真空預壓和堆載預壓的比較
           尹新剛

[提要]  從加固機理的分析出發(fā)，對排水固結(jié)法中的堆載預壓和真空預壓兩種方法進行了多方面的比較分析，指出真空預壓法和堆栽預壓法在解決軟土地基時的各自的優(yōu)劣勢所在。

[關(guān)鍵詞]  軟基 堆載預壓 真空預壓 應(yīng)力圓

一、 緒論
預壓法是在建筑物建造前,對天然地基或?qū)σ言O(shè)的各種排水體(如砂井和排水墊層等)的地基施加預壓荷載(如堆載，真空預壓或聯(lián)合預壓)，使土體固結(jié)沉降基本完成或完成大部分，從而提高地基土強度的一種地基處理方法。排水固結(jié)法是一種新興的軟基加固方法，此法是利用天然地基土層本身的透水性或設(shè)置在地基中的豎向排水體，通過預先在地表進行加載預壓或利用建(構(gòu))筑物自身重量使土體中孔隙水逐漸排出，土體逐漸固結(jié)，地基土逐漸壓密，強度逐步提高的方法。因其處理的地基面積大且兼有投資小、見效快、施工簡單的特點，所以廣泛應(yīng)用于高速公路和水利堤壩等建筑工程中。排水固結(jié)法中的堆載預壓法和真空預壓法是常用的兩種方法，本文將從加固的機理、側(cè)向變形、施工工期和加固效果、應(yīng)力變化多方面對這兩種不同的處理方法進行比較和分析。
二、真空預壓和堆載預壓的機理分析
1、土體的假定
為了便于說明問題，對土作如下假定：
(1)土是彈性體；
(2)土是均質(zhì)、各向同性且飽和；
(3)土的壓縮完全由孔隙體積的減小引起，土粒和孔隙水是不可壓縮的；
(4)堆載是一次瞬時施加。
2、堆載預壓法的加固機理
堆載預壓是在增加土體總壓力的基礎(chǔ)上，來增加土體的有效應(yīng)力。以土料、砂料或路堤自身作為荷載，對被加固的路基進行預壓。軟土地基在此附加荷載作用下，產(chǎn)生正的超孔隙水壓力。經(jīng)過一段時間后，超孔隙水壓力逐漸消散，土中有效應(yīng)力不斷增長，地基土得以固結(jié)，產(chǎn)生垂直變形，同時強度也得到提高．用堆載預壓法進行加固正常固結(jié)土地基的情形如圖2所示，圖中的塑料排水板是為了縮短加固時間、加快固結(jié)過程而設(shè)置
因此，經(jīng)過堆載預壓加固的土體強度得到了提高。
3. 真空預壓機理
真空預壓和堆載預壓同屬于排水固結(jié)法，真空預壓時，我們在加固區(qū)的地面上抽真空造成負壓，土體孔壓逐漸降低，降低的孔壓轉(zhuǎn)變?yōu)橥馏w的有效應(yīng)力，這就是真空預壓使土體產(chǎn)生固結(jié)的基本原理。 真空預壓法早在1952年由瑞典土工研究所的Kjiellman教授提出：他闡述了在真空預壓過程中孔隙水壓力降低、有效應(yīng)力增加的正確觀點。在軟基中設(shè)置豎向排水通道(砂井或塑料排水板等)然后在地面鋪一層砂墊層，再在其上覆蓋一層不透氣的薄膜，在膜下抽真空，形成壓力差，這個壓力差稱之為“真空度”，在砂墊層中形成的真空度通過垂直排水通道向下傳遞，從而引起土中孔隙水壓力降低，使土體孔隙中的氣和水沿著垂直排水通道滲流，最后匯至砂墊層被泵抽出，達到排水固結(jié)的效果，如圖3所示：

在真空預壓加固完成，土體固結(jié)完成后，相應(yīng)的有效應(yīng)力圓移到位置2處，從圖4可知，加固后平均應(yīng)力增大了，但應(yīng)力圓的半徑?jīng)]有變化，這表明地基土的強度增大了，而剪應(yīng)力卻沒增大，所以在加固過程中不會出現(xiàn)地基失穩(wěn)的情形。當停止抽真空后，被加固的土體由正常固結(jié)狀態(tài)變成超固結(jié)狀態(tài) ．士體中的強度沿超固結(jié)強度包絡(luò)線返回到圖4中的E點，E點比I)點具有更高的抗剪強度，因此，經(jīng)過真空預壓加固的土體強度得到了提高。
三、真空預壓和堆載預壓的異同比較和分析
1 機理過程的比較
從上述的比較可知，真空預壓法和堆載預壓法加固土體的固結(jié)過程相似，只是初始條件、邊界條件不同。
2 適用條件的比較
堆載預壓對所加固的土層沒有特別的要求。而真空預壓則要求在所加固的土層范圍內(nèi)不能出現(xiàn)有足夠水源補給的透水層(如夾砂層)，透水層的存在會影響密封效果，進而影響真空度和加固效果。因此在決定采取真空預壓處理方案前一定要查明地質(zhì)情況，確保加固范圍土層的“密封”性。
3 側(cè)向變形的比較
3.1 堆載預壓法的側(cè)向變形
在堆載預壓法中，加固后在距離地表一定深度的點，水平向有效應(yīng)力的增量△。的衰減大于豎向有效應(yīng)力的增量△的衰減，所以側(cè)向變形呈膨脹趨勢，土體產(chǎn)生朝加固區(qū)向外的位移。
3.2 真空預壓法的側(cè)向變形
對真空預壓法來說，由于土體增加的有效應(yīng)力是球應(yīng)力，各方向增量均相等，因此只產(chǎn)生側(cè)線收縮變形，土體產(chǎn)生朝加固區(qū)向內(nèi)的位移。
3.3 結(jié)論
由于有效應(yīng)力變化情況不同，真空預壓產(chǎn)生的土體變形情況不同于堆載預壓。真空預壓時，土體受到各向相等的固結(jié)壓力發(fā)生固結(jié)并產(chǎn)生整體收縮現(xiàn)象，因而在發(fā)生沉降的同時也產(chǎn)生向里的水平位移。而堆載預壓產(chǎn)生的固結(jié)壓力是不等向的，除了加固區(qū)中心地表以下的淺層土體單元外，一般開始時都要產(chǎn)生側(cè)向膨脹，根據(jù)實測和計算結(jié)果，真空預壓時最大的水平位移一般發(fā)生在加固區(qū)邊緣的地基表面；堆載預壓時最大的水平位移并非在地表，而是在地表以下一定深度處。真空預壓時，周圍土體由于產(chǎn)生收縮變形而開裂，裂縫一般平行于加固區(qū)的邊線。堆載預壓時，堆載區(qū)周圍的土體由于側(cè)向擠出而發(fā)生隆起變形。在產(chǎn)生相同垂直變形的情況下，真空預壓法的加固效果要好于堆載預壓法。
4  加載方式的比較
由于真空預壓時土體不會產(chǎn)生剪應(yīng)力，即使真空荷載一次性施加上去，地基土也不會發(fā)生剪切破壞，從而可以縮短工期。而堆載預壓時則必須控制加載速率，使荷載增加的速度與地基土強度增加的速度相適應(yīng)。
5  施工工期和加固效果的比較
由于堆載預壓過程中土體容易發(fā)生失穩(wěn)剪切破壞，所以要控制堆載的速率，進行分級加載。而真空預壓過程中不會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，無需分級加載，因此在相同的條件下真空預壓的施工工期要短于堆載預壓的工期。
許多室內(nèi)和現(xiàn)場試驗都證明飽和軟粘土的剪應(yīng)力的增大會引起剪切蠕動從而導致強度衰減 。真空預壓法中土的強度增長是在等向固結(jié)過程中實現(xiàn)的，抗剪強度提高的同時不會伴隨剪應(yīng)力的增大，從而不會產(chǎn)生剪切蠕動現(xiàn)象，也．就不會導致抗剪強度的衰減，而堆載預壓法則相反，所以在同樣的情況下，真空預壓法處理的地基的抗剪強度增長率比堆載排水預壓法要大。堆載預壓法中土體是向著加固區(qū)外移動的，而真空預壓中土體是向著加固區(qū)內(nèi)移動的，所以二者發(fā)生相同的垂直變形時，真空預壓法加固的土體密度更高。
四、結(jié)束語
堆載預壓法是通過增加土體中的總應(yīng)力來提高土中的孔隙水壓力，等增加的孔隙水壓力消散后才增加土體的有效應(yīng)力，而真空預壓法則是保持總應(yīng)力不變，降低了孔隙水壓力，一開始就增加了有效應(yīng)力，從而很好地解決了路堤填土中工程進度與施工質(zhì)量、安全之間的矛盾。在目前高速公路建設(shè)工期緊張的情況下，真空預壓法能爭取到較大的預壓期，這對減小工后沉降是有益的。真空預壓施工設(shè)備簡單，費用省，其最顯著的特點是無需大量加載材料，但真空度的提高和維持受到客觀環(huán)境影響較大，難以有效控制．同時預壓值廿土受到一定限制且對深層軟土的處理效果較差。純堆載頂壓處理在加固深厚軟土地基時比真空頂壓處理優(yōu)勢明顯。現(xiàn)將二者的異同整理如下：
(1)堆載預壓法中，土體中的總應(yīng)力是增加的；而真空預壓法中總應(yīng)力沒有增加。
(2)堆載預壓法中，土體孔隙中形成的超孔隙水應(yīng)力是正值；而真空預壓法中，土體孔隙中形成的超孔隙水應(yīng)力是負值。
(3)堆載預壓法中，超孔隙水應(yīng)力消散而使有效應(yīng)力增加；真空預壓法中，有效應(yīng)力增加是依賴孔隙水應(yīng)力的降低來實現(xiàn)的。
(4)堆載預壓法中，必須控制加荷速率，一般荷載是要分級施加的；真空預壓法中�？蛇B續(xù)抽真空至最大真空度。
(5)堆載預壓法對地基的天然抗剪強度有一定的要求；真空預壓法對地基的天然抗剪強度沒有要求，但加固范圍內(nèi)不能有強含水層存在。
(6)真空預壓法和堆載預壓法都屬于排水固結(jié)法，真空預壓法是通過降低土體中的孔壓來達到加固土體的目的，而堆載預壓法則是通過增加土體中的總應(yīng)力來達到加固土體目的。
(7)真空預壓和堆載預壓在土體中產(chǎn)生的強度和變形規(guī)律并不一樣。真空預壓使土體產(chǎn)生等向壓縮，不會產(chǎn)生剪應(yīng)力，因此真空預壓更適合于工期要求緊的超軟地基加固。
(8)真空預壓時，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。
(9)在加固區(qū)周圍，土體中的水位可能會降低，并對加固區(qū)和周圍的土體產(chǎn)生一定的影響，應(yīng)重視真空預壓與邊界的相互影響關(guān)系，邊界的密封與否是真空預壓成敗的關(guān)鍵因素。
(10)堆載預壓的有效加固深度取決于堆載在土體中產(chǎn)生附加應(yīng)力的大小；真空預壓的有效加固深度則取決于砂井的阻力和土體的滲透系數(shù)，對于一般的軟土地基，可以認為其加固深度與砂井的打設(shè)長度基本一致。
(11)由于加固機理不同，真空預壓的加固效果并不能簡單地認為與垂直壓力相同的堆載預壓相同，應(yīng)該進行進一步的理論研究和試驗工作，在此基礎(chǔ)上研究真空預壓固結(jié)變形和強度增長的常規(guī)算法，以便于工程應(yīng)用。

參 考 文 獻  
[1] 錢家歡．土力學 [M]．南京：河海大學出版社，1990.
[2] 堆載預壓法和真空預壓法加固機理的比較；巖土工程[J]，第5卷，第11期，2002年
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