闫澍旺，陶琳*，纪玉诚

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津　300072；2.天津大学建筑工程学院，天津　300072）

预压固结法加固地基机理的模拟实验研究

闫澍旺1，2，陶琳1，2*，纪玉诚1，2

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.天津大学建筑工程学院，天津300072）

真空预压、堆载预压和降水预压是加固饱和软土地基的常用方法。研制了一套模拟各种固结预压方法机理的模型实验装置，可以直观地观察各种预压法加固过程中孔隙水应力与地基土骨架应力的相互转换和传递过程，从而可以明确3种预压方法的加固机理。该装置还可以模拟这3种预压法联合作用的过程和效果，通过孔隙水应力与地基土骨架应力的转化过程，可以明确预压法联合作用的机理。

预压演示模型；堆载预压；真空预压；降水预压；联合预压

0　引言

预压固结法是提高饱和软土地基承载力、减小工后变形的常用方法。预压荷载可采用堆载、抽真空或降水等，相应的固结方法分别称为堆载预压法、真空预压法和井点降水法。这些方法对各类软弱土地基均有效。因其施工工艺简单，加固效果较好，所以预压法是软基加固最常采用的方法。

吴桂花等[1]通过室内实验模拟真空预压法和堆载预压法加固不同深度的土体，认为两种方法均能使土体的物理力学性质得到改善。周显贵等[2]通过对井点排水方法的总结，阐明井点降水系统的布置、计算方法和经验参数的选择。王绪民等[3]根据有效应力原理，从土体应力路径的角度研究堆载预压与真空预压加固软土地基的机理。贾向新等[4]基于某真空井点降水综合试验，提出了真空井点周围真空及重力场耦合区、耦合场与重力场过渡区和重力场区3个区的概念。吉随旺等[5]通过上海浦东某工程降水预压试验的孔压测试，分析降水预压加固软土地基原理及孔隙水压力效应。

本文研制了一套模拟不同固结加固饱和软土地基方法的实验装置。该装置可对真空预压、堆载预压以及井点降水的过程进行演示，直观地看到3种预压法在加固土体过程中孔隙水压力、土骨架应力和土骨架变形三者的耦合关系。还可以对3种预压法的联合作用进行模拟。本文通过实验，阐明3种不同预压法的加固机理，并对3种预压方法联合作用的机理及加固效果进行讨论。

1　实验模拟装置

1）主体模型

模型原理图如图1所示。

图1 模型原理图Fig.1　The principle diagram of themodel

主体模型由6部分组成：①由有机玻璃制成的容器，内径30 cm，高100 cm，壁厚为1 cm，内壁打磨光滑；②用来模拟土骨架受力和变形特性的弹簧，用不锈钢钢丝特制；③用来模拟土层的隔板，共分4层，由有机玻璃制成，厚1 cm，直径30 cm，隔板侧壁与容器侧壁紧密接触，但可以上下自由运动，类似于工作活塞，最上面的一层隔板起密封作用，中间引出抽气管路，抽气管为直径10 mm的硬塑料管，其余3层隔板上均有若干直径2 mm的小孔，用以模拟土层的渗透特性；④用蒸馏水将容器充满，用来模拟土体中的孔隙水；⑤测压管，用于测量各层的孔隙水压力变化；⑥截水阀门，用于从装置底部排水。

2） 附加装置

①真空泵。模拟真空预压时，用于向储压罐提供真空压力。②储压罐。模拟真空预压实验中，用于向模型提供稳定的、大小可控的真空压力，并收集由固结模型排出的水。罐内压力由点结点控制的真空表控制，当罐内真空压力低于设定值时，点结点启动真空泵，补充罐内压力损失，以保证罐内压力稳定于某一设定值范围。在模拟堆载预压实验中，用于抽出堆载过程中排出的水。③砝码。在模拟堆载预压实验中，用于向固结模型提供预压荷载。

主体模型及附加装置如图2所示。

图2　主体模型及附加装置Fig.2　Them ainmodeland additional devices

2　实验方法及步骤

2.1堆载预压实验

堆载预压实验中，采用三层圆板-弹簧系统，以2 kg砝码作为外加预压荷载，以圆板上的透水孔为排水通道，排出的水从上部抽出，采用一次性加荷方式，当圆板-弹簧系统沉降稳定后即停止实验。

实验步骤如下：1）在模型容器中注满水，使隔板、弹簧和孔隙水处于稳定平衡状态，记录各个隔板的初始位置和测压管水头（简称注水）；2）在顶层圆板中间放置砝码，使外加荷载压力传递到模型中；3）打开储压罐阀门，将装置顶部排出的水抽出；4）记录不同时刻各个隔板位置以及测压管的读数（简称记录）。

2.2真空预压实验

真空预压实验中，采用三层圆板-弹簧系统，实验过程中需要1台真空泵以及1个储压罐，用软管将真空泵和储压罐一侧阀门连接，同时使储压罐的另一侧阀门与模型顶层圆板上的抽气管路相连接。实验过程中，使真空压力保持为-50 kPa，当顶层圆板与水面分离时，即结束实验。

实验步骤如下：1）开启真空泵，使储压罐内的真空压力保持在设定值；2）注水；3）打开模型与储压罐连接管路的阀门，使真空压力传递到模型中，并且将排出的孔隙水输送到储压罐中；4）记录。

2.3井点降水实验

井点降水实验中，采用三层圆板-弹簧系统，以模型底部的阀门为排水通道，以外界大气模拟不断抽水的降水井，以阀门开度模拟土体的渗透性。实验过程中，阀门开度始终保持为30°，当顶层圆板与水面分离时即停止实验。

实验步骤如下：1）注水；2）打开模型底部阀门开始降水，阀门开度为30°；3）记录。

2.4堆载-井点联合预压实验

堆载-井点联合预压实验中，采用下部三层圆板-弹簧系统，以2 kg砝码作为外加预压荷载，以圆板上的透水孔为排水通道，排出的水从上部抽出，采用一次性加荷方式，同时以模型底部的阀门为降水预压的排水通道，以外界大气模拟不断抽水的降水井，以阀门开度模拟土体的渗透性。阀门开度保持为30°，当顶层圆板与水面分离时即停止实验。

实验步骤如下：1）注水；2）在顶层圆板中间放置砝码，使外加荷载压力传递到模型中，与此同时打开模型底部阀门，进行降水，阀门开度为30°；3）使储压罐内保持一定负压，实验过程中打开储压罐阀门，将装置顶部排出的水抽出；4）记录。

2.5真空-堆载联合预压实验

真空-堆载联合预压实验中，采用三层圆板-弹簧系统，以2 kg砝码作为堆载预压荷载，以圆板上的透水孔为排水通道，采用一次性加荷方式，同时在装置顶部抽负压，使真空压力保持在-50 kPa。当顶层圆板与水面分离时即停止实验。

实验步骤如下：1）开启真空泵，使储压罐内真空压力保持在设定值；2）注水；3）打开模型与储压罐连接管路的阀门，使真空压力传递到模型中，并将排出的孔隙水输送到储压罐中，与此同时在顶层圆板顶部加放砝码；4）记录。

3　实验结果与分析

3.1堆载预压实验结果与分析

堆载预压实验过程中，每隔5 s对测压管的读数进行1次记录，根据所得数据可以绘制出3支测压管读数随时间变化曲线即图3，测压管编号从左到右依次为1、2、3，1号测压管对应装置最底层孔隙水压力，3号测压管对应装置的最上层的孔隙水压力。

图3　堆载预压情况下测压管读数随时间变化曲线Fig.3　In the case of stack preloading,the curve ofpiezometric tube readings changewith time

由图3可以看出，在加载瞬间3支测压管读数会瞬时增加，达到同一峰值，随后测压管读数开始逐渐减小，3号测压管减小的速率最快，2号测压管次之，而1号测压管读数下降最为缓慢。这说明在加载瞬间，模型中的弹簧来不及变形，外界压力全部由孔隙水承担，产生超孔隙水压力，且不同深度的超孔隙水压力大小相等。而随着孔隙水从圆板上的透水孔逐渐排出，超孔隙水压力逐渐消散，外界压力逐渐转变为由弹簧和孔隙水共同承担。3号测压管读数下降最快，1号测压管读数下降最慢，这是由于排水通道位于模型顶部，使得上层超孔隙水压力最先消散，底层超孔隙水压力最后消散。根据有效应力原理可知，堆载预压过程中，在总应力不变的情况下，随着孔隙水压力的消散，有效应力会逐渐增加，使土体达到加固的效果。因为上层孔隙水压力最先消散，所以上层土会最先被加固。

3.2真空预压实验结果与分析

真空预压实验过程中，实验开始后每隔10 s记录1次测压管读数，根据所得数据可以绘制出测压管读数随时间变化曲线，如图4所示。

图4为3只测压管读数随时间的变化曲线，由图可以看出，实验开始后，随着模型中的水被抽出，各个测压管的读数不断下降，而3号测压管的读数下降的较快，且一直低于其他测压管，2号测压管次之，1号测压管读数下降相对比较缓慢。这说明装置最上层的真空压力最大，在向下传递的过程中依次递减。由于测压管读数代表孔隙水压力的大小，可知装置上层的孔隙水压力减小的速率大于装置下层的孔隙水应力减小的速率，根据有效应力原理可知，在真空预压的情况下，在总应力不变的情况下，上层土体的孔隙水应力减小的最快，有效应力增加的最快，即上层土体最先被加固。

图4　真空预压情况下测压管读数随时间变化曲线Fig.4　In the case of vacuum p reloading,the curve of piezometric tube readings changew ith time

3.3降水预压实验结果与分析

降水预压实验过程中，实验开始后每隔10 s记录1次测压管读数，根据所得数据，可以绘制出测压管读数随时间的变化曲线，如图5所示。

图5　降水预压情况下测压管读数随时间变化曲线Fig.5　In the case of p recip itation preloading,the curveof piezometric tube readingschangew ith time

由曲线可以看出，当底部阀门打开后，3支测压管的读数都开始下降，且1号测压管的读数下降最快，2号次之，3号测压管读数下降的最慢。测压管的这种变化趋势恰好与真空预压相反。这说明装置底部产生了真空压力，且真空压力随着高度的增加而逐渐减小。在真空压力作用下，装置底部孔隙水应力减小的最快，装置顶部孔隙水应力减小的最慢。根据有效应力原理可知，装置底部的有效应力增加的最快，越往上有效应力增加的越慢。此理论不考虑由于地下水位下降使得上部土体重度由浮重度变为天然重度，从而导致下部土体有效压力增大得到加固这一部分机理。

3.4堆载-井点联合预压实验结果与分析

堆载-井点联合预压实验过程中，每隔10 s对测压管读数进行1次记录，根据所得数据可以绘制出测压管读数随时间变化曲线，如图6所示。

图6　堆载-井点联合预压测压管读数随时间变化曲线Fig.6　In the case of stack-precipitation preloading,the curve of piezometric tube readings change with tim e

由图6可以看出，在开始实验后，3支测压管读数达到同一峰值随后开始下降，最初3号测压管读数下降最快，1号次之，2号最慢，而随着实验的进行3号测压管的下降速率开始变缓，逐渐小于1、2号测压管，且与1、2号测压管分别产生一个交点。测压管的这种变化趋势说明，在实验开始时，堆载的作用大于井点降水的作用，使得上层的孔隙水压力最先消散，所以3号测压管读数最先下降，而随着上层孔隙水应力的消散，3号测压管的下降速率逐渐减小，井点降水的作用占据了主导地位，使得1、2号测压管的读数持续下降，逐渐超越了3号测压管，也即下层的孔隙水应力不断降低，逐渐小于上层的孔隙水应力。所以在堆载-井点降水联合作用的情况下，根据有效应力原理可知，开始时堆载预压起主要作用，随着时间的推移井点降水开始占据主导作用，使得下层的孔隙水应力持续下降，从而增加了有效应力，这就是堆载-井点降水联合作用的机理。联合作用使得上下层土体的孔隙水应力同时消散，大大缩短了加固的时间。

3.5真空-堆载联合预压实验结果与分析

真空-堆载联合预压实验过程中，每隔20 s对测压管读数进行1次记录，根据所得数据可以绘制出测压管读数随时间变化曲线，如图7所示。

图7为3支测压管读数随时间变化曲线，由图可以看出，在开始实验后，3支测压管读数达到同一峰值随后开始下降，最初3号测压管读数下降最快，2号次之，1号最慢，在60 s左右时，3号测压管读数的下降趋势开始变缓，在80 s左右时，1、2号测压管读数的下降趋势开始变缓，3支测压管读数几乎要达到稳定状态，这一阶段测压管读数的变化趋势类似于堆载预压。此后3支测压管的读数变化趋势与真空预压相同。测压管读数的这种变化趋势说明，在实验开始时，堆载预压起主要作用，使得3支测压管读数的变化趋势与堆载预压相似，当3支测压管读数快要达到一个稳定的状态时，表明堆载预压引起的超孔隙水压力已经消散完成，此后真空预压起主要作用，所以测压管读数的变化趋势与真空预压一样。

4　结语

1）此套模型能够模拟各种固结预压方法机理，且模型实验具有可重复性、实验条件易于控制和改变等优点。

2）堆载预压实验阐明了堆载预压加固地基的机理，即外加荷载施加瞬间会产生超静孔隙水压力，随着超孔隙水压力的消散，有效应力逐渐增加，使得土体被加固。

3）真空预压实验解释了真空预压加固地基的机理，即随着抽真空的进行，真空压力逐渐作用在装置顶部并逐渐向下传递，随着真空压力的增加孔隙水应力逐渐减小，使得有效应力逐渐增加，从而达到加固土体的效果。

4）降水预压实验解释了降水预压加固地基的机理，即随着孔隙水的排出，在装置底部逐渐产生负压，并逐渐向上层土体传递。随着负压的不断增加孔隙水应力逐渐减小，根据有效应力原理可知，有效应力会渐逐增加，使得土体被加固。

5）堆载-井点联合预压法的机理结合了堆载预压和降水预压的机理，即堆载预压和降水预压同时起作用，加快了土体的固结。

6）真空-堆载联合作用的机理为，开始时遵循堆载预压的加固机理，在堆载预压引起的超孔隙水压力消散后，开始遵循真空预压的加固机理。

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Simulation experiment on themechanism of preloading consolidation m ethod to reinforce foundation

YANShu-wang1,2,TAO Lin1,2*,JIYu-cheng1,2
（1.State Key Laboratory ofHydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Schoolof CivilEngineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

The vacuum preloading,stack preloading and precipitation preloading are the commonly used methods to reinforce saturated soft soil foundation.We developed a set of test apparatus for simulating various consolidation preloadingmethods' mechanism,which can intuitively observe the mutual conversion and transfer process of pore water and the foundation soil skeleton stress,consequently can clear the reinforced mechanism of three kinds of preloadingmethod.The device also can simulate the process and effects of the combined action of three preloadingmethods.Through the transformation of the pore water stressand the soil skeleton stress,we clearly defined themechanism of the combined action of the preloadingmethods.

preloading demonstrationmodel;stack preloading;vacuum preloading;precipitation preloading;joint preloading

U655.544.4

A

2095-7874（2016）10-0031-05

10.7640/zggw js201610007

2016-06-14

2016-08-29

国家自然科学基金资助项目（41272323）

闫澍旺（1950— ），男，天津市人，教授，博士生导师，主

要从事软弱地基处理方面研究。

陶琳，E-mail：851597751@qq.com