陳柯星，郎凌嘉，王 旭，吳朝峰，周天翊，孫紅月*

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021）

0 引 言

我國(guó)東部沿海和江河三角洲地區(qū)廣泛分布軟土，這些區(qū)域人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，需要建設(shè)大量工程。由于軟土具有高壓縮性、高含水量、低滲透性和低強(qiáng)度等特性，為防止產(chǎn)生工后沉降災(zāi)害，軟土地區(qū)工程建設(shè)需要進(jìn)行地基處理。目前軟土加固處理最常用的方法有堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法等（劉松玉等[1]，何忠意等[2]，CHU 等[3]），由于處置過(guò)程中的軟土地下水位始終處于近地表處，存在完成排水固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、加固深度淺等問(wèn)題。

軟土加固處理的關(guān)鍵是快速排出土體中的地下水。目前軟土排水主要有兩種形式：加載形成超孔隙水壓力擠出軟土中的地下水，如堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓等（穆永亮等[4]，何忠意等[2]）；利用動(dòng)力抽出軟土中的地下水，如井點(diǎn)抽水等（王春明[5]，YAN等[6]）。受軟土低滲透性和低水力梯度的影響，通過(guò)加載擠出地下水的過(guò)程十分緩慢；直接抽排地下水，則因軟土的滲透系數(shù)小，使得排水的工作效率低（祝關(guān)翔等[7]，楊光華[8]，曾華健等[9]，徐宏等[10]）。探索經(jīng)濟(jì)有效的軟土排水固結(jié)新方法，仍是軟土地區(qū)工程建設(shè)迫切需要解決的問(wèn)題。

1 降低軟土地下水位的虹吸排水方法

目前人工降低軟土地基地下水位的措施主要是井點(diǎn)降水，比較常見(jiàn)的井點(diǎn)降水類(lèi)型有：輕型井點(diǎn)降水、噴射井點(diǎn)降水、管井井點(diǎn)降水、電滲井點(diǎn)降水等。但軟土的滲透系數(shù)一般小于10-6cm/s，除電滲井點(diǎn)降水外，其他井點(diǎn)降水方法均不適用。但電滲井點(diǎn)降水使用成本高、能耗大，目前只用于特殊基坑排水工程中。因此，為降低軟土地基地下水位，需要探索新的排水方法。

虹吸具有免動(dòng)力實(shí)現(xiàn)水體跨越流動(dòng)特性，可適應(yīng)低滲透軟土地基地下水位控制的需要。但軟土地區(qū)一般無(wú)法獲得驅(qū)動(dòng)虹吸流動(dòng)的自然水位差，需要人工形成低水位點(diǎn)才能構(gòu)建虹吸排水系統(tǒng)。因此，采用井點(diǎn)抽水控制群管虹吸是可行的方法。在待降低地下水位的地基土中插入虹吸排水管，并將虹吸管的出水口引入集水井中，利用水泵抽水降低集水井的地下水位，使地基土中的地下水通過(guò)虹吸管流入集水井，再由水泵將集水井中的水抽排到地表。利用虹吸集水的“杠桿作用”，解決無(wú)法直接動(dòng)力抽排軟土地下水的物理制約問(wèn)題。

目前虹吸排水方法在軟土地基處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究仍處于探索階段，需要進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究和理論分析，確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，為虹吸排水技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方案與模型結(jié)構(gòu)

通過(guò)模型試驗(yàn)，研究虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土地基的加固效果，分別開(kāi)展虹吸排水、堆載預(yù)壓和虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓的對(duì)比模型試驗(yàn)，各試驗(yàn)工況及編號(hào)如表1 所示。

表1 模型試驗(yàn)工況及編號(hào)Table 1 Model test condition and number

模型結(jié)構(gòu)示意與測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)由3 部分構(gòu)成，分別為測(cè)壓管、百分表和量筒。測(cè)壓管用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中土體內(nèi)部的孔隙水壓力變化，百分表用于監(jiān)測(cè)模型土體表面的沉降變形，量筒用于監(jiān)測(cè)排水量。

1-圖1 模型結(jié)構(gòu)示意與測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Schematic diagram of model structure and layout of measuring points

測(cè)壓管采用內(nèi)徑6.5 mm 的聚氨酯管，插入土體一端包裹土工布，以避免土顆粒進(jìn)入測(cè)壓管而發(fā)生堵塞，并將其固定于模型箱的底部，測(cè)壓管編號(hào)及測(cè)點(diǎn)與帶虹吸管的排水板中心距離如表2 所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭熊浲粮叨葹?0 cm。

表2 測(cè)壓管編號(hào)及測(cè)點(diǎn)距排水板中心距離Table 2 Number of piezometric tube and distance from measuring point to drainage board

采用量程為0～50 mm 的數(shù)顯百分表監(jiān)測(cè)模型土體表面沉降變形。布置的表面沉降測(cè)點(diǎn)編號(hào)及其距排水板中心距離如表3 所示。

表3 表面沉降測(cè)點(diǎn)編號(hào)及其距排水板中心距離Table 3 Number of surface settlement measuring point and its distance from drainage board

由于軟土的滲透系數(shù)低，試驗(yàn)過(guò)程的排水流量小，采用10 mL 量筒進(jìn)行流量的測(cè)定，以確保監(jiān)測(cè)精度。

為了便于模型土體填制，將取自杭州某基坑工程的軟土樣先浸泡，軟化后打碎制成泥漿再倒入模型箱中。對(duì)有虹吸排水的2 個(gè)工況，當(dāng)泥漿在模型箱中靜置10 d，基本完成自重固結(jié)后，再插入帶PU虹吸管的塑料排水板，并在土體表面鋪設(shè)土工布，再靜置1 d。PU 虹吸管進(jìn)水口一端與排水板一起放在模型一側(cè)距箱底10 cm 位置處，出水口端放置在量筒內(nèi)，且虹吸管出水口高度設(shè)置為距離模型箱底部20 cm（堆載工況時(shí)設(shè)置為25 cm）高度處。啟動(dòng)虹吸后，通過(guò)測(cè)量量筒內(nèi)的水量來(lái)確定虹吸排水的排水量。對(duì)有堆載的2 個(gè)工況，記錄測(cè)壓管初始讀數(shù)后，再在土體表面鋪設(shè)厚度10 cm 的標(biāo)準(zhǔn)砂料，產(chǎn)生的荷載約為2 kPa。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

在模型表面堆載砂料過(guò)程中，采用視頻方式實(shí)時(shí)記錄測(cè)壓管水柱變化過(guò)程。完成模型表面砂料堆載后，放置沉降標(biāo)，安裝百分表并記錄初始讀數(shù)。

對(duì)于有虹吸的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，啟?dòng)塑料排水板中的虹吸管排水進(jìn)行相應(yīng)的排水固結(jié)試驗(yàn)，用量筒記錄不同時(shí)間的排出水量。在模型試驗(yàn)初期，測(cè)壓管、土體表面沉降以及排出水量每隔2 h 記錄一次，2 d過(guò)后，每隔1 d 記錄一次。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 排水流量監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

無(wú)論是虹吸排水還是堆載預(yù)壓排水，均能使土體中的部分地下水排出地表。如圖2 所示，單純虹吸、單純堆載預(yù)壓和虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓總是在虹吸啟動(dòng)和加載初期排水流量較大，然后快速下降。

圖2 排水流量隨時(shí)間變化Fig.2 Drainage flow changes over time

對(duì)比單純虹吸、單純堆載預(yù)壓和虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗(yàn)的流量監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓作用下的土體排水流量最大，其次是傳統(tǒng)的堆載預(yù)壓固結(jié)排水流量，僅采用虹吸排水進(jìn)行軟土處理測(cè)試得到的排水流量最小。虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓固結(jié)方法的排水流量是單純虹吸排水流量的5 倍，是無(wú)虹吸堆載預(yù)壓固結(jié)方法流量的3 倍。由此可見(jiàn)，虹吸排水聯(lián)合堆載預(yù)壓作用可以有效加快軟土的排水固結(jié)效果。這里需要說(shuō)明：虹吸排水孔只有一個(gè)，而堆載是作用在整個(gè)模型的表面，兩者不具有直接對(duì)比的條件。

3.2 孔隙水壓力變化

測(cè)壓管監(jiān)測(cè)的水頭高度反映測(cè)點(diǎn)土體的孔隙水壓力。虹吸排水促使土體孔隙水壓力下降，如圖3 所示為不同位置測(cè)點(diǎn)處的孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線，可以看出，距離虹吸管越近，孔壓下降越快，但最終趨于穩(wěn)定的時(shí)間大致相同。由于虹吸管出水口高度放置于距離模型底部20 cm 處，各測(cè)點(diǎn)的最終水位均下降到距模型底部接近20 cm 的高度，表明虹吸作用對(duì)于降低軟土體內(nèi)的地下水的效果是顯著的。

圖3 虹吸排水法孔隙水壓力隨時(shí)間變化圖Fig.3 Pore water pressure changes over time in siphon drainage

堆載首先在土體中產(chǎn)生超孔隙水壓力，其排水過(guò)程是超孔隙水壓力消散的過(guò)程。如圖4 所示，堆載后各測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力均上升，經(jīng)歷約20 d 后，堆載引起的超孔隙水壓力基本消散，基本恢復(fù)到地下水自重的壓力水平。

圖4 堆載預(yù)壓法孔隙水壓力隨時(shí)間變化圖Fig.4 Pore water pressure changes over time in preloading

虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停缥艹鏊诟叨确胖糜诰嚯x模型箱底部25 cm 處。如圖5 所示，采用虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓方法進(jìn)行軟土處理時(shí)，土體內(nèi)部的水位高度可以下降到距離模型箱底部接近25 cm 處。與單純虹吸排水不同的是，模型試驗(yàn)的初期，土體中的孔隙水壓力由虹吸排水的降低作用和堆載引起的超孔隙水壓力上升作用共同組成，初始階段的孔隙水壓力高度超過(guò)土體表面。

圖5 虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓法孔隙水壓力隨時(shí)間變化圖Fig.5 Pore water pressure changes over time in siphon drainage combined with preloading

無(wú)論是單純虹吸排水還是虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗(yàn)結(jié)果均表明，距離排水板越近，孔壓下降越快，但最終趨于穩(wěn)定的時(shí)間大致相同。雖然因試驗(yàn)工況及試驗(yàn)出水口高度設(shè)置的不同，具體監(jiān)測(cè)到的土體內(nèi)的水位數(shù)據(jù)不同，但不同測(cè)點(diǎn)處的孔壓監(jiān)測(cè)值的整體變化趨勢(shì)大體一致，虹吸作用對(duì)于降低軟土體內(nèi)的地下水具有顯著的效果。

3.3 模型表面沉降變形

表面沉降變形是體現(xiàn)軟土地基處理效果的直接指標(biāo)，它反映了軟土地基的壓縮變形程度。如圖6 所示為單純虹吸排水引起的模型表面沉降變形情況。雖然各測(cè)點(diǎn)的沉降值變化有所不同，但變化趨勢(shì)相同，距離排水板越遠(yuǎn)，最終穩(wěn)定的沉降值越小。經(jīng)歷60 d 左右的虹吸排水過(guò)程，模型土體的壓縮變形基本處于穩(wěn)定，此時(shí)虹吸排水的流量已近似為0，最后達(dá)到的沉降穩(wěn)定值約為8 mm，這也是單純虹吸所能實(shí)現(xiàn)的軟土固結(jié)最終效果。

圖6 虹吸排水法表面沉降隨時(shí)間變化圖Fig.6 Surface settlement changes over time in siphon drainage

圖7 為單純堆載預(yù)壓試驗(yàn)引起的表面沉降變形情況。各測(cè)點(diǎn)的沉降變化趨勢(shì)相同，距離塑料排水板（虹吸孔位置）越遠(yuǎn)，沉降值越小。在經(jīng)歷80 d的試驗(yàn)過(guò)程后，達(dá)到的沉降約為12 mm，堆載引起的地表沉降變形還未達(dá)到穩(wěn)定。此時(shí)的排水流量已近似為0，說(shuō)明壓縮變形的過(guò)程緩慢。

圖7 堆載預(yù)壓法表面沉降隨時(shí)間變化圖Fig.7 Surface settlement changes over time in preloading

如圖8 所示為虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓引起的模型表面沉降變形情況。與單純虹吸或單純堆載預(yù)壓引起的土體表面沉降變形相似，各測(cè)點(diǎn)的沉降值變化也具有相同的變化趨勢(shì)，也表現(xiàn)為距離排水板越遠(yuǎn)的沉降值越小。經(jīng)歷80 d 的試驗(yàn)過(guò)程后，虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膲嚎s變形基本處于穩(wěn)定，最終達(dá)到的沉降量約為16 mm?？梢?jiàn)虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓不僅可以提高土體的壓縮固結(jié)效果，還有助于加快軟土的固結(jié)速度。

圖8 虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓法表面沉降隨時(shí)間變化圖Fig.8 Surface settlement changes over time in siphon drainage combined with preloading

單純虹吸排水進(jìn)行軟土地基排水固結(jié)處置時(shí)，軟土的壓縮變形是依靠地下水位的下降形成非飽和區(qū)而增大有效應(yīng)力，沉降依靠土體自重壓縮，因此達(dá)到的最終沉降量較小，處理后的土體不夠密實(shí)，通常無(wú)法滿足工程建設(shè)的需要。單純的堆載預(yù)壓方法在荷載作用下形成超孔隙水壓力擠出地下水，排水固結(jié)的速度緩慢。采用虹吸排水聯(lián)合堆載預(yù)壓方法，既具有虹吸排水將軟土地基中的地下水位降低的優(yōu)勢(shì)，也具有通過(guò)堆載快速壓縮地基土的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)很好的排水固結(jié)效果。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓方法的加固機(jī)理，針對(duì)單純使用虹吸排水、單純堆載預(yù)壓以及虹吸排水聯(lián)合堆載預(yù)壓3 種情況進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，分析了虹吸排水聯(lián)合堆載預(yù)壓方法的可行性和有效性，得到以下基本認(rèn)識(shí)：

（1）通過(guò)單純虹吸排水、單純堆載預(yù)壓以及虹吸排水聯(lián)合堆載預(yù)壓3 種工況模型試驗(yàn)的排水流量監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，虹吸排水聯(lián)合堆載預(yù)壓方法下的土體排水流量最大，說(shuō)明虹吸排水聯(lián)合堆載預(yù)壓更有利于快速排出軟土地基中的地下水，實(shí)現(xiàn)更高效的排水固結(jié)效果。

（2）采用虹吸排水方法和虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓方法進(jìn)行軟土處理時(shí)，土體內(nèi)部的水位高度可以下降到模型箱的底部，單純堆載預(yù)壓方法僅能將軟土體內(nèi)部的水位高度下降到土體表面。虹吸作用對(duì)于降低軟土體內(nèi)的地下水具有顯著的效果。無(wú)論是單純虹吸排水還是虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓，距離排水板越近，孔隙水壓力下降越快，但最終趨于穩(wěn)定的時(shí)間大致相同。

（3）單純虹吸排水作用引起的表面沉降在60 d 內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定，而堆載預(yù)壓引起沉降在80 d內(nèi)還未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓80 d 內(nèi)也基本達(dá)到穩(wěn)定，說(shuō)明有虹吸排水可加快土體的固結(jié)速率。通過(guò)80 d 排水固結(jié)，僅虹吸排水引起的沉降值約為8 mm，僅堆載預(yù)壓引起的沉降約為12 mm，虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓引起沉降約為16 mm，表明虹吸聯(lián)合堆載預(yù)壓具有疊加效應(yīng)。