真空联合膜下堆载预压软基处理工程不均匀沉降浅析
朱德富
（1978—），工程师，从事水运工程技术研发及项目管理工作。
周治江
张保童
张永定
官保华
迟洪有
福建某软基处理工程采用了真空联合膜下堆载预压的加固技术，观测资料显示软基处理后期出现不均匀沉降，本文分别从软弱土体厚度、土层压缩特性、应力历史以及真空度传递规律等方面，对本试验区的不均匀沉降现象进行对比分析，提出在加载施工期消除不均匀沉降的建议，为今后类似工程提供有益借鉴。
1 引言
真空预压是目前常见的一种软基处理方法，具有施工工期短、加固效果好、经济效益显著等特点。真空预压法最早是由瑞典W.Kjellman教授1952年提出的，20世纪80年代以后在我国得到大量推广与研究应用。真空预压法的具体做法是通过铺设一定厚度水平砂垫层和设置在软基中的竖向排水体，在水平及垂直方向形成排水通道，再用封闭薄膜隔绝，同时抽调土层中的气体，进行排水，使膜密封内外形成气压差，增大土层中的有效应力，从而起到加固土体的作用。
加固区土体沉降是真空预压研究机理的重要内容之一。在真空预压抽真空作用过程中，由于孔隙中水和封闭气泡的排出，土体中的有效容重增加，在真空荷载作用下，土体中孔隙比逐渐减小，土体产生压缩沉降。
本文以某真空预压工程为实例，利用现场监测地表沉降和孔隙水压力数据，通过实测数据研究，对真空预压处理后产生不均匀沉降的现象进行分析。
2 工程概况
本试验区是为某软基处理工程的一部分，位于福建沿海地区，广泛分布海相沉积与河相沉积的软弱黏土层，场内有鱼塘分布，包括一些简易塘埂以及旧道路。处理前本工程前期造地标高为+5.70m，场区长约220m，宽约150m，真空预压软基处理面积约3.1万m2。
2.1 地质条件
根据初步设计勘察报告，在勘探深度范围内所揭露的地层（见表1），按其成因类型，上部第四系覆盖土层可划分为：①人工堆积成因的填土；②耕土；③海积成因和冲积成因的淤泥；④砂混淤泥；⑤粉质黏土；⑥中粗砂；⑦残积成因的黏性土，以及下伏基岩；⑧侏罗纪凝灰岩。真空加固场内存在淤泥软弱层，呈流塑状，具高含水量、易触变、流变等特性，是影响沉降和稳定性的主要土层。
表1 岩（土）层地基参数平均值
2.2 处理方案
本工程主要采用真空联合膜下堆载预压的加固技术，与常规的先真空、再联合堆载加固有所不同，即先膜下堆载（砂）、后在该堆载上进行真空预压。真空与膜下堆载预压工艺流程：施工准备工作→铺设约3m厚砂垫层（堆载）→施打塑料排水板→泥浆搅拌墙施工→铺设排水滤管→埋设孔压监测管→填筑覆水围堰→铺密封膜→安装真空泵装置→真空恒载→施工监测→卸载。
（1）砂垫层铺设。严格按照设计要求铺设砂垫层，中粗砂层厚度约3m，含泥量不大于5%，干密度不小于15kN/m3，中粗砂满足渗透系数k≥5×10-3cm/s。
（2）插设塑料排水板。按设计要求，正方形布置塑料排水板，插设间距1.0m，插设深度为20.5～23.8m。塑料排水板穿透淤泥层，顶部预留0.3m伸出砂垫层，并将其弯折埋入砂垫层中。
（3）打设密封墙。据地层资料，密封墙需穿透上部吹填砂和填土层，并进入淤泥层不小于0.5m。采用双轴泥浆搅拌墙施工，搅拌桩直径70cm，桩间搭接20cm，桩中心距50cm，密封墙的有效厚度达1.0m。泥浆中淤泥的掺入比25%～40%，搅拌墙体的渗透系数k＜1×10-5cm/s。
（4）真空预压施工。在表层铺设砂垫层后，再进行主管、滤管、密封膜、真空泵等设置并进行试抽真空。试抽真空时间为7～10d，稳定后膜上覆水。其中，砂垫层施工后至开始真空预压，时间约30d。
待膜下真空度达85kPa后，恒载90d。满足设计卸载标准后，进行卸载。
2.3 地表沉降观测
对试验区的6个地表沉降标进行观测统计，测得该片区在真空恒载期间的实际沉降量（见图1）。膜下真空度在抽7d后即达到85kPa，并长期维持在85kPa以上，最高可达90kPa。经真空联合膜下堆载预压加固后，膜上6点的平均沉降为187.6cm，最大沉降量为203.9cm，其历时过程线如图1所示。
监测结果显示，抽真空加固60d以后，观测点位置已完成了大部分的沉降。从该区不同沉降监测点数据看来，在整个抽真空过程中，地表沉降是显著的，即使到了后期，也有沉降，只是速率较小。1号监测点与3号监测点地表沉降量差可达约30cm，这表明了加固区内具相同高程（+5.70m）的场地，通过相同的施工工艺进行软基处理后，地基在处理过程出现不均匀沉降。
图1 地表沉降观测曲线
2.4 孔隙水压力观测
在该加固预压区形心处，从深度3m 的地方起，每隔3m向下埋设了6个振弦式孔隙水压力传感器。对本加固区域的孔隙水压力监测结果如图2所示。图2中实测值反映了真空联合膜下堆载预压叠加效果。
图2 A2-2区孔隙水压力检测曲线
各深度孔隙水压力在恒载48d附近都有回升的现象，这主要是受台风影响停止抽真空施工，导致孔压略有升高。孔隙水压力在抽真空的初期1个月内，孔隙水压力增大的速度是最快的，而后逐渐稳定，通常在抽真空2个月以后，孔隙水压力值有一定的回弹。孔隙水压力随深度呈一定减小的趋势，土体中3m、6m和9m深度处孔隙水压力较大，能达到70～80kPa左右，12m、15m和18m处孔隙水压力在40～60kPa的范围之内。
3 差异沉降分析
软基处理的主要目标是有效消除地基沉降，减少工后沉降和不均匀沉降。目前，该区已卸载，卸载后地形呈近“锅底状”（见图3），最大沉降量约203.9cm，出现在5号分区附近，最小沉降量约135.0cm，出现在2号和3号分区附近。加固区内具有相同的造地标高，在采用相同的施工工艺进行软基处理后，地基出现了不均匀沉降现象，其主要受软弱土体厚度、压缩特性、应力历史以及真空传递效果等因素的影响。
图3 A2-2区卸载后地面标高
3.1 淤泥层厚度与土体压缩特性
加固区内软基总沉降量与淤泥等软弱土层厚度及压缩特性有关，尤其是处于垂直排水通道范围内（即排水板插设深度）的淤泥层。软基沉降包括主固结沉降、欠固结沉降和次固结沉降，计算时主固结沉降采用分层总和法。在真空恒载期间，淤泥层总沉降理论值可按式（1）计算：
式中 s——按分层总和法计算的地基变形量；
P0——附加应力；
Es——土体压缩模量；
αi——平均附加应力系数；
zi——基础底面至第i层土底面的距离。
在真空预压的沉降计算中，土层所受的附加应力的计算方法和堆载预压法相同。在真空联合膜下堆载预压的计算中，压缩层土体的附加应力主要来自于真空恒载和砂层堆载。取膜下真空值代替真空预压对膜面施加的均布荷载（即85kPa），砂垫层厚3m，中粗砂容重为18.5kN/m3，计算砂层堆载压力为55.5kPa，故堆载砂层以下土体的附加应力约为140.5kPa。根据各区土层的厚度，可以计算得到各区的平均沉降理论值，见表2。可见各
表2 土层在恒载期间沉降总量理论值
加固分区内沉降理论值与土体的厚度及压缩特性有关，最大差异沉降可达40.3cm。
3.2 淤泥层应力历史
在工程前期勘察过程中，有部分勘探点揭露了旧道路与塘埂，因其下部淤泥已完成了部分压缩固结，浅层淤泥的压缩特性与鱼塘内天然状态下的淤泥存在差异。通过对不同勘探点揭露的淤泥物理力学指标进行统计（见表3），可见分布在鱼塘内天然状态的淤泥较旧道路或塘埂下部淤泥平均含水量要高9.7%，相应平均孔隙比也大0.271。这是因为旧道路与塘埂长期暴露地表，其下部淤泥在机械或人工荷载下完成部分压缩固结，孔隙比减少，淤泥密度增加，土体的压缩模量增大。因此，对于具有相同淤泥厚度的分区而言，尽管加载过程及总量基本相同，但其沉降情况却存在较大差异。
表3 旧道路和鱼塘内淤泥力学参数指标统计
3.3 真空度传递效果对土体变形的影响
真空预压过程中，土体中的孔隙水在真空负压的作用下沿排水板排出，土体发生渗透固结，土体强度提高，故真空负压的传递范围将直接影响土体发生固结的范围。
根据研究，负超静孔压每改变10kPa所穿越的土层厚度在加固区中心大于场地边缘，且两者的差值随深度增加而不断增大，说明在加固区中心负压的传递较场地边缘快。这主要是因为在中心位置负压叠加，能量较大；而在场地边缘受边界条件的影响，负压会向加固区外水平向传递造成能量损耗，使得向深部传递的减少。因此，加固区内中心位置较场地边缘真空预压的加固范围广，相同土体深度下负压能量损耗较小，土体发生固结的范围更广。研究资料还表明，真空预压处理后，加固区中心的强度增长明显大于边缘位置，这与膜下真空度传递规律有关。随着抽真空时间的增长，加固区内将出现较明显的不均匀沉降，卸载后可见膜面变成了较明显的“锅底状”。
4 结语
（1）通过对现场监测资料的分析，发现地基沉降主要发生在加载施工期，试验区在处理后期出现较明显的不均匀沉降，最大可达约70cm，地形呈近“锅底状”。
（2）压缩土层的厚度及土体的压缩特性，是各分区在真空与联合膜下堆载预压期间产生不均匀沉降的最主要原因。
（3）根据勘察资料与土体力学参数分析，原旧道路与塘埂下部淤泥在真空预压处理前已完成了部分压缩固结，土体的应力历史也是引起加固区不均匀沉降的重要因素。
（4）受边界条件影响，真空预压过程中，加固区中心位置负压叠加，场地边缘负压向外损耗，引起真空度在土体内分布不均，是导致加固区内产生差异沉降不可忽视的因素。因此，确保真空加固区边界密封性能，并通过改变布泵和主滤管连接方式，增强膜下真空度传递，减少传递过程能量损耗，是今后增强膜下真空度传递效果的有效办法。
参考文献
［1］娄炎.真空排水预压法加固软土技术［S］.北京：人民交通出版社，2002.
［2］闫澍旺，朱平，刘润.真空预压法加固软土地基的效果观测分析［J］.水利学报.2004，3：87-92.
［3］Kjiellman.W.Consolidation of clay soil by means of at mospheric pressure［M］.Conference on Stabilization.MIT，1952.
［4］GB 50007—2011建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2011.
［5］艾英钵，施建勇，刘加才.真空预压加固软土地基沉降的简化计算方法［J］.中国港湾建设.2005，6：3-5.
［6］颜波，周诗庆，张红芹.真空预压软基处理孔隙水压力与地下水位监测研究［J］.江西科学.2010，28（4）：473-475.
［7］韩雪峰，邝国麟，谭国焕，等.水下真空预压过程中孔隙水压力变化规律研究［J］.岩土工程学报.2008，30（5）：658-662.
［8］娄炎.加固区形状对真空预压加固效果的影响［J］.华东公路.2004，4：78-79.