真空预压法加固机理新探讨
摘要：本文分析了真空预压法加固软基的所要具备的两个条件，以土水势的原理解释了加固过程中的渗流机制，并阐述了孔隙水压力向有效应力的转化过程，说明有效应力的增量是由气压差和静水压力差构成的，最后对卸除真空荷载后地基回弹作了分析。
毕业论文网 关键词： 真空预压；超静水压力；土水势；有效应力；地下水 Abstract: This paper analyzes the vacuum preloading method to reinforce the soft foundation to have two conditions, the principle of the soil to explain the process of strengthening seepage mechanism, and expounds the pore water pressure to change process of effective stress that effective stress increment is sent by air pressure and still water pressure difference structure, finally to unload the vacuum load is analyzed after springback foundation. Key words: vacuum preloading; calm water pressure; soil water potential; effective stress; groundwater 中图分类号：U655.54+4.4文献标识码：A文章编号： 引言 目前国内对真空预压加固机理的研究较多，但观点不一，主要有五种：第一种观点是将膜内外压差作为等效荷载作用在地基土上。
该观点认为膜内外所产生的负气压差即为地基土上的“真空”荷载,并产生等向应力使土体固结；第二种观点是陈环等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；第三种观点是高志义于***年提出的绝对孔隙水压力零点理论 ；第四种观点是龚晓南等于2002年提出的真空渗流场理论。
第五种观点是李青松等于2004年提出的“真空渗流场作用下的渗透固结”。
本文在上述研究成果的基础上，从渗流和孔隙水应力向有效应力的转化过程这两个角度出发，对真空预压法的加固机理作进一步的探讨。
1 真空预压法加固软基的两个条件 土是一种多孔介质，土中的孔隙组成大小不一的孔道，孔道中充满了水和气。
在天然状态下，大气、地基中地下水位线以上土体中的水和气以及地下水位以下土体中的水，处于平衡状态，不存在流动现象。
水总是从能量高的状态流向能量低的状态，由于土中水的渗流速度一般较慢，其动能部分可以忽略不计，所以决定土中水运动的主要是其势能。
土体产生固结必须具备两个条件： 1) 土中水的总势能不平衡，这种不平衡必然伴随着渗流促使孔隙水流动；反之，这种不平衡能够促使孔隙水流动但不能引起孔隙水减少时，则不会导致固结。
所以，总势能的不平衡是固结的必要条件。
2) 土中水需要不断减少及降低孔隙水压力，并使有效应力增加。
1.1 地基土中两点的土水势 土体中水的势能包括重力势、压力势、基质势和溶质势。
重力势是水的位能，即相对于某基准面的重力势能；压力势由水受的压力所决定，又可分为静水压力势、渗流势和超静水压力势；基质势也称为广义毛细势，主要是由气水界面的收缩膜，即表面张力引起的，它只存在于非饱和土中；溶质势是水中存在一定溶度的离子，纯水的溶质势为零。
通常我们认为拟加固区的土体是饱和的，因此，土水势中只有重力势和压力势。
这样，水的总势能可以用（1）式表达。
（1） 其中 ――总土水势 ――重力势 ――压力势 当地基中存在砂井时，渗透力主要是水平方向的，因此考察图1中处于同一水平面上的A、B两点，A点是砂井周围土中的任一点，B点位于砂井内。
图1 真空预压加固软土地基示意图 以地面作为基准面，因两点处于同一水平面，其重力势均相同，所以我们只需要比较其压力势，假设初始地下水位线与地面齐平（不齐平的情况也可作类似的分析）。
和 是A、B两点的初始气压，由平衡方程可知，抽真空前，A、B两点测压管内的水位是相同的，砂井一般不会打穿承压水层，所以两管内的水位与地下水位也是齐平的，如图2所示。
此时两处的静水压力势相同，总势能为零，即A、B两点不会产生水的渗流。
A、B两点的测压管内水位如图3所示。
图2 抽真空前A、B两点的测管水位 图3 抽真空至某状态时A、B点的测管水位 设测压管长度为 ， 是地下水位下降高度，根据气体状态方程有： （2） （3） 因为抽真空前有： 且A、B处于同一水平面，忽略这两处测压管因抽真空而引起的地面沉降差异，所以有： （4） 因B点位于砂井内，其气压比周围土体的都要小，即 ，所以有 于是有 （5） 上述式中， ――抽真空前A点测压管内气压 ――抽真空前B点测压管内气压 ――抽真空至某状态时A点测压管内气压 ――抽真空至某状态时B点测压管内气压 抽真空至某状态时，A、B两点测压管内水位与此时地下水位线的距离分别计为 和 ，这就是由于真空压力作用于A、B两点而产生的负超静水压力，在势能中表现为荷载势。
由图3可以看出， > ，这说明在抽真空后的某个状态时，B点的负孔压小于A点的负孔压.需要指出的是，A点和B点的孔压并不是在抽真空的瞬时就同时降低的，而是真空压力先通过砂垫层传递到排水通道，然后再由排水通道向周围土体逐渐扩散，从而达到降低孔隙水压力的目的。
所以B点的孔压先降低，而后真空压力传递到A点，促使其孔压也下降，但是其下降的幅度并没有B点迅速，所以A,B两点的总势能并不相同.如下式表示: (6) 式中: ――A点抽真空至某状态下的总势能 ――A点抽真空至某状态下的重力势, ――A点抽真空至某状态下的荷载势, 所以 （7） 同理 （8） 式中: ――B点抽真空至某状态下的总势能 ――B点抽真空至某状态下的重力势, ――B点抽真空至某状态下的荷载势, 所以： (9) 由图3看出,和 是相等的, 且 > ,所以有: > （10） 因此，根据水由势能高处流向低处的规律，A点的水将流向B点，即砂井周围土的孔隙水将流向砂井，这就是利用土水势的原理解释真空预压法的渗流机制。
从(7)和(9)式看出，当 = 时，土中孔隙水便不再流动，固结得以完成。
因此,抽真空的整个过程实际上就是一个 不断增大并趋近于 的过程，其物理意义就是A点的负压持续降低直至等于B点负压，砂井周围土体的孔隙水才不会继续流动。
以上从土水势的原理说明了真空预压法的渗流机制，下面从孔隙水压力向有效应力的转化来阐述真空预压法的加固机理。
1.2 孔隙水压力向有效应力的转化 这里将大气视为流体，根据帕斯卡定律，抽真空前，土体中任一点的孔隙压力都包含了该点的气压(该气压值小于或等于一个大气压,视其位置而定)，抽真空至某一状态时，该点的气压值减小了，也即孔隙压力降低了。
研究抽真空前后土体中某点的应力状态, 根据太沙基有效应力原理，抽真空前有： （11） 其中： ――某点抽真空前的总应力 ――某点抽真空前的有效应力 ――某点抽真空前的孔隙水压力 同理，抽真空至某状态时有： （12） 而孔隙水压力又包含两部分，一部分是气压力，另一部分是由非结合水（重力水和毛细水）引起的压力，即 （13） 在这里， 是土体中某点的气压， 是该点非结合水引起的压力。
通常我们认为拟加固区的土体是饱和的，尽管事实上是不可能完全饱和的，但此时仍可忽略由毛细水引起的负孔隙水压力值，因此 是由重力水引起的静水压力组成。
因在整个抽真空过程中，总应力不变，所以有 （14） 即 （15） 于是 （16） 由上式可见，有效应力的增量由两部分构成：式子右边的第一项表示气压差，第二项表示静水压力差。
对处于自由水面以上的土体，有效应力的增量就是抽真空前后的气压差，也就是该点的真空度大小。
对处于自由水面以下的土体，有效应力的增量则不仅包括真空度，还包含了地下水位变化而引起的静水压力差值。
如图4所示。
图4 抽真空前后静水压力示意图 文献 提到地下水对真空度的传递有“水封”作用，所以在自由水面以下的土体，随着其深度的增加，这种“水封”作用会越来越明显，阻碍了真空度的传递，这时其加固效果主要来自于静水压力的增量，所以，理论上，真空预压的加固效果是可以到达土层的深部。
因而采用真空预压加固软土地基，深层土体的加固效果与地下水下降程度和持续时间密切相关。
抽真空导致地基孔压下降需要一个过程，而且卸除真空荷载后，地基孔压的回升也需要一个过程，并非抽真空一停泵孔压就会恢复到静水压力状态。
由（16）式看出，停泵后，该点的气压将上升，在地表浅层，气压将接近于原来的气压值，即 ，同时，加固区地下水还存在一个回灌过程，因此，地下水位将会上升，即 将减小。
两部分减小的结果将导致有效应力的增量减小，但不可否认的是，土体中某点在卸真空时仍是处于各向等压状态，只是所受的应力在逐渐降低，降低的最大值应该等于抽真空过程中引起的有效应力增量，但事实上是不可能达到的，因为土体不是完全弹性的。
文献 指出，地基较浅处受膜下真空度变化影响反应较快，地基较深处受膜下真空度变化影响较慢，较深处的孔压回升幅度基本一致，说明停泵时较深处的孔压仅受水位上升的影响，这与本文的观点基本一致。
2 卸真空后的地基回弹分析 有文献 指出，在卸真空后，由观测资料测得地基存在很小的回弹量，但在有限元数值计算中，这种回弹却很明显，究其原因，文献 提到，在真空预压过程中，会在加固区边缘形成裂缝或者较薄弱的区域，卸除真空荷载时，横向约束解除，产生较大的横向向外变形，从而，与竖向回弹抵消。
而有限元对于裂缝等不连续问题无法考虑，因此，会出现较大的回弹。
本文从应力分解的角度去解释这一现象。
对正常固结土而言，在抽真空前是处于 应力状态，抽真空时受球应力增量 作用，处于受压状态，卸除真空荷载后，相当于球应力在逐渐减小，减小值计为 （下标12表示抽、卸真空后的状态），则此时土体某点的应力状态可分解为如图所示。
图5卸真空后应力分解图 由上图可以看出，卸除真空荷载后，相当于在各个方向施加了一个拉力。
根据广义虎克定律，在各向等压或拉的情况下，完全侧限条件下的土体在竖直方向上的应变 是侧向自由膨胀条件下 的 倍，而且由前面的分析可知，在土层深部的 较小，主要是静水压力的差值，因此，土体深处的回弹量很小。
3 结语 1) 真空预压法加固地基，使土体中孔隙水产生渗流的主要原因是真空通过砂井向周围土体扩散，导致土中各点的气压降低，从而与砂井形成不平衡的土水势，因此土中孔隙水将流向砂井。
2) 真空预压法加固地基时，土中有效应力的增量主要由气压差（真空度）和土中重力水引起的静水压力差构成。
在自由水面以上，有效应力的增量就是该点真空度的值；在自由水面以下，有效应力的增量由真空度和静水压力差组成，由于“水封”作用，随着深度的增加，真空度传递越来越困难，因此，有效应力的增量主要部分是静水压力差，而且，其加固效果是可以抵达土层深部的。
3) 卸除真空荷载后地基的产生少量回弹，主要原因是因为土体各向的压应力在逐渐减小，而且是处于侧向自由膨胀状态。
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邮编：325605。
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