张世民，王秀婷，崔 耀，谭照芳

(1.浙江大学城市学院，浙江 杭州 310015；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；3. 新乡市市政工程处，河南 新乡 453000)

真空联合堆载预压近海软基加固效果分析

张世民1,2，王秀婷1,2，崔 耀3，谭照芳1,2

(1.浙江大学城市学院，浙江 杭州 310015；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；3. 新乡市市政工程处，河南 新乡 453000)

根据舟山近海软基处理的监测数据，详细分析了地表沉降、分层沉降、孔隙水压力及土体水平位移等变化规律。分析表明：6 m以下土层预压后单位土体的压缩量较大，与该土体土质和预压前土层未被压缩有关；每级堆载的施加使孔压相应增加，但因真空预压占主导地位加之孔压的转化，使孔压仍呈下降趋势,且产生的联合超静孔压始终小于0, 说明采用真空联合堆载预压加固软基过程中，抽真空形成一定的负超静孔压后，快速堆载不会出现地基失稳现象；一定深度下土体水平位移由收缩变为向外挤出，是因井阻使真空度沿深度衰减较大，产生的真空吸力小于堆载产生的向外的附加应力。真空联合堆载预压的有效影响深度可达塑料排水板以下4 m。

真空联合堆载预压；分层沉降；土体水平位移；近海工程

真空联合堆载预压法是将真空预压法和堆载预压法结合起来的一种软基加固方法。在真空压力和堆载双重作用下，竖向排水体缩短了地基土的排水距离，使孔隙水压差加大，排水速率加快，有效应力增加，土体强度得到较大提高，且由于真空预压使竖向排水体中产生较大真空度，在真空吸力作用下土体产生向内收缩变形，抵消了堆载引起的向外挤出变形，故此当填土速率较快时，不会出现地基失稳现象。

真空预压法最早由瑞典皇家地质学院Kjellman教授[1]提出，而开始使用真空联合堆载预压法是在20世纪90年代。童中等[2]通过深入分析真空联合堆载预压法处理软土路基的位移监测数据，并对淤泥层厚度与沉降的对应关系进行研究，得出淤泥层厚度对沉降具有显著影响的结论。朱建才等[3]通过研究软基真空联合堆载预压加固试验，分析了加固机理，给出了附加应力分布图。金小荣等[4]对含承压水软基真空联合堆载预压加固试验进行研究，表明真空联合堆载能有效消除含承压水层的软基沉降。张仪萍等[5]考虑了真空度的衰减情况，对真空预压加固软基的变形和固结度计算方法进行了研究。彭劼等[6]认为真空荷载与堆载联合作用下，不仅使地基沉降加速，而且增加了地基的总沉降量，但是真空荷载引起的沉降增量小于堆载荷载。吴焕然等[7]以苏州某软土地基采用真空堆载联合预压法加固处理为实例，对其加固效果进行分析，得出真空联合堆载预压处理软基效果显著的结论。以上研究大多针对的是普通软土地基，而对于近海软基处理方面研究不多。

近海软基主要以淤泥质土为主，具有高含水量，高灵敏性，高压缩性，低抗剪强度和弱排水性等特点[8]，本工程作为采用真空联合堆载预压法处理近海软基的典型工程，通过对该工程监测数据进行分析，进一步证明真空联合堆载预压法在近海软基加固方面具有显著效果，以期为类似近海工程提供参考。

1 工程概况及地质条件

1.1工程概况

该工程位于舟山港综合保税区海洋产业集聚区，场地南部与大成十一道相接，北临大海，为后期人工填海造陆形成。在Z-1，Z-2，Z-3，Z-4，Z-5等5个区采用真空联合堆载预压法，在D-1区采用堆载预压法，施工区划分如图1所示。由于Z-4区加固面积最大，且在真空联合堆载预压过程中没有出现密封膜破损等施工问题，监测数据具有较大的研究价值，故本文只对典型区Z-4区进行分析。

图1 监测仪器布置图Fig.1 Layout of the monitoring equipment

对场地进行清表、整平和引孔后，打设B型塑料排水板，排水板正方形布置，打设底标高为-20 m，间距为1 m。2015年9月24日正式真空抽气，待真空度稳定在90 kPa后，2015年10月15日吹填0.6 m粉细砂进行一级堆载，2015年11月14日堆载1.7 m山皮石进行二级堆载，至2015年12月31日堆载完毕，进入真空与满载联合预压阶段。2016年2月27日停泵，此时真空与满载的联合预压时间为58 d；停泵后，堆载预压至2016年4月30日。

各监测仪器布置如图1所示。为监测地表沉降，在Z-4区打设15个钻孔(ZK)，每个钻孔设置1个沉降标。在区域中心位置埋设1套分层沉降管，每管套有7个感应磁环，深度分别为3，6，9，12，15，19，23 m。同时在中央区域范围内打设7个孔隙水压力监测孔，深度分别为2.0，4.5，7.5，10.5，13.5，17.0，21.0 m，并在对应深度处埋设孔隙水压力计。为确保地基加固期间的安全，在Z-4区周围打设1根测斜管，深度为28 m，与此同时打设1根孔深为 11 m的水位管(SW3)，用以监测地下水位变化。

1.2地质及土层分布

根据钻探揭露、室内土工试验，将勘察深度范围内岩土层分8个工程地质层，其中②层缺失，①层主要为填土，层厚0.8～6.5 m，③～⑤层是发生沉降固结的主要地层，也是本次研究的主要地层。典型地质剖面图如图2所示。加固区软土层为淤泥质粉质黏土和粉质黏土，其中淤泥质粉质黏土全场分布，特点为压缩性高，含水率大，强度低，较容易发生蠕变，地质条件较差。土层主要物理力学性质指标详见表1。

图2 典型地质剖面图Fig.2 Typical geological profile

层号地层名称层厚/m含水量ωo/%湿密度ρ/(kg·m-3)天然孔隙比e压缩系数a/MPa-1渗透系数/(×10-7cm·s-1)固结系数/(×10-3cm2·s-1)KhKvChCv压缩模量Es/MPa③淤泥质粉质黏土1880～3534581751284095567435139107251④粉质黏土36～1443471870967047454344194147399⑤粉质黏土28～22929919308450354963212617539

图3 荷载、沉降-时间曲线图Fig.3 Curves of load and settlement vs timePV—真空荷载；PS1—一级堆载；PS2—二级堆载

2 真空联合堆载预压法监测成果分析

2.1地表沉降变化规律分析

表面沉降随时间变化规律不仅在控制施工进度和安排下步施工方面有重要指导意义，而且在检验理论研究结果正确与否和反映加固效果方面也有重要意义。图3为荷载、沉降-时间曲线，由图3可知，位于加固区中心位置的ZK8沉降最大，最大沉降量为939.4 mm，ZK9沉降量最小，为857.8 mm，Z-4区平均沉降量为911.2 mm。从现场来看，加固区平均沉降量呈现出锅底状凹型分布，即南北两端平均沉降量略小于中央沉降量， 但相差并不大，说明地基沉降比较均匀，符合边界条件下加载沉降规律。结合加固区各阶段沉降统计表(表2)可知，自2015年9月24日开始抽真空，地表快速下沉，沉降曲线较陡，沉降速率较大，最大可达13.2 mm/d，平均沉降速率达11.7 mm/d；随着抽真空时间的延长，沉降曲线变缓，沉降速率逐步变小。在二级堆载施加之后部分区域的沉降速率有所增加，随后逐渐变小趋于收敛。联合预压阶段，沉降速率明显减小，说明地表沉降逐渐稳定。进一步分析表2数据发现沉降速率并未因一级堆载的施加变大，原因为真空预压前期阶段土体已发生一定固结，土体强度已得到较大增长，而一级堆载所施加荷载相对真空等效荷载小得多，此时真空预压仍占主导地位，使沉降速率并未因一级堆载的施加而增大。随着二级堆载的进行，沉降速率相对一级堆载有所增加，说明二级堆载的施加使土体产生的固结效应大于一级堆载，也进一步说明了真空联合堆载预压处理地基时，堆载应大于一定值

才对地基土有显著的固结效应；停泵后沉降速率仅为0.2～0.8 mm/d，说明土体还有少量沉降，但整体的土体主固结沉降是一个渐变收敛的过程，说明真空联合堆载预压加固效果显著。

采用指数曲线配合法推算加固区中心最终沉降量S∞=980.6 mm，由监测最大沉降量939.4 mm可知，计算固结度为95.8%，满足工后3年内地基沉降不大于80 mm的要求，表明真空联合堆载预压加固效果显著。

2.2土体分层沉降监测结果分析

根据不同层位沉降量的变化规律，可深入分析深层土体加固效果和加固影响深度。从图4中可以看出，自抽真空开始，加固区不同深度的磁环随土体开始下沉。在抽真空初期，下沉速率较大。随着预压时间的延长，各磁环沉降速率逐渐减小，曲线相对前期趋于平缓，总体表现为渐变收敛的过程。地表至15 m之间的淤泥层压缩量最大，约占总沉降量65%，19 m以下的沉降量占总沉降量20.7%，说明真空联合堆载预压的影响深度可以接近塑料排水板打设深度，但对此深度段的影响效果有待进一步考证。土体产生固结沉降是由于单位土体发生了压缩变形，从各土层单位土体压缩量曲线图(图5)可看出，在整个预压过程中3～6 m土层单位压缩量最小，且变化幅度不大，6 m以下土层单位压缩量要大很多。分析原因为：在真空预压之前进行场地整平、压膜使浅部土体(6 m以上土体)产生一定压缩变形，土体强度得到较大提高，真空预压开始后压缩量不大； 6 m以下土层主要为淤泥质粉质黏土，该土层含一定贝壳碎屑及腐殖物，孔隙比大，含水量高，压缩性较大，且前期的场地处理对其扰动较小，致使施加较大外荷载时单位土体的压缩变形量较大。停泵后各土层单位土体压缩量基本不变，说明仅在堆载作用下各土层单位土体压缩量很小，产生的固结沉降很小。

表2 加固区各阶段沉降统计表

注：V—该阶段平均速率；Vmax—该阶段最大沉降速率；Vmin—该阶段最小沉降速率；S—累计最大沉降量。

图4 各磁环累计沉降和时间曲线Fig.4 Curves of settlement of layered with time

图5 各土层单位土体压缩量曲线Fig.5 Soil compression curves of each soil layer

图6 孔隙水压力-时间曲线Fig.6 Curves of pore pressure vs time

2.3孔隙水压力及地下水位分析

根据加固机理可知，孔隙水压力是了解地基土体固结状态最直接的手段，其变化规律也是检验土体固结机理和强度增长的重要手段。由图6可知，抽真空初期孔隙水压力迅速下降，产生负的超静孔隙水压力，随着抽真空时间的延长孔隙水压力下降速率变小。每一级荷载的堆加都使各深度处负超静孔压的绝对值不断减小[9]，即联合孔隙水压力增大，但增长幅度不大，之后仍呈下降趋势，且在联合预压过程中产生的超静孔压始终小于0。主要由于堆载产生的附加应力开始由孔隙水压力承担，使原孔隙水应力场受到扰动，孔隙水压力表现为瞬时的增加，但随着时间的延长孔压仍表现为下降趋势。其原因为：一方面所堆加荷载比真空等效荷载小得多，使堆载过程中真空预压始终占主导地位；另一方面，随着时间的延长，堆载引起的孔压已转化为地基的有效应力，故此堆载后的孔压先表现为瞬时的增加后又呈下降趋势。也说明采用真空联合堆载预压加固软基过程中，抽真空形成一定的负超静孔压后，快速堆载不会出现地基失稳现象[3]。从纵向上看，浅部的孔隙水压力变化幅度较大，尤其是7.5 m以内的孔压，说明真空联合堆载预压对浅部土体的孔压影响较大，而孔隙水压力的消长影响着土体有效应力的变化， 且有效应力的增加是引起沉降固结的直接原因，故从整体来看真空联合堆载预压对浅部土体加固效果更明显。自2016年2月27日停泵以后，浅部土体的孔隙水压力明显回升，深部土体孔隙水压力回升幅度较小，原因为由于井阻的存在，使真空压力沿深度方向逐渐减小，故停止抽真空对深部土体孔压影响较小。停泵后，仅在堆载预压作用下，孔压快速回升，产生的超静孔压始终接近于0。

监测加固区Z-4区地下水位的是SW3，在场区压膜沟之外。由于水位孔在场区地下黏土密封墙外侧，所以受抽真空施工影响不明显。从图7中可以看出，在抽真空的初期，水位有所下降。随着施工真空度的稳定，场区外的水位变化趋缓，并有恢复到施工前原水位的趋势。

图7 地下水位-时间变化曲线Fig.7 Curves of underground water level vs time

2.4土体水平位移变化规律分析

水平位移变化规律能够反映软基各深度土体的水平向变形发展趋势，当周边有建筑物或重要设备时，以便及时采取相应的措施避免由于地基土开裂较大发生倾斜等工程问题[10]。监测Z-4区的是测斜管3，位于Z-4区的东侧。由图8可发现，土体总体上发生向加固区内的收缩变形，说明堆载过程中不会出现地基失稳的现象。最大水平收缩位移发生在地表处，最大值为390 mm。真空预压初期，向内收缩位移较大，随着堆载的施加向内位移增加值逐渐减小，且堆载越大向内收缩位移增加值越小，对0～6 m土体此规律表现尤为明显。 这主要是由于在近地表区域内，受抽真空影响较大，抽真空引起的向内的侧向附加应力大于堆载引起的向外的侧向附加应力，侧向位移的大小和方向主要由场地的抽真空状况决定[2]。纵向上，在竖向塑料排水板1/2的深度范围内(即10 m范围内)，土体水平位移能够达到该孔最大水平位移的50%左右。随着深度的增加，收缩位移逐渐减小，在加固深度1/2处以下(即10 m以下)一定深度范围内，甚至出现土体向外挤出的现象，主要原因是由于井阻的存在，导致真空度沿深度衰减较大，产生的真空吸力小于堆载产生的向外的附加应力，在真空预压与堆载预压联合作用下，土体表现为向外挤出，但相对原有的收缩向外挤出幅度较小，所以总体仍表现为收缩。在塑料排水板以下，仍有较小的水平位移，且在其以下4 m处水平位移接近于0，说明真空联合堆载预压的影响深度能达到竖向排水体以下4 m。

图8 水平位移-时间曲线Fig.8 Curves of horizontal displacement vs time注： 以向加固区内位移为正

3 结论

(1)加固区沉降相差不大，地基沉降均匀。在抽真空初期沉降速率最大可达13.2 mm/d，随着抽真空时间延长，联合预压阶段沉降速率明显减小，地表沉降趋于稳定。采用指数曲线配合法计算最终沉降量为980.6 mm，固结度达95.8%，说明真空联合堆载预压加固近海软基效果显著。

(2)地表至15 m之间的压缩量约占总沉降量65%。

(3)在抽真空初期产生负的超静孔隙水压力，随着抽真空时间的延长孔压下降速率变小。虽施加每一级荷载都使孔压有相应增加，但由于真空预压仍占主导地位加之孔压转化为有效应力，孔压仍呈下降趋势，但产生的超静孔压始终小于0，说明采用真空联合堆载预压加固软基过程中，抽真空形成一定的负超静孔压后，快速堆载不会导致地基失稳。

(4)土体总体发生向加固区内的收缩变形，故在堆载过程中不会出现地基失稳的现象。纵向上在加固深度1/2处以下(即10 m以下)一定深度范围内，土体由收缩变为向外挤出。真空联合堆载预压有效影响深度可达塑料排水板以下4 m。

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责任编辑：张明霞

Ananalysisoftheeffectofvacuumcombinedwithsurchargepreloadingonoffshoresoftfoundationreinforcement

ZHANG Shimin1,2, WANG Xiuting1,2,CUI Yao3, TAN Zhaofang1,2

(1.ZhangjiangUniversityCityCollege,Hangzhou,Zhejiang310015,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001,China; 3.XinxiangMunicipalEngineeringDepartment,Xinxiang,Henan453000,China)

Based on the monitoring data of the Zhoushan coastal soft soil foundation treatment, the surface settlement, layered settlement, pore water pressure and horizontal displacement of soil are analyzed in detail. The results show that the compressive capacity of soil mass in the soil below the depth of 6 m is larger after preloading, which is related to the soil quality and uncompress of the soil layer before preloading. Pore pressure increases with the increasing stack load series. Since the vacuum preloading dominates the main position and pore pressure is transformed, the pore pressure has a downward trend, and the resulting joint super static pore pressure is always less than 0, indicating that the vacuum combined surcharge preloading method can reinforce the soft foundation, the vacuum forms a certain negative pressure after the pore pressure, and the fast reactor load will not appear the phenomenon of foundation instability. The horizontal displacement of soil is converted from shrinkage to squeeze out under a certain depth. Reason for the above phenomenon is that the vacuum degree has higher attenuation by well resistance and the vacuum suction is less than the outward additional stress of the stack load produced. The effective depth of the vacuum combined with preloading can reach 4 m below the plastic drainage board.

vacuum combined surcharge preloading; layered settlement; soil horizontal displacement; offshore engineering

TU433

A

1000-3665(2017)05-0059-07

王秀婷(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为地铁深基坑的渗流影响研究与软土地基处理。E-mail:736756654@qq.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.10

2017-02-07;

2017-03-29

杭州市科学技术委员会社会发展项目资助(20160533B95)

张世民(1974-)，男，教授，研究方向为深基坑与软土隧道理论与数值计算。E-mail：zhangsm@zucc.edu.cn