（水利工程專業(yè)論文）真空預(yù)壓加固數(shù)值分析方法的研究.pdf

中文摘要 天津港是我國(guó)北方最大的港口，不僅肩負(fù)著海上交通運(yùn)輸、國(guó)際航運(yùn)的重?fù)?dān)， 還承擔(dān)著天津市與環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展龍頭的作用。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，港 區(qū)對(duì)土地的需求量越來(lái)越大，圍海造陸是緩解土地資源不足和基礎(chǔ)建設(shè)需要這一 矛盾的重要途徑。人工吹填形成陸域的特點(diǎn)是地基土本身的工程質(zhì)量很差，且具 有低強(qiáng)度、高壓縮性等特點(diǎn)，其中的人工吹填淤泥質(zhì)土的工程性質(zhì)更差，吹填初 期的強(qiáng)度幾乎為零，而吹填土在自重應(yīng)力作用下固結(jié)需要很長(zhǎng)時(shí)間。因此，對(duì)人 工吹填淤泥及其下的軟土地基采用怎樣的地基處理方法，將是影響人工吹填造陸 如何實(shí)施的關(guān)鍵。真空預(yù)壓是加固軟土地基行之有效的方法之一，工程應(yīng)用發(fā)展 迅猛，而對(duì)其加固機(jī)理的理論研究明顯滯后于工程實(shí)踐。 本文在回顧總結(jié)真空預(yù)壓技術(shù)的歷史發(fā)展和研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合大量的試 驗(yàn)資料，通過理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)真空預(yù)壓法加固軟基過程中土體變形的變 化規(guī)律進(jìn)行了深入研究。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，主要探討了真空預(yù)壓作用下土 體的變形機(jī)理；在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)真空預(yù)壓加固區(qū)內(nèi)土體變形特性進(jìn)行了 綜合分析。 介紹并采用有限元軟件p l a x i s 進(jìn)行實(shí)際工程的模擬計(jì)算及分析，采用莫爾一 庫(kù)侖土體本構(gòu)關(guān)系，模擬真空預(yù)壓的加固機(jī)理和真空預(yù)壓下土體的固結(jié)變形過 程。模擬過程中，采用了兩種加荷方式進(jìn)行對(duì)真空預(yù)壓中真空荷載的模擬，結(jié)果 顯示，真空加荷計(jì)算結(jié)果比較符合真空預(yù)壓工程實(shí)際，而直接加荷法的誤差較大， 無(wú)法體現(xiàn)真空預(yù)壓的實(shí)質(zhì)。 通過對(duì)真空預(yù)壓變形特性的模擬的結(jié)果表明，施加真空荷載的模擬結(jié)果比較 符合實(shí)際情況，地表沉降最大值發(fā)生在加固區(qū)中心點(diǎn)處且其沉降過程與實(shí)測(cè)資料 擬合良好；等效外荷載所得結(jié)果顯示，側(cè)向位移并不符合真空預(yù)壓工程實(shí)際所得 的側(cè)向位移的變化趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：真空預(yù)壓；固結(jié)理論；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；有限元 a b s t r a c t t i a n j i np o r ti st h el a r g e s tp o r ti nn o r t hc h i n a i tp l a y st h ev e r yi m p o r t a n tr o l ei n e c o n o m i c w i t ht h ed e v e p l o m e n to fc h i n a ，w en e e dm o r el a r g ep o r tt os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fd e v e l o p m e n t i nt i a n j i np o r tw eo f t e nn e e dt oi n c l o s es e aa n df i l is o i l t om a k el a n d t h ef i l l e dl a n di sv e r ys o f t v a c u u mp r e i o a d i n gi sa ne f f e c t i v em e t h o do f r e i n f o r c e m e n to fs o f t s o i l ，e n g i n e e r i n g ，r a p i da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ，a n d s t r e n g t h e n i n gt h em e c h a n i s mo ft h e i rt h e o r e t i c a ls t u d i e si nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e h a sl a g g e df a rb e h i n d i nt h i sp a p e r ，v a c u u mp r e l o a d i n gr e v i e w e dt h eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y a n dr e s e a r c hb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t at h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ev a c u u mp r e l o a d i n gm e t h o df o r s t r e n g t h e n i n gt h ep r o c e s so fs o f tg r o u n dd e f o r m a t i o nc h a n g e si n c h i n aa n dt u r k e y c o n d u c t e da ni n - d e p t hs t u d yo ft h el a w t h r o u g ht h ea n a l y s i so fm o n i t o r i n gd a t a ， f o c u s e do nt h er o l eo f t h ev a c u u mp r e l o a d i n gs o i ld e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t h eb o d y ； i nt h ef i e l dt e s t ，b a s e do nt h er e i n f o r c e m e n to ft h er e g i o no fv a c u u mp r e l o a d i n g d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i lw e r ea n a l y z e d w ei n t r o d u c e da n dt h eu s eo fp l a x i sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef o rs i m u l a t i o no ft h e a c t u a lp r o j e c ta n dt h ea n a l y s i s t h eu s eo fm o h r - c o u l o m bc o n s t i t u t i v es o i lt os i m u l a t e t h ev a c u u mp r e l o a d i n gm e c h a n i s ma n dt h er e i n f o r c e m e n to fv a c u u mp r e - c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r eo fs o i ld e f o r m a t i o n s i m u l a t i o nu s i n gt h et w ow a y so fl o a d i n gp r e - v a c u u m p r e s s u r ei nv a c u u ml o a ds i m u l a t i o n ，r e s u l t ss h o wt h a tl o a d i n gv a c u u ml o a dc a l c u l a t i o n m e t h o dr e s u l t si nl i n ew i t ht h ea c t u a lv a c u u mp r e l o a d i n g t h r o u g hv a c u u mp r e l o a d i n gd e f o r m a t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el o a d i m p o s e db yt h ev a c u u m i nl i n ew i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p a r et h ea c t u a ls i t u a t i o n ， t h em a x i m u ms u r f a c es u b s i d e n c eo c c u r r e di nt h er e i n f o r c e m e n ta r e aa n di t sc e n t r a l p o i n tt h ep r o c e s so fs e t t l e m e n tag o o df i tw i t ht h em e a s u r e dd a t a ；t oi m p o s ee q u i v a l e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a te x t e r n a ll o a d ，l a t e r a ld i s p l a c e m e n tv a c u u mp r e l o a d i n gd o e s n o tc o m p l yw i t ht h e p r o j e c tf r o m t h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to f t h ea c t u a lt r e n d s k e yw o r d s ：v a c u u m p r e l o a d i n g ，c o n s o l i d a t i o n , i n - s i t ut e s t ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤盜盤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中 作了明確的說(shuō)明亓喪示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：與倉(cāng)泠簽字同期：加刁年夕 月7f t 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解苤鲞盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)苤盜盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)浼明) 學(xué)位論文作者簽名：j 倉(cāng) 導(dǎo)師簽名： 學(xué)位論文作者簽名：習(xí)倉(cāng)兮 導(dǎo)師簽名： 簽字r 期：矽7 年多月弓r簽字日期： 蕓溯 砂雄夕月；日 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 1 1 概述 第一章緒論 天津港是我國(guó)北方最大的港口，不僅肩負(fù)著海上交通運(yùn)輸、國(guó)際航運(yùn)的重?fù)?dān)， 還承擔(dān)著天津市與環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展龍頭的作用。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，港 區(qū)對(duì)土地的需求量越來(lái)越大，圍海造陸是緩解基礎(chǔ)建設(shè)需要和土地資源不足這一 矛盾的重要途徑。人工吹填形成陸域的特點(diǎn)是地基土本身的工程質(zhì)量很差，具有 低強(qiáng)度、高壓縮性等特點(diǎn)，其中的人工吹填淤泥質(zhì)土的工程性質(zhì)更差，吹填初期 的強(qiáng)度幾乎為零，而吹填土在自重應(yīng)力作用下固結(jié)需要很長(zhǎng)時(shí)間。因此，對(duì)人工 吹填淤泥及其下的軟土地基采用怎樣的地基處理方法，將是影響人工吹填造陸如 何實(shí)施的關(guān)鍵。 自軟土地基加固問題出現(xiàn)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外廣大科研工作者和相關(guān)技術(shù)人員對(duì)于 軟土地基加固的機(jī)理及措施進(jìn)行了多方面研究，實(shí)踐證明，采用真空預(yù)壓法處理 軟土地基是較為有效的處理方法之一，可以很好的縮短工期，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效 益都很明顯，已成為人工吹填造陸區(qū)地基處理的首選施工技術(shù)。天津港地區(qū)的地 質(zhì)情況多為淤泥質(zhì)粘土與淤泥質(zhì)土組成，含水量極大，淤泥層的天然含水量高達(dá) 6 2 ，天然容重低，土質(zhì)很軟。為了使土體能夠承受上部各種建筑物荷載，需要 對(duì)這種吹填淤泥進(jìn)行加固處理。 天津港針對(duì)軟土地基處理開展了大量的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的科研工作，通 過研究和不斷摸索總結(jié)，目前主要采用高密度化和固結(jié)化等手段進(jìn)行處理。在東 突堤新建工程中，近8 0 萬(wàn)平方米面積，采用了塑料板排水加真空預(yù)壓這一處理 工藝，以及引進(jìn)日本的深層水泥拌合法，加固碼頭接岸部分的新技術(shù)等，標(biāo)志 著天津港軟土地基處理技術(shù)已達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。天津港軟土地基處理技術(shù)的 開發(fā)與應(yīng)用大體分3 個(gè)階段。第一階段( 1 9 5 0 1 9 7 2 年) ：對(duì)堆場(chǎng)、道路及房建工 程主要采用置換法，即以砂石屑、灰土等墊層替換壞的土層，個(gè)別工程采用石 灰樁，對(duì)碼頭和倉(cāng)庫(kù)采用鋼筋混凝土樁，增加地基承載能力。第二階段( 1 9 7 3 - 1 9 8 0 ) ：對(duì)堆場(chǎng)，道路及鐵路路基主要采用砂井排水加堆載預(yù)壓，袋裝砂井加堆 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 載預(yù)壓，以及采用短密砂井、短密石灰樁等方法。在高層房建工程中一般采用特 殊基礎(chǔ)，加混凝土灌注樁或預(yù)制樁對(duì)碼頭和倉(cāng)庫(kù)工程采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樁。 第_ 一階段( 1 9 8 0 年至今) ：堆場(chǎng)及道路主要采用塑料板排水加真空預(yù)壓， 塑料板 排水加堆載預(yù)壓。 1 2 本課題的目的和研究路線 本課題的目的是在回顧總結(jié)真空預(yù)壓技術(shù)的歷史發(fā)展和研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié) 合大量的真空預(yù)壓法處理軟土地基試驗(yàn)資料，通過理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)真空 預(yù)壓法加固軟基過程中土體變形的變化規(guī)律進(jìn)行研究。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析， 主要探討真空預(yù)壓作用下土體的變形機(jī)理；在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)真空預(yù)壓加 固區(qū)內(nèi)土體變形特性進(jìn)行綜合分析，論證真空預(yù)壓法加固軟基的效果。 為達(dá)到以上目的，本課題擬采用以下研究路線：采用地質(zhì)勘察、室內(nèi)土工試 驗(yàn)、采用有限元軟件p l a x i s 進(jìn)行實(shí)際工程的模擬計(jì)算及分析，采用莫爾一庫(kù)侖土 體本構(gòu)關(guān)系，模擬真空預(yù)壓的加固機(jī)理和真空預(yù)壓下土體的固結(jié)變形過程。通過 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察可以了解軟基處理地區(qū)土體的分布情況；通過室內(nèi)的土工試驗(yàn)可以 知道土體的物理、力學(xué)性質(zhì)，并為數(shù)學(xué)分析模型提供可靠的土體參數(shù)；通過數(shù)學(xué) 模型分析并比較不同荷載下真空預(yù)壓效果；通過現(xiàn)場(chǎng)土變形監(jiān)測(cè)、孔隙水壓力監(jiān) 測(cè)和地下水位監(jiān)測(cè)，不僅可以為有限元數(shù)值模擬準(zhǔn)備充足的原始數(shù)據(jù)，還可以作 為數(shù)值模擬的驗(yàn)證和補(bǔ)充，為軟基加同工作提供科學(xué)依據(jù)。 1 3 本文主要研究工作 目前真空預(yù)壓技術(shù)已相對(duì)成熟，但真空預(yù)壓的理論研究卻落后于工程實(shí)踐。 由于軟土地基地質(zhì)條件的復(fù)雜性，真空預(yù)壓法在工程應(yīng)用中遇到了很多的問題需 要解決，有不少理論問題至今仍未能得到解決。因此，對(duì)真空預(yù)壓法進(jìn)行深入研 究具有很大的理論價(jià)值，它有助于真空預(yù)壓法工程實(shí)踐的進(jìn)一步發(fā)展成熟。 結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀和存在的問題，本文擬在實(shí)際工程的背景下，著重開展 以下工作： ( 1 ) 分析了真空預(yù)壓的加固機(jī)理，對(duì)真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓的不同進(jìn)行對(duì)比 分析。 ( 2 ) 以兩個(gè)港口碼頭真空預(yù)壓工程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為背景，對(duì)真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)試 驗(yàn)檢測(cè)成果進(jìn)行分析。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 ( 3 ) 介紹并應(yīng)用p l a x i s 軟件對(duì)真空預(yù)壓機(jī)理進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè) 數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。運(yùn)用該軟件對(duì)真空預(yù)壓工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行變形模擬，并對(duì)比 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)真空預(yù)壓的數(shù)值模擬方法進(jìn)行了探討。 1 4 真空預(yù)壓法加固軟土地基研究現(xiàn)狀 1 4 1 真空預(yù)壓法發(fā)展簡(jiǎn)史 真空預(yù)壓法最早是瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院杰爾曼( w k j e l l m a n ) 教授于1 9 5 2 年提 出的，隨后有關(guān)國(guó)家相繼進(jìn)行了探索和研究，但因密封問題未能很好地解決，又 未研究出合適的抽真空裝置，因此未能很好地用于實(shí)際工程【1 】。該法于1 9 5 8 年 用于美國(guó)費(fèi)城國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道擴(kuò)建工程中，采用真空深井降水和砂井聯(lián)合作用，抽 真空4 0 d ，其中1 8 d 真空度達(dá)到3 8 1 m m h g ( 相當(dāng)于5 0 k p a 等效荷載) 。2 0 世紀(jì)7 0 年代日本東北地區(qū)新干線在第七號(hào)谷地采用真空預(yù)壓時(shí)，加固區(qū)四周打設(shè)鋼板樁 并施加了膨潤(rùn)土溶液進(jìn)行密封，使泵后真空度保持在7 0 0 m m h g ，最高達(dá)到7 2 0 m m h g ，但膜下真空度僅達(dá)到4 7 8 m m h g 。1 9 8 2 年，日本大阪南港的第二階段的 加固工程中，采用抽真空與抽水相結(jié)合來(lái)降低水位的方法，加固面積達(dá)到1 0 0 萬(wàn) 平方米，其中初期試驗(yàn)階段真空度達(dá)到4 3 0 m m h g ，第一期工程加固工程中達(dá)到 5 0 0 - - 6 0 0 m m h g ，經(jīng)過對(duì)泵設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)，在第二期工程中管內(nèi)真空度始終 保持在6 3 0m m h g 。 我國(guó)于2 0 世紀(jì)5 0 年代末至6 0 年代初對(duì)該法進(jìn)行過研究。國(guó)內(nèi)1 9 5 7 年8 0 7 部隊(duì)和哈爾濱軍事工程學(xué)院在室內(nèi)和室外做過真空預(yù)壓試驗(yàn)，1 9 5 9 年天津大學(xué) 開展了室內(nèi)真空預(yù)壓試驗(yàn)研究來(lái)探討真空預(yù)壓的規(guī)律性和效果，提出了“吹填土 真空排水固結(jié)試驗(yàn)研究”的報(bào)告，同年南京科學(xué)研究所在天津做了“電滲真空沙 井聯(lián)合作業(yè)法”的試驗(yàn)研究，于1 9 6 0 年提出“電滲排水加速海淤軟土固結(jié)試驗(yàn) 報(bào)告”。1 9 6 0 年同濟(jì)大學(xué)和南京水利科學(xué)研究院在上鋼一廠做了小型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 提出了“用真空預(yù)壓法加【司吹填土的試驗(yàn)小結(jié)”的報(bào)告，在此之前真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng) 試驗(yàn)仍未取得理想的加固效果。 根據(jù)我國(guó)港口發(fā)展規(guī)劃，沿海的大量軟土地基必須進(jìn)行加固，為此我國(guó)于 1 9 8 0 年起開展了真空預(yù)壓法的系統(tǒng)研究，1 9 8 5 年通過了國(guó)家鑒定。目前，在真 空度和大面積加固方面其膜下真空度達(dá)6 1 0 7 3 0 m r n h g ，單塊膜面積已達(dá) 3 0 0 0 0 m 2 ，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。為了滿足某些使用荷載大、承載力要求高的建筑 物的需要，1 9 8 3 年起開展了真空一堆載聯(lián)合預(yù)壓法的研究，開發(fā)了一套先進(jìn)的 工藝和優(yōu)良的設(shè)備，從理論和實(shí)踐方面論證了真空和堆載的加固效果是可以疊加 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 的，并已在軟土地基上應(yīng)用，均取得了滿意結(jié)果。 直到2 0 世紀(jì)8 0 年代，交通部第一航務(wù)工程局、天津大學(xué)和南京水利科學(xué)院 等單位對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并成功地將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于天津新 港軟基加固工程中【2 4 】。2 0 世紀(jì)9 0 年代末，天津市水利科學(xué)研究所在傳統(tǒng)真空預(yù) 壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，改良后提出了“低位真空預(yù)壓軟土地基加固法”。低位真空預(yù) 壓法，是由水平向排水系統(tǒng)( 濾管網(wǎng)) 設(shè)在泥封層之下而得名。利用真空系統(tǒng)使泥 封層下能長(zhǎng)期保持8 0 k p a 以上的真空負(fù)壓，在真空負(fù)壓的巨大吸力和泥封層產(chǎn)生 的附加荷載雙重作用下，使軟土中的孔隙水迅速地通過塑料排水板、水平濾管網(wǎng) 集水排出，在地基土發(fā)生固結(jié)的同時(shí)，泥封層也逐漸固結(jié)，經(jīng)9 0 - - - 1 2 0 d 的真空 負(fù)壓作用后，實(shí)現(xiàn)地基加固與回填加高的兩大目的。 經(jīng)過國(guó)內(nèi)外幾十年的不斷探索和研究，使該法不斷完善，并已開展大面積應(yīng) 用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，成為目前加同軟土地基的一個(gè)行之有效的、常規(guī)實(shí) 用的方法。 1 4 2 真空預(yù)壓法研究現(xiàn)狀 ( 1 ) 真空預(yù)壓固結(jié)機(jī)理分析方面 婁炎( 1 9 9 0 ) 分析了真空排水預(yù)壓法的加固機(jī)理 5 ，并分析了真空預(yù)壓加固軟 土地基的有效應(yīng)力路徑；李麗慧、王清、王劍平 6 等( 2 0 0 0 ) 通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)， 對(duì)真空排水預(yù)壓下土體變形特征進(jìn)行了應(yīng)力路徑分析；張澤鵬、李約俊、馮淦清 等 7 ( 2 0 0 2 ) 分析了塑料排水板在真空預(yù)壓加固軟基中的作用，認(rèn)為采用塑料排水 板作為縱向排水體，其加固效果要優(yōu)于采用袋裝砂井；丁綠芳、郭志平、趙維炳 8 ( 2 0 0 2 ) 研究了真空預(yù)壓加固軟基時(shí)土體的損傷問題；張?jiān)傥?、余?9 ( 2 0 0 5 ) 分析和比較正壓( 堆載預(yù)壓) 和負(fù)壓( 真空預(yù)壓) 使土體固結(jié)的途徑、特征及應(yīng)力路 徑等方面的差異，同時(shí)分析正壓和負(fù)壓均具有孔壓分布的不平衡性以及滿足共同 的固結(jié)微分方程，從而得出正、負(fù)壓加固效果上的等同性，闡述和分析土體在二 者共同作用下的固結(jié)特性，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行有限元計(jì)算分析：陳小丹、趙維 炳、周智勇 1 0 ( 2 0 0 5 ) 介紹了真空預(yù)壓的加固原理，分析了土體的強(qiáng)度和變形特 征，并就真空預(yù)壓時(shí)地下水位、有效加固深度和效果等問題進(jìn)行了深入的研究； 龔曉南、岑仰潤(rùn)i n ( 2 0 0 2 ) 在現(xiàn)有真空預(yù)壓的研究和多孔介質(zhì)滲流理論的基礎(chǔ)上， 提出了真空滲流場(chǎng)理論來(lái)解釋真空預(yù)壓加固軟土地基的機(jī)理。 ( 2 ) 真空預(yù)壓數(shù)值計(jì)算方面 根據(jù)負(fù)壓下固結(jié)理論，其分析過程與堆載預(yù)壓數(shù)值分析過程相同，所不同之 處主要在于邊界條件和初始條件的界定；閆澍旺，陳環(huán) 1 2 ( 1 9 8 6 ) 分析了真空加固 軟土地基的機(jī)制與二維問題的有限元計(jì)算方法，分析過程中假定抽真空表面與砂 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 井均為恒定負(fù)壓。林豐、陳環(huán) 1 3 ( 1 9 8 7 ) 用邊界元分析真空和堆載作用下砂井地基 的固結(jié)過程；沈珠江、陸舜英1 1 4 ( 1 9 8 6 ) 在b l o t 固結(jié)理論基礎(chǔ)上采用不同本構(gòu)模型 分析了一個(gè)5 0 6 0 m 的試驗(yàn)場(chǎng)地的軟土層在真空作用下的固結(jié)變形過程，計(jì)算 結(jié)果表明彈性模型與實(shí)測(cè)值最為接近，計(jì)算中假定抽真空表面為恒定負(fù)壓，砂井 底真空度是頂部的三分之一，中間按直線變化：邱長(zhǎng)林、閏澍i 玨1 s j ( 1 9 9 7 ) 用有限 元分析了低位抽真空加固軟基在不同邊界條件下的固結(jié)效果；陳析、周衛(wèi)、洪寶 寧【1 6 】( 2 0 0 0 ) 用有限元分析了真空一堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟基過程；周順華、王炳 龍、李堯臣f 1 7 】等( 2 0 0 1 ) 由固結(jié)理論出發(fā)，對(duì)初始孔壓采用迭加原理進(jìn)行分解處 理，建立了真空預(yù)壓處理地基的沉降計(jì)算的有限元求解方程。 ( 3 ) 真空預(yù)壓實(shí)際工程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)資料分析方面 婁炎t 1 8 1 ( 1 9 8 8 ) 根據(jù)某工程實(shí)踐孔壓和真空度等實(shí)測(cè)資料，分析了負(fù)壓條件下 軟土地基的孔隙水壓力的形成、負(fù)壓與砂井內(nèi)真空度及地基土中真空度的關(guān)系、 負(fù)壓下的曼德爾效應(yīng)、負(fù)壓與地基加固特征、負(fù)壓對(duì)地基變形的影響等問題；孔 德金、苗中海 1 9 1 ( 2 0 0 0 ) 分析了真空預(yù)壓加固軟基過程中影響孔壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的因 素，如孔隙水壓測(cè)頭埋設(shè)產(chǎn)生的、測(cè)頭自身沉降、土的非線性特性、淺層土的的 垂直水平雙向固結(jié)，測(cè)頭在塑料板問的位置、儀器的觀測(cè)精度等，并對(duì)各影響因 素進(jìn)行了具體分析；聶躍高、趙維炳、施建勇、洪寶寧【2 0 】( 2 0 0 2 ) 分析了地基砂墊 層、袋裝砂井深度、排水濾管布置形式及路堤填筑等因素對(duì)膜下真空度的影響； 岑仰潤(rùn)、龔曉南、溫曉貴 2 1 ( 2 0 0 3 ) 總結(jié)真空排水預(yù)壓工程中決定孔壓變化的因素， 分析各因素在真空排水預(yù)壓過程中對(duì)孔壓變化的影響模式。 ( 4 ) 真空預(yù)壓加固深度方面 目前在采用真空預(yù)壓大面積加固軟基方面我國(guó)已處于國(guó)際先進(jìn)行列。目前在 不少工程中與真空預(yù)壓聯(lián)合使用的塑料排水板都達(dá)到了2 0 m 的深度，最深己達(dá) 到了2 6 m f 2 2 j 。黃生文等人1 2 3 1 2 0 0 5 年通過對(duì)加固區(qū)的水平位移曲線和數(shù)據(jù)的分析， 得出了其擬合曲線方程為s 一0 2 8 h 0 0 1 2 5 。根據(jù)實(shí)測(cè)的水平位移沿深度的變化曲 線表明，真空預(yù)壓的影響深度可達(dá)到2 7 m 以上。加固區(qū)的分層沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō) 明，軟土地基中9 0 以上的固結(jié)沉降發(fā)生在地表下1 7 5 m 的深度范圍內(nèi)，但在地 表下2 0 m 以上的深度范圍內(nèi)的土層仍有明顯沉降，因此真空預(yù)壓排水對(duì)軟粘土 的加固深度可達(dá)2 0 m ，而不是通常所認(rèn)為的l o m 以內(nèi)。 閆澍旺【矧等人以彈簧模擬真空預(yù)壓作用機(jī)理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套真空預(yù)壓模 型演示裝置，利用該模型進(jìn)行試驗(yàn)，表明真空預(yù)壓有效加固深度與真空提水極限 深度是不同的，探討了真空度與真空預(yù)壓有效加固深度的關(guān)系，從而從直觀上充 分認(rèn)識(shí)真空預(yù)壓的作用過程。主要得出，真空預(yù)壓的有效加固深度只與真空度的 傳遞有關(guān)，與真空壓力的大小無(wú)關(guān)，證實(shí)了真空預(yù)壓的有效加固深度可超過l o m 。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 若要更好地傳遞真空度，則應(yīng)使用高滲透性、高排水能力的豎向排水板以減小真 空度的損失，提高加固效果。 ( 5 ) 砂井地基研究方面 在計(jì)算時(shí)，陳環(huán)和沈珠江把砂井視為砂墻，將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題，他 們都把砂井和砂墊層作為己知水頭邊界進(jìn)行計(jì)算。陳環(huán)把砂井作為砂墻，沈珠江 則按砂墻間距放大系數(shù)的平方放大地基的滲透系數(shù)。陳環(huán)令砂墊層和砂井在初始 時(shí)刻同時(shí)達(dá)到負(fù)的真空壓力，沈珠江則根據(jù)部分實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)砂井孔壓進(jìn)行假設(shè)。 在2 0 0 3 年，李豪、高玉峰、劉漢龍【2 5 】等在真空預(yù)壓機(jī)理和砂井地基固結(jié)理 論的基礎(chǔ)上，根據(jù)固結(jié)度等效的原則，將復(fù)雜砂井地基轉(zhuǎn)化為無(wú)砂井成層地基， 提出了真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。 ( 6 ) 真空預(yù)壓加固地基新技術(shù)新工藝的研究方面 陳錦慶( 2 0 0 1 ) 報(bào)道了在治理深圳河二期工程中，真空預(yù)壓聯(lián)合沙井樁加閻軟 基技術(shù)在混凝土重力擋墻基礎(chǔ)區(qū)地基處理中的應(yīng)用。 顧培、趙亞南( 2 0 0 1 ) 介紹了真空預(yù)壓加固潮間帶軟土地基的施工技術(shù)。林鵬、 許鎮(zhèn)鴻、蘇錦文( 2 0 0 2 ) 介紹了一種新的軟土地基處理方法一真空降水聯(lián)合加載預(yù) 壓法，與傳統(tǒng)的方法相比，其主要工藝特點(diǎn)為加寬排水帶、取消密封膜等。 謝弘帥、宰金璋、劉慶華( 2 0 0 3 ) 介紹了一種真空井點(diǎn)降水堆載聯(lián)合加固軟土 地基的新方法，并對(duì)方法的機(jī)理做了基本闡述。 夏玉斌、劉強(qiáng)、鄧?yán)? 2 0 0 8 年7 月公開) ：直排式真空預(yù)壓地基處理方法( 專 利申請(qǐng)?zhí)枺? 0 0 7 1 0 3 0 6 0 7 2 9 ) 。本發(fā)明公開了一種直排式真空預(yù)壓地基處理方法， 在真空裝置上設(shè)有主管，主管上分出若干支管，每個(gè)支管通過連接管與排水板相 連接，將排水板內(nèi)的水分直接抽出。本發(fā)明直排式真空預(yù)壓地基處理方法除去了 現(xiàn)有處理方法中水平排水砂墊層和真空慮管、濾膜，直接用連接管將軟基中的塑 料排水板與真空管相聯(lián)接，大大減少了真空壓力傳遞的沿程損失，提高了真空傳 遞效能和加固效果，降低了加固費(fèi)用。 包建國(guó)( 2 0 0 7 年5 月公開) ：“短程超載真空預(yù)壓動(dòng)力排水固結(jié)聯(lián)合法1 ( 專 利申請(qǐng)?zhí)枺? 0 0 6 1 0 0 9 7 7 0 4 0 ) 。在常規(guī)的真空預(yù)壓法的真空膜上建造圍堰，并進(jìn) 行腹水超載，對(duì)每個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)按照真空預(yù)壓操作規(guī)程進(jìn)行觀測(cè)，在預(yù)壓沉降量 達(dá)到計(jì)算沉降值的8 0 以上時(shí)，繼續(xù)預(yù)壓5 1 0 日，確認(rèn)完全平穩(wěn)后停止腹水超 載真空預(yù)壓；在真空膜拆除并晾曬l 2 天，然后進(jìn)行排水固結(jié)，快速排出真空 預(yù)壓時(shí)砂墊層中的存水，在水位達(dá)到1 5 m 以下后進(jìn)行強(qiáng)夯或振動(dòng)碾壓。 劉松玉、洪振舜、章定文等( 2 0 0 5 年6 月公開) 提出氣壓劈裂真空預(yù)壓法 加固軟土地基的操作方法( 專利申請(qǐng)?zhí)枺? 0 0 5 1 0 0 3 8 6 4 4 0 ) 。采用高壓空氣通過 導(dǎo)氣塑料排水板輸入深部地基內(nèi)部，從內(nèi)部產(chǎn)生擠壓力；同時(shí)通過氣體劈裂作用， 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 使深部土體產(chǎn)生劈裂，形成裂隙，迅速增大深部土層的滲透性，并與排水板聯(lián)通， 在頂部真空壓力作用下，大大提到排水固結(jié)速率，縮短加固時(shí)間并有效地加固深 厚軟基。 張敬、苗中海、劉愛民等( 2 0 0 7 年9 月公開) ：水下真空預(yù)壓加固軟基技術(shù) 方法( 專利申請(qǐng)?zhí)枺? 0 0 6 1 0 0 1 3 2 6 4 6 ) 。由以下步驟順序進(jìn)行：第一次水下鋪砂 水上打設(shè)塑料排水板，鋪設(shè)濾管，第二次水下鋪砂，鋪密封膜，連接抽真空設(shè)備， 抽真空。其優(yōu)越性是睡下真空預(yù)壓加固軟基技術(shù)可以應(yīng)用與水下開挖工程、高樁 碼頭的岸坡處理工程、防波堤施工等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。 湯連生、梁永根( 2 0 0 8 年2 月公開) 提出一種無(wú)密封快速真空預(yù)壓強(qiáng)夯法 ( 專利申請(qǐng)?zhí)枺? 0 0 7 1 0 0 2 9 5 4 5 5 ) ，比較適用大面積軟土地基處理。本方法根據(jù) 圖層情況為濾管設(shè)置濾孔，且不需要使用砂墊層( 或使用很薄砂墊層) ，因此， 其不僅施工工期短、真空度損失小、節(jié)省施工材料，且可阻斷砂層的橫向排水， 經(jīng)濟(jì)節(jié)約，加固效果好。 陳江濤( 2 0 0 8 年5 月公開) ：一種復(fù)合電滲、真空降水、真空預(yù)壓加固地基 的方法( 專利申請(qǐng)?zhí)枺? 0 0 7 1 0 0 5 0 7 2 4 7 ) 。本發(fā)明方法所用裝置，采用了復(fù)合管 和開孔冗余膜或網(wǎng)狀帽眼膜或帶連接器的網(wǎng)狀帽眼真空膜。本發(fā)明方法是集電 滲、真空降水、真空預(yù)壓三項(xiàng)工作程序并行實(shí)施也可分項(xiàng)實(shí)施的加固地基方法 它具有處理均衡、施工簡(jiǎn)便、工程短、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。 張志鐵、葉吉( 2 0 0 6 年8 月公開) 提出了雙真空預(yù)壓及動(dòng)力擠密法聯(lián)合加 固軟土地基的方法( 專利申請(qǐng)?zhí)枺? 0 0 6 1 0 0 3 8 7 8 2 3 ) ，適用于大面積軟土加固并 利用吹填泥漿提高其高程的圍海造地或低洼地填高工程。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章真空預(yù)壓法加固軟基的理論研究 第二章真空預(yù)壓法加固軟基的理論研究 2 1 真空預(yù)壓法基本原理 軟基處理方法不僅對(duì)工程質(zhì)量和施工工期有著重大影響，而且直接關(guān)系到投 資和管理單位的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此，高效、經(jīng)濟(jì)的軟基處理技術(shù)已成為 建設(shè)和管理單位關(guān)心的焦點(diǎn)之一。作為排水固結(jié)法的一種，真空預(yù)壓法加固軟基 已經(jīng)在我同推廣應(yīng)用，在工程實(shí)踐中取得了良好的效果。 2 1 1 排水固結(jié)法簡(jiǎn)介 排水固結(jié)處理方法使地基土的大部分沉降發(fā)生在建筑物建造之前，減少建筑 物的下沉量，提高了地基土的抗震性能。具有施工效率高、運(yùn)輸量小、對(duì)土的擾 動(dòng)小和施工質(zhì)量有保證等優(yōu)點(diǎn)。并且由于機(jī)械輕便，使在大面積的超軟土地基上 進(jìn)行機(jī)械化施工成為可能，經(jīng)濟(jì)效益也是十分顯著的。是一種值得推廣的有效的 軟土地基加固方法。排水固結(jié)法包括真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法、真空一堆載聯(lián)合 預(yù)壓法、電滲預(yù)壓法和降水預(yù)壓法，工程上常見的是前三種。排水固結(jié)法的機(jī)理 如下： 飽和軟粘土地基在荷載作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙體積慢慢的減 小，地基發(fā)生同結(jié)變形。同時(shí)，隨著超靜水壓力消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基 土強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)。由圖2 1 可見：當(dāng)土樣的天然固結(jié)壓力為6 j 時(shí)，其孔隙比為 e o ，在e o g j 曲線上其相應(yīng)的點(diǎn)為a 點(diǎn)；當(dāng)壓力增加幻，固結(jié)終了時(shí)，變?yōu)閏 點(diǎn)，孔隙比減小a e ，曲線a b c 稱為壓縮曲線。與此同時(shí)，抗剪強(qiáng)度與固結(jié)壓力 成比例的由a 點(diǎn)提高到c 點(diǎn)。所以，土體在受固結(jié)壓力時(shí)，一方面孔隙比減小 產(chǎn)生壓縮，一方面抗剪強(qiáng)度也得到提高。如果從c 點(diǎn)卸除壓力a c s 。，則土樣發(fā)生 膨脹，圖中c e f ( e o o ! 曲線) 為卸荷膨脹曲線，如果從f 點(diǎn)再加壓舾，土樣 發(fā)生再壓縮，沿虛線變化到，從再壓縮曲線f g c ( e o a j 曲線) 可以看出， 固結(jié)壓力同樣從6 j 增加a c ，而孔隙比減小值為多，鄉(xiāng)比a e t j s 得多。 天津大學(xué)碩士學(xué)位埝文 第二章真空預(yù)壓洼加固軟基的理論研究 二 r 司 t e ， 6 0 n i 1 d 月蜊自廣， # m 一 圖2 - 1 排水同結(jié)法增大地基圈密度的原理圈 經(jīng)分析可知：如果在建筑物場(chǎng)地現(xiàn)加一個(gè)和上部建筑物相同的壓力進(jìn)行預(yù) 壓，使土層固結(jié)( 相當(dāng)于在壓縮曲線上從a 點(diǎn)變化到c 點(diǎn)) ，然后卸除荷載( 相 當(dāng)于在膨脹曲線上由c 點(diǎn)變化到f 點(diǎn)) ，再建造建筑物( 相當(dāng)于在再壓縮曲線上 從f 點(diǎn)變化到( | 點(diǎn)) ，這樣建筑物所引起的沉降即可大大減小。如果預(yù)壓荷載 大于建筑物荷載，即所謂超載預(yù)壓，則效果更好。因?yàn)榻?jīng)過超載預(yù)壓，當(dāng)土層的 固結(jié)壓力大于使用荷載下的固結(jié)壓力時(shí)，原來(lái)的正常固結(jié)粘土層將處于超固結(jié)狀 態(tài)，從而使土層在使用荷載作用下變形大為減小。 排水固結(jié)法加固土地基，土體中孔隙水的排走通常有三種途徑： ( 1 ) 軟地基表面預(yù)加荷載，加載初時(shí)刻荷載全部由飽和粘性土中的孔隙 水壓力承攔，造成土體中很大的超孔隙水壓力，從而在土體內(nèi)部和排水邊界之間 造成一個(gè)壓差，迫使孔隙水向預(yù)先設(shè)置排水邊界( 水平濾層和豎向排水體) 排走， 對(duì)應(yīng)工法為堆載預(yù)壓法。 ( 2 ) 降低加固土體中排水邊界上的流體壓力( 水壓力或空氣壓力) ，這樣也 亨- ” b 吼 小 e _ f g； 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章真空預(yù)壓法加固軟基的理論研究 能在加固土體內(nèi)與排水邊界( 水平濾層和豎向排水體) 中造成一個(gè)壓差，導(dǎo)致孔 隙水向預(yù)設(shè)排水邊界集中排走，對(duì)應(yīng)工法為降水預(yù)壓法和真空預(yù)壓法。 ( 3 ) 利用電能在土體內(nèi)造成一個(gè)電勢(shì)差，使孔隙水排走，對(duì)應(yīng)工法為電滲 預(yù)壓法。 可看出排水固結(jié)法的排水途徑主要是構(gòu)成加固土體與排水邊界之間流體的 壓力差，從而導(dǎo)致預(yù)壓地基流體流動(dòng)而排出孔隙水，流體可以是空氣、水和氣水 混合物，當(dāng)流體為地下水時(shí)，流體壓力差等效地下水水頭差，可見排水加固地基 中必構(gòu)成流體壓差的條件，預(yù)壓地基中流體是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 2 1 2 真空預(yù)壓法加固機(jī)理 真空排水預(yù)壓法示意圖如圖2 2 所示，在地基中打設(shè)豎向排水通道，如砂井、 塑料排水板等，地而鋪砂墊層，將不透氣的薄膜鋪設(shè)砂墊層上，并將四周埋設(shè)至 壓膜溝內(nèi)，經(jīng)豎向排水通道、砂墊層和射流泵將膜下的空氣抽出。在射流泵開始 工作后，膜下的大氣壓力迅速減少，膜下真空度增加。由于豎向排水體與膜下砂 墊層的連通性較好，阻力較小，因此豎向排水體中的真空度迅速提高，導(dǎo)致豎向 排水體中的孔隙水壓力迅速降低，而淤泥地基中的真空度基本保持不變，孔隙水 壓力變化相對(duì)較小。因此，在淤泥與豎向排水體之間產(chǎn)生孔壓差，軟土地基中的 孔隙水在孔壓差的作用下，經(jīng)豎向排水體、砂墊層、濾管、主管與射流泵排出。 隨著不同深度處各土層中真空度的增加，地基中的孔隙水壓力彩值也隨之降低。 l 一豎向排水通道2 一濾管3 一砂墊層4 一塑料密封膜 5 一膜上覆水6 一射流泵7 一圍埝8 一壓膜溝 圖2 2 真空預(yù)壓施工斷面圖 在總應(yīng)力仃不變的條件下，值的降低必然導(dǎo)致有效應(yīng)力g 的增加，根據(jù)太 沙基有效應(yīng)力原理，當(dāng)?shù)鼗鶅?nèi)某點(diǎn)的總應(yīng)力增量a ( r 為0 ，設(shè)有效應(yīng)力增量為 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章真空預(yù)壓法加固軟基的理論研究 a ，孔隙水壓力增量為，則滿足以下關(guān)系： a c = a u 由于a 6 的增加而使土體壓密，直到土體內(nèi)與邊界上達(dá)到勢(shì)新的平衡位置 這個(gè)過程即為真空預(yù)壓的加固過程。 2 1 3 真空預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法比較分析 在堆載預(yù)壓時(shí)，由于堆載的作用，在土體中形成一個(gè)附加應(yīng)力場(chǎng)，這個(gè)附加 應(yīng)力場(chǎng)開始時(shí)由孔隙水承擔(dān)，即形成了一個(gè)超靜孔隙水壓力場(chǎng)，隨著孔隙水的排 出，超靜孔隙水壓力場(chǎng)消散，超靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，導(dǎo)致土體變形和 強(qiáng)度增加。堆載預(yù)壓的效果由超靜孔隙水壓力場(chǎng)的大小和分布決定，與堆載的大 小，分布以及土體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。堆載預(yù)壓下固結(jié)的快慢由超靜孔隙水壓力場(chǎng)的 消散決定，與排水條件、土體滲透系數(shù)有關(guān)。雖然真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法雖然 都是通過減小孔隙水壓力而使土的有效應(yīng)力增加，但兩者的加固機(jī)理并不相同， 由此而引起的地基變形、強(qiáng)度增長(zhǎng)的特性和影響因素也不盡相同，表2 1 從幾 個(gè)方面對(duì)兩者之間的異同進(jìn)行了比較。 此外從應(yīng)用角度看，堆載預(yù)壓法要取得良好的加固效果，首先必須掌握正確 的加載方法。荷載過小( 如僅靠路基填土預(yù)壓) ，有時(shí)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。而一次 加載過大則可能使地基產(chǎn)生塑性蠕變，甚至造成地基破壞，因此每次的加載量需 要合理控制。此外還需要良好的排水條件和合理的排水固結(jié)時(shí)間，工期較長(zhǎng)，目 前雖然作了一些改進(jìn)，如采用薄層輪加法，但成效不顯著。再者若是超載預(yù)壓， 預(yù)壓完成后還需卸除超載部分的填土。真空預(yù)壓法則可大大縮短超載預(yù)壓時(shí)間， 與堆載預(yù)壓法相比，它不存在棄土與地基穩(wěn)定問題，加上其質(zhì)量比較容易控制、 造價(jià)低、耗能少、材料省、無(wú)噪音、無(wú)污染的特點(diǎn)，故在大面積軟土地基處理中 被大量采用。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章真空預(yù)壓法加固軟基的理論研究 表2 1 真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的比較 項(xiàng)目堆載預(yù)壓真空預(yù)壓 總應(yīng)力增加，隨著超靜孔隙水總應(yīng)力不變，隨著相對(duì)超靜孔 土中應(yīng)力壓力的消散而使有效應(yīng)力增隙水壓力的消散而使有效應(yīng) 加力增加 加載過程中剪應(yīng)力增加，可抽真空過程中，剪應(yīng)力不增 剪切破壞 能引起土體剪切破壞加，不會(huì)引起土體剪切破壞 加載速率需控制加載速率不必控制加載速率 加載時(shí)預(yù)壓區(qū)土體產(chǎn)生向外預(yù)壓區(qū)土體產(chǎn)生指向預(yù)壓區(qū) 側(cè)向變形 的側(cè)向變形中心的側(cè)向變形 土體同結(jié)，有效應(yīng)力提高，土土體固結(jié)，有效應(yīng)力提高，土 強(qiáng)度增長(zhǎng) 體強(qiáng)度增長(zhǎng)體強(qiáng)度增長(zhǎng) 與土的滲透系數(shù)、豎向排水體與土的滲透參數(shù)、豎向排水體 固結(jié)速度 以及邊界排水條件有關(guān)以及邊界排水條件有關(guān) 主要與堆載面積和荷載大小 與抽真空作用強(qiáng)度、豎向排水 處理深度體、土的孔隙分布情況以及相 有關(guān) 關(guān)邊界條件有關(guān) 降低地下水位，地下水位的降 地下水位地下水位不變化低將使相關(guān)土層產(chǎn)生排水固 結(jié) 2 2 真空預(yù)壓法固結(jié)理論簡(jiǎn)介 土體在荷載作用下，內(nèi)部孔隙水緩慢滲出，體積逐漸減小，這一現(xiàn)象稱為土 的固結(jié)。隨著土體的固結(jié)，土體的壓縮變形和強(qiáng)度逐漸增加，粘性土滲透系數(shù)很 小，透水性弱，在預(yù)壓時(shí)往往打設(shè)垂直向的排水通道，以減小滲透路徑。真空預(yù) 壓法加同地基的過程也是土體的固結(jié)過程，因此計(jì)算真空預(yù)壓作用下飽和軟粘土 固結(jié)變形的理論主要有以下幾種： 2 2 1 太沙基單向固結(jié)理論 飽和土受到壓力作用，其骨架就要產(chǎn)生壓縮，孔隙體積因之減小，并促使孔 隙水被擠出，其擠出的快慢，取決于孔隙通道的微細(xì)程度。對(duì)于飽和砂土，孔隙 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章真空預(yù)壓法加固軟基的理論研究 較大，水很快披擠出，故沉降速度和干砂相差不多。至于飽和粘土，由于顆粒微 細(xì)，孔道非常狹窄，再加上孔隙中充滿著與顆粒緊密結(jié)合的結(jié)合水，則自由水就 更難通過，所以粘土的壓縮穩(wěn)定需要的時(shí)間更長(zhǎng)，影響飽和粘土沉降速度的因素 很復(fù)雜。為簡(jiǎn)化起見，假定飽和粘土的沉降快慢，取決于孔隙水的滲流速度；在 沉降過程中孔隙體積的改變量，等于孔隙水的滲出量。從這些前提出發(fā)可以建立 飽和粘土的沉降隨時(shí)間變化的理論。這個(gè)理論的要點(diǎn)是：伴隨著孔隙水被擠出， 孔隙體積產(chǎn)生壓縮，從而使土體趨于密實(shí)，故稱它為滲透固結(jié)理論。 太沙基在下列基本假設(shè)下，建立了固結(jié)基本微分方程，并獲得了一定初始條 件和邊界條件下的解析解，基本假設(shè)為： ( 1 ) 土體是均質(zhì)的，完全飽和的； ( 2 ) 土粒與水均為不可壓縮介質(zhì)； ( 3 ) 外荷載一次瞬時(shí)加到土體上，在同結(jié)過程中保持不變； ( 4 ) 土體的應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，壓縮系數(shù)為常數(shù)； ( 5 ) 在外力作用下，土體中只引起上下方向的滲流與壓縮； ( 6 ) 土中滲流服從達(dá)西定律，滲透系數(shù)保持不變； ( 7 ) 土體變形完全是由孔隙水排出和超靜水壓力消散所引起的； 以上假設(shè)中將實(shí)際情況理想化，近似地反映了實(shí)際情況。當(dāng)?shù)孛嫔系募雍擅?積比壓縮土層厚度大得多，或壓縮層埋藏較深時(shí)，側(cè)向變形和滲流量就較?。和?骨架的結(jié)構(gòu)粘滯性小時(shí)，主固結(jié)壓縮占主要成分；施工期短且土的滲透系數(shù)較小 時(shí)，可認(rèn)為是瞬時(shí)加荷。 基本方程的建立：設(shè)土體完全飽和，土顆粒和孔隙水不可壓縮，則單元土體 的體積壓縮量變化量粵么理論上等于孕彥，即： o lo z 譬d z ：孚應(yīng) ( 2 1 ) o lo z 式中，為體積應(yīng)變，礦為單位面積流量。 根據(jù)達(dá)西定律，知 ：一竺一o u ( 2 - 2 )以2 一一_ 了f 凹 式中：形一滲透系數(shù)； 丫。一水重度： 一孔隙水壓力。 由總應(yīng)力不變情況下提及的變化與豎向變化等同。結(jié)合( 2 - 1 ) 和( 2 2 ) 式得： 堡：墮：一n 絲( ，2 一- 3 一)o = o = 一) 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章真空預(yù)壓法加固軟基的理論研究 式中： 一豎向正應(yīng)變； 形一體積壓縮系數(shù)，以= q 0 + 力； z ，一壓縮系數(shù)； f 一孔隙比。 聯(lián)立( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 得太沙基單項(xiàng)固結(jié)基本微分方程： 絲一r 墮 o t 、勞 式中c 為固結(jié)系數(shù)，c ，= 糾丫。以= ( 1 + e ) k y ， 2 2 2 巴隆軸對(duì)稱固結(jié)理論 軟土處理過程中，通常采用砂井或塑料排水板打入軟土層來(lái)加速軟土地基的 固結(jié)。這時(shí)固結(jié)由兩種排水作用引起：( 1 ) 沿垂直方向( z 軸) 的滲流：( 2 ) 垂直于 z 軸的平面內(nèi)的軸對(duì)稱滲流?？疾靸刹糠值耐Y(jié)作用，得到軸對(duì)稱固結(jié)理論的基 本微分方程： 魯魯+ g ( 等弓魯) 式中，為離開砂井軸線的水平距離，隨研究點(diǎn)的位置而改變。 巴隆( b a r t o n ) 系統(tǒng)的研究了砂井地基的排水固結(jié)問題。他考慮了在固結(jié)時(shí)的 兩種變形情況：( 1 ) 自由豎問應(yīng)變；( 2 ) 等豎向應(yīng)變。前者認(rèn)為地基表面的荷載分 布是均勻的，后者則認(rèn)為地面的變形是單一的。實(shí)際上，固結(jié)時(shí)，靠近砂井的土 體固結(jié)較快，該區(qū)域的地面沉降降較大，必然要使地面的接觸壓力發(fā)生再分布。 如果作用荷載的材料在該下陷部分有產(chǎn)生拱作用的趨勢(shì)，情況更是如此。如果完 全發(fā)揮拱作用，很可能更接近于等應(yīng)變情況。 基于以上考慮，巴隆給出了軸對(duì)稱固結(jié)問題的解析解，在砂井地基設(shè)計(jì)中得 到廣泛應(yīng)用。 2 2 3 比奧固結(jié)理論 比奧餌l o t ) - - 維固結(jié)理論正確反映了孔隙壓力消散與土體骨架變形之間的相 互關(guān)系，可同時(shí)求解孔隙壓力和位移。比奧取固結(jié)過程中的總應(yīng)力及孔隙水壓力 皆為未知數(shù)，建立平衡方程與滲流連續(xù)方程。求解這些方程可得出隨時(shí)間及位置 坐標(biāo)而變的總應(yīng)力與孔隙水壓力方程，并可得到任意時(shí)刻與位置的土體水平變形 和垂直沉降。但限于數(shù)學(xué)上的困難，在電子計(jì)算技術(shù)問世以前，此理論一直沒有 得到實(shí)際應(yīng)用，只有極少數(shù)邊界條件簡(jiǎn)單的問題得到解決。近年來(lái)，隨著有限元 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 筧二章真空預(yù)壓法加固軟基的理論研究 理論的發(fā)展和電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，該理論已逐漸被用于解決工程實(shí)際問題。 1 9 6 9 年，桑德霍( s a n d h u ) 和威爾遜( w i l s o n ) 依據(jù)變分原理，提出了求解比奧 ( b