處理超軟土真空預(yù)壓的新方法及室內(nèi)試驗(yàn)研究

王波 ，陳庚 *，陳永輝 ，2，徐鍇

（1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

航道疏浚、圍墾工程等常需要處理高含水率、高壓縮性、低滲透性的土體（下述為超軟土）。對(duì)于超軟土的處理，真空預(yù)壓法在施加真空過(guò)程中在土體中不產(chǎn)生剪應(yīng)力，從而對(duì)施工承載力沒(méi)有要求，因此真空預(yù)壓法是超軟土處理的一種有效方法，具有加固效果好、造價(jià)低和工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

目前有關(guān)真空預(yù)壓法處理軟土的研究：真空預(yù)壓處理超軟土效果與被處理超軟土特性之間的關(guān)系方面，馮軍等[1]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，認(rèn)為飽和軟土中黏粒含量高，對(duì)孔隙水的吸附作用大，是導(dǎo)致真空預(yù)壓加固流泥效果較差的原因之一。為提高真空預(yù)壓處理效果，縮短處理時(shí)間，諸多學(xué)者也做相關(guān)研究，如武孟瓊等[2]進(jìn)行了底部抽真空加固淤泥的試驗(yàn)，認(rèn)為底部抽真空的加固效果要優(yōu)于上部抽真空；李麗慧等[3]進(jìn)行了立體式真空降水法室內(nèi)試驗(yàn)，認(rèn)為該方法能使淤泥土的自然沉淀和加固同時(shí)進(jìn)行，從而縮短地基的加固時(shí)間；孫立強(qiáng)等[4-5]進(jìn)行了超軟土的真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)，認(rèn)為二次插板可以改善土體的加固效果。馮會(huì)芳[6]采用淺層與深層相結(jié)合的兩次真空預(yù)壓先后對(duì)新近吹填淤泥形成的超軟土地基進(jìn)行了加固處理，認(rèn)為兩次加固效果明顯，且成本偏高。除排水體的選擇與布置外，載荷施加過(guò)程中的控制對(duì)處理效果也有明顯影響，Myint等[7]在單向固結(jié)試驗(yàn)中研究了不同正壓加載速率（0.66～6.66 Pa/s）對(duì)沉降和孔壓的影響，并認(rèn)為線(xiàn)性加載與瞬時(shí)加載對(duì)地基的加固效果存在差異；周源等[8]針對(duì)泥漿淤堵排水通道的問(wèn)題，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證透氣真空處理高含水率泥漿的可行性和有效性。

為提高真空預(yù)壓處理超軟土的處理效果，本文提出一種新的真空載荷施加方式，即異步真空吸水法。室內(nèi)試驗(yàn)采用異步真空載荷施加，并與常規(guī)的真空載荷施加方式進(jìn)行對(duì)比，從排水量、處理后土體含水率及強(qiáng)度增長(zhǎng)等方面分析不同真空載荷加載方式對(duì)處理效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，相同預(yù)壓時(shí)間下，異步真空吸水法處理效果優(yōu)于傳統(tǒng)的真空預(yù)壓法。

1 異步真空吸水法介紹

由于超軟土的自身特性（尤其是黏性含量較多的土體），盡管采用分級(jí)加載真空預(yù)壓方式，排水通道附近土體顆粒仍會(huì)向其方向聚集，在排水通道一定范圍內(nèi)形成致密的弱透水層，這不僅影響工程加固效果，也會(huì)影響工程工期及造價(jià)。

有異于現(xiàn)行的真空預(yù)壓法真空度的控制，該法的目的在于通過(guò)對(duì)豎向排水體同時(shí)施加不同的真空負(fù)壓，即通過(guò)對(duì)豎向排水體（下以塑料排水板為例）的間隔連接及真空度的差異選擇，實(shí)現(xiàn)異步真空吸水。塑料排水板的間隔連接，采用塑料排水板直連板頭分別與塑料排水板和三通接頭相連，再利用PU氣管對(duì)三通接頭進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)塑料排水板的間隔連接；真空度的差異選擇，即保證在同一時(shí)刻相鄰豎向排水板內(nèi)真空度不同的前提下對(duì)水平排水主管內(nèi)的真空度進(jìn)行高低循環(huán)調(diào)節(jié)，使不同真空度傳遞至已打設(shè)完成的相鄰塑料排水板，連接示意圖如圖1所示。

圖1 異步真空吸水法布置圖Fig.1 Layoutofasynchronous vacuum suctionmethod

異步真空吸水法的原理如圖2所示，相鄰的塑料排水板PVD-1與PVD-2通過(guò)不同的水平連接管進(jìn)行聯(lián)通，以保證PVD-1與PVD-2內(nèi)真空度不同。

排水固結(jié)第1階段（t1時(shí)刻段），PVD-1內(nèi)真空度大于PVD-2內(nèi)真空度，使得PVD-1內(nèi)的排水量大于PVD-2內(nèi)排水量，此時(shí)超軟土中的細(xì)顆粒會(huì)隨孔隙水的排水主要向PVD-1遷移。

圖2 異步真空吸水法原理圖Fig.2 Schematic ofasynchronousvacuum suctionmethod

排水固結(jié)第2階段（t2時(shí)刻段），調(diào)節(jié)水平排水管的真空度，使得PVD-1內(nèi)真空度小于PVD-2內(nèi)真空度，此時(shí)，PVD-1內(nèi)的排水量小于PVD-2內(nèi)的排水量；根據(jù)排水量的變化量，重復(fù)上述兩步，直至調(diào)節(jié)至PVD-1內(nèi)的真空度等于PVD-2內(nèi)的真空度（t3時(shí)刻段）。

此過(guò)程中，土顆粒在排水過(guò)程中不再朝固定的排水體方向單向運(yùn)動(dòng)，緩解或消除同時(shí)施加相同真空度條件下的土顆粒定向均布遷移造成的排水體的淤堵，從而推遲排水管道及附近土體的淤堵時(shí)間，提高處理效果。

2 試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)

取申嘉湖航道嘉興段疏浚淤泥，取樣已疏浚堆放3個(gè)月的土樣，灰褐色，成流塑狀，平均含水率為35.6%。采用密度計(jì)法進(jìn)行土體顆粒分析，發(fā)現(xiàn)粒徑小于0.075mm的細(xì)粒土含量為52%，屬細(xì)粒土；疏浚淤泥土塑限為18，液限為35，塑性指數(shù)為17，屬低液限黏土。表1為試驗(yàn)用超軟土的基本物理力學(xué)性質(zhì)。

表1 超軟土的基本物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physicalandmechanicalparametersof ultra softsoil

為模擬超軟土的形成及特征，室內(nèi)配置超軟土，將疏浚淤泥晾曬，并用碎土機(jī)進(jìn)行破碎，過(guò)0.5 mm的篩后，按初始含水率105%（3倍液限）配置，分別稱(chēng)取對(duì)應(yīng)的土、水，采用電動(dòng)攪拌器制成泥漿，靜置1周后待其沉降穩(wěn)定后除去表層水，檢測(cè)土體含水率，測(cè)其含水率為66.7%，為液限的1.9倍，對(duì)配置桶內(nèi)的超軟土做十字板剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，幾乎無(wú)抗剪強(qiáng)度（配置筒深度0.5m）。

3 低壓蒸發(fā)試驗(yàn)及分析

進(jìn)行超軟土室內(nèi)真空預(yù)壓試驗(yàn)時(shí)，儲(chǔ)水器中的水會(huì)在低壓條件下進(jìn)行水分蒸發(fā)。為消除該因素對(duì)排水量的影響，首先進(jìn)行低壓蒸發(fā)的真空預(yù)壓模型試驗(yàn)，在常溫20℃、常壓45 kPa下進(jìn)行水量標(biāo)定。為滿(mǎn)足試驗(yàn)條件，本次試驗(yàn)在地下室（溫度變化：20℃±2℃）進(jìn)行并采用調(diào)節(jié)螺栓維持真空壓力不變，試驗(yàn)布置及儀器如圖3所示。

圖3 低壓常溫下水分蒸發(fā)試驗(yàn)Fig.3 M oisture evaporation testunder low pressure at room tem perature

考慮到T形管試驗(yàn)采用15kPa—30 kPa—45 kPa的真空吸力進(jìn)行，而本試驗(yàn)主要目的是為了消除蒸發(fā)因素對(duì)T形管2組對(duì)比試驗(yàn)的影響，故采用常壓45 kPa進(jìn)行試驗(yàn)。儲(chǔ)水器中原有水量66.48 g，試驗(yàn)整點(diǎn)時(shí)刻記錄剩余水量，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)水量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖Fig.4 Variation of evaporation water flowsw ith time

4 異步真空吸水法室內(nèi)試驗(yàn)

為模擬超軟土異步真空吸水法，室內(nèi)采用T形管來(lái)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)（圖5所示），通過(guò)T形主管左右管連接真空泵施加真空荷載，管中充滿(mǎn)超軟土，副管中超軟土通過(guò)密封膜進(jìn)行密封處理。

圖5 T形管試驗(yàn)?zāi)M排水板示意圖Fig.5 T-tube testsimulates the drainage board schematics

在T形管主管左右抽真空處分別放置塑料排水板芯板和濾膜，尺寸直徑均為85 mm，略大于T形管主管直徑（80mm）。該裝置是為模擬塑料排水板徑向排水條件下超軟土在滲流力作用下的固結(jié)特性。本試驗(yàn)儀器中，在同一時(shí)刻左右管分別施加不同的真空度來(lái)模擬連接排水體內(nèi)差異真空的控制。

首先進(jìn)行常規(guī)真空預(yù)壓試驗(yàn)，即左右排水截面同時(shí)施加某一真空度（本試驗(yàn)為45 kPa），異步真空步驟見(jiàn)表2，即在相同時(shí)刻在T形管兩側(cè)采用2種不同真空度的水平排水管使相鄰水平排水體內(nèi)形成大小不同的真空負(fù)壓，初始時(shí)刻高真空度的水平排水管內(nèi)真空度控制在30 kPa，低真空度的水平排水管內(nèi)真空度控制在15 kPa，不同真空度的排水管內(nèi)真空度差異值保持在15 kPa之間，異步調(diào)節(jié)左右兩管的真空度，以?xún)?chǔ)水器水量不再增長(zhǎng)時(shí)開(kāi)始真空度調(diào)節(jié)，2次調(diào)節(jié)分別在30 h和45 h時(shí)進(jìn)行，整個(gè)吸水過(guò)程持續(xù)60 h（60 h后儲(chǔ)水器內(nèi)的水量變化量為0，故停止真空泵工作）。

表2 異步真空吸水法真空控制步驟Table 2 The controlstepsof asynchronous vacuum method

4.1 排水量變化分析

圖6為常規(guī)真空預(yù)壓和異步真空吸水試驗(yàn)排水量和膜下真空度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線(xiàn)。通過(guò)低壓常溫下的水分蒸發(fā)的補(bǔ)充，可得出排水量隨時(shí)間變化的試驗(yàn)曲線(xiàn)和修正曲線(xiàn)。常規(guī)真空預(yù)壓從開(kāi)始至排水量曲線(xiàn)趨于平緩共用時(shí)間60 h，排水量161.8 g；異步真空吸水預(yù)壓共用時(shí)間60 h，排水量211.6 g，最終排水量比常規(guī)預(yù)壓試驗(yàn)增加30.8%。由圖中可以看出異步真空吸水試驗(yàn)在30 h和45 h時(shí)曲線(xiàn)趨于平緩，排水速率降低，故此時(shí)改變T形管左右兩端真空壓力，使得排水速率進(jìn)一步提高。圖中常規(guī)預(yù)壓試驗(yàn)在30 h時(shí)排水量大于異步真空試驗(yàn)，隨后曲線(xiàn)趨于平緩（低壓蒸發(fā)作用）；異步真空吸水試驗(yàn)在30 h，45 h改變真空壓力后曲線(xiàn)斜率陡然升高，排水速率增大。

圖6 排水量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation of drainage flowsw ith time

在真空預(yù)壓處理超軟土?xí)r，必然發(fā)生黏土細(xì)顆粒向排水板聚集淤堵，當(dāng)采用異步真空吸水，左右兩端真空吸力大小發(fā)生轉(zhuǎn)變后，黏土細(xì)顆粒會(huì)隨著孔隙水的滲流力方向而相向調(diào)節(jié)，減緩其在排水體附近的聚集狀況，有利于孔隙水的排水。

4.2 真空度及含水率變化分析

圖7中常規(guī)預(yù)壓試驗(yàn)距T形管左管10 cm、35 cm處的真空表在42min開(kāi)始出現(xiàn)讀數(shù)11 kPa、11.5 kPa，到3 600 min最終讀數(shù)為35 kPa、34.5 kPa；而異步預(yù)壓試驗(yàn)在3 600 min最終讀數(shù)為40.5 kPa、42 kPa，表明在常規(guī)一次加荷45 kPa時(shí)，黏土顆粒在較大真空吸力作用下造成的淤堵?tīng)顩r較嚴(yán)重。圖8是2組試驗(yàn)處理后T形主管中土體含水率，常規(guī)預(yù)壓法處理后的土樣含水率均比異步預(yù)壓法高4.5%左右，說(shuō)明異步真空吸水法降低超軟土含水率的效果優(yōu)于傳統(tǒng)真空預(yù)壓法。

圖7 T形主管中真空度變化曲線(xiàn)Fig.7 The curve of vacuum degree in the T-director

圖8 T形主管中含水率變化曲線(xiàn)Fig.8 The curveofmoisture content in the T-director

4.3 十字板抗剪強(qiáng)度分析

十字板剪切儀選用（PS-VST-P）型便攜式十字板剪切儀，待試驗(yàn)排水過(guò)程結(jié)束后，將T形管左管取下并使左管面豎直向上，然后將剪切儀刻度調(diào)至零并垂直插入左管土樣中間，順時(shí)針?lè)较蚓鶆蜣D(zhuǎn)動(dòng)至停止，記錄剪切儀刻度，右管重復(fù)上述步驟完成相應(yīng)試驗(yàn)。表3中常規(guī)預(yù)壓試驗(yàn)十字板抗剪強(qiáng)度為19.50 kPa，異步預(yù)壓試驗(yàn)則為27.56 kPa，采用異步真空吸水后的強(qiáng)度是傳統(tǒng)真空管預(yù)壓強(qiáng)度的1.4倍，表明異步預(yù)壓試驗(yàn)處理的效果要好于常規(guī)預(yù)壓試驗(yàn)。

表3 十字板抗剪強(qiáng)度Table 3 Vane strength kPa

5 結(jié)語(yǔ)

1）在真空預(yù)壓室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，需考慮低壓蒸發(fā)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。通過(guò)室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)表明：在溫度、壓力和蒸發(fā)面積一定時(shí)，蒸發(fā)水量隨時(shí)間成線(xiàn)性關(guān)系。在分析室內(nèi)真空預(yù)壓的排水量變化時(shí)，需進(jìn)行低壓水分蒸發(fā)的補(bǔ)償。

2）異步真空吸水法是指通過(guò)對(duì)豎向排水體的間隔連接及真空度的差異選擇，實(shí)現(xiàn)相同時(shí)間下相鄰排水體內(nèi)差異真空，并根據(jù)其出水量進(jìn)行真空度的調(diào)節(jié)，以緩解黏土顆粒的聚集淤堵影響排水效果。

3）通過(guò)模型試驗(yàn)表明，在相同預(yù)壓時(shí)間內(nèi)，異步真空吸水法的排水量較傳統(tǒng)真空預(yù)壓法提高29.3%，處理后土體含水率較傳統(tǒng)方法降低4.5%，十字板剪切強(qiáng)度提高30%。因此，對(duì)于高含水率高流動(dòng)性的超軟土而言，異步真空吸水法是一種有效提高處理效果的真空吸水方法。

[1] 馮軍，劉愛(ài)民，高志義.真空預(yù)壓加固流泥效果分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2011，31（2）：35－38.FENGJun,LIUAi-min,GAOZhi-yi.Effectanalysisofstrengtheningmud flow by vacuum preloading[J].China Harbour Engineering,2011,31(2)：35-38.

[2] 武孟瓊，王保田.底部抽真空法在圍墾工程中優(yōu)越性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（S1）：2 916－2 926.WU Meng-qiong,WANG Bao-tian.Advantages study of vacuum preloadingatbottom ofsoil layer for reclamation projects[J].Chinese Journal of Rock Mechanicsand Engineering,2010,29(S1)：2 916-2 926.

[3] 李麗慧，王清，王年香，等.立體式真空降水法分層加固吹填土的可行性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24（4）：522－524.LILi-hui,WANGQing,WANGNian-xiang,etal.Research on the feasibility of consolidating hydraulic fill in layersby themethod of spatialvacuum drainage[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2002,24(4)：522-524.

[4] 朱平，孫立強(qiáng)，閆澍旺，等.可控通氣真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)及其機(jī)制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（S1）：3 141－3 148.ZHU Ping,SUN Li-qiang,YAN Shu-wang,et al.Model test of vacuum preloading with controlled ventilation and itsmechanism analysis[J].Chinese Journal of Rock Mechanicsand Engineering,2011,30(S1)：3 141-3 148.

[5] 孫立強(qiáng)，閆澍旺，李偉，等.超軟土真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（4）：984－990.SUN Li-qiang,YAN Shu-wang,LIWei,et al.Study of super-soft soil vacuum preloading model test[J].Rock and SoilMechanics,2011,32(4)：984-990.

[6] 馮會(huì)芳.新近吹填淤泥形成超軟土地基的加固處理方法[J].港工技術(shù)，2011，48（5）：59－60.FENG Hui-fang.Reinforcementmethod of ultra soft foundation formed by fresh dredger filledmud[J].PortEngineering Technology,2011,48(5)：59-60.

[7]MYINTW B,VICTORC,KAISW.Constant rateof loading teston ultra-softsoil[J].Geotechnical Testing Journal,2010,33(3)：1-9.

[8] 周源，劉傳俊，吉鋒，等.透氣真空快速泥水分離技術(shù)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，30（2）：215-220.ZHOU Yuan,LIU Chuan-jun,JI Feng,et al.Lab simulation of rapid vacuum consolidated draining ofaerated sludge[J].Chinese Journalof Vacuum Scienceand Technology,2010,30(2)：215-220.