真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的異同比較和分析

1、緒論 預(yù)壓法是在建筑物建造前 ,對(duì)天然地基或?qū)σ言O(shè)的各種排水體 (如砂井和排水墊層等 )的 地基施加預(yù)壓荷載 (如堆載， 真空預(yù)壓或聯(lián)合預(yù)壓 )，使土體固結(jié)沉降基本完成或完成大 部分，從而提高地基土強(qiáng)度的一種地基處理方法。排水固結(jié)法是一種新興的軟基加固 方法，此法是利用天然地基土層本身的透水性或設(shè)置在地基中的豎向排水體，通過(guò)預(yù) 先在地表進(jìn)行加載預(yù)壓或利用建 (構(gòu) )筑物自身重量使土體中孔隙水逐漸排出， 土體逐漸 固結(jié)，地基土逐漸壓密， 強(qiáng)度逐步提高的方法。 因其處理的地基面積大且兼有投資小、 見(jiàn)效快、施工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于高速公路和水利堤壩等建筑工程中。排水 固結(jié)法中的堆載預(yù)壓法和真空

2、預(yù)壓法是常用的兩種方法，本文將從加固的機(jī)理、側(cè)向 變形、施工工期和加固效果、應(yīng)力變化多方面對(duì)這兩種不同的處理方法進(jìn)行比較和分 析。二、真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的機(jī)理分析1、土體的假定 為了便于說(shuō)明問(wèn)題，對(duì)土作如下假定：(1) 土是彈性體；(2) 土是均質(zhì)、各向同性且飽和；(3) 土的壓縮完全由孔隙體積的減小引起，土粒和孔隙水是不可壓縮的；(4) 堆載是一次瞬時(shí)施加。2、堆載預(yù)壓法的加固機(jī)理 堆載預(yù)壓是在增加土體總壓力的基礎(chǔ)上，來(lái)增加土體的有效應(yīng)力。以土料、砂料或路 堤自身作為荷載，對(duì)被加固的路基進(jìn)行預(yù)壓。軟土地基在此附加荷載作用下，產(chǎn)生正 的超孔隙水壓力。 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后， 超孔隙水壓力逐漸消散，

3、土中有效應(yīng)力不斷增長(zhǎng)， 地基土得以固結(jié)，產(chǎn)生垂直變形，同時(shí)強(qiáng)度也得到提高用堆載預(yù)壓法進(jìn)行加固正常 固結(jié)土地基的情形如圖 2 所示，圖中的塑料排水板是為了縮短加固時(shí)間、加快固結(jié)過(guò) 程而設(shè)置因此，經(jīng)過(guò)堆載預(yù)壓加固的土體強(qiáng)度得到了提高。3. 真空預(yù)壓機(jī)理 真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓同屬于排水固結(jié)法，真空預(yù)壓時(shí)，我們?cè)诩庸虆^(qū)的地面上抽真空 造成負(fù)壓，土體孔壓逐漸降低，降低的孔壓轉(zhuǎn)變?yōu)橥馏w的有效應(yīng)力，這就是真空預(yù)壓 使土體產(chǎn)生固結(jié)的基本原理。 真空預(yù)壓法早在 1952 年由瑞典土工研究所的 Kjiellman 教授提出：他闡述了在真空預(yù)壓過(guò)程中孔隙水壓力降低、有效應(yīng)力增加的正確觀(guān)點(diǎn)。 在軟基中設(shè)置豎向排水通道

4、(砂井或塑料排水板等 )然后在地面鋪一層砂墊層， 再在其上 覆蓋一層不透氣的薄膜，在膜下抽真空，形成壓力差，這個(gè)壓力差稱(chēng)之為“真空度” ， 在砂墊層中形成的真空度通過(guò)垂直排水通道向下傳遞， 從而引起土中孔隙水壓力降低， 使土體孔隙中的氣和水沿著垂直排水通道滲流，最后匯至砂墊層被泵抽出，達(dá)到排水 固結(jié)的效果，如圖 3 所示： 在真空預(yù)壓加固完成，土體固結(jié)完成后，相應(yīng)的有效應(yīng)力圓移到位置 2處，從圖 4 可 知，加固后平均應(yīng)力增大了， 但應(yīng)力圓的半徑?jīng)]有變化， 這表明地基土的強(qiáng)度增大了， 而剪應(yīng)力卻沒(méi)增大，所以在加固過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)地基失穩(wěn)的情形。當(dāng)停止抽真空后， 被加固的土體由正常固結(jié)狀態(tài)變成超固

5、結(jié)狀態(tài) 士體中的強(qiáng)度沿超固結(jié)強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)返回到圖4中的E點(diǎn)，E點(diǎn)比I）點(diǎn)具有更高的抗剪強(qiáng)度，因此，經(jīng)過(guò)真空預(yù)壓加固的土體 強(qiáng)度得到了提高。三、真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的異同比較和分析1 機(jī)理過(guò)程的比較從上述的比較可知，真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法加固土體的固結(jié)過(guò)程相似，只是初始條 件、邊界條件不同。2 適用條件的比較 堆載預(yù)壓對(duì)所加固的土層沒(méi)有特別的要求。而真空預(yù)壓則要求在所加固的土層范圍內(nèi) 不能出現(xiàn)有足夠水源補(bǔ)給的透水層 （如夾砂層 ），透水層的存在會(huì)影響密封效果， 進(jìn)而影 響真空度和加固效果。因此在決定采取真空預(yù)壓處理方案前一定要查明地質(zhì)情況，確 保加固范圍土層的“密封”性。3 側(cè)向變形的比較堆載預(yù)壓法

6、的側(cè)向變形在堆載預(yù)壓法中，加固后在距離地表一定深度的點(diǎn)，水平向有效應(yīng)力的增量。的衰 減大于豎向有效應(yīng)力的增量的衰減，所以側(cè)向變形呈膨脹趨勢(shì)，土體產(chǎn)生朝加固區(qū) 向外的位移。真空預(yù)壓法的側(cè)向變形 對(duì)真空預(yù)壓法來(lái)說(shuō)，由于土體增加的有效應(yīng)力是球應(yīng)力，各方向增量均相等，因此只 產(chǎn)生側(cè)線(xiàn)收縮變形，土體產(chǎn)生朝加固區(qū)向內(nèi)的位移。結(jié)論由于有效應(yīng)力變化情況不同，真空預(yù)壓產(chǎn)生的土體變形情況不同于堆載預(yù)壓。真空預(yù) 壓時(shí)，土體受到各向相等的固結(jié)壓力發(fā)生固結(jié)并產(chǎn)生整體收縮現(xiàn)象，因而在發(fā)生沉降 的同時(shí)也產(chǎn)生向里的水平位移。而堆載預(yù)壓產(chǎn)生的固結(jié)壓力是不等向的，除了加固區(qū) 中心地表以下的淺層土體單元外，一般開(kāi)始時(shí)都要產(chǎn)生側(cè)向膨

7、脹，根據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié) 果，真空預(yù)壓時(shí)最大的水平位移一般發(fā)生在加固區(qū)邊緣的地基表面；堆載預(yù)壓時(shí)最大 的水平位移并非在地表，而是在地表以下一定深度處。真空預(yù)壓時(shí)，周?chē)馏w由于產(chǎn) 生收縮變形而開(kāi)裂，裂縫一般平行于加固區(qū)的邊線(xiàn)。堆載預(yù)壓時(shí)，堆載區(qū)周?chē)耐馏w 由于側(cè)向擠出而發(fā)生隆起變形。在產(chǎn)生相同垂直變形的情況下，真空預(yù)壓法的加固效 果要好于堆載預(yù)壓法。4 加載方式的比較 由于真空預(yù)壓時(shí)土體不會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，即使真空荷載一次性施加上去，地基土也不會(huì) 發(fā)生剪切破壞，從而可以縮短工期。而堆載預(yù)壓時(shí)則必須控制加載速率，使荷載增加 的速度與地基土強(qiáng)度增加的速度相適應(yīng)。5 施工工期和加固效果的比較由于堆載預(yù)壓過(guò)程中

8、土體容易發(fā)生失穩(wěn)剪切破壞，所以要控制堆載的速率，進(jìn)行分級(jí) 加載。而真空預(yù)壓過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，無(wú)需分級(jí)加載，因此在相同的條件下 真空預(yù)壓的施工工期要短于堆載預(yù)壓的工期。許多室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都證明飽和軟粘土的剪應(yīng)力的增大會(huì)引起剪切蠕動(dòng)從而導(dǎo)致強(qiáng)度 衰減 。真空預(yù)壓法中土的強(qiáng)度增長(zhǎng)是在等向固結(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，抗剪強(qiáng)度提高的同時(shí) 不會(huì)伴隨剪應(yīng)力的增大，從而不會(huì)產(chǎn)生剪切蠕動(dòng)現(xiàn)象，也就不會(huì)導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰 減，而堆載預(yù)壓法則相反，所以在同樣的情況下，真空預(yù)壓法處理的地基的抗剪強(qiáng)度 增長(zhǎng)率比堆載排水預(yù)壓法要大。堆載預(yù)壓法中土體是向著加固區(qū)外移動(dòng)的，而真空預(yù)壓中土體是向著加固區(qū)內(nèi)移動(dòng)的，所以二者發(fā)生相同的

9、垂直變形時(shí)，真空預(yù)壓法加固 的土體密度更高。四、結(jié)束語(yǔ) 堆載預(yù)壓法是通過(guò)增加土體中的總應(yīng)力來(lái)提高土中的孔隙水壓力，等增加的孔隙水壓 力消散后才增加土體的有效應(yīng)力，而真空預(yù)壓法則是保持總應(yīng)力不變，降低了孔隙水 壓力，一開(kāi)始就增加了有效應(yīng)力， 從而很好地解決了路堤填土中工程進(jìn)度與施工質(zhì)量、 安全之間的矛盾。在目前高速公路建設(shè)工期緊張的情況下，真空預(yù)壓法能爭(zhēng)取到較大 的預(yù)壓期，這對(duì)減小工后沉降是有益的。真空預(yù)壓施工設(shè)備簡(jiǎn)單，費(fèi)用省，其最顯著 的特點(diǎn)是無(wú)需大量加載材料，但真空度的提高和維持受到客觀(guān)環(huán)境影響較大，難以有 效控制同時(shí)預(yù)壓值廿土受到一定限制且對(duì)深層軟土的處理效果較差。純堆載頂壓處 理在加固深

10、厚軟土地基時(shí)比真空頂壓處理優(yōu)勢(shì)明顯?，F(xiàn)將二者的異同整理如下：(1) 堆載預(yù)壓法中，土體中的總應(yīng)力是增加的；而真空預(yù)壓法中總應(yīng)力沒(méi)有增加。(2) 堆載預(yù)壓法中，土體孔隙中形成的超孔隙水應(yīng)力是正值；而真空預(yù)壓法中，土體孔 隙中形成的超孔隙水應(yīng)力是負(fù)值。(3) 堆載預(yù)壓法中，超孔隙水應(yīng)力消散而使有效應(yīng)力增加；真空預(yù)壓法中，有效應(yīng)力增 加是依賴(lài)孔隙水應(yīng)力的降低來(lái)實(shí)現(xiàn)的。(4) 堆載預(yù)壓法中，必須控制加荷速率，一般荷載是要分級(jí)施加的；真空預(yù)壓法中?？?連續(xù)抽真空至最大真空度。(5) 堆載預(yù)壓法對(duì)地基的天然抗剪強(qiáng)度有一定的要求；真空預(yù)壓法對(duì)地基的天然抗剪強(qiáng) 度沒(méi)有要求，但加固范圍內(nèi)不能有強(qiáng)含水層存在。(6

11、) 真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法都屬于排水固結(jié)法，真空預(yù)壓法是通過(guò)降低土體中的孔壓 來(lái)達(dá)到加固土體的目的，而堆載預(yù)壓法則是通過(guò)增加土體中的總應(yīng)力來(lái)達(dá)到加固土體 目的。(7) 真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓在土體中產(chǎn)生的強(qiáng)度和變形規(guī)律并不一樣。真空預(yù)壓使土體產(chǎn) 生等向壓縮，不會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，因此真空預(yù)壓更適合于工期要求緊的超軟地基加固。(8) 真空預(yù)壓時(shí)，加固區(qū)內(nèi)的地下水位并沒(méi)有降低，降低的只是孔隙水壓力中的大氣壓 力部分，因此，加固區(qū)中的土體可以按飽和土體考慮。(9) 在加固區(qū)周?chē)?，土體中的水位可能會(huì)降低，并對(duì)加固區(qū)和周?chē)耐馏w產(chǎn)生一定的影 響，應(yīng)重視真空預(yù)壓與邊界的相互影響關(guān)系，邊界的密封與否是真空預(yù)壓成敗的關(guān)鍵 因素。(10) 堆載預(yù)壓的有效加固深度取決于堆載在土體中