真空预压法处理地基的原理及其工程应用综述.doc

湖南文理学院芙蓉学院
2010级《土木工程地质》大作业

题目： 真空预压法处理地基的原理及其工程应用综述
班级：土木1006班
姓名：王全祥
学号：10190610
日期：2012.5.1

真空预压法处理地基的原理及其工程应用综述

【摘要】：阐述真空预压法处理软土地基的加固机理及其施工工艺，介绍真空预压 技术在实际工程中的应用，分析该方法加固软基的效果,并由此归纳了几点有益 的认识。
关键词：真空预压法 软基处理 真空度 孔隙水压力
1.软土的定义
此文主要研究真空预压法处理软土地基的原理，所以首先应该明白什么是软土，软土即为天然含水量大，压缩性高，承载力和抗剪强度很低的成软塑--流塑状态的粘性土。我国软土分布广泛，主要位于沿海平原地带，内陆湖盆，洼地及河流两岸地区。软土主要是静水或缓慢流水环境中沉积的以细颗粒为主的第四纪沉积物。
2.软土的工程性质
① 软土的孔隙比和含水量：软土的颗粒分散性高，联结弱，孔隙比大，含水量高，孔隙比一般大于1，可高达5.8，如云南滇池淤泥，含水量大于液限达50%~70%，最大可达300%。沉积年代久，埋深大的软土，孔隙比和含水量降低。 ②软土的透水性和压缩性：软土孔隙比大，孔隙细小，粘力亲水性强，土中有机质多，分解出的气体封闭在空隙中，使土的透水性很差，渗透系数K<10-6cm/s，荷载作用下排水不畅，固结慢，压缩性高，压缩系数a=0.7~20MPa-1，压缩模量Es为1~6MPa。软土在建筑物荷载作用下容易发生不均匀下沉和大量沉降，而且下沉缓慢，完成下沉的时间很长。 ③软土的强度：软土强度低无侧限抗压强度在10~40kpa之间，不排水直剪试验的Φ=2°~5°C=10~15kpa排水条件下Φ=10°~15°C=20kpa所以在确定软土抗剪强度时，应据建筑物加载情况选择不同的实验方法。④软土的触变性：软土受到震动，颗粒连接破坏，土体强度降低，呈流动状态，触变的机理吸附在土颗粒周围的水分子的定向排列被破坏，土粒悬浮在水中，呈流动状态。当震动停止，土粒与水分子相互作用的定向排列恢复，土强度可慢慢恢复。软土触变用灵敏度St表示

St=Tf/Tfˊ

式中Tf------天然结构的抗剪强度
Tfˊ------结构扰动后的抗剪强度
St一般为3~4，个别达8~9，灵敏度愈大，强度降低愈明显，造成的危害也愈大。
3. 软土地基的加固措施
①砂井排水 ②砂垫层 ③生石灰桩 ④强夯法 ⑤旋喷注浆法 ⑥填土法 ⑦软沉井 ⑧堆截顶压
4.真空预压法加固软土地基机理
真空预压的加固机理是在外荷不变的情况下,通过抽真空对加固区密膜下的土体施加流体压力(负压),并通过能够传递流体压力的孔隙介质,在较短的时间内将其作用和影响由近及远地向距边界较远的部位延伸,逐步建立起新的动平衡。在形成动态平衡的过程中,土体得到了较快的固结。即通过在软土地基上铺设砂垫层，并设置竖向排水通道（砂石，熟料排水板），再在其上覆盖不透气的薄膜形成一密封层，然后用真空泵抽气，排水通道保持较高的真空度，在土的孔隙水中产生负的孔隙水压力，孔隙水逐渐被吸出，从而使土体达到固结。

真空测头构造图

真空预压中,水平、向排水构造不仅具有排水(气)作用,同时还起着传递真空压力的作用。不同的孔隙质(如砂垫层、砂井、塑料排水板等)具有不同的流体阻力,真空压力在传递过程中会有所损失。影响流体阻力的主要因素是孔隙介质的渗透系数。据文献[1]介绍,于10 m长的袋装砂井,当砂的渗透系数大于1.0×10-2cm/s时,其井阻影响很小。软土的加固效果与其渗透系数和埋深有关。由于软土的渗透系数一般都较小,因其真空度的衰减也很快,但人为设置的竖向排水通道同时也极大地缩短了渗透距离，改善了真空传递的条件。有关文献[2]介绍,在打设20 m长的砂井范围内,真空预压均有加固效果。由于真空预压产生的流体压力是负压,它所引起地基土体的侧向变位是向加固区内收缩(与堆载预压的方向相反)。因此,一般不会产生路堤填筑过程中的稳定问题,不受填筑速率的控制。
5.真空预压法主要（施工）方法
目前,真空预压法处理软土地基可分为排水系统、抽真空系统和密封系统3个部分。真空泵多采用射流技术,所用的土工合成材料(如密封膜等)也是一次性消耗不再回收使用的。

抽真空时流体"状态的演化过程图

(1)施工准备
在勘察探明适于真空预压法处理地基的预压区内标划出预压区的边线范围并进行原地面的清理平整,设置临时供电网络,组织材料、设备进场和检查验收。
(2)铺设砂垫层并打设塑料排水板
在预压区内满铺砂垫层(或其他渗水材料),厚度一般为50~80 cm,以中粗砂(含泥量≤3%)为宜。有时砂垫层分层铺设,其间夹设有土工格栅。在平整压实后的砂垫层上(格栅铺设之前)插设塑料排水板(砂井或袋装砂井),间距一般为1.2~1.5 m,深度根据具体的设计要求而定,一般不超过24 m。
(3)真空管网布设
真空管网是传递、均布真空压力及抽排水(气)的管路,由主管和支滤管组成,一般可选用具有一定强度和柔性的PVC塑料管材,依据加固区的面积大小和形状定尺制作。主管管径为70~90 mm,壁厚不宜小于2.4 mm;支滤管管径50~60 mm,壁厚不宜小于2.0mm,且外裹反滤材料(如无纺土工布布套)。主管和支滤管间采用变径三通、四通连接,同管径的对接采用网丝胶管连接,端头管设置封堵。在砂垫层上布设、连接好真空管网后,就地挖沟将管节全部埋入砂层中,并通过出膜器将管网与真空泵连接。
(4)密封膜铺设
密封膜材料一般选用密封性和韧性好、抗穿透能力和抗老化能力强的聚氯乙烯专用土工膜,其材料参数为:膜厚0.12~0.14 mm;抗拉强度>250N/5 cm;圆球顶破>280 N;梯形撕裂>40 N;渗透系数<10-10cm/s。密封膜设2层~3层,分次铺设在平整好的砂垫层表面,密封膜上下设无纺土工布(250~350 g/m2)加以保护。
(5)真空度检测元件埋设
在密封膜铺设之前,将标定好的真空表测头及其他观测器件埋设于预定部位,并将连接引线妥善引出加固区外。
(6)密封沟挖设
在加固区的临近四周挖设密封沟,深度视地层情况而定,一般2~3 m。密封沟主要起着周边密封作用,必须符合盖膜闭气要求,将密封膜膜边沿密封沟内壁垂直插入软土和平铺于沟底,用黏土或淤泥回填,并在沟内覆水。
(7)试抽检验
试抽阶段主要是检验整个预压区的密封性和设备、器件是否处于正常的工作状态,发现问题及时补救解决。正常情况下,泵口和主管的真空度可达90~95kPa,滤管之间的膜下真空度可达75 kpa以上(相当于填土4 m的等效荷载),维持真空度不变,地层即进入正常的预压固结阶段。在真空预压的过程中,检测地基的变形值和沉降速率,并与设计标准对照,测算固结度和工后沉降量,以此确定抽真空的时间长短。一般情况下,保持膜下真空度75 kPa以上、连续抽真空3~4个月,地基平均固结度可达80%以上。多种情况下,当真空度达到稳定后,即可同时进行上部路堤填筑或填土堆载,形成真空堆载联合预压,其叠加的效果更为显著。这时,真空预压实际上起着超载预压的作用。
6.工程实例

表 典型工程实例
序号
工程名称
加固面积(×104m2)

排水板深度（m）
间距（m）
施工年份
1
天津港南疆通用散货泊位后方堆场软基加固
14.1
19.7
0.8
2002--2003
2
天津港煤码头软基处理工程
29.1
20.5
0.9、1.3
1997--1998
3
深圳妈湾港A!码头后方堆场软基加固
2.0
17.0
1.0
1995
4
珠海发电厂地基处理工程
14.5
20--21.5
1.0
1993
5
天津港东突堤南侧码头c-c断面后方软基加固
3.5
23.0
0.65
1989--1990
6
汕头港多用途泊位后方集装箱堆场软基加固
5.7
24.9
1.0
1994--1995
7
番禺南沙海堤护岸工程后方软基处理加固
2
16.2--32.7
1.0
2003

7. 工程实例分析（上表格）
1.珠海发电厂地基处理工程：
珠海发电厂地基处理工程中，试验区边部一组塑料排水版的真空压力进行的监测，根据结果分析，真空压力沿深度有所降低，但降幅较小。塑料排水版范围内的土体在压力差的作用下得到固结，运用真空预压的方法使土体强度得到改善。
2.天津港南疆通用散货泊位后方堆场软基加固：
天津港南疆焦炭非矿泊位滑坡区软基加固工程加固面积为7433㎡，加固区北边线距码头接岸结构抛石棱体倒滤层坡角仅0.7m，滑坡前铺设的中粗砂混入加固土层，抽气后膜下真空度很快达到80kpa以上，并达到预期的加固效果。
3.天津港煤码头软基处理工程：
天津港煤码头软基处理工程加固面积291000㎡，设计真空预压荷载80kpa，预压时间90天，固结度为90%，排水板间隔1.2m，尽管塑料排水板打入强透水层中，但实验说明真空预压对加固深度范围内都起到了加固效果，只是实验过程中真空射流泵流出的水量较多。
4.深圳妈湾港A!码头后方堆场软基加固：
采用真空预压法有效加固深圳妈湾港A!码头后方堆场软基，但有效加固深度不是真空提水高度，而取决于排水板或砂井的阻力。在此工程中排水管加固深度为17.0m，其加固效果是非常好的，因此我觉得真空预压法处理此类软土地基的原理可以在此类工程中进一步使用。
5.天津港东突堤南侧码头c-c断面后方软基加固：
天津港东突堤4810000㎡堆场软基加固工程，加固深度达到23.0m，塑料排水板底高程均处在软土层中，不打入下部透水层，所以20m以下塑料排水板范围内地基也取得了较好的加固效果。
6.汕头港多用途泊位后方集装箱堆场软基加固：
汕头港多用途泊位后方集装箱堆场软基加固工程，加固面积达到57000㎡，塑料排水板加固深度为 24.9m，我认为真空预压法并不一定能达到理想的要求，所以，在联合堆载要求不高时我们还可以将加固区围捻高度增加，提高覆盖水厚度，利用覆盖水作为预压荷载，避免采用联合堆载，这样还可以大大节约工程费用。
7.番禺南沙海堤护岸工程后方软基处理加固：
番禺南沙海堤护岸工程后方软基处理加固最大有32m，但同时20m以下塑料排水板范围内地基也取得了较好的加固效果。但加固效果与汕头港多用途泊位后方集装箱堆场软基加固相比还是稍差了点，但是真空预压法处理软土地基的关键是整个系统的密封性,目前的材料与工艺已能够较好地解决这一问题。从技术角度而言,一次性加固2万m2、膜下真空度达到80 kPa以上已不存在障碍;覆膜的密封性可以通过严格的工艺控制得到保证;地层的透气性可以通过人为设置帷幕的方式加以解决。
8.孔隙水压力
在加固区土体中不同深度设置孔隙水压力计,测得孔压随时间变化的实测资料(如下图所示)。在抽真空阶段,随着真空荷载的施加,不同深度的孔压均未上升,而是呈明显的下降趋势,孔压下降的幅值约为60 kPa。地层浅部能够很快达到或接近负值,7 m以内的孔压下降速率较为一致,平均约0.63kPa/d。深部孔压在抽真空初期下降幅度和速率极快,随后较为平缓。所有孔压在停止抽真空后,都有明显的迅速回升。

图　孔隙水压力随时间变化曲线
9.真空度观测
真空度的高低是体现密封性的重要指标,也是提高软基处理效果的重要保证。现场设有14个膜下真空检测点,各测点基本都维持在75~80 kPa(如下图所示),满足设计要求。

图　真空度随时间变化曲线
10.结语(中心及总结)
(1)真空预压法具有加荷速度快、无需堆载材料、加荷过程中不会出现地基失稳现象等优点,使地基稳定性显著提高、工期明显缩短、工程造价降低。
(2)真空预压法处理软土地基的施工过程中需特别注意竖向排水体的打设、水平垫层的铺设、水平滤管的布设、塑料土工布、膜的铺设和密封沟的设置等。
(3)在真空预压法的施工过程中,须建立科学的监测方法,以有效地控制加载周期,确定预压及施工的最佳时间,是控制真空预压法施工质量的有效途径。
(4)真空预压处理软土地基时,水平位移是向内的,这一方面有利于处理软基的整体稳定,另一方面会引起周围地表面的开裂,影响到已建的建筑物和构筑物,需采取一定的措施加以防护。
(5)与其他堆载预压方法相比,真空预压法处理软土地基具有荷载施加快、不受填筑速率的制约、加(卸)荷易于控制、加固效果明显且加固深度较大、简便易行的特点,尤其在工期紧张、缺乏路堤填料或预压土源、预压面积较大情况下,是可供采用的快捷有效方法之一。
(6)真空预压法处理软土地基的关键是整个系统的密封性,目前的材料与工艺已能够较好地解决这一问题。从技术角度而言,一次性加固2万m2、膜下真空度达到80 kPa以上已不存在障碍;覆膜的密封性可以通过严格的工艺控制得到保证;地层的透气性可以通过人为设置帷幕的方式加以解决(视地层的具体情况而定)。
(7)目前,80 kPa膜下真空度已经可以满足许多工程的实际需要。为了进一步提高预压的工效,加快工程的施工进度,可以采用真空-堆载联合预压的方法,以取得更佳的经济和社会效益。
(8)真空预压中真空度沿竖向排水通道的传递和衰减的规律尚需进一步地试验分析与验证。目前的相关资料均表明,真空度能够传至加固区底端,且认为塑料排水板传递真空的效果要优于砂井。
(9)真空预压技术的应用还需要在计算模式、专用的密封沟开槽布膜机械等方面作进一步的研究和改进。
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2012年5月1日