真空渗流场作用下的渗透固结

李青松^1,2, 吴爱祥¹, 黄继先³, 习 泳¹, 张 杰¹

(1.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙,410083;

2.广东省航盛工程有限公司 岩土分公司,广东 广州,511442;

3.中南大学 地学与环境工程学院,湖南 长沙,410083)

摘要: 对真空预压法的机理进行研究。研究结果表明:真空预压是真空渗流场作用下的渗透固结,它从顶部抽真空,所产生的真空度在沿竖向排水通道向下传递过程中随深度递减,其作用是在沿各竖向排水通道产生无数动态完整井,并以各完整井为中心产生无数凸面向下的降落漏斗,各降落漏斗即形成真空渗流场。其中土体将以各完整井为中心产生渗透固结,并使整个土体强度得到改善。采用真空预压法有效加固的深度小于动态完整井所能达到的深度、其残余沉降量大于其竖向回弹量。

关键词: 真空预压法; 真空渗流场; 渗透固结; 完整井

中图分类号:TU472 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)04-0689-05

Infiltrating-concretion in vacuum seepage field

LI Qing-song^1,2, WU Ai-xiang¹, HUANG Ji-xian³, XI Yong¹, ZHANG Jie¹

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Geotechnical Engineering Filiale of Guangdong Province, Hangsheng Engineering Limited, Guangzhou 511442, China;

3. School of Geoscience and Environmental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The vacuum preloading method was studied. The results show that the essentials of the normal vacuum preloading could be considered as infiltrating-concretion in the vacuum seepage field. When making a vacuum on the surface of the ground, the vacuum degree becomes smaller and smaller with transfer going on along the vertical drainage passages, which would develop the vertical drainage passages into dynamic full-wells, and form many pumped funnels around them with the convex surface downwards. All of the pumped funnels form a vacuum seepage field, in which the soft ground is given the infiltrating-concretion around the full-wells and the ground is improved. By the vacuum preloading, the efficient reinforced depth is less than the depth of the dynamic full-wells, and the remained sedimentation is more than the vertical sprang quantity.

Key words: vacuum preloading method; vacuum seepage field; infiltrating-concretion; full-well

   IFCO强制固结法^[1]是荷兰IFCO公司于1998年对现有砂井预压法排水系统和加压系统进行改进时提出的一种新型软基处理方法。它将通常所用的单独塑料排水板或袋装砂井改成一排排纵向贯通的砂墙(宽为0.25 m),在砂墙顶部到地表的一定深度处采用粘土封口,排水管埋设于砂墙的底部,并用特制的集水泵直接抽取其中的水气。由于表层砂墙封[CM(22] 口的粘土和被处理软土层的超低渗透性^[2-4],接近不透水的土体,随着土中水气被抽取,土中将形成一定的真空度,一般真空度可达到95%,此时,可认为砂墙底部到表层范围内的土体沿深度方向受到不同大小的真空荷载预压,土体将在此真空荷载预压作用下产生固结。

第1种观点是将膜内外压差作为等效荷载作用在地基土上^[6-9]。该观点认为膜内外所产生的负气压差ΔP即为地基土上的“真空”荷载,并产生等向应力ΔP使土体固结。

第2种观点是陈环等^[10,11]提出的负压下固结理论。该观点认为其固结是在负压条件下进行的,与在正压条件下的固结基本相同,只是边界条件有差别,仍然可用现有的固结微分方程求解。

第3种观点是高志义^[12]提出的绝对孔隙水压力零点理论。该观点认为在基本不改变总应力的情况下,最大限度地直接降低边界上的孔隙水压力(一般方法可将孔隙水压力最大降至相对压力零点,真空预压因密封膜可使孔隙水压力最大降至绝对压力零点),从而导致孔隙水压力分布不平衡,土体自重有效应力使土体得以加固。该理论首次论证了真空预压法不同于堆载预压法和降水预压法,但同时认为真空预压过程中的渗流与固结不成因果关系。

第4种观点是龚晓南等^[5]提出的真空渗流场理论。该观点认为抽真空过程是在土体中较大的连通孔道(如塑料排水带)中形成“真空渗流场”,并将其中的水和气(真空流体)吸出,地下水位下降而导致地基土体固结,较小孔道中的水随后也被吸出,产生固结,其固结范围仅限于降低后的地下水位线以上的土体。

作者在上述研究成果的基础上,进一步分析抽真空的作用机理认为:真空预压法作为一种预压固结法,其加压系统并不明确;是真空渗流场作用下的渗透固结更加合理。

1 真空预压法的作用机理

1.1 真空预压法的加压系统

在物理学中做大气压试验时,常用2个半球形的玻璃器皿,在其接口处以凡士林密封,然后用空压机从预留的抽气口往外抽气,一定时间后即很难拉开,证明存在大气压。试验时,将玻璃器皿放在一支承物上,即使在内外压差达1×10⁵ Pa时,玻璃器皿对其支承物的压力不仅没加大,反而因其中空气减少而减小。

另外,对2张平行但相隔有限距离的纸的中间吹气,2张纸不仅没分开,反而靠拢了。若将下面那张纸固定在一支承物上,然后再次进行吹气操作,上面那张纸将向下面的纸靠拢。这时,支承物并没有承受比这2张纸的重力大的压力。如将上面那张纸固定,下面那张纸将向上面的纸靠拢。

由此看出,抽真空所形成的负压差不能在其支承物上产生附加的相当于负压差的压力。

据达西定律,真空预压法在抽真空作用的有限时间内,抽真空所能影响的土体厚度为使土体中孔隙水渗流速度v>0时的最大厚度,记做l_max,其大小是有限的。可将真空预压法(如图1所示)的密封膜和其下厚度为l_max的地基土体看作是一个抽真空系统,与上述2个玻璃半球或2张平行且相隔有限距离放置的纸所组成的系统类似。其膜内外的大气压差不能给此系统下部的地基土体以任何附加荷载。即其负压不能产生与IFCO强制固结法和堆载预压法性质相似的加压荷载,该法的加压系统不能确定。

图 1   真空预压法示意图

Fig. 1   Sketch map of vacuum preloading  

孔隙水的渗透速度的表达式如下:

式中:v为孔隙水的渗透速度;u_w为软土层中的孔隙水压力;u_a为软土层顶面抽真空所形成的压力;I₀为软土层的起始压力梯度;k为软土层的渗透系数;l为沿水流方向与u_w和u_a相对应的前、后2点的距离。

1.2 真空渗流场作用下的渗透固结

由于只在砂垫层中抽真空,所产生的负压除在软土层顶部厚为l_max的土层中产生直接影响外,还将沿竖向排水通道向深部传递。所有竖向排水通道相当于无数动态发展的抽水位置只在井口的“抽水井”处。由于软土的超低渗透性、隔水性,井底可认为一直处于“含水层”的底部,即均为“完整井”。随着抽真空时间的延长,“完整井”不断向深处发展,形成“动态完整井”。所有“动态完整井”形成一个庞大的干扰井群,并在整个“真空预压区”形成无数以单个“动态完整井”为中心的、底部向下凸的降落漏斗,与通常抽取地下水所形成的降落漏斗不同,如图2所示。所有降落漏斗即构成了“真空渗流场”。

图 2   抽水井的降落漏斗与真空渗流场中降落漏斗对比图

Fig. 2   Contrast diagram of pumped-funnels formed by normal pumping water and in vacuum seepage field  

刘杰等^[13]关于土的渗透压密性质的研究结果表明,水在土体中的渗透是水流在渗透力作用下的一种运动形式。水流能量的损失包括水分子相互之间的摩擦阻力与土骨架之间的摩擦阻力2个部分。在渗透流速很小的土中,因其本身的摩擦阻力很小,能量主要损失于水与土骨架的相互作用中,即使土颗粒做功,并产生位移,从而导致土体的压缩密实,称为渗透固结。

在真空渗流场中,可认为“水泵”的作用位置遍布整个“完整井”,且抽水吸力随深度的加深而随梯度减弱,因此,真空渗流场中的气水渗透力的方向是斜向上,并指向各中心的“动态完整井”,如图3所示。这与降水预压过程中气水渗透力的方向不同,后者方向是斜向下。这说明在气水渗透力的作用下,土颗粒的运动方向是斜向上,下一个土颗粒的运动方向与上一个土颗粒的下沉方向相对,如图4所示。这将有助于加快土颗粒之间距离的缩短、有效应力的增加,从而使土体压密固结速度提高。

图 3   真空渗流场中土颗粒受力示意图

Fig. 3   Schematic diagram of force of soil grain in vacuum seepage field

图 4   真空渗流场中土颗粒运动示意图

Fig. 4   Schematic diagram movement of soil grains in vacuum seepage field  

若密封膜的标高保持不变,则抽真空影响深度位置将产生一个分隔带,即此分隔带以上土体被真空负压向上吸起,然而实际上密封膜的标高不能保持不变,被吸向上的土颗粒仍将在其上整个土柱体的重力作用下产生向下压密固结效果,且其直接有效作用区域只是所有“动态完整井”所形成的降落漏斗。

因此,常用的真空预压法是真空渗流场作用下的渗透固结。

1.3 真空预压法的有效加固深度及影响深度

由于抽真空只在地基表层进行,动态完整井的发展深度将随其周围孔隙水的补给情况变化而变化,若补给充足,则能保证在抽真空过程中塑料排水板一直饱和,使其最大发展深度达到通常离心泵所能抽水的最大深度(约为10 m);若补给不充足,则在抽真空过程中塑料排水板不饱和,使其发展深度大于10 m,这还依赖于密封膜的密封程度和抽真空设备的功率。因此,所形成的真空渗流场深度不超过动态完整井的发展深度,有效加固深度也不超过此深度。

但这并不是这一方法的影响深度,其影响深度可随抽真空时间的延长而大于该深度。当真空渗流场中的水气被抽走后,孔隙水压力减小,有效应力增大,相当于浮容重变成天然容重,自重应力增大。对于其下部土体,相当于增加预压荷载,其影响深度将与堆载预压的发展规律相同,即随着时间的延长而增大,最终可达竖向排水系统的深度,甚至更深。当抽真空停止后,增大的自重应力将随着孔隙水的补给而减小,并在一段时间后消失,相当于下部土体的预压荷载卸除,影响深度不再增大。由于抽真空时间相对较短,有效加固范围对其下土体的堆载预压作用时间也较短,而堆载预压的加固效果与堆载的作用时间有关,因此,真空渗流场的影响区域的加固效果不理想。

1.4 抽真空作用强度对加固效果的影响

抽真空作用强度由密封膜的密封效果和抽真空设备的功率共同决定,与动态完整井的发展速度密切相关,也是直接影响真空渗流场作用效果的因素。若作用强度强,则真空渗流场的发展速度快,作用时间长,其中土体的渗透固结效果好,有效加固范围大,所能影响的区域也大,对影响区域土体的预压作用时间也长,固结效果将较好;若作用强度弱,则真空渗流场的发展速度慢,作用时间短,其中土体的渗透固结效果差,有效加固范围小,所能影响的区域也小,对影响区域土体的预压作用时间也短,加固效果不理想。

1.5 真空预压法的应力路径

真空预压法的应力路径^[14]是被加固土体首先在一定的球应力作用下排水固结,这期间不产生剪应力,土体不发生剪切变形,土体产生向内收缩的侧向压密变形。随着抽真空作用的停止,所受的球应力消失,产生一定的竖向回弹。在使用时,土体将承受上部建(构)筑物作用下压应力(正应力),该压应力产生剪应力,引起部分沉降量,并成为最终沉降量的重要组成部分。

抽真空过程实际上是真空渗流场的形成和发展过程,也是以单个“动态完整井”为中心的降落漏斗中渗透固结的发展过程。对于单个降落漏斗,其应力路径与通常认为的路径相同;但对于整个真空渗流场则不确定。单个降落漏斗的作用结果的集合与玄武岩浆喷出后在冷凝过程中产生收缩时的结果类似,即形成以单个竖向排水通道为中心的无数土柱,并在土体中产生无数类似于玄武岩中的竖向节理面的竖向软弱带。由此看出,被加固土体并不是呈一个整体同步变形,后期所承受的正应力将在每个“土柱”中产生相应的剪应力。

1.6 真空预压法的残余沉降量

真空预压法的有效加固范围只是真空渗流场的形成范围,底面为无数向下凸的面的组合,一般小于动态完整井的发展深度,且其影响范围的加固效果较差;同时,其加固范围并不是一个整体,而是由无数的柱状体组成,各柱状体间是类似玄武岩体中竖向节理的软弱带。当抽真空停止后,各柱状体因其本身的回弹性质将产生一定量的水平回弹和竖向回弹。由受力分析可知,后者小于前者。在相当于最大负压差的建(构)筑物荷载作用下,各柱状体因其体积有限,虽然变形模量在渗透固结过程中已变得较大,但其承载力有限,将向水平方向挤压而产生较大沉降;另外,影响区域及其下部土体的变形模量变化不大,在附加应力作用下也将产生较大的沉降。这2部分沉降之和构成残余沉降量,该沉降量必然大于抽真空结束时所产生的竖向回弹量。

2 结 论

a. 真空预压法是真空渗流场作用下的渗透固结。其基本思想是:通过在地基土中建造排水系统,给排水系统提供负压,使竖向排水通道发展成为动态完整井,并以其为中心,产生不同于通常抽水所形成的降落漏斗,减小孔隙水压力,在有效加固范围内土体产生渗透固结,并以堆载预压的形式作用于其下影响范围内的土体上,达到加固地基的目的。

b. 真空预压法的有效加固深度小于动态完整井所能发展的最大深度,有效加固范围为动态完整井所形成的降落漏斗区域,影响的加固深度达到竖向排水通道的设置深度。

c. 真空预压法的应力路径不是使整个加固区域在球应力作用下固结,而是使以单个竖向排水通道为中心的降落漏斗中的柱状体在球应力作用下固结,然后卸载,接受正向压力。

d. 经真空预压法处理后的地基在最大负压差的荷载作用下,其残余沉降量大于其竖向回弹量。

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收稿日期:2004-10-28

基金项目:国家杰出青年基金项目(50325415)

作者简介:李青松(1972-), 男, 湖南郴州人, 博士研究生, 从事散体介质中的渗流力学研究

论文联系人: 李青松,男,博士研究生;电话:0731-8830851(O), 13607435144(手机); E-mail: lhqingsong@126.com