顯著，原狀土的抗剪強度增大了27.7 kPa， 重塑土的增大了15.4 kPa。重塑土的增長幅度明顯小于原狀土?？梢?，真空預壓法對淺層土體的加固具有良好的處理效果，但對土體的觸變性改善不大，加固處理后土體仍然不宜擾動。在9～17 m處，原狀土的抗剪強度增加了5～7 kPa， 重塑土的增加了1～2 kPa，增長幅度遠小于淺層土體。這是因為隨著加固深度的增加，真空與覆水加載所引起的附加應力傳遞逐漸消散，處理效果逐漸減弱，相對應的土層強度加固效果逐步減小。

3 結(jié)論

（1）滿載預壓期的沉降量占總沉降量60%，并且隨著軟土地基的固結(jié)排水，沉降曲線逐漸趨于平緩，在卸載前加固區(qū)的固結(jié)度平均已達到90%以上，說明覆水真空預壓法處理軟基地基的效果較好。

（2）水平位移的變化趨勢呈現(xiàn)開口型，最大位移發(fā)生在地表處，其值為256.6 mm。由于加固區(qū)的水平位移以收縮變形為主，不會因土體抽真空的速率過快而引起失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，真空預壓加載可一次性達到設(shè)計要求。

（3）覆水真空預壓法的加固深度與豎向排水體的埋設(shè)深度相同。本項目加固區(qū)的影響深度達到20 m，尤其是在3～8 m范圍內(nèi)加固效果最為顯著，原狀土抗剪強度增長率平均值達到82.5%，但仍未改善軟土的觸變性。

【參 考 文 獻】

[1]宋許根，王志勇，柏威偉，等.珠海西部中心城區(qū)大面積深厚軟土工程特性研究[J].巖石力學與工程學報，2019，38（7）：1434-1451.

SONG X G， WANG Z Y， BAI W W， et al. Study on engineering characteristics of large-scale deep soft soil in the central area of western Zhuhai[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2019， 38（7）： 1434-1451.

[2]劉克倫，劉紅軍，成華雄.依據(jù)簡化的有限元模型分析軟基固結(jié)變形過程[J].森林工程，2020，36（4）：101-108.

LIU K L， LIU H J， CHENG H X. Analysis of soft foundation based on simplified finite element model consolidation deformation process[J]. Forest Engineering， 2020， 36（4）：101-108.

[3]LIN D F， LIN K L， HUNG M J， et al. Sludge ash/hydrated lime on the geotechnical properties of soft soil[J]. Journal of Hazardous Materials， 2007， 145（1/2）： 58-64.

[4]李時亮.真空預壓加固軟土地基作用機理分析[J].巖土力學，2008，29（2）：479-482.

LI S L. Analysis of action mechanism of treating soft foundation with vacuum preloading[J]. Rock and Soil Mechanics， 2008， 29（2）： 479-482.

[5]程瑾，張云冬，張乾，等.真空預壓法處理高液限黏土適用性模型試驗研究[J].水運工程，2015，40（11）：155-159.

CHENG J， ZHANG Y D， ZHANG Q， et al. Model experimental study on applicability of vacuum preloading to treat high liquid limit clay[J]. Port & Waterway Engineering， 2015， 40（11）： 155-159.

[6]何長明，黎軍.真空聯(lián)合堆載預壓法處理深厚軟土試驗研究[J].巖土工程技術(shù)，2019，33（2）：115-120.

HE C M， LI J. Experimental study on treatment of deep soft soil by preloading combined with vacuum[J]. Geotechnical Engineering Technique， 2019， 33（2）： 115-120.

[7]劉勇，戚藍，李少明，等.考慮變井阻和涂抹效應的真空預壓三維有限元分析[J].巖土力學，2017，38（5）：1517-1523.

LIU Y， QI L， LI S M， et al. 3D Finite element analysis of vacuum preloading considering inconstant well resistance and smearing effects[J]. Rock and Soil Mechanics， 2017， 38（5）： 1517-1523.

[8]龔麗飛，朱方方，張紅，等.真空覆水預壓在房建場地軟基處理中的應用[J].土工基礎(chǔ)，2012，26（4）：9-11.

GONG L F， ZHU F F， ZHANG H， et al. Vacuum combined with water covered preloading for soft soil improvements for residential buildings[J]. Soil Engineering and Foundation， 2012， 26（4）： 9-11.

[9]王玲.解析房建場地軟基處理中真空覆水預壓的應用[J].門窗，2014，8（3）：186-187.

WANG L. Analyze the application of vacuum water preloading in soft foundation treatment of house construction site[J]. Doors and Windows， 2014， 8（3）：186-187.

[10]黃樹其.真空預壓軟基處理技術(shù)在某工程中的應用[J].采礦技術(shù)，2017，17（3）：45-48.

HUANG S Q. Application of vacuum preloading soft foundation treatment technology in a project[J]. Mining Technology， 2017， 17（3）： 45-48.

[11]劉紅軍，錢大偉，李洪峰.依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)評價城市道路軟土地基處理效果[J].森林工程，2017，33（6）：77-82.

LIU H J， QIAN D W， LI H F. Evaluation of soft foundation treatment of urban road based on field monitoring data[J]. Forest Engineering， 2017， 33（6）： 77-82.

[12]張可軍，樊偉平，孫希望.基于雙曲線法云南地區(qū)深厚人工填土沉降預測分析[J].路基工程，2015，33（6）：48-53.

ZHANG K J， FAN W P， SUN X W. Analysis on settlement prediction of deep artificial fill in Yunnan regions based on Hyperbola method[J]. Subgrade Engineering， 2015， 33（6）： 48-53.

[13]魯虹君，李洪峰，王旭.用塑料排水板和粉噴樁處理軟基數(shù)值模擬分析[J].森林工程，2017，33（6）：71-76.

LU H J， LI H F， WANG X. Numerical analysis of soft foundation treated by plastic drainage plate and powder pet pile[J]. Forest Engineering， 2017， 33（6）： 71-76.

[14]陳繼彬，趙其華，彭社琴，等.不同方式處理后軟土地基側(cè)向變形規(guī)律[J].巖土力學，2013，34（S1）：340-347.

CHEN J B， ZHAO Q H， PENG S Q， et al. Lateral deformation law of soft soil subgrade treated by different modes[J]. Rock and Soil Mechanics， 2013， 34（S1）： 340-347.

[15]王二兵，徐良，沈強儒，等.軟土地基條件下的公路工程施工技術(shù)研究[J].公路工程，2020，45（3）：153-156.

WANG E B， XU L， SHEN Q R， et al. Study on construction technology of highway engineering under the condition of soft soil foundation[J]. Highway Engineering， 2020， 45（3）：153-156.

[16]劉寒鵬，孫銳，劉文東.膜上覆水真空預壓技術(shù)在軟土地基處理中的應用[J].地質(zhì)與勘探，2008，44（3）：87-90.

LIU H P， SUN R， LIU W D. Water- overhead- film of vacuum preloading method in soft soil foundation treatment[J]. Geology and Prospecting， 2008， 44（3）： 87-90.

[17]梁發(fā)云，秦承瑞，汪中衛(wèi)，等.沿海吹填土地基真空預壓加固效果現(xiàn)場監(jiān)測分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2017，33（6）：155-161.

LIANG F Y， QIN C R， WANG Z W， et al. Field monitoring and analysis the effect of vacuum preloading in coastal dredger fill foundation[J]. Structural Engineers， 2017， 33（6）： 155-161.

[18]GOURVENEC S M， WHITE D J. Elastic solutions for consolidation around seabed pipelines[C]// Proceedings of the Annual Offshore Technology Conference， Houston， 2010.

[19]韋秋杰，羅振華.換填法和加筋法結(jié)合處理軟土公路路基的仿真分析及應用研究[J].公路工程，2019，44（1）：145-149.

WEI Q J， LUO Z H. Simulation analysis and application research on the combination of filling method and reinforcement method for soft soil roadbed[J]. Highway Engineering， 2019， 44（1）：145-149.

[20]曹杰，鄭建國，劉智，等.真空預壓法處理軟土地基的工程應用[J].巖土工程學報，2017，39（S2）：124-127.

CAO J， ZHENG J G， LIU Z， et al. Application of vacuum preloading method in consolidating soft soil foundation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2017， 39（S2）： 124-127.