严红霞，韩文君，吕伟华

(1.常州工程职业技术学院，江苏 常州 213164；2.常州市轨道交通发展有限公司，江苏 常州 213022；3.南京林业大学，南京 210037)

图1 真空预压加固夹薄弱透水层软土模型试验装置Fig. 1 Schematic diagram of vacuum preloading model test

随着我国工程建设规模不断扩大，地基处理技术得到了日新月异的发展。真空预压法凭借其经济性、绿色环保性和可靠性，在东南沿海地区公路、港口、机场等软土地基加固工程中得到广泛应用[1-4]。近些年，真空预压法逐渐被扩展应用到吹填地基加固、含承压水软基加固等领域，并取得了良好的经济效益和社会效益[5]。在真空预压法发展早期，很多学者借鉴砂井固结理论研究真空预压加固地基的固结过程[6]。随着研究的深入，越来越多的学者发现排水体中真空荷载沿深度衰减，Indraratna等[7]建立了基于真空荷载沿深度线性衰减的固结解析解。在此基础上，黄朝煊等[8]提出了排水体渗透系数沿深度变化的真空预压固结解。郭霄等[9]提出了考虑非线性和真空度沿深度衰减的直排式真空预压法下竖井地基固结解。上述研究都假定地基土为均质、单一土层，但是在实际工程中，由于沉积历史原因，地基土通常由多层土构成。谢康和[10]、Tang等[11]、刘加才等[12]较早对双层砂井地基固结性状进行了研究，考虑了排水边界、加载条件等因素的影响。Walker等[13]采用谱分析法分析了真空预压法加固多层地基时的固结性状。胡亚元[14]建立了半透水边界的真空预压固结解。成层地基中，真空预压加固地基固结理论已取得了一些成果，但是对于厚度较薄、透水性较好的土层在真空预压固结过程中的作用还未有系统的研究成果。

本课题组在前人研究的基础上，开展真空预压法加固夹薄弱透水层软土室内模型试验，分析薄弱透水层对于软土固结速率的影响。同时，借鉴文献[13]有关真空预压多层砂井地基固结解答，分析薄弱透水层透水性能对于真空预压固结性状的影响，为真空预压加固吹填土地基设置水平向排水体提供参考。

1 室内模型试验

1.1 试验装置及试验材料

真空预压加固夹薄弱透水层软土模型试验装置如图1所示。模型试验由真空加载装置、静压加载装置、密封桶等部分组成。密封桶为直径50 cm的透明圆柱形桶，底座和顶盖采用2 cm厚的PVC塑料板，与侧壁玻璃焊接，保证密封性。静压加载装置高度为2 m，加载原理类似固结仪，杠杆比为1∶20。真空荷载加载系统包括真空泵、气水分离器、塑料排水板、水平排水体、密封膜等组成。

模型试验选用连云港地区海相软土，进行重塑、静压制样。对试验土样进行天然含水率、界限含水率和密度等常规土工试验。试验结果如表1所示，表中强度为微型十字板剪切试验强度。

表1 模型试验软土物理力学指标Table 1 Physical and mechanical properties of soft soil

塑料排水板为整体式C型，模型试验中正三角形布置，距圆桶中心12 cm。土体顶部和底部采用10 cm厚的砂层和5 cm厚的碎石层作为水平向排水体。土体深度中部分别设置厚度2和10 cm粉砂层。

1.2 模型试验方案与试验步骤

为了分析真空预压法加固软土过程中薄弱透水层的作用，分别进行了3组真空预压加固软土试验，试验方案如表2，监测仪器埋设如图1所示。

表2 试验方案Table 2 Test scheme

模型试验首先制取工程中常遇的软土。将现场软土晒干、粉碎，按1.3倍液限配置成淤泥；将淤泥放入埋设好仪器、排水系统的模型桶中；利用静压加载装置预压制样，预压荷载为20 kPa，待土样变形接近稳定后，即土体实测变形量与双曲线法预测变形量比值大于90%，开展真空预压加固夹薄弱透水层软土试验。

1.3 试验结果分析

真空预压加固软土模型试验薄透水层超静孔隙水压力和土体变形随时间变化如图2、图3所示。由图2可知，土体中部深度处的孔隙水压力计(PPT2)测得超静孔隙水压力随真空荷载增大而降低，当透水层厚度较大时(d=10 cm)，超静孔隙水压力变化速率最大，快速增长并稳定在-80 kPa，比膜下真空度值略小。这主要是因为真空荷载沿深度有衰减，且制样过程中透水层中夹杂了软土，但是透水层的特征已经接近砂层等强透水性。当透水层较薄时(d=2 cm)，超静孔隙水压力的变化趋势与软土中的相似，但是由于土体透水性质的不同，超静孔隙水压力的增长速率比软土中要快。

图2 超静孔隙水压力变化规律Fig. 2 Variation of excess pore water pressure

图3 沉降变化规律Fig. 3 Variation of settlement

由图3可知，在真空荷载施加初期，3组模型试验中土体沉降变形快速增长，第3组模型试验(d=10 cm)沉降速率最大，其次是第2组(d=2 cm)、第1组(d=0 cm)。随着真空预压时间的增长，土体的变形逐步趋于稳定，当加固时间达到900 h时，1～3组的土体变形量分别为102.9，104和109 mm。利用分层压缩法估算得到土体的最终沉降量为120 mm，第3组加固试验土体固结度达到90.8%，明显高于第2组的86.7%和第1组的85.7%。这主要是因为加固土体中部设置了透水层，增加了竖向排水路径，当透水层厚度增大时，透水边界接近完全透水，透水层加快土体固结的速率接近稳定。

2 固结特性分析

2.1 固结模型及验证

(1-a)

(1-b)

式(1)的运算通过计算机编程实现。为验证固结分析模型的可靠性，利用第3组模型试验结果对式(1)的计算结果进行验证，土体高60 cm，排水板长度l=60 cm，透水层厚度10 cm。透水层的渗透系数在加固完取样进行渗透试验，取样时发现土层中夹杂着黏土。这主要是在制样过程所致，这也符合实际的工程现场地质。渗透试验测得透水层土体渗透系数约为7×10-5cm/s，其他计算参数如表3所示，表中kh为软土渗透系数。

表3 计算参数Table 3 Calculation parameters

模型试验土体变形实测值与计算值的对比曲线如图4所示。由图4可知，在固结初期，理论计算的沉降与实测值有一定的差别。这主要是因为土体含水率较大，瞬时沉降较大，随着固结时间的增长，计算结果与实测值趋于一致。模型试验结果验证了理论计算方法的可靠性。

图4 模型试验土体变形实测值与计算值Fig. 4 Comparison between measured and calculated values of soil settlement

2.2 透水层透水特性对软土固结影响分析

模型试验结果表明，透水层的存在能够加快土体的固结，影响程度与透层在土体中位置、透层厚度、透水层渗透性密切相关。由砂井固结理论可知，当透水层为强排水边界时，透水层位于土体厚度2/3的位置时，固结速率最快。下面将采用理论解答分析透水层透水特性和土层厚度对于软土固结影响。计算参数如表4所示。

表4 固结性状分析计算参数Table 4 Calculation parameters of the consolidation analysis

透水层的排水能力与土层厚度和土体渗透性密切相关，定义的无量纲参数K[15]：

K=kfhf/(khhc)

(2)

式中：K为反映透水层排水能力的综合参数；kf为透水层土体渗透系数；hf为透水层厚度；kh为加固软土渗透系数；hc为2H/3，如图5所示。

图5 计算单元Fig. 5 Calculation element of the factor analysis

取K值变化范围为0.01～1 000，若透水层厚度为0.02 m，则透水层渗透系数为1.0×10-7～1.0×10-4cm/s。不同K情况下地基固结度随时间因数变化规律如图6所示，径向固结时间因数随参数K变化如图7所示。图中Th为径向固结时间因数，T50、T90分别为地基固结度达到50%和90%时的时间因数值。

图6 不同渗透性时地基平均固结度变化规律Fig. 6 Variation of average consolidation degree with different permeability

由图6可知，K值的增大可以显著的加快土体固结速率；当K小于0.1时，透水层的存在对于加快土体固结影响很小；K在0.1～100之间，透水层的作用发生强烈的变化，土体固结速率加快显著；当K大于100时，透水层排水性已为强透水边界，对提高土体固结速率已不明显。

由图7为可知，当K=0.01时，地基为均质地基，固结由径向固结和竖向固结组成；当K=1 000 时，透水层为完全排水边界，地基固结中径向固结速率未改变，但是竖向固结排水距离变为H/3，竖向固结的速率提高了9倍。由于径向固结作用的存在，透水层完全排水时的固结时间因数约为均质地基的1/5，这一比值与竖向、径向固结因数有关。

图7 固结时间因数随透水层透水性变化规律Fig. 7 Variation of radial consolidation time factor with the permeability of thin permeable layer

2.3 土层厚度影响

透水层的存在改变了砂井地基竖向排水路径，对于整个砂井地基而言，这种改变作用与加固土体的厚度密切相关。为了便于计算分析，定义无量纲参数L=hc/re。L取值为0.5，1，2，4和8，参数K值取值为0.01～1 000。不同L情况下固结因数T50、T90变化规律如图8所示，图中T50、T90分别为地基固结度达到50%和90%时的竖向固结时间因数。

由图8可知，在参数K值相同的情况下，当参数L增大时，即加固土层厚度增大时，地基固结因数增大，地基固结所需时间增大。在参数L相同的情况下(土层厚度固定)，随着参数K的增大(透水层透水性加强)，地基固结速率加快；但是随着参数L的增大，参数K的增大对于提高土体固结速率变得不明显，当L>8.0时，T50、T90变化幅度很小，参数K值的提高对于加快地基固结已没有作用，透水层对于缩短竖向排水路径的效果已经变得不明显。由此可知，当在采用真空预压加固吹填淤泥时，如需要加快土体固结，透水层竖向间距不宜大于8倍的厚度。

图8 不同L时竖向固结时间因数变化规律Fig. 8 Variation of vertical consolidation time factor with different L values

2.4 井径比影响

在砂井法进行地基处理效果评价的相关理论中，一般认为井径比n(re/rw)对砂井地基径向固结具有显著的影响。本研究分析了不同井径比时水平透水层对砂井地基固结的影响，n取值为4，8，16，32和64，参数K值取值为0.01～1 000。不同井经比情况下固结因数T50、T90变化规律如图9所示。图中T50、T90分别为地基固结度达到50%和90%时的竖向固结时间因数。

图9 不同井径比时竖向固结时间因数变化规律Fig. 9 Variation of vertical consolidation time factor with different n values

由图9可知，在参数K值相同的情况下，井径比增大时，砂井径向固结速率降低，地基固结因数增大，地基固结所需时间增大。当参数K值较小时，井径比对地基固结影响较为显著；随着参数K的增大(透水层透水性加强)，地基固结速率加快，井径比的影响逐渐减小。参数K值在0.1～100时，T50、T90变化最为显著；当参数K大于100时，T50、T90值变化微小。由此可见，水平透水层的存在，改变了土体竖向固结路径，对土体固结速率的加快变得明显。

2.5 涂抹效应影响

涂抹效应是指竖向排水体施工过程中扰动周围土体，使其渗透性降低。为了便于计算分析，定义反应涂抹区范围及渗透系数变化的参数J=(kh/ks-1)ln(s)。其中：kh为土体水平渗透系数；ks为涂抹区渗透系数；s为涂抹比，s=rs/rw(rw为排水板等效半径，rs为涂抹区半径)。涂抹比s取值为1，2，4，8和16，则J值为0，2.08，4.16，6.24和 8.32。不同J值时固结因数T50、T90变化规律如图10所示。

图10 不同涂抹因子时竖向固结时间因数变化规律Fig. 10 Variation of vertical consolidation time factor with different J values

由图10可知，在参数K值相同的情况下，涂抹因子J增大时，地基固结因数增大，地基固结所需时间增大；当参数K值较小时，涂抹因子J对地基固结影响较为显著，随着参数K的增大(透水层透水性加强)，地基固结速率加快，涂抹因子的影响逐渐减小；当K>100时，不同的涂抹因子J情况下的T50、T90值趋于相同值。由此可见，涂抹因子越大，表明土体受扰动越严重，涂抹区范围越大或涂抹区渗透系数越小。这严重阻碍了水平向的排水速率，径向固结速率变缓，地基固结速率变慢。水平透水层的透水性逐渐增大时，涂抹效应影响地基固结程度逐渐变小，当K大于100时，涂抹效应几乎无影响。

3 结 论

本研究利用真空预压法加固夹薄弱透水层软土室内模型试验，就薄弱透水层对加快固结速率的影响进行了探讨，采用砂井地基固结分析了透水层透水特性和土层厚度对于软土固结的影响，得到如下结论：

1)模型试验结果表明，透水层可以加快超静孔隙水压力的消散，消散速率与透水层的厚度密切相关；透水层可以加快软土的固结速率。

2)透水层厚度及渗透系数与软土厚度及渗透系数的比值显示，该比值在0.1～100之间，透水层对土体加快固结最为显著；当比值达到100以上时，透水层已接近完全排水边界。

3)软土厚度与砂井半径的比值与地基固结速率和透水层作用密切相关，随着比值的增大，砂井地基固结时间增大，透水层加快软土固结速率作用越来越不明显，当比值大于8时，透水层对地基固结速率基本影响很小。

4)随着井径比、涂抹效应的增大，地基固结速率变缓，当薄透水层透水性的增强，地基固结速率加快，透水层可以改善井径比、涂抹效应的影响。

5)对于采用真空预压法加固吹填淤泥地基时，当需要提高砂井地基固结速率，水平透水层间距不宜大于8倍的透水层厚度。