真空预压和堆载预压的比较

真空预压和堆载预压的比较
           尹新刚

[提要]  从加固机理的分析出发，对排水固结法中的堆载预压和真空预压两种方法进行了多方面的比较分析，指出真空预压法和堆栽预压法在解决软土地基时的各自的优劣势所在。

[关键词]  软基 堆载预压 真空预压 应力圆

一、 绪论
预压法是在建筑物建造前,对天然地基或对已设的各种排水体(如砂井和排水垫层等)的地基施加预压荷载(如堆载，真空预压或联合预压)，使土体固结沉降基本完成或完成大部分，从而提高地基土强度的一种地基处理方法。排水固结法是一种新兴的软基加固方法，此法是利用天然地基土层本身的透水性或设置在地基中的竖向排水体，通过预先在地表进行加载预压或利用建(构)筑物自身重量使土体中孔隙水逐渐排出，土体逐渐固结，地基土逐渐压密，强度逐步提高的方法。因其处理的地基面积大且兼有投资小、见效快、施工简单的特点，所以广泛应用于高速公路和水利堤坝等建筑工程中。排水固结法中的堆载预压法和真空预压法是常用的两种方法，本文将从加固的机理、侧向变形、施工工期和加固效果、应力变化多方面对这两种不同的处理方法进行比较和分析。
二、真空预压和堆载预压的机理分析
1、土体的假定
为了便于说明问题，对土作如下假定：
(1)土是弹性体；
(2)土是均质、各向同性且饱和；
(3)土的压缩完全由孔隙体积的减小引起，土粒和孔隙水是不可压缩的；
(4)堆载是一次瞬时施加。
2、堆载预压法的加固机理
堆载预压是在增加土体总压力的基础上，来增加土体的有效应力。以土料、砂料或路堤自身作为荷载，对被加固的路基进行预压。软土地基在此附加荷载作用下，产生正的超孔隙水压力。经过一段时间后，超孔隙水压力逐渐消散，土中有效应力不断增长，地基土得以固结，产生垂直变形，同时强度也得到提高．用堆载预压法进行加固正常固结土地基的情形如图2所示，图中的塑料排水板是为了缩短加固时间、加快固结过程而设置
因此，经过堆载预压加固的土体强度得到了提高。
3. 真空预压机理
真空预压和堆载预压同属于排水固结法，真空预压时，我们在加固区的地面上抽真空造成负压，土体孔压逐渐降低，降低的孔压转变为土体的有效应力，这就是真空预压使土体产生固结的基本原理。 真空预压法早在1952年由瑞典土工研究所的Kjiellman教授提出：他阐述了在真空预压过程中孔隙水压力降低、有效应力增加的正确观点。在软基中设置竖向排水通道(砂井或塑料排水板等)然后在地面铺一层砂垫层，再在其上覆盖一层不透气的薄膜，在膜下抽真空，形成压力差，这个压力差称之为“真空度”，在砂垫层中形成的真空度通过垂直排水通道向下传递，从而引起土中孔隙水压力降低，使土体孔隙中的气和水沿着垂直排水通道渗流，最后汇至砂垫层被泵抽出，达到排水固结的效果，如图3所示：

在真空预压加固完成，土体固结完成后，相应的有效应力圆移到位置2处，从图4可知，加固后平均应力增大了，但应力圆的半径没有变化，这表明地基土的强度增大了，而剪应力却没增大，所以在加固过程中不会出现地基失稳的情形。当停止抽真空后，被加固的土体由正常固结状态变成超固结状态 ．士体中的强度沿超固结强度包络线返回到图4中的E点，E点比I)点具有更高的抗剪强度，因此，经过真空预压加固的土体强度得到了提高。
三、真空预压和堆载预压的异同比较和分析
1 机理过程的比较
从上述的比较可知，真空预压法和堆载预压法加固土体的固结过程相似，只是初始条件、边界条件不同。
2 适用条件的比较
堆载预压对所加固的土层没有特别的要求。而真空预压则要求在所加固的土层范围内不能出现有足够水源补给的透水层(如夹砂层)，透水层的存在会影响密封效果，进而影响真空度和加固效果。因此在决定采取真空预压处理方案前一定要查明地质情况，确保加固范围土层的“密封”性。
3 侧向变形的比较
3.1 堆载预压法的侧向变形
在堆载预压法中，加固后在距离地表一定深度的点，水平向有效应力的增量△。的衰减大于竖向有效应力的增量△的衰减，所以侧向变形呈膨胀趋势，土体产生朝加固区向外的位移。
3.2 真空预压法的侧向变形
对真空预压法来说，由于土体增加的有效应力是球应力，各方向增量均相等，因此只产生侧线收缩变形，土体产生朝加固区向内的位移。
3.3 结论
由于有效应力变化情况不同，真空预压产生的土体变形情况不同于堆载预压。真空预压时，土体受到各向相等的固结压力发生固结并产生整体收缩现象，因而在发生沉降的同时也产生向里的水平位移。而堆载预压产生的固结压力是不等向的，除了加固区中心地表以下的浅层土体单元外，一般开始时都要产生侧向膨胀，根据实测和计算结果，真空预压时最大的水平位移一般发生在加固区边缘的地基表面；堆载预压时最大的水平位移并非在地表，而是在地表以下一定深度处。真空预压时，周围土体由于产生收缩变形而开裂，裂缝一般平行于加固区的边线。堆载预压时，堆载区周围的土体由于侧向挤出而发生隆起变形。在产生相同垂直变形的情况下，真空预压法的加固效果要好于堆载预压法。
4  加载方式的比较
由于真空预压时土体不会产生剪应力，即使真空荷载一次性施加上去，地基土也不会发生剪切破坏，从而可以缩短工期。而堆载预压时则必须控制加载速率，使荷载增加的速度与地基土强度增加的速度相适应。
5  施工工期和加固效果的比较
由于堆载预压过程中土体容易发生失稳剪切破坏，所以要控制堆载的速率，进行分级加载。而真空预压过程中不会出现失稳的情况，无需分级加载，因此在相同的条件下真空预压的施工工期要短于堆载预压的工期。
许多室内和现场试验都证明饱和软粘土的剪应力的增大会引起剪切蠕动从而导致强度衰减 。真空预压法中土的强度增长是在等向固结过程中实现的，抗剪强度提高的同时不会伴随剪应力的增大，从而不会产生剪切蠕动现象，也．就不会导致抗剪强度的衰减，而堆载预压法则相反，所以在同样的情况下，真空预压法处理的地基的抗剪强度增长率比堆载排水预压法要大。堆载预压法中土体是向着加固区外移动的，而真空预压中土体是向着加固区内移动的，所以二者发生相同的垂直变形时，真空预压法加固的土体密度更高。
四、结束语
堆载预压法是通过增加土体中的总应力来提高土中的孔隙水压力，等增加的孔隙水压力消散后才增加土体的有效应力，而真空预压法则是保持总应力不变，降低了孔隙水压力，一开始就增加了有效应力，从而很好地解决了路堤填土中工程进度与施工质量、安全之间的矛盾。在目前高速公路建设工期紧张的情况下，真空预压法能争取到较大的预压期，这对减小工后沉降是有益的。真空预压施工设备简单，费用省，其最显著的特点是无需大量加载材料，但真空度的提高和维持受到客观环境影响较大，难以有效控制．同时预压值廿土受到一定限制且对深层软土的处理效果较差。纯堆载顶压处理在加固深厚软土地基时比真空顶压处理优势明显。现将二者的异同整理如下：
(1)堆载预压法中，土体中的总应力是增加的；而真空预压法中总应力没有增加。
(2)堆载预压法中，土体孔隙中形成的超孔隙水应力是正值；而真空预压法中，土体孔隙中形成的超孔隙水应力是负值。
(3)堆载预压法中，超孔隙水应力消散而使有效应力增加；真空预压法中，有效应力增加是依赖孔隙水应力的降低来实现的。
(4)堆载预压法中，必须控制加荷速率，一般荷载是要分级施加的；真空预压法中。可连续抽真空至最大真空度。
(5)堆载预压法对地基的天然抗剪强度有一定的要求；真空预压法对地基的天然抗剪强度没有要求，但加固范围内不能有强含水层存在。
(6)真空预压法和堆载预压法都属于排水固结法，真空预压法是通过降低土体中的孔压来达到加固土体的目的，而堆载预压法则是通过增加土体中的总应力来达到加固土体目的。
(7)真空预压和堆载预压在土体中产生的强度和变形规律并不一样。真空预压使土体产生等向压缩，不会产生剪应力，因此真空预压更适合于工期要求紧的超软地基加固。
(8)真空预压时，加固区内的地下水位并没有降低，降低的只是孔隙水压力中的大气压力部分，因此，加固区中的土体可以按饱和土体考虑。
(9)在加固区周围，土体中的水位可能会降低，并对加固区和周围的土体产生一定的影响，应重视真空预压与边界的相互影响关系，边界的密封与否是真空预压成败的关键因素。
(10)堆载预压的有效加固深度取决于堆载在土体中产生附加应力的大小；真空预压的有效加固深度则取决于砂井的阻力和土体的渗透系数，对于一般的软土地基，可以认为其加固深度与砂井的打设长度基本一致。
(11)由于加固机理不同，真空预压的加固效果并不能简单地认为与垂直压力相同的堆载预压相同，应该进行进一步的理论研究和试验工作，在此基础上研究真空预压固结变形和强度增长的常规算法，以便于工程应用。

参 考 文 献  
[1] 钱家欢．土力学 [M]．南京：河海大学出版社，1990.
[2] 堆载预压法和真空预压法加固机理的比较；岩土工程[J]，第5卷，第11期，2002年
[3] 华南理工大学，东南大学，浙江大学等．地基及基础．北京．中国建筑工业出版社．1998．96～105
[4] 徐泽中，殷宗泽．交通土建软土地基工程手册．北京：人民交通出版社．2001．404~414
[5] 殷宗泽．土工原理计算．北京：中国水利水电出版社，2000．272~273