齊嘉煒，魏海濤*，何軍杰，趙文博

(1.中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100086；2.西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000)

在圍海造陸的過(guò)程中由于沿海地區(qū)缺少中粗砂等比較理想的吹填材料，而且運(yùn)輸不便、費(fèi)用較高，沿海很多圍海造陸工程不得不就地取材，采用近海新近沉積的海底淤泥(粘性土)作為吹填料。淤泥具有高含水率、高壓縮性、高孔隙比、低滲透性、低強(qiáng)度、不均勻等性質(zhì)，其固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，工后沉降大等問(wèn)題對(duì)工程而言極其不利。目前吹填土地基多采用真空預(yù)壓法加固，但在處理過(guò)程中受到過(guò)大的真空吸力作用時(shí)，土體中細(xì)顆粒隨排出水向排水板方向遷移，導(dǎo)致塑料排水板被大量細(xì)粒吹填土中的粘粒包裹形成泥膜，阻礙吹填土排水固結(jié)，降低固結(jié)效率[1-3]，造成了真空預(yù)壓處理工藝在處理吹填土的加固過(guò)程中后期效果不明顯以及處理后土體不均勻的問(wèn)題。因此對(duì)于傳統(tǒng)的真空預(yù)壓方法進(jìn)行改進(jìn)，以提高其固結(jié)效率和加固效果是非常必要的。

分級(jí)真空預(yù)壓法是對(duì)傳統(tǒng)真空預(yù)壓的改進(jìn)方法之一，其利用不同真空度(-20、-40、-60、-80 kPa)令土體逐步固結(jié)，用以改善傳統(tǒng)真空預(yù)壓法效率低、工期長(zhǎng)、細(xì)顆粒容易堵塞排水板的問(wèn)題。目前對(duì)分級(jí)真空預(yù)壓法的研究中，多數(shù)是利用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)于土體排水量、預(yù)壓前后土體的基本物理性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比和分析，較少?gòu)念w粒遷移和排水板淤堵等細(xì)觀方面進(jìn)行分析，本文重點(diǎn)從細(xì)顆粒遷移及其它物理性質(zhì)方面分析各階段不同真空度對(duì)土體固結(jié)的影響，試圖對(duì)于分級(jí)真空預(yù)壓法進(jìn)行工法方面的改進(jìn)和優(yōu)化。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)比較常規(guī)真空預(yù)壓法和分級(jí)真空預(yù)壓法在處理過(guò)程和效果等方面的區(qū)別，對(duì)分級(jí)真空預(yù)壓法進(jìn)行工法方面的改進(jìn)和優(yōu)化。具體試驗(yàn)方案如下：首先進(jìn)行兩組真空預(yù)壓室內(nèi)試驗(yàn)，常規(guī)真空預(yù)壓法是在試驗(yàn)開始時(shí)就將抽真空強(qiáng)度設(shè)定在-80 kPa并保持不變；分級(jí)真空預(yù)壓法是在試驗(yàn)開始時(shí)將真空強(qiáng)度設(shè)定為一個(gè)較小值(-20 kPa)，在一定時(shí)間后逐步增加到-40、-60、-80 kPa。兩組試驗(yàn)經(jīng)歷相同的處理時(shí)間后停止抽真空，通過(guò)對(duì)比兩組試驗(yàn)的排水量和各層土樣的沉降量、含水率等參數(shù)來(lái)分析兩種方法的處理效果，并從機(jī)理上解釋其原因。在此基礎(chǔ)上根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)分級(jí)真空預(yù)壓法在工法方面進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的試驗(yàn)：優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法在試驗(yàn)開始時(shí)將抽真空強(qiáng)度設(shè)定為和分級(jí)真空預(yù)壓法相同的真空強(qiáng)度(-20 kPa)，在一定時(shí)間后將抽真空強(qiáng)度直接增加到-80 kPa并保持不變，經(jīng)歷和以上兩組試驗(yàn)相同時(shí)間后停止抽真空并根據(jù)試驗(yàn)的排水量和各層土樣的沉降量、含水率等參數(shù)來(lái)分析優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的處理效果[4]。

1.2 試驗(yàn)用土

本試驗(yàn)所用土樣為南京秦淮河畔淤泥質(zhì)粘土，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，顆粒粒徑分布曲線見圖1。根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)，判斷此土料為高液限粘土。為了消除其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，需要保證模型土樣的起始狀態(tài)相近。土樣取回后需要風(fēng)干，隨后碾壓、過(guò)篩，按含水率w=95.0%配置土樣，用攪拌機(jī)攪拌均勻，將土樣放入模型筒中并靜置24 h。

表1 試樣基本物理性質(zhì)表

圖1 淤泥顆粒粒徑分布曲線Fig.1 Distribution curve of silt particle size

1.3 試驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)裝置如圖2、圖3所示，模型裝置主要包括抽真空系統(tǒng)和負(fù)壓固結(jié)系統(tǒng)兩部分。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device

圖3 試驗(yàn)裝置實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Photo of test device

各部分裝置介紹如下：

1.3.1 抽真空系統(tǒng)

組成部分有，真空泵：佐藤真空ST-50型真空泵，排氣速率50 L/min?？刂齐娤洌嚎刂齐娊狱c(diǎn)真空表。水氣分離裝置：防止在高真空度下汽化的水蒸氣進(jìn)入到真空泵中，影響真空泵的工作效率，甚至有可能損壞真空泵。電子秤：最大量程30 kg，最小精度0.1 g。電接點(diǎn)真空表：用來(lái)控制抽真空強(qiáng)度，試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置抽真空強(qiáng)度為-80 kPa。電接點(diǎn)真空表啟動(dòng)后，膜下真空度高于-85 kPa時(shí)控制電箱開關(guān)關(guān)閉，真空泵停止抽氣；當(dāng)?shù)陀?75 kPa時(shí)控制電箱開關(guān)開啟，真空泵開始抽氣，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中使真空度保持在-75～-85 kPa之間。儲(chǔ)水裝置：用來(lái)儲(chǔ)存真空預(yù)壓過(guò)程中排出的水。

1.3.2 負(fù)壓固結(jié)模型

組成部分有，模型筒：模型容器材料為有機(jī)玻璃，其內(nèi)徑為30 cm，外徑32 cm，高度 90 cm，壁厚為1 cm。在模型筒內(nèi)壁涂抹凡士林，用來(lái)減弱內(nèi)壁摩阻力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。真空表：在側(cè)壁距離底部0、25、50 cm的位置設(shè)置3個(gè)真空表，在排水板底部設(shè)置1個(gè)真空表，用來(lái)監(jiān)控抽真空過(guò)程中側(cè)壁和排水板底部的真空度。沉降標(biāo)：在模型筒側(cè)壁內(nèi)側(cè)距離底部30 cm和60 cm的位置分別布置2個(gè)沉降標(biāo)，用來(lái)觀測(cè)抽真空過(guò)程中土體上部和下部的沉降量。排水板：排水板采用國(guó)產(chǎn)B型塑料排水板，長(zhǎng)度為62 cm，寬度為5 cm，厚度為0.4 cm。密封系統(tǒng)：由下到上由砂墊層、無(wú)紡?fù)凉げ?、密封膜組成。砂墊層以中粗砂為主，要求含泥量(粒徑小于0.075 mm的顆粒)小于5%，無(wú)紡?fù)凉げ荚诔檎婵者^(guò)程中用來(lái)防止密封膜被排水板頂破。

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

(1)按照?qǐng)D2將裝置連接緊密，并檢驗(yàn)密封性。

(2)將配置好的土樣裝入模型筒中，并靜置24 h。

(3)啟動(dòng)控制電箱，真空泵開始抽氣，三組試驗(yàn)的區(qū)別如下：第一組始終保持真空負(fù)壓在-75～-85 kPa之間直到試驗(yàn)結(jié)束；第二組起始真空負(fù)壓設(shè)定在-20 kPa，在一定時(shí)間后逐步增加到-40、-60、-80 kPa直到試驗(yàn)結(jié)束；第三組起始真空負(fù)壓設(shè)定在-20 kPa，在排水速率低于40 mL/h后增加到-80 kPa直到試驗(yàn)結(jié)束。在試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)排水量和模型筒內(nèi)不同位置處的沉降量、真空負(fù)壓值等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，在試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)真空預(yù)壓后土樣的含水率和顆粒粒徑分布曲線進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 排水量和排水速率

在試驗(yàn)過(guò)程中利用儲(chǔ)水裝置儲(chǔ)存模型筒內(nèi)排出的水，并在不同的時(shí)間用電子稱稱量排出的水的質(zhì)量，并計(jì)算相對(duì)應(yīng)的排水速率。三組試驗(yàn)的排水量和排水速率分別見圖4和圖5。

圖4 初始含水率95.0%的三組試驗(yàn)排水量對(duì)比Fig.4 Comparison of three groups of experimental displacement with initial moisture content of 95.0%

圖5 初始含水率95.0%的三組試驗(yàn)排水速率對(duì)比Fig.5 Comparison of three groups of experimental drainage rates with initial moisture content of 95.0%

從圖4可以看出，最終排水量最大的是優(yōu)化分級(jí)真空預(yù)壓法，總排水量為7 427 mL；常規(guī)真空預(yù)壓法和分級(jí)真空預(yù)壓法的排水量分別為6 750 mL和6 110 mL。在圖5中常規(guī)真空預(yù)壓法在抽真空初期排水速率很快，10 h之內(nèi)排水速率均高于100 mL/h。高含水率淤泥在靜置24 h后土體發(fā)生初步固結(jié)，自由水在砂墊層和表層土體中較為集中，在抽真空初期，由于砂墊層和表層土體的含水率高于其他部位土體，因此排水速率很高，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)排水速率逐漸降低，分析可知是由于靠近塑料排水板的土體固結(jié)完成，距離排水板遠(yuǎn)端的土體相對(duì)于排水板附近的土體排水路徑增加，導(dǎo)致遠(yuǎn)端土體的排水速率降低。排水速率在70 h之后減少到30 mL/h，120 h之后降低到15 mL/h，整個(gè)排水過(guò)程中排水速率基本是逐漸降低，在170 h之后不再排水，總排水量為6 750 mL。

分級(jí)真空預(yù)壓法前期排水速率較快，但在5 h之后就降到了100 mL/h以內(nèi)，相比常規(guī)真空預(yù)壓排水速率減少得更快，這是因?yàn)槌跏颊婵瘴^低，在較低的真空吸力作用下排水的速率也會(huì)降低。在40 h之后排水速率低于40 mL/h，由于排水速率較低固將真空吸力調(diào)整為-40 kPa，可以觀察到排水速率迅速增加，在圖5中形成了第一個(gè)凸起，但在3 h內(nèi)排水速率下降到與調(diào)整之前差不多的數(shù)值。隨后在排水速率降低到穩(wěn)定數(shù)值后(90 h和120 h)分別將真空吸力調(diào)整為-60 kPa和-80 kPa，可以觀察到分級(jí)真空預(yù)壓曲線的排水速率形成了第二個(gè)和第三個(gè)凸起。

優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法前期排水速率類似分級(jí)真空預(yù)壓法，在50 h后排水速率降低到40 mL/h以下，固將真空吸力調(diào)整為-80 kPa，可以看出優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的曲線有一個(gè)很高的凸起，隨后排水速率下降，但下降的速率低于常規(guī)分級(jí)預(yù)壓和分級(jí)真空預(yù)壓，排水后期排水速率雖然還在緩慢下降，但維持在小于40 mL/h的范圍內(nèi)，且優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法穩(wěn)定后的排水速率大于其余兩種方法。

2.2 含水率

真空預(yù)壓法處理后土體的含水率可以直觀地體現(xiàn)真空預(yù)壓的處理效果。采用《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)中的含水率試驗(yàn)(SL237-003—1999)對(duì)三組試驗(yàn)中的土體進(jìn)行含水率測(cè)試。為了更好地研究土體中不同位置的處理效果，在測(cè)量含水率取樣時(shí)以排水板為中心，分別取距離表面不同深度和距離排水板不同距離的試樣若干，取樣位置見圖6，距離表面的深度分別為20、40、60 cm，在同一層中距離排水板分別為0、5、10、15 cm四個(gè)位置取樣測(cè)含水率。

圖6 含水率取樣位置圖(單位：cm)Fig.6 Water content sampling location map (unit: cm)

圖7為表面土體含水率隨距排水板距離變化曲線。從圖中可以看出：經(jīng)過(guò)處理后優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的含水率最低，為48.5%～49.6%；分級(jí)真空預(yù)壓法的含水率為50.5%～54.4%，常規(guī)真空預(yù)壓法的含水率最高，為52.6%～56.2%。含水率隨距排水板距離逐漸升高，但在筒壁處含水率有所下降，三種方法處理后表面土體含水率都較為均勻，含水率差值均在5%以內(nèi)，其中優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法含水率差值最小(1.1%)，處理效果最為均勻。但在離排水板15 cm處的土體含水率低于離排水板5 cm和10 cm，這是由于表層土體的排水邊界為砂墊層和塑料排水板，因此水分會(huì)直接從砂墊層排出，導(dǎo)致邊界的含水率低于中間土樣的含水率。

圖7 試樣表面土體含水率隨距排水板距離變化曲線Fig.7 Variation curve of soil moisture content on sample surface with distance from drainage board

圖8為距表面20 cm土體含水率隨距排水板距離變化曲線，從圖中可以看出：優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的含水率最低，為49.7%～60.8%；分級(jí)真空預(yù)壓法和常規(guī)真空預(yù)壓法的含水率分別為59.3%～76.7%和59.8%～74.1%。含水率隨距排水板距離逐漸升高，與表層土體相比，常規(guī)真空預(yù)壓法和分級(jí)真空預(yù)壓法經(jīng)過(guò)處理后土體含水率不均勻，差值都大于15%。優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法均勻性較好，含水率差值為11.1%。

圖8 距表面20 cm土體含水率隨距排水板距離變化曲線Fig.8 Variation curve of soil moisture content with distance from drainage board 20 cm from surface

圖9為距表面40 cm土體含水率隨距排水板距離變化曲線，從圖中可以看出與圖8相同的規(guī)律，優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的含水率最低，為46.4%～76.8%；分級(jí)真空預(yù)壓法和常規(guī)真空預(yù)壓法的含水率分別為59.4%～74.2%和60.2%～85.4%。含水率隨距排水板距離逐漸升高，與表層土體相比，三種方法處理后土體含水率都不均勻，差值均大于15%。

圖9 距表面40 cm土體含水率隨距排水板距離變化曲線Fig.9 Variation curve of soil moisture content with distance from drainage board 40 cm from surface

圖10為距表面60 cm土體含水率隨距排水板距離變化曲線。從圖中可以看出：優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的含水率依舊最低，為53.7%～75.7%；分級(jí)真空預(yù)壓法和常規(guī)真空預(yù)壓法的含水率分別為60.7%～79.4%和61.1%～86.9%。

圖10 距表面60 cm土體含水率隨距排水板距離變化曲線Fig.10 Variation curve of soil moisture content with distance from drainage board 60 cm from surface

由圖7—圖10可總結(jié)出如下規(guī)律：距離排水板距離越近含水率越低，即處理效果越好，遠(yuǎn)離排水板位置的含水率較高。對(duì)比不同深度土體的含水率，發(fā)現(xiàn)表層土體處理效果明顯好于下部其它深度土體。這說(shuō)明在真空預(yù)壓過(guò)程中，排水邊界是非常重要的，靠近排水板位置排水路徑短，因而排出水量多，遠(yuǎn)離排水板位置排水路徑長(zhǎng)，排水損失的能量多，排水效果不如靠近排水板位置的土體；同理表層土體上方是砂墊層，排水路徑短，因此處理后含水率相對(duì)下層其它土體要低很多。

優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法各處土體的含水率要明顯低于其他兩種預(yù)壓方法?？梢钥闯鲈谕晃恢脙?yōu)化真空預(yù)壓法的含水率要顯著低于其他兩種方法，而分級(jí)真空預(yù)壓法則要略微低于常規(guī)真空預(yù)壓法。優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法對(duì)靠近排水板的土體(距離排水板5 cm之內(nèi))的處理效果要好于其它兩種預(yù)壓方法。優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法在距離排水板5 cm之內(nèi)最高含水率為60.8%，其它兩種方法的含水率則要超過(guò)70%。

2.3 真空負(fù)壓

在試驗(yàn)過(guò)程中利用電接點(diǎn)真空表監(jiān)測(cè)砂墊層的真空負(fù)壓值，在排水板底部設(shè)置一個(gè)真空表，在模型筒側(cè)壁不同高度(距模型筒底部0、25、50 cm)分別設(shè)置3個(gè)真空表，用來(lái)監(jiān)測(cè)排水板底部和側(cè)壁不同位置的真空負(fù)壓值，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖11—圖13。

圖11 常規(guī)真空預(yù)壓法真空負(fù)壓隨時(shí)間變化圖Fig.11 Variation of vacuum negative pressure with time in normal vacuum preloading method

圖12 分級(jí)真空預(yù)壓法真空負(fù)壓隨時(shí)間變化圖Fig.12 Variation of vacuum negative pressure with time in graded vacuum preloading method

圖13 優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法真空負(fù)壓隨時(shí)間變化圖Fig.13 Variation of vacuum negative pressure with time in optimized vacuum preloading method

從圖11—圖13中可以看出，在開始抽真空后砂墊層和排水板底部的真空負(fù)壓值均迅速增加，在1 h左右的時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)壓值。排水板底部的真空負(fù)壓值略小于砂墊層，這說(shuō)明真空度在從砂墊層向排水板傳遞過(guò)程中存在一定損失，這一現(xiàn)象在很多工程實(shí)踐中也能得到證實(shí)。真空度在排水板中的衰減與排水板型號(hào)、排水板周圍土質(zhì)等因素存在密切關(guān)系。在三組試驗(yàn)使用的土體相同的前提下，預(yù)設(shè)不同的真空負(fù)壓并沒有對(duì)排水板中的真空度損失造成影響，可以計(jì)算得到真空度在排水板中的損失為2～3 kPa/m。由此可以推測(cè)，假設(shè)排水板打設(shè)深度為15 m時(shí)，真空度沿排水板會(huì)衰減30～45 kPa。同時(shí)通過(guò)圖11—圖13看出真空度在排水板中的傳遞基本不存在延遲[5-6]。

值得注意的是在圖11(常規(guī)真空預(yù)壓法)中側(cè)壁的三個(gè)真空表在數(shù)值分別達(dá)到25、20、20之后基本不再變化，圖12(分級(jí)真空預(yù)壓法)和圖13(優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法)中真空度則是整體緩慢上升最后穩(wěn)定。由于影響真空度傳遞的因素有很多，研究表明主要是排水體的通氣能力，反映在土體中則是滲透系數(shù)。三組試驗(yàn)用了相同的土體，但真空度的變化卻不同，這表明真空負(fù)壓值的改變(-20、-40、-60、-80 kPa)對(duì)于真空度的傳遞是有影響的。常規(guī)真空預(yù)壓法使用了恒定的-80 kPa真空負(fù)壓值，真空度在土體中傳遞時(shí)克服了各種阻力形成了穩(wěn)定的真空通道，但在傳遞過(guò)程中由于真空負(fù)壓過(guò)大，導(dǎo)致土體中的細(xì)小顆粒隨著流動(dòng)的氣體和水向排水板遷移。導(dǎo)致排水板周圍土體的滲透系數(shù)降低，從而使真空度傳遞需要更高的能量，因此真空度上升的很慢。分級(jí)真空預(yù)壓法在抽真空開始時(shí)使用了較小的真空負(fù)壓值使土體中的細(xì)小顆粒固結(jié)從而形成穩(wěn)定的真空通道，但在后期改變真空負(fù)壓時(shí)，改變的真空負(fù)壓值不夠大(-40、-60 kPa)造成真空度傳遞上升值較緩慢。優(yōu)化的分級(jí)預(yù)壓法結(jié)合了前兩者的長(zhǎng)處，利用較小的真空負(fù)壓值使土體中的細(xì)小顆粒固結(jié)，隨后施加了較大的真空負(fù)壓值(-80 kPa)使氣流和水有足夠的能量在真空通道中傳遞，也導(dǎo)致真空度增長(zhǎng)變快。

2.4 各層沉降

試驗(yàn)開始前填土高度為70 cm，為了監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中土體的沉降規(guī)律，在土體表層和距表層35 cm(土體高度的一半)試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯矀?cè)壁的不同位置分別設(shè)置沉降標(biāo)，在試驗(yàn)后計(jì)算同一層三個(gè)沉降標(biāo)的平均值，從而得出土體的最終平均沉降值。三種不同真空預(yù)壓法的最終沉降量和各分層沉降量對(duì)比見圖14。

圖14 各真空預(yù)壓方法沉降量對(duì)比Fig.14 Comparison of settlement of different vacuum preloading methods

從總沉降量來(lái)分析，常規(guī)真空預(yù)壓法、分級(jí)真空預(yù)壓法和優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的最終沉降量分別為114、93、144 mm；優(yōu)化真空預(yù)壓法的總沉降量比常規(guī)真空預(yù)壓法大26.3%，分級(jí)真空預(yù)壓法由于中期真空負(fù)壓過(guò)低導(dǎo)致排水速率提高不明顯，影響了中后期土體固結(jié)效率，最終沉降量比常規(guī)真空預(yù)壓法小了18.4%。

從分層沉降量來(lái)分析，常規(guī)真空預(yù)壓法、分級(jí)真空預(yù)壓法和優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的上層沉降量分別為74、56、86 mm，下層沉降量分別為40、37、58 mm；無(wú)論何種方法上層土體都是主要的加固土層，三種方法上層土體壓縮量分別占總沉降量的64.9%、60.2%、60.0%，下層沉降量分別占總沉降量的35.0%、39.8%、40.0%。采用分級(jí)真空預(yù)壓法之后下層土體沉降值所占的比例大于常規(guī)真空預(yù)壓法，說(shuō)明分級(jí)真空預(yù)壓法的各層沉降量與常規(guī)真空預(yù)壓法相比較為均勻。

2.5 顆粒粒徑分布曲線

本次試驗(yàn)的顆粒粒徑分布曲線采用激光粒度分析儀測(cè)定。顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果見圖15—圖17，圖中不同位置的試樣由字母和數(shù)字的編號(hào)組成，“h”代表距表面的距離，“r”代表距排水板的距離，如“h20r5”代表距表面20 cm、距排水板5 cm位置處的取樣點(diǎn)。

圖15為常規(guī)真空預(yù)壓法距表面不同深度處的顆粒分布曲線。從圖15(a)可以看出在表面土中，各個(gè)位置的顆粒分布曲線在距排水板不同距離處粒組含量差別較大，其中距排水板0 cm和5 cm的土體顆粒分布曲線在圖15(a)中明顯高于距排水板10 cm和15 cm的曲線，這說(shuō)明靠近排水板的土體細(xì)顆粒含量高于遠(yuǎn)離排水板的土體，總體的規(guī)律是越靠近排水板土體的細(xì)顆粒含量越高；圖15(b)、(c)中也顯示了相同的規(guī)律，但不如圖15(a)中明顯；圖15(d)中距排水板的不同距離處土體顆粒粒徑分布曲線基本相同。在試驗(yàn)前土樣經(jīng)過(guò)攪拌后初始狀態(tài)應(yīng)是均勻一致的，但在試驗(yàn)后土樣顆粒分布曲線在橫向和豎向卻顯示出不同的分布規(guī)律，這說(shuō)明在抽真空作用過(guò)程中細(xì)顆粒隨著水土混合流體向排水板方向發(fā)生了運(yùn)移。

圖15 常規(guī)真空預(yù)壓法距表面不同深度的顆粒分布曲線Fig.15 Particle distribution curves at different depths from the surface by normal vacuum preloading method

圖16為分級(jí)真空預(yù)壓距表層土體不同距離的顆粒分布曲線。圖16(a)、(b)的顆粒分布曲線略微有些差異，而圖16(c)、(d)的曲線則基本相同。對(duì)比圖16(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，分級(jí)真空預(yù)壓法明顯限制了細(xì)小顆粒的運(yùn)移，在抽真空過(guò)程中真空負(fù)壓會(huì)導(dǎo)致細(xì)顆粒向排水板周圍運(yùn)移，由于真空負(fù)壓強(qiáng)度和滲流力呈現(xiàn)正相關(guān)性，所以排水板中的真空負(fù)壓強(qiáng)度越大，細(xì)顆粒向排水板周圍移動(dòng)的數(shù)量越多。在真空預(yù)壓初期，較大的空隙比在較強(qiáng)的滲流力作用下形成了所謂的“土樁”[7]，嚴(yán)重影響真空預(yù)壓中后期土體的加固效率。如果在真空預(yù)壓初期使用較低的真空負(fù)壓強(qiáng)度，使徑向滲流力減小，土顆粒發(fā)生徑向移動(dòng)的趨勢(shì)相對(duì)減弱，從而對(duì)排水板周圍土體孔隙比和滲透性的影響都較小，減輕排水板濾膜和周圍土體的淤堵情況。因此在真空預(yù)壓初期使用較低的真空負(fù)壓強(qiáng)度是合理且有意義的。

圖16 分級(jí)真空預(yù)壓法距表面不同深度的顆粒分布曲線Fig.16 Particle distribution curves at different depths from the surface by graded vacuum preloading

圖17為優(yōu)化預(yù)壓距表層土體不同距離的顆粒分布曲線?？梢钥闯鰞?yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的顆粒分布曲線和分級(jí)真空預(yù)壓法的曲線是類似的，這說(shuō)明優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓在一定程度上也限制了土體細(xì)顆粒的運(yùn)移。與分級(jí)真空預(yù)壓不同的是，優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓在施加-20 kPa的真空負(fù)壓后，直接施加了-80 kPa的真空負(fù)壓，而分級(jí)真空預(yù)壓則是逐步施加-40、-60、-80 kPa的真空負(fù)壓。兩種方法在顆粒分布曲線中并沒有明顯的差異，這說(shuō)明細(xì)顆粒在前期較小的真空負(fù)壓(-20 kPa)作用下初步固結(jié)后，施加大的真空負(fù)壓(-80 kPa)并不會(huì)造成細(xì)顆粒的二次遷移。根據(jù)龔曉楠的真空滲流場(chǎng)理論[8]，在較小的真空吸力作用下，隨著孔隙水的排出逐漸在土體中較大的連通通道中形成真空滲流場(chǎng)，真空吸力隨著真空滲流場(chǎng)傳遞到離排水板更遠(yuǎn)的土體中，從而形成新的連通通道。在形成穩(wěn)定的連通通道后施加大的真空負(fù)壓不會(huì)再引起土體細(xì)顆粒的移動(dòng)，所以不會(huì)改變連通通道的大小，從而不對(duì)排水滲流造成影響。

圖17 優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法距表面不同深度的顆粒分布曲線Fig.17 Particle distribution curves at different depths from the surface by optimized vacuum preloading

2.6 優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法預(yù)壓機(jī)理分析

真空預(yù)壓法是以抽真空的方式來(lái)降低排水通道中的絕對(duì)壓力，令其小于土中原有的孔隙水壓力，從而達(dá)到滲流所需的水力梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)排水加固的目的。根據(jù)太沙基的有效應(yīng)力原理，真空預(yù)壓法加固的整個(gè)過(guò)程中總應(yīng)力并沒有增加(Δσ=0)，因此在加固過(guò)程中降低的孔隙水壓力即等于土體增加的有效應(yīng)力，即 Δσ′+Δu=0或Δσ′=-Δu。圖18中當(dāng)抽真空強(qiáng)度為u1時(shí)增加的有效應(yīng)力為p1，顯然在相同的情況下當(dāng)抽真空強(qiáng)度為u2，增加的有效應(yīng)力增長(zhǎng)了p2。這說(shuō)明真空負(fù)壓強(qiáng)度越大，土體獲得有效應(yīng)力的增長(zhǎng)越大，土體處理效果越好。但由于前節(jié)中分析了較大真空負(fù)壓強(qiáng)度引起細(xì)顆粒移動(dòng)造成的排水效率下降問(wèn)題，所以在抽真空前期采用較小的真空負(fù)壓強(qiáng)度，在土體初步固結(jié)后轉(zhuǎn)而采用較大的真空負(fù)壓強(qiáng)度使土體的有效應(yīng)力獲得較大的增大，這便是優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的優(yōu)越性所在。

圖18 真空預(yù)壓法有效應(yīng)力圖[9]Fig.18 Effective stress diagram of vacuum preloading method

3 小結(jié)

1)經(jīng)過(guò)三種不同加載方式(“-80 kPa”、“-20”→“-40”→“-60”→“-80”kPa、“-20”→“-80”kPa)處理后的吹填土含水率都有了明顯的降低，在相同處理時(shí)間內(nèi)優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法的處理效果優(yōu)于常規(guī)真空預(yù)壓法和分級(jí)真空預(yù)壓法。

2)抽真空初期直接施加較大的真空吸力(-80 kPa)可加快排水效率，但較大的真空吸力會(huì)造成土體細(xì)顆粒向排水板方向遷移，導(dǎo)致排水板周圍細(xì)顆粒含量增高，使排水板周圍土體孔隙比減小、滲透性降低，造成排水板濾膜淤堵，降低抽真空中后期的固結(jié)效率。

3)分級(jí)真空預(yù)壓和優(yōu)化分級(jí)真空預(yù)壓加固吹填土?xí)r，通過(guò)對(duì)比顆粒分布曲線可以得出首級(jí)較低真空負(fù)壓作用下可以極大限制細(xì)顆粒向排水板遷移的規(guī)律，且經(jīng)第一級(jí)真空預(yù)壓加固后土體固結(jié)形成較穩(wěn)定的真空通道，在后續(xù)各級(jí)真空預(yù)壓時(shí)排水速率升高。

4)對(duì)比分級(jí)真空預(yù)壓和優(yōu)化分級(jí)預(yù)壓法加固效果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)第一級(jí)較低真空負(fù)壓(-20 kPa)加固后土體固結(jié)，再逐級(jí)增加真空吸力并不能有效地增加排水和固結(jié)效率，直接施加較大的真空吸力(-80 kPa)也不會(huì)導(dǎo)致排水板淤堵，說(shuō)明在土體經(jīng)第一級(jí)真空預(yù)壓加固后可以直接施加大的真空吸力，有利于提高真空預(yù)壓的效率。