真空預(yù)壓加固軟土地基機(jī)理探討
2015-07-09
真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法同屬于排水固結(jié)法，但二者在機(jī)理方面有著本質(zhì)的不同。目前，總的來說，真空預(yù)壓加固機(jī)理的研究在不同程度上采用堆載預(yù)壓的思想，現(xiàn)有的研究成果難以解釋目前工程實(shí)踐中遇到的一些問題，如真空預(yù)壓加固軟土地基的有效深度大小，抽真空作用強(qiáng)度對真空預(yù)壓加固效果的影響，場地條件對真空預(yù)壓加固效果的影響等。真空預(yù)壓不同于堆載預(yù)壓，因此對真空預(yù)壓的解釋也不能沿用堆載預(yù)壓的思路。
真空度的傳遞過程
真空度的產(chǎn)生
射流泵為真空度源, 它通過鋪設(shè)在砂墊層中的主管和濾管使密封膜下形成真空度。其主要影響因素有: 射流泵的設(shè)備性能、泵后連接的管路、膜下砂層滲透性、濾管布置及周圍土體特別是表層土體的特性等。
真空度沿豎向傳遞
膜下真空度通過沿縱向打設(shè)的排水體向加固區(qū)域深度方向傳遞, 使加固區(qū)域形成網(wǎng)狀真空度。其主要影響因素有: 膜下真空度, 排水體自身的縱向通水能力, 濾膜滲透性、隔土性及徑向土體滲透性等。
真空度深部橫向傳遞
縱向排水體中的真空度通過土體的孔隙沿橫向傳遞, 使整個(gè)加固區(qū)域形成一定的真空度。其主要影響因素有: 膜下和縱向排水體的真空度, 加固區(qū)域內(nèi)土體的孔隙比、飽和度、滲透性, 土層分布狀況及地基中有無強(qiáng)透水層等。
真空預(yù)壓加固軟土地基機(jī)理
1、真空預(yù)壓有效應(yīng)力原理
用真空預(yù)壓法加固地基時(shí)，在地基上施加的不是實(shí)際重物，而是把大氣作為預(yù)壓荷載。真空預(yù)壓的加固機(jī)理是在外荷不變的情況下，通過抽真空對加固區(qū)施加以流體壓力，它作用于砂墊層和砂井內(nèi)孔隙流體上，在短時(shí)間內(nèi)砂墊層和砂井內(nèi)的孔隙水壓力迅速降低并排出水和氣。由于軟土和砂井的滲透系數(shù)的差別極大，土體在剛開始抽氣時(shí)仍保持抽氣前孔隙水壓力分布狀態(tài)。這樣，土體內(nèi)與作為邊界的砂井和砂墊層間形成孔壓差。孔隙水在壓力差的作用下，伴隨著滲流使水排出并使土中孔隙水壓力u 降低。u（勢）的不平衡逐漸由近及遠(yuǎn)地向距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)波及，形成土體內(nèi)距砂井和砂墊層遠(yuǎn)與近各點(diǎn)間的u（勢）差。無數(shù)次上述循環(huán)，u（勢）差逐漸向更遠(yuǎn)的點(diǎn)波及并使各點(diǎn)u 降低。根據(jù)太沙基的有效應(yīng)力原理，由于真空預(yù)壓法加固的整個(gè)過程是在總應(yīng)力基本不變，即Δσ = 0情況下發(fā)生的，加固中降低的孔隙水壓力即為增加的有效應(yīng)力，即
Δσ ’= −Δu 或Δσ = Δσ ’+Δu = 0 （1）
土體就是在該有效應(yīng)力作用下固結(jié)壓密，直到土體內(nèi)與邊界上的u（勢）達(dá)到新的平衡為止。
2、真空預(yù)壓滲流場理論
在真空預(yù)壓穩(wěn)定預(yù)壓階段，如圖1 所示，抽真空作用最終在地基土中較大的孔道中形成一定范圍一定真空度分布的網(wǎng)絡(luò)連通體系——真空滲流場，并使地下水位降到3 －3 位置。在真空滲流場各處，由于土中較大孔道中流動的“真空流體”與土中較小孔道中的水存在壓差，使得較小孔道中的水在這種壓差下被吸出，直到在該處較大孔道中的壓力和較小孔道中的壓力達(dá)到重新的平衡為止，這就產(chǎn)生了固結(jié)現(xiàn)象。伴隨著真空滲流場的形成，地基中的地下水位線由1-1 下降到3-3，地下水位的下降將導(dǎo)致地基土體的固結(jié)。上述真空滲流場理論表明，真空預(yù)壓加固地基機(jī)理包括以下兩點(diǎn)：真空滲流場直接使土體固結(jié)和地下水位下降導(dǎo)致土體固結(jié)。
3、真空預(yù)壓加固軟基若干問題的探討
采用真空預(yù)壓方法加固軟土地基，普遍認(rèn)為淺層處理效果較顯著，而對加固的有效深度大小意見不一。不同的工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究得出不同的結(jié)論，有認(rèn)為真空預(yù)壓效果只限于淺層的，有認(rèn)為可以達(dá)到20m 左右深度的，也有認(rèn)為可以達(dá)到塑料排水帶底部附近的，對此理論和工程至今沒有形成一致的看法。在真空預(yù)壓情況下，真空滲流場范圍內(nèi)流動的是 “真空流體”，“真空流體”包含氣水兩相，具有一定真空度，加之土體微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其滲流性狀將是復(fù)雜的。此時(shí)，必須對達(dá)西定律的適用性重新作出評價(jià)。在工程上已觀測到，在膜下真空度達(dá)到一定程度以后，繼續(xù)增加射流泵數(shù)量，可使出水量增加，提高真空預(yù)壓效果，但膜下真空度卻無明顯變化，這就無法用達(dá)西定律的有關(guān)概念來解釋。抽真空表面，可以作為流量邊界條件，也可以作為恒定負(fù)壓邊界條件，由于水氣流量較難測定和估計(jì)，而膜下真空度值在真空穩(wěn)定預(yù)壓時(shí)比較穩(wěn)定，所以一般將抽真空邊界作為恒定負(fù)壓邊界條件。真空預(yù)壓過程中持續(xù)的抽氣抽水作用將使地基中的地下水位下降，直到預(yù)壓地基周圍的補(bǔ)充水和排出的水達(dá)到一個(gè)動態(tài)的平衡為止。地下水位的下降將使相應(yīng)土層的上覆土重增加，并產(chǎn)生排水固結(jié)現(xiàn)象。同時(shí)，地下水位的存在將產(chǎn)生“水封”作用，使得地基土上部的真空滲流場無法向地基深處擴(kuò)散，使得真空滲流場局限于降低后地下水位線以上。
施工工藝
真空(堆載)預(yù)壓法隨著開發(fā)研究不斷的深人,己獲得了豐富的施工經(jīng)驗(yàn),并總結(jié)出了一套完整的施工工藝。
1、施工準(zhǔn)備:清理場地,搭臨,測量放線并標(biāo)出真空預(yù)壓區(qū)的邊線范圍,安排施工材料和設(shè)備進(jìn)場。
鋪設(shè)砂墊層、打設(shè)袋裝砂井或排水板:打設(shè)袋裝砂井或排水板一般有機(jī)械進(jìn)場施工,施工中各井點(diǎn)、板點(diǎn)定位要準(zhǔn)確,袋裝用砂的含泥量和飽滿度須達(dá)到要求,打設(shè)的砂袋或排水板要高出砂墊層30cm。
水平排水濾管的布設(shè)及安裝:進(jìn)行主、支濾管的連接、安裝和埋設(shè)。出膜主管超、露出預(yù)壓區(qū)并防止雜物進(jìn)人。同時(shí)埋人膜下真空表測頭。
鋪、埋密封膜及密封:鋪膜前首先平整砂墊層并撿除表面尖棱的石子、貝殼等雜物,同時(shí)埋好露出砂墊層的袋裝砂井或排水板,之后逐層展鋪密封膜并將之埋人四周的密封溝內(nèi),回填密封溝的粘土要進(jìn)行壓實(shí),以防滲水漏氣。
真空設(shè)備的安裝和真空試抽:安裝泵體、連接出膜主管和配電使之組成完整的抽真空體系。完成以上工作后即可進(jìn)行真空預(yù)壓試抽。
抽正常真空維護(hù):真空預(yù)壓加固區(qū)內(nèi)真空度達(dá)到75kPa后就進(jìn)人正常抽真空,為了及時(shí)、快效地修補(bǔ)剛處于高負(fù)壓狀態(tài)易遭損壞的密封膜在正常抽真空前期須留7～10天作為適應(yīng)期.
工程驗(yàn)收:達(dá)到設(shè)計(jì)要求或地基固結(jié)度Ut>85%(或設(shè)計(jì)要求的固結(jié)度)時(shí),即可停機(jī)卸荷,交工驗(yàn)收。
四、質(zhì)量保證要點(diǎn)
在真空施工應(yīng)用中為確保其達(dá)到設(shè)計(jì)效果,施工要做到精心組織,步步為營,杜絕一切可影響抽真空密封效果的不利因素。豎向排水體施工時(shí)不要穿透淤泥層,這完全不同于堆載、超載預(yù)壓法的施工要求,一旦穿透淤泥層就形成通過豎向排水體構(gòu)筑了一個(gè)循環(huán)連續(xù)的滲水通道,將嚴(yán)重影響真空(堆載)預(yù)壓的效果。在真空預(yù)壓法主要工程施工前.必須查明施工區(qū)內(nèi)飽和軟粘土層內(nèi)和密封溝深度范圍內(nèi)是否夾有透水〔K≥1cm/s)層、地表地層是否存在較厚(不小于3m)的透水層,一經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須采取密封措施。真空抽氣膜下真空度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后,施工維護(hù)人員要對密封膜進(jìn)行地毯式的搜索,查找漏氣點(diǎn);一旦發(fā)現(xiàn)及時(shí)修補(bǔ)。
總結(jié)
（1）真空預(yù)壓法是通過降低土體中的孔壓來達(dá)到加固土體的目的, 真空預(yù)壓使土體產(chǎn)生等向固結(jié),不會產(chǎn)生剪應(yīng)力, 因此更適合于工期較緊的超軟地基加固。
(2) 真空預(yù)壓時(shí), 加固區(qū)內(nèi)的地下水位并沒有降低, 降低的只是孔隙水壓力中的大氣壓力部分, 因此, 加固區(qū)中的土體可以按飽和土體考慮。
( 3) 真空預(yù)壓的有效加固深度取決于砂井或塑料排水板的阻力和土體的滲透系數(shù), 對于一般的軟土地基且井阻較大時(shí), 可以認(rèn)為其加固深度與縱向排水體的打設(shè)長度基本一致。
