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1、一真空预压法简介一真空预压法简介真空预压法(Vacuum Preloading)是指利用抽真空的方法，使土体中形成一个局部的负压源，通过降低砂井或排水板中的孔隙水压力而使土体中的孔隙水排出，从而增加有效应力来压密土体的地基加固方法。如图 1-1 所示，首先在原地基上打设塑料排水板作为竖直排水体，然后在地基表面铺垫一定厚度的砂垫层，在砂垫层中铺设排水滤管。将不透气的薄膜铺设在砂垫层之上，薄膜四周买入土中，通过埋设在砂垫层中的排水滤管将膜下砂垫层中的空气抽出，从而使砂垫层和排水板中形成负的真空压力，使排水板和周围土体之间形成孔压差，土体中的孔隙水在压力差的作用下渗流到排水板中，通过排水滤管排出土体
2、，以达到固结的目的。真空预压系统由抽真空系统、排水排气系统和密封系统三部分组成，根据目前的施工经验，膜下真空度可以维持在 8595kPa 左右，一般的可取 80kPa作为设计压差。当固结度达到一定的设计要求时停止抽真空。真空预压法具有以下主要优点：(1)区别于堆载预压，抽真空形成的压差所产生的荷载，不会使土体产生剪应力，故地基不会发生失稳破坏，载荷可一次快速施加，加固速度快，施工工期短；(2)加固过程中土体除产生竖向压缩外，还伴随向着加固区的侧向收缩，加固后土的密实度较堆载预压高，处理深厚软基效果更好；(3)施工工艺、机具和设备简单，能耗低，作业效率高，加固费用低，适用于大规模地基加固；(4)
3、不需要大量堆载材料，施工中无噪音、无振动、不污染环境；(5)更适用于狭窄地段、边坡附近的地基加固等。二二 真空预压加固吹填土地基室内模型试验研究真空预压加固吹填土地基室内模型试验研究目前，真空预压法作为一种相对成熟的施工工艺已广泛应用于沿海地区围海造陆工程实践，取得良好的经济效益。从施工的角度而言，真空预压技术已相对成熟，但吹填土地基的真空预压的理论研究缺远远落后于工程实践的需要，不少理论问题至今未能得到解决，如真空预压中土体中真空度的纵向和横向分布规律，了解真空度在土体中的分布情况将有助于真空预压的理论研究和机理分1/28析。目前国内外对与真空度分布规律的研究较少，有必要通过试验对其进行研究
4、分析。随着沿海围垦项目的发展，对土体的需求越来月迫切，围海造陆主要是由水力吹填的方式形成的吹填土地基，随着吹填标高的降低，吹填厚度也越来月大，由原来的 2m 增加到现在的 10m 左右。吹填土地基是由含水量高达 80以上的吹填泥形成的软土地基，在真空预压过程中会发生很大的固结沉降。在吹填土地基真空预压过程中发现很多理论上难以解释的问题，如加固一段时间后，土体中的水排出速度明显降低，孔压消散变得缓慢；加固完毕后土体上部强度增长明显，但3m 以下土体强度增长很小；有限元计算结果与实测数据存在一定的偏差等。这些现象一直没有给出合理的解释，对于这些问题需要通过试验的手段进行探索研究。2.12.1 试验
5、目的试验目的为探索研究吹填土地基真空预压过程中出现的问题，本大纲设计真空预压模型试验，通过室内模型试验达到以下试验目的：（1）通过记录试验过程中孔压传感器和真空表读数研究真空度在排水板深度方向的分布规律，研究土体中真空度在横向和竖向的分布规律。（2）通过对真空度、孔隙水压力的变化以及土体固结沉降和排水情况观察，探索排水板时间效应的存在，并分析其原因。（3）比较分析土体中相同位置处孔隙水压力与真空度的相互关系。（4）提出能够解决真空预压过程中排水板效率降低的方法，本大纲通过二次插班来验证排水板效率问题，并证明二次插板能够解决排水板效率降低问题。2.22.2 试验装置试验装置为了验证高含水量超软土
6、真空预压时间效应的存在性，并探究其产生的原因，本文设计加工了模型试验装置，如图 2-1 所示。模型试验装置由模型槽、排水体系、真空泵、真空表和量测系统组成。模型槽由钢板和钢构架定制而成，尺寸为长宽高 1.2m1.2m1.5m，采用钢构架支撑外围钢板槽，防止钢板槽产生侧向变形；排水体系由真空预压滤水管、砂袋和塑料排水板组成，将排水体系打设于模型槽内的土样中，再将排水体系连接到由真空泵组成的抽真空装置；量测系统由安装在模型槽内土样表明的百分表和厘米刻度尺、真空表组成，厘米刻度尺用来量测泥面高度，真空表用来测量土体内和砂垫层中的真空度，孔压传感器用来测量土中不同深度的孔压。试验模型见下面各图：2/2
7、8图 2-1 试验模型示意图模型试验所用的淤泥土样初始状态参数如表 2-1 所示，淤泥的体积为 1.2m1.2m1.1m，淤泥的初始高度为 1.1m，初始含水量为 90%。注入淤泥后的模型槽如图 2-2 所示。淤泥注入模型槽后，在土体中打设排水板（打设过程如图 2-2所示）、埋设孔压传感器和真空表探头（图 2-3），其中排水板间距为 30cm，成方阵形布置。6 个孔压传感器在纵向上分别埋设于土体的 30cm、60cm、90cm 深度处，横向上离排水板的距离分别为 10cm、15cm、30cm。真空探头的埋设方法根孔压传感器相同，孔压传感器和真空探头的埋设如图 2-4 所示。然后在上面铺10cm
8、 的砂垫层，铺设排水虑管，最后铺设土工布并封膜（图 2-5），连接并开启真空泵（图 2-6）进行抽真空。表 2-1 土样原始物理性质指标3/28图 2-2 土样制备和排水板的打设图 2-3 孔压传感器和真空表的布置图 2-4 排水虑管及砂垫层铺设图 2-5 抽真空后的模型槽子4/28图 2-6 真空泵2.32.3 试验方法试验方法该试验由试验模型槽子、排水板、真空泵、滤水管等组成，槽子尺寸为150 cm 120c m 120cm，在槽子中放置 110cm 深的土样，在土体中打设排水板，排水板的间距为 30cm。在土体中分别放置两组孔压传感器及真空探头，一组为距离排水板 10cm，深度为 30c
9、m、60cm、90cm，另一组距离排水板 15cm，深度同样为 30cm、60cm、90cm，以读取土体不同深度以及距离排水板不同距离处孔压与真空度随时间的变化。在其中一个排水板不同深度分别为 30cm、60cm、90cm处放置真空探头（如图 2-8），以测量真空度沿排水板纵向的分布。完成上述操作后，在土体上面铺设 30cm 厚砂垫层，在砂垫层中铺设滤水管，安置真空表以测量膜下真空度，在砂垫层上面铺设土工布，最后在顶部封膜。将滤管与外面的真空泵通过定制的接头相连，进行抽真空。试验过程中记录真空度、孔隙水压力以及沉降量。加固一段时间后，当真空度、孔压变化较小，并且低于设计值，沉降不在又明显变化时
10、，停止抽真空。这时打开封膜，对土体进行二次插设排水板进一步抽真空加固，并记录后续真空度、孔隙水压力以及沉降变化数据。最后比较两次加固的效果。排水板平面布置图如图 2-7 所示。5/28图 2-7 排水板平面布置图图 2-8 排水板中真空探头的分布2.42.4 试验内容试验内容为了达到前述试验目的，在试验过程中需要测量一下内容：（1）实验前测量土体的初始含水量、容重。（2）记录试验过程中的不同时刻不同深度处真空表及孔压传感器的读数。（3）通过百分表记录试验过程中不同时间土体的表面沉降。（4）当抽真空一段时间后，连续几天出水不明显，孔压及真空度上涨缓慢时，开膜测量土体不同深度及距离排水板不同距离处
11、土体的含水量以及十字板强度。测试土体的容重。（5）完成第五步后在原先排水板之间进行二次插板，排水板间距变为 15，封膜继续抽真空，其余数据记录同前一阶段。（6）试验结束后测量土体不同深度及距离排水板不同距离处土体的含水量以及十字板强度。测试土体的容重。2.52.5 一次加固试验结果分析一次加固试验结果分析2.5.12.5.1 现象描述现象描述土样装填至设定标高，排水板、真空探头、孔压传感器插放完毕，滤管砂垫层铺设完毕之后，将土体静置 30 小时后开始抽真空，抽真空前测得其自重沉降为 1.2cm，这部分沉降主要是因为土体是由含水量较高的淤泥泥浆形成的，为欠固结土，在土体自重作用和上部砂垫层重力作
12、用，土体中存在超孔隙水压力,当在土体中打设排水板后，相当于在土体中增加了排水通道，并且缩短了排水路径，超孔隙水压力迅速消散，从而产生了固结沉降。如第二章所述相同，这部分沉降为插板期间的沉降，与现场情况相同。静置 30 小时后，开启真空泵抽真空。试验开始阶段，真空表膜下真空度上升速度较快，2 小时内即达到了 60kPa 的真空度。观察孔压变化，发现孔压下降速率也较快，此时孔隙水已经开始积聚在排水系统中。初始孔压大于静水压力，表明存在由于土体自重和砂垫层自重作用产生的超孔隙水压力还没有完全消散，此时的孔压消散是由抽真空和土体重力二者联合作用的结果。观察百分表读数变化较快，6 小时内即发生了 1cm
13、 的沉降，同时土体中心部分沉降速度较边缘迅速，到了试验后期，即加固 400 小时后，整个土体上部形成坑洼状。6/28抽真空大约两小时后滤管出水管内开始有水排出，出水清澈，较为连续，出水量较大。开始出水后 10 个小时内，水流较为连续，之后变为间歇性出水，在抽真空作用的过程中间歇时间不断延长，由开始的 10 分钟逐渐延长到 1 小时，到真空预压作用后期，即连续抽真空作用持续了 300 小时后，间歇时间延长至12 小时，400 小时后则很少见到出水，间歇时间 20 至 30 小时不等。这种现象表明，在抽真空作用的过程中，排水板周围土体中的水渐渐排出，孔压得到消散，而随着抽真空作用的继续，真空度不断
14、向周围土体扩散，排水路径延长，同时由于排水板周围土体的固结，渗透系数变小，排水速率降低，砂垫层中的水有一个积聚的过程，因而才会出现间歇形排水。试验开始后的前 4 小时内未能观察到土体中真空表的读数，表明真空度由砂垫层和塑料排水板逐渐向周围土体扩散需要一个能量不断积蓄的过程，真空表读数表明浅层土体中较之深层土体首先开始形成真空度。当孔压传感器读数为负值时，土体中真空表开始有读数。之后随着负的孔压读数的增长，土体中的真空度也继续增长。膜下真空度在抽真空作用 100 小时后上升到 80kPa，之后缓慢上升到 90 kPa。随着抽气时间的增长，排水板与膜下的真空度均趋于相对稳定状态，排水板中的真空度与
15、膜下真空度的变化曲线相比，曲线形状几乎一致，在相同时间，排水板中不同深度的真空度值均低于膜下真空度并随着深度的增加而逐渐减少，呈现一定的梯度反应了排水板存在一定的井阻作用。2.5.22.5.2 沉降随时间变化分析沉降随时间变化分析试验过程中记录了不同时间的沉降值，建立了沉降与固结时间的关系曲线，如图 2-9 所示：图 2-9 沉降随时间变化曲线由曲线可以看出在抽真空初始阶段，沉降较快，最初的 50 小时内，沉降值基本呈线性增长，沉降值达到了 8cm，完成了总沉降的 40%，这也说明了土体为欠固结土，在真空预压开始的阶段是在土体自重和负的真空压力共同作用下产生固结，当土体自重产生的超孔压消散完毕
16、后，真空预压只有在负真空压力作用下固结，因而会表现出开始阶段沉降速率较快，随着时间的增长，沉降逐渐放缓，最后趋向于一个稳定值。随着土体的加固，土体孔隙比变小，渗透系数降低，真空度向距板远处土体传递的难度加大，排水固结的效率降低，这也是后期沉降速率降低的原因。同时可由上图看出，土体中心部分沉降较大，边缘处沉降值小于中心部分，差值达到 3cm。7/282.5.32.5.3 真空度随时间变化分析真空度随时间变化分析（1）膜下真空度测试成果分析图 2-10 为真空预压过程中膜下真空度随时间变化曲线，从图中可以看出，膜下真空度随着抽真空时间的增加，开始上升很快，经过 2 个小时的抽气，膜下真空度即可达到
17、 60kPa，5 天即可达到 90kPa 左右，之后一直稳定在 90kPa 左右。说明在抽真空的初始阶段，随着膜下砂垫层中的空气被迅速抽出，膜下真空度随抽气时间的增加快速上升。图 2-10 膜下真空度随时间变化曲线（2）排水板中的真空度测试成果分析随着抽真空作用的开始，首先引起膜下砂垫层中真空度的变化，由于空气的流体性质，当膜下砂垫层中的大气压发生变化，必然引起与之相通的塑排板中产生真空度，从而是负的真空压力传递的土体中，使土体中孔压不断的消散。图 2-11 排水板不同深度真空度随时间变化曲线图 2-11 为排水板不同深度处真空度随时间变化曲线，从图中可以看出，排水板中的真空度，随着射流泵抽真
18、空开始，在抽气的头几个小时，几乎与膜下真空度同时快速上升。随着抽气时间的增长，塑排与膜下的真空度均趋于相对稳定状态，塑排中的真空度与膜下真空度的变化曲线相比，曲线形状几乎一致，由于受到阻力的作用度，塑排板中的真空度随着深度的增加而逐渐减少。证明了排水板井阻现象的存在，塑料排水板中稳定后的负压分布沿深度方向的损失大约为3kPa/m，真空度的衰减率为 0.25，根据这个规律，可以计算出现场插板深度为20m 的排水板中延伸度的传递规律如图 2-12 所示：8/28图 2-12 排水板负压分布规律2.5.42.5.4 土体中的真空度测试成果分析土体中的真空度测试成果分析试验过程中对土体不同深度的真空度
19、进行了测试，土体中沿竖向真空度随时间变化曲线如图 2-13 所示：图 2-13 土中纵向真空度比较图由图 2-13 可知，土体不同深度处，真空度在抽真空作用开始时均上升较快，上升速度表现为随着深度增加递减。抽真空一段时间后土体中真空度涨速放缓，开始逐步上升，但总体趋势是趋于一个稳定的数值。浅层 30cm 深处土体中真空度最终达到-70kPa，而深层 90cm 处真空度则最终稳定在-55kPa。随深度的增加，淤泥中真空度的衰减梯度较大，远大于塑排真空度的衰减梯度。说明淤泥中的真空阻力相对较大，土体中真空度沿深度方向的损失大约为 15kPa/m。由真空度在土体中随时间变化曲线和真空度在排水板中随时
20、间变化曲线相比可以发现，真空度在土体增长是一个缓慢的增长过程，而真空度在排水板中则很快达到最大值，这说明真空度在土体中的传递是一个缓慢传递的过程，也是孔隙水压力消散过程的一个反映。9/28图 2-14 距板 5cm 处土体和排水板中真空度变化曲线图 2-14 为距离排水板 5cm 处土体中的真空度，由上图可见，随着抽真空开始，在抽气的头几个小时，板外近距离的土体几乎与对应深度排水板中真空度同时快速上升。随着抽气时间的增长，塑排与土体的真空度均趋于相对稳定状态。试验开始阶段二者真空度差值在 10 kPa 左右，随着抽真空的继续，差值不断减小，最终土体中的真空度逐渐与排水板吻合，表明真空能量的传递
21、是需要一个长期的过程。图 2-15、2-16 为土体在某一深度处距离板不同距离处的真空度随时间的变化曲线，由图可知，在横向距离板越远土体中的真空度越小，通过建立真空度离排水板的距离之间的关系可以发现真空度在横向上也存在递减现象，也可以建立类似竖向排水板中孔压递减规律，如图2-17 所示。图 2-15 土体中 30cm 深度处离板不同距离的真空度变化曲线10/28图 2-16 土体中 60cm 深度处离板不同距离的真空度变化曲线图 2-17 离板不同距离处真空度的变化曲线由以图 2-15图 2-17 可以看出，距排水板不同距离处土体中的真空度的横向分布规律是随着与排水板水平距离的加大，土体中的真
22、空度逐渐变小。表现为真空度沿着土体横向的逐步衰减，这种衰减的幅度又随着土体深度的加大逐渐扩大。2.5.52.5.5 孔压随时间变化分析孔压随时间变化分析试验过程中对孔压进行了测试记录，研究土体中不同位置的孔压变化规律，图 2-18、图 2-19 为土体内不同位置的孔压的变化曲线：11/28图 2-18 距板 15cm 处不同深度的孔压变化曲线图 2-19 距板不同距离处土体内孔压变化曲线由以上两图可以看出，淤泥中的孔隙水压力随着抽真空开始迅速下降，逐渐产生负的孔隙水压力，随着抽真空时间的增加，孔隙水压力负值增大，孔隙水压力下降幅度逐渐变小。由曲线图可以看出，不同土体深度处孔压的变化量明显不同，
23、浅层 30cm 处孔压变化最大，由初始的 5kPa 变为最终的-70kPa。60cm 深度和 90cm 深度孔压变化量明显小于 30cm 深度的孔压变化，达到的最大孔压值为-52kPa 和-48kPa。这从另一个侧面说明了排水板中真空度传递的井租作用。图中60cm 和 90cm 深度孔压变化曲线有所交错，主要可能是因为排水板的弯曲变形，导致孔压计与排水板距离的变化，从而引起孔压数值不能真实反应设定位置的真实位置。另外，距排水板不同距离处土体中的孔压消散表现为与真空度类似的横向分布规律。随着与排水板水平距离的加大，土体中的孔压消散逐渐变小。2.5.62.5.6 真空度与孔隙水压力关系曲线及分析真
24、空度与孔隙水压力关系曲线及分析真空度与孔隙水压力作为两个不同的概念，前者描述气体状态，后者描述液体状态，两者之间存在着怎样的关系需要通过试验数据来研究，为了探索孔压传感器测出的孔隙水压力和真空表的读数之间的关系，对同一深度距板同样距离处孔压和真空度进行了测试，发现在数值上存在着近似的关系。图2-20、2-21 分别为 30cm 和 60cm 深度的孔压与真空度的关系曲线。12/28图 2-20 30cm 深度孔压差与真空度关系曲线图 2-21 60cm 深度孔压差与真空度关系曲线由以上两图可以看出，孔压和真空度的发展趋势相同，数值上比较一致。但在一些位置上也存在着一定的差别。有的文献提出，随着
25、水位线的降低，真空度可能不能真实的反应土体中的孔隙水压力，本试验中土体为饱和状态，水位线可以认为在土体表面，在抽真开始阶段可以观察到真空软管中有水出现，抽真空过程中，软管中水位逐渐下降，由于本试验模型较小，土体深度为 1m，下降幅值不会太大，另外土层的沉降值也较小，考虑两者的综合作用，真空度与孔隙水压力的读数差值误差在 10kPa 以内，这与试验测试结果相符合，证明上述推理是符合实际情况的。2.5.72.5.7 土体加固效果土体加固效果2.5.7.12.5.7.1 土体含水量及容重变化土体含水量及容重变化第一阶段真空预压持续 530 小时后，打开密封膜，去除砂垫层，对土体的加固效果进行定量测试
26、，用螺旋式取土器取不同深度的土样，对其进行含水量测试，土体不同深度处含水量的变化曲线如图2-22 所示：13/28图 2-22 不同深度处土体的含水量由上图可见，土体含水量大约在 50%左右，土体初始含水量在 90%，下降了35%-50%，加固效果较为明显。此外，土体中含水量沿着深度方向下降幅度不一致，浅层土体由于土体中真空度较高，孔隙水压力消散较快，排水路径较短，含水量下降幅值比深层大。用环刀取表层土体，做容重测试，测出土体的容重值为 16.28kN/m3，土体的初始容重为 14.79kN/m3，容重得到了增长，这主要是因为随着土体中水分的排出，土体的含水量下降，而土颗粒的密度比水大，使得容
27、重值变大。2.5.7.22.5.7.2 加固后十字板强度加固后十字板强度本试验所采用的仪器为英国 ELE 公司生产的“H-60 Hand-Held Vane Tester”,见图 2-23，该仪器测试精准且操作方便，已在世界范围内得到广泛的应用；该仪器包含三种类型的十字板头，分别为 16*32mm，20*40mm，25.4*50.8mm；其对应所测得的不排水强度范围分别为 0-50 kPa，0-100 kPa，0-200kPa。图 2-23 H-60 现场十字板仪本试验在场地中一共选取 3 个位置，分别对深度为 0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm 和 60cm 的土层进行
28、测试，试验时将 H-60 十字板直剪仪插入土体中，旋转上部的手柄（见图 2-24），直至土体发生破坏，读取此时的刻度值，所测得值为原状土的抗剪强度值，然后对该处的重塑土进行十字抗剪强度试验，测得重塑土的抗剪强度值，据此可以计算土体的灵敏度。14/28图 2-24 测试土体的抗剪强度根据以上方法对加固后土体进行十字板试验，取不同位置的十字板强度，建立了距排水般不同距离处土体十字板强度随深度的变化曲线，如图2-25 所示：图 2-25 距排水板不同距离处土体十字板强度随深度变化曲线根据以上关系曲线可知原状土的十字板强度随土体的深度有不断减小的趋势，上部土体强度提高幅度较大，下部土体提高幅度较小，这
29、与现场情况基本相同，真空预压加固到停止的标准后，土体的强度只有上部提高的比较明显，即使再延长加固时间也不能使十字板强度进一步提高。由实验得出的十字板抗剪强度可知，加固后土体的抗剪强度介于 30-60kPa之间，但是随着深度的增加土体十字板强度急剧下降，这在现场监测中也发现类似的现象。另外，还可以观察到距离排水板较近的土体十字板强度较高，这与土体中真空度以及孔压消散的规律相似。2.62.6 二次加固试验结果分析二次加固试验结果分析2.6.12.6.1 真空度随时间变化分析真空度随时间变化分析二次插板后，对土体进行二次加固，加固过程记录了不同时刻膜下真空度和15/28板中真空度随时间的变化曲线，如
30、图2-26 所示：图 2-26 排水板不同深度真空度随时间变化曲线由于进行了一次加固后，土体达到了一定的密实度，所以试验开始阶段膜下真空度上升速度较快，半小时内即达到了 80kPa 的真空度，随后 1 小时内达到90kPa。之后一直稳定 90kPa 左右。从图中可以看出，排水板中的真空度，随着抽真空开始，在抽气的头几个小时，几乎与膜下真空度同时快速上升。随着抽气时间的增长，排水板与膜下的真空度均趋于相对稳定状态，排水板中的真空度与膜下真空度的变化曲线相比，曲线形状几乎一致，由于受井阻作用，塑排板中的真空度随深度出现同一次加固相同的衰减规律。这说明真空预压进行地基加固过程中，真空度沿排水板的衰减
31、具有普遍的规律，这为以后的真空预压有限元计算和相关的计算研究提供了依据。2.6.22.6.2 沉降随时间变化分析沉降随时间变化分析固结沉降实衡量真空预压地基加固的一个重要因素，试验过程中对土体表面的沉降量进行了记录，建立了沉降量随时间变化曲线，如图2-27 所示：图 2-27 沉降随时间变化曲线上图表明二次抽真空开始的头 10 个小时，土体沉降较为迅速，达到了 2mm/小时，之后沉降速度放缓，逐渐趋向于一个稳定值，可见沉降曲线呈抛物线型。在连续加固 50 小时后土体沉降值达到 1.2cm，期间土体沉降速度比一次加固后期快，土体的最终沉降值近 3cm。表明二次插板加固能够有效的对土体进行进一步的
32、加固，提高了加固效果。2.6.32.6.3 孔压随时间变化分析孔压随时间变化分析试验过程同时对土体中不同深度的孔隙水压力进行了测试记录，建立了孔压16/28随时间的变化曲线，如图2-28 所示：图 2-28 二次加固孔压变化曲线由上图可见，二次插板抽真空开始阶段，土体各深度仍有负的超级孔隙水压力存在，并且表现为深处大于浅层的现象，这主要是由于，前后两次插板抽真空间隔的时间较短，土体中的负压未能及时消散。随着抽真空的开始，土体中的孔压迅速下降，在开始的 50 小时内孔压消散大致呈线性增长。连续抽真空 100 小时之后不同深度土体中的孔压消散值基本达到一次加固后期的水平，之后的 200小时，孔压继
33、续消散，但消散速度明显减缓，最终各深度土层中的孔压值趋于稳定。二次加固后期中的孔压值普遍达到-75kPa 以上，浅层 30cm 土体达到了-80kPa，与一次加固相比，孔压得到了进一步消散，土体得到更好的加固，因此，二次插板加固的试验方法有助于提高真空预压加固土体的加固效果，具有实际的工程意义，是一种值得进一步研究的施工工艺。2.6.42.6.4 二次加固效果分析二次加固效果分析2.6.4.12.6.4.1 土体含水量及容重变化土体含水量及容重变化二次加固预压持续 330 小时后，打开密封膜，去除砂垫层，对土体的加固效果进行定量测试，用螺旋式取土器取不同深度的土样，进行含水量测试，土体不同深度
34、处含水量的变化曲线以及与一次加固后土体含水量比较如图 2-29 所示：17/28图 2-29 土体不同深度含水量由上图可见，二次加固后土体含水量在一次加固后含水量的基础上进一步下降，含水量继续下降了大约在 10%左右，表明二次插板后土体得到了进一步加固。含水量下降幅值与一次加固相比，在土体下部下降幅度较大。用环刀取表层土体，做容重测试，测出土体的容重值为 17.41kN/m3，土体的初始容重为 14.79kN/m3，第一阶段抽真空后土体容重为 16.28kN/m3，容重得到了进一步增长。2.6.4.22.6.4.2 十字板强度增长十字板强度增长二次加固结束后，对土体不同位置的十字板强度进行测试
35、，分别建立了二次加固离板不同距离处土体十字板强度与深度的关系曲线、同一位置两次加固后土体十字板强度的比较曲线，如图 2-30 所示：图 2-30 排水板外不同距离处土体十字板强度随深度变化曲线图 2-31 两次加固距板 10cm 处土体十字板强度比较18/28图 2-32 两次加固距板 15cm 处土体十字板强度比较根据以上关系曲线可知，经过二次插板抽真空，土体的抗剪强度得到了进一步提升，抗剪强度平均提高了 5-10kPa，加固效果较为明显，十字板强度的增长主要体现在下部土体强度的增长上，从强度角度上讲，二次加固解决了吹填土地基加固后上部土体强度增长明显，下部土体强度增长较小的问题。表明二次插
36、板再次加固方法是对吹填土地基实有效可行的。2.72.7 吹填土地基加固效果评价及原因分析吹填土地基加固效果评价及原因分析随着造陆区域范围的扩展，原地面的标高越来越低，目前天津滨海新区围海造陆的区域由原来的+2.0m 降低到-2.0m 以下，使得吹填土越来越厚，现在已经接近 10m。吹填土的含水率一般在 80%以上，常用的真空预压手段的加固效果很难保证达到设计要求，并且与理论计算结果有很大差距。根据现行的真空预压的有关规程，停止真空预压的控制标准是变形不超过5mm/天。但检测结果表明，在变形达到该稳定标准后，表层土体表面十字板强度可以达到 40kPa 左右，地表 3-4m 以下土体十字板强度只有
37、 10kPa 左右，下面的吹填土的加固效果更差。即使延长加固时间也不能使加固效果明显改善。加固的实际效果是形成了一个表面的硬壳层。在使用阶段，未得到很好加固的硬壳层以下的吹填土层实际上控制着地基承载力与工后沉降。这种现象一直没得到合理的解释，这个问题也没有得到很好的解决。为了探索这种现象产生的原因和解决问题的方法，本文进行了特殊设计的超软土真空预压模型试验。试验结果表明超软土的大变形使排水板发生扭曲变形甚至折断，其排水功能随时间不断降低，导致真空预压达不到预期的加固效果。为了进一步探索提高加固深厚吹填土的有效的加固方法，进行了二次插板预压试验。通过比较一次加固和二次加固孔压消散、含水量变化和十
38、字板强度，探究一次加固效果欠佳的原因。2.7.12.7.1 两次加固的孔压变化两次加固的孔压变化图 2-33 为一次插板模型试验过程中孔压变化曲线，图 2-33 记录了土体中不同深度处的孔压变化曲线，由曲线可知，在加固 440 小时后土体中的孔压消散基本达到稳定，440550 小时过程中孔压值基本上没有什么变化，从曲线可以看出，土体加固已经达到了一个稳定状态，但此时浅层土体孔隙水压力只有-70kPa左右，而深层的空隙水压力只有-40kPa 左右，比施加的真空度 90kPa 相差还很大，说明土体还没有完全固结。19/28图 2-33 不同深度处孔压随时间变化曲线图 2-34 为二次插板再加固模型
39、试验过程中孔压变化曲线，由曲线可知，在加固 250 小时后土体中的孔压消散基本达到稳定，最终孔隙水压力达到了-85kPa左右，几乎接近施加的真空度 90kPa，说明土体基本固结完毕。图 2-34 二次插板土体孔压随时间变化曲线由一次插板加固和二次插板加固的孔压变化曲线可知，一次插板加固达到稳定时浅层孔压值达到-70kPa 左右，深层只有-40kPa 左右，已经很难使孔隙水压力继续降低，而二次插板再加固可以使孔压继续降到-85kPa 左右，几乎接近了真空度的施加值 90kPa。说明在第一次插板加固后期排水板的效率已经大大降低或局部失效，从而使真空预压加固效率很低，孔隙水压力很难进一步降低，以致达
40、不到预期效果。二次插板再加固能够使土体进一步固结，孔压进一步降低，基本接近排水板中真空度。从孔隙水压力变化曲线来看，二次插板再加固在很大程度上提高了加固效果。2.7.22.7.2 两次加固后含水量比较两次加固后含水量比较分别对一次插板和二次插板加固后的含水量进行测定，取不同深度处的含水量，作含水量与深度的关系曲线，如图 2-35 所示，由图可见，一次插板加固后土体含水量大约在 47%-55%左右，土体初始含水量在 85%，下降了 30%-38%。此外，土体中含水量沿着深度方向下降幅度不一致，含水量变化上部明显大于下20/28部含水量变化。二次插板再加固后含水量大约在 38%-47%之间，比一次
41、插板加固含水量又降低了 10%左右，说明二次插板再加固能在很大程度上将含水量进一步降低。由曲线可以看出，在深度 40cm 以下含水量降低较多。这在一定程度上说明了在 40cm深度以下排水板的功能降低较多。这与后面排水板的变形范围较吻合。由含水量的变化曲线可知，二次插板再加固能够使土体的加固效果在很大程度上得到了提高。图 2-35 土体不同深度含水量2.7.32.7.3 十字板强度十字板强度图 2-36、2-37 为一次插板和二次插板加固后十字板强度随深度的变化曲线，由曲线可知，一次插板加固后，十字板强度随深度增加急剧下降，因为实验为双面排水，所以底部强度有所增加。二次插板再加固后十字板强度随深
42、度递减率得到了很大的改善，不像一次插板加固下降那么急剧。由曲线可以发现十字板强度在二次插板再加固后增加量比较大的是 20cm 下部分。这充分说明了一次插板加固后期排水板下部的效率降低甚至失效。二次插板再加固后下部强度明显增大。21/28图 2-36 离板 10cm 处两次插板强度随深度变化图 2-37 距板 15cm 处两次插板十字板强度随深度变化22/28图 2-38 二次插板十字板强度增量随深度变化曲线图 2-38 为二次插板再加固后较一次插板加固后十字板强度增量随深度变化曲线，由图可知，二次插板再加固后的强度增长量在排水板下半部分增加的比较多，这充分的说明了排水板下部在一次插板加固过程中
43、效率降低。根据以上关系曲线可知，经过二次插板抽真空，土体的抗剪强度得到了进一步提升，十字板强度平均提高了 6-16kPa，加固效果较为明显，表明二次插板再加固的方法是有效可行的，说明二次插板再加固有效的解决了一次插板中排水板失效问题，使得真空度能够在土体中得到更大范围的传递，从而加快了土体的排水固结，提高了真空预压后期的效率。由以上得出的孔隙水压力、含水量、十字板强度变化规律可知，高含水量的超软土地基真空预压一次加固效果欠佳，通过二次插板再加固可获得较好的加固效果，二次加固后含水量进一步降低，十字板强度得到了进一步的提高，并且沿深度十字板强度衰减幅度得到了很大的改善。2.7.42.7.4 一次
44、加固效果欠佳原因分析一次加固效果欠佳原因分析为了探究一次加固效果欠佳的原因，在模型土样开挖一个剖面，露出土体中的排水板，发现一次插板加固阶段的排水板产生了弯曲和折断现象，二次插板阶段的排水板没有明显的变形，如图2-39-图 2-42 所示：23/28图 2-39 一次插板排水板弯曲变形图 2-40 排水板“Z”型弯曲变形24/28图 2-41 排水板变形范围的测量图 2-42（a）两次加固排水板弯曲变形比较25/28图 2-42(b)两次加固排水板弯曲变形比较图 2-43 排水板弯曲变形尺寸图（cm）通过图 2-43 可以发现，一次插板阶段的排水板上半部分出现较大的“S”型弯曲变形，部分出现了
45、死角，部分产生“Z”字形弯曲，某些局部出现折断现象，这使排水板在一定范围内失去传递真空度、排水通道的作用。通过测量某一代表性的变形后的排水板，发现上部 42cm 的排水板变形较大，折角较尖锐，而下部40cm 基本没有变形。产生这种变形的原因主要是在一次插板加固过程中高含水量的超软土产生很大的沉降变形，从而导致排水板在上部压力作用下发生屈曲，26/28产生很大的弯曲变形，甚至出现死角、折断现象，阻止了水体从土体中顺畅的排出，从而降低了排水板的原有的功能，在某些范围出现失效现象。这也是高含水量超软土在真空预压加固一段时间后孔压、沉降都趋于稳定时，土体的含水量在一定深度范围内还很高，十字板强度出现骤
46、减的原因所在。由于排水板的这段变形，同样会是真空度沿深度难以传递，从而使下部土体加固效果大大降低。二次插板加固阶段的排水板没有明显的弯曲变形，基本上保持了原来竖直状态，所以二次插板能有效的完成一次插板没有完成的固结，使土体的含水量进一步降低，十字板强度有很大的提高，特别是一次插板下部排水板失效范围内的土体强度提高很大。图 2-43 为排水板变形范围，在上部 40cm 范围内产生明显的变形，从而使 40cm 以下部分排水板的效率明显降低，这与图2-35 中含水量随深度变化曲线相吻合，曲线显示在二次插板后 40cm 以下含水量变化较大。通过比较两次加固后的孔压、含水量和十字板强度可以得出高含水量的
47、吹填土地基真空预压一次加固效果欠佳，主要原因为：（1）真空预压法加固含水量较高的深厚吹填土地基时，地表会有很大的压缩变形，吹填土的大变形造成排水板发生很大的扭曲变形，甚至出现折断现象，其排水功能随时间不断降低，导致达不到预期的加固效果。（2）通过对加固土体剖面排水板的变形进行分析，认为排水板弯曲变形，产生死角、折断现象是产生排水板功能降低的主要原因。通过对排水板变形的范围的测量，发现扭曲变形部分主要出现在排水板的上半部分，在中间位置会出现死角或折断，从而导致下半部分排水板失效或功能降低，通过十字板强度规律同样可以发现，在进行二次插板加固后，十字板强度增长主要体现在土体下部的强度增长上。在加固土
48、体变形基本稳定后，进行了二次插板再加固的试验，通过对加固后土体的沉降、含水量、十字板强度的比较，表明土体的沉降进一步发展，含水量进一步降低，十字板强度进一步提高，且十字板强度沿深度递减幅度得到了很大的改善。说明采用二次插板再加固才能使吹填土产生较好的加固效果。建议在类似这种高含水量的深厚超软土真空预压加固时采用二次插板再加固，以获取较好的加固效果。2.82.8 试验结论试验结论通过两个阶段的抽真空试验，可以得出以下实验结论：（1）通过对排水板不同深度真空度的测试，可以发现沿排水板深度方向，真空度按照一定的斜率衰减，衰减率为-3kPa/m，在真空预压计算时，考虑真空度的衰减现象。通过对土体内不同
49、位置真空度的测试，发现土体沿深度方向具有类似的衰减规律，但衰减率比较大，约为 15kPa/m。（2）通过对土体中横向真空度的测试可得出，距排水板不同距离处土体真空度随着水平距离的加大，逐渐变小。（3）通过对同一位置的真空度和孔隙水压力对比可以发现，二者在数值上存在着近似的关系，在实际工程中可以由孔隙水压力计代替真空表装置，反应土体中的真空状态。（4）通过对一次加固和二次加固加固效果比较可知，对含水量较高的吹填土地基而言，一次加固不能取得良好的加固效果，需要对其进行二次加固，从而使含水量进一步降低，十字板强度进一步提高。（5）通过对加固后排水板变形研究，得出排水板出现很大的扭曲变形，甚至折断现象是导致一次加固效果欠佳的原因。由于排水板的扭曲变形，降低了排水板的工作效率，从而很难进一步对土体进行加固。27/28（6）通过二次插板对土体进行再加固可以使加固效果进一步提高，建议在含水量较高的吹填土地基进行真空预压时进行二次插板再加固。28/28