真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的比較
           尹新剛

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

[關(guān)鍵詞]  軟基 堆載預(yù)壓 真空預(yù)壓 應(yīng)力圓

一、 緒論
預(yù)壓法是在建筑物建造前,對(duì)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(yù)壓荷載(如堆載，真空預(yù)壓或聯(lián)合預(yù)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(qiáng)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(guò)預(yù)先在地表進(jìn)行加載預(yù)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(qiáng)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(jiàn)效快、施工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，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(yù)壓法和真空預(yù)壓法是常用的兩種方法，本文將從加固的機(jī)理、側(cè)向變形、施工工期和加固效果、應(yīng)力變化多方面對(duì)這兩種不同的處理方法進(jìn)行比較和分析。
二、真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的機(jī)理分析
1、土體的假定
為了便于說(shuō)明問(wèn)題，對(duì)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(shí)施加。
2、堆載預(yù)壓法的加固機(jī)理
堆載預(yù)壓是在增加土體總壓力的基礎(chǔ)上，來(lái)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(duì)被加固的路基進(jìn)行預(yù)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(guò)一段時(shí)間后，超孔隙水壓力逐漸消散，土中有效應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，地基土得以固結(jié)，產(chǎn)生垂直變形，同時(shí)強(qiáng)度也得到提高．用堆載預(yù)壓法進(jìn)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(shí)間、加快固結(jié)過(guò)程而設(shè)置
因此，經(jīng)過(guò)堆載預(yù)壓加固的土體強(qiáng)度得到了提高。
3. 真空預(yù)壓機(jī)理
真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓同屬于排水固結(jié)法，真空預(yù)壓時(shí)，我們?cè)诩庸虆^(qū)的地面上抽真空造成負(fù)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(yù)壓使土體產(chǎn)生固結(jié)的基本原理。 真空預(yù)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(yù)壓過(guò)程中孔隙水壓力降低、有效應(yīng)力增加的正確觀點(diǎn)。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(gè)壓力差稱之為“真空度”，在砂墊層中形成的真空度通過(guò)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(dá)到排水固結(jié)的效果，如圖3所示：

在真空預(yù)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(qiáng)度增大了，而剪應(yīng)力卻沒(méi)增大，所以在加固過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)地基失穩(wěn)的情形。當(dāng)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(qiáng)度沿超固結(jié)強(qiáng)度包絡(luò)線返回到圖4中的E點(diǎn)，E點(diǎn)比I)點(diǎn)具有更高的抗剪強(qiáng)度，因此，經(jīng)過(guò)真空預(yù)壓加固的土體強(qiáng)度得到了提高。
三、真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的異同比較和分析
1 機(jī)理過(guò)程的比較
從上述的比較可知，真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法加固土體的固結(jié)過(guò)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(yù)壓對(duì)所加固的土層沒(méi)有特別的要求。而真空預(yù)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(bǔ)給的透水層(如夾砂層)，透水層的存在會(huì)影響密封效果，進(jìn)而影響真空度和加固效果。因此在決定采取真空預(yù)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(yù)壓法的側(cè)向變形
在堆載預(yù)壓法中，加固后在距離地表一定深度的點(diǎn)，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(shì)，土體產(chǎn)生朝加固區(qū)向外的位移。
3.2 真空預(yù)壓法的側(cè)向變形
對(duì)真空預(yù)壓法來(lái)說(shuō)，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(yù)壓產(chǎn)生的土體變形情況不同于堆載預(yù)壓。真空預(yù)壓時(shí)，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(shí)也產(chǎn)生向里的水平位移。而堆載預(yù)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(kāi)始時(shí)都要產(chǎn)生側(cè)向膨脹，根據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果，真空預(yù)壓時(shí)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(yù)壓時(shí)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(yù)壓時(shí)，周圍土體由于產(chǎn)生收縮變形而開(kāi)裂，裂縫一般平行于加固區(qū)的邊線。堆載預(yù)壓時(shí)，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(yù)壓法的加固效果要好于堆載預(yù)壓法。
4  加載方式的比較
由于真空預(yù)壓時(shí)土體不會(huì)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(huì)發(fā)生剪切破壞，從而可以縮短工期。而堆載預(yù)壓時(shí)則必須控制加載速率，使荷載增加的速度與地基土強(qiáng)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(yù)壓過(guò)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(jìn)行分級(jí)加載。而真空預(yù)壓過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，無(wú)需分級(jí)加載，因此在相同的條件下真空預(yù)壓的施工工期要短于堆載預(yù)壓的工期。
許多室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都證明飽和軟粘土的剪應(yīng)力的增大會(huì)引起剪切蠕動(dòng)從而導(dǎo)致強(qiáng)度衰減 。真空預(yù)壓法中土的強(qiáng)度增長(zhǎng)是在等向固結(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，抗剪強(qiáng)度提高的同時(shí)不會(huì)伴隨剪應(yīng)力的增大，從而不會(huì)產(chǎn)生剪切蠕動(dòng)現(xiàn)象，也．就不會(huì)導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰減，而堆載預(yù)壓法則相反，所以在同樣的情況下，真空預(yù)壓法處理的地基的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率比堆載排水預(yù)壓法要大。堆載預(yù)壓法中土體是向著加固區(qū)外移動(dòng)的，而真空預(yù)壓中土體是向著加固區(qū)內(nèi)移動(dòng)的，所以二者發(fā)生相同的垂直變形時(shí)，真空預(yù)壓法加固的土體密度更高。
四、結(jié)束語(yǔ)
堆載預(yù)壓法是通過(guò)增加土體中的總應(yīng)力來(lái)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(yù)壓法則是保持總應(yīng)力不變，降低了孔隙水壓力，一開(kāi)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(jìn)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(yù)壓法能爭(zhēng)取到較大的預(yù)壓期，這對(duì)減小工后沉降是有益的。真空預(yù)壓施工設(shè)備簡(jiǎn)單，費(fèi)用省，其最顯著的特點(diǎn)是無(wú)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(shí)預(yù)壓值廿土受到一定限制且對(duì)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(shí)比真空頂壓處理優(yōu)勢(shì)明顯。現(xiàn)將二者的異同整理如下：
(1)堆載預(yù)壓法中，土體中的總應(yīng)力是增加的；而真空預(yù)壓法中總應(yīng)力沒(méi)有增加。
(2)堆載預(yù)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(yù)壓法中，土體孔隙中形成的超孔隙水應(yīng)力是負(fù)值。
(3)堆載預(yù)壓法中，超孔隙水應(yīng)力消散而使有效應(yīng)力增加；真空預(yù)壓法中，有效應(yīng)力增加是依賴孔隙水應(yīng)力的降低來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
(4)堆載預(yù)壓法中，必須控制加荷速率，一般荷載是要分級(jí)施加的；真空預(yù)壓法中。可連續(xù)抽真空至最大真空度。
(5)堆載預(yù)壓法對(duì)地基的天然抗剪強(qiáng)度有一定的要求；真空預(yù)壓法對(duì)地基的天然抗剪強(qiáng)度沒(méi)有要求，但加固范圍內(nèi)不能有強(qiáng)含水層存在。
(6)真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法都屬于排水固結(jié)法，真空預(yù)壓法是通過(guò)降低土體中的孔壓來(lái)達(dá)到加固土體的目的，而堆載預(yù)壓法則是通過(guò)增加土體中的總應(yīng)力來(lái)達(dá)到加固土體目的。
(7)真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓在土體中產(chǎn)生的強(qiáng)度和變形規(guī)律并不一樣。真空預(yù)壓使土體產(chǎn)生等向壓縮，不會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，因此真空預(yù)壓更適合于工期要求緊的超軟地基加固。
(8)真空預(yù)壓時(shí)，加固區(qū)內(nèi)的地下水位并沒(méi)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(huì)降低，并對(duì)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(yù)壓與邊界的相互影響關(guān)系，邊界的密封與否是真空預(yù)壓成敗的關(guān)鍵因素。
(10)堆載預(yù)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(yù)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(duì)于一般的軟土地基，可以認(rèn)為其加固深度與砂井的打設(shè)長(zhǎng)度基本一致。
(11)由于加固機(jī)理不同，真空預(yù)壓的加固效果并不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為與垂直壓力相同的堆載預(yù)壓相同，應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的理論研究和試驗(yàn)工作，在此基礎(chǔ)上研究真空預(yù)壓固結(jié)變形和強(qiáng)度增長(zhǎng)的常規(guī)算法，以便于工程應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)  
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