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砂垫层在真空预压软土地基处理中的作用顾勇1，蔡建1,2，朱治1（1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120；2.上海航源港口工程质量检测有限公司，上海 200120）摘要：分析吹填疏浚淤泥在真空预压软土地基处理中排水及荷载变化的过程，根据土的卸载抗剪强度的计算方法从理论上分析了无砂垫层真空预压、有砂垫层真空预压、无砂垫层真空预压后再设置砂垫层 3 种情况在地基处理后沿深度方向地基土抗剪强度的变化规律，发现砂垫层在真空预压软土地基处理中具有难以替代的重要作用。关键词：砂垫层；真空预压；土的卸载抗剪强度中图分类号：TU 447文献标志码：A文章编号：1002-4972（2011）05-0127-05Effect of sand cushion on soft soil ground treatment with vacuum preloading methodGU Yong1,CAI Jian1,2,ZHU Zhi1(1China s Traffic Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China;2Shanghai Hangyuan Harbor Engineering Quality and Test Co.,Ltd.，Shanghai 200092,China)Abstract:This paper analyzes the process of drainage and load variation of dredged mud during soft groundtreatment by the vacuum preloading,discusses theoretically the variation law of ground s shear strength along thedepth direction after ground treatment under the three conditions:vacuum preloading with no sand cushion;vacuum preloading with sand cushion;laying sand cushion after vacuum preloading with no sand cushion.It isfound that the sand cushion plays an important role in the process of soft soil ground treatment with vacuumpreloading method.Key words:sand cushion;vacuum preloading;soil unloading anti-shearing strength2011 年 5 月第 5 期总第 453 期May.2011No.5Serial No.453水运工程Port&Waterway Engineering收稿日期：2010-11-19作者简介：顾勇（1969），男，高级工程师,从事港航工程专业设计研究工作。目前围海吹填成陆工程不断增多，许多工程常采用吹填砂成陆，然而由于地质土层的不均匀分布，在我国部分沿海地区缺少砂源，只能采用吹填疏浚淤泥成陆，吹填淤泥含水量大、压缩性高、承载力低，不能直接作为建筑物或堆场等场地使用，需采用真空预压等方法进行软土地基处理。传统的真空预压方法是在软土层表面铺设砂垫层，由于砂源紧张，部分科研、设计、施工单位进行技术开发，考虑采用无砂垫层的方法进行真空预压地基处理。笔者根据土体经加载固结再卸载后土的卸载抗剪强度的计算方法1，从理论上分析了无砂垫层真空预压、有砂垫层真空预压、无砂垫层真空预压地基处理后再设置砂垫层 3 种情况处理后沿深度方向地基抗剪强度的变化规律，最后结合工程实例进行试验验证。1有砂垫层与无砂垫层真空预压排水及荷载变化过程真空预压法加固地基最早是由瑞典皇家地质学院 W.Kjellman 教授在 1952 年提出的2。真空预压法现场试验是在加固的地基中打设垂直排水通道如砂井，地面铺设砂垫层，其上覆盖不透气的密封膜并将四周埋设至地下水位以下，然后经真空泵以及滤管进行抽真空，随着土中气和水的排出，地基被加固3，这就是常用的有砂垫层真空预压法地基处理方法。水运工程2011 年无砂垫层真空预压法与有砂垫层真空预压法原理基本相似，不同的是将表层的砂垫层用一层透水的土工材料，如无纺布、土工格栅等代替。真空预压期间土体在总应力基本不变的条件下，孔隙水压力降低，有效应力增加。软土地基在大气压力作用下产生排水固结，土体的受力固结过程与土体加载固结过程类似，施工结束后停止抽真空，土体的受力过程类似于荷载卸载到零。2土的抗剪强度2.1土的固结抗剪强度线假设土体为正常固结土，是从未受到过周围固结压力的饱和正常固结试样，不具有强度4。抗剪强度线为通过坐标原点的直线，土的粘聚力为0，土的初始内摩擦角为 0，加载固结时土的抗剪强度为：=tan0（1）式中：为土的抗剪强度；为土的有效应力；0为土的初始内摩擦角（土体在初始固结时抗剪强度线的倾角）。吹填后泥浆流动状土样不具有强度，真空预压期间土体固结的抗剪强度按式（1）的规律变化。2.2卸载后不同深度各点土的卸载抗剪强度线在真空预压过程中，沿不同深度的土样在自重应力和真空预压的大气压力共同作用下固结，固结完成后卸除真空预压的大气压力，卸载后不同深度各点土体的正应力为土体的自重应力，固结期间的自重应力与真空预压的大气压力之和对卸载后土样来说相当于土体的前期固结应力。文献1根据土的 e-lg压缩曲线的变化规律及正常固结土和超固结土的应力关系，通过详细推导得出卸载后不同深度各点土的抗剪强度的计算方法。取 c0=0 将文献1中的式(20)改写成用式（2）表示，若用正应力表示，从卸载后地面开始不同深度各点的抗剪强度线（即图 1 中 ODD1线）为：=k100.25gh（2）式中：k1为 OD 直线斜率；c为 DD1抗剪强度线粘聚力；gh 为真空预压结束后的卸载值，即真空预压的大气压力。OD 抗剪强度线粘聚力、内摩擦角(或斜率)为：c=0k1=2.8tan 准0（2-a）DD1抗剪强度线粘聚力、内摩擦角(或斜率)为：c=0.45ghtan准0准=准0（2-b）图 1 中抗剪强度 OE1线上 D2可理解为真空预压前正应力为土样的自重应力 H2点所对应的抗剪强度。真空预压的压力为 H1和 H2两点间的压力差值，固结完成后在正应力为 E1点开始卸载，卸载时抗剪强度随正应力的减小沿 E1D1PDO 曲线变化，真空预压结束后因卸除大气压力，正应力仍为 H2点的正应力，此时的抗剪强度为 D1点对应的抗剪强度值。3真空预压软土地基处理后土的抗剪强度3.1无砂真空预压软土地基处理前后土的抗剪强度表层无砂垫层荷载作用时，由于吹填疏浚淤泥成陆形成时间短，在真空预压前泥浆流动状土体在自重作用下没有完成自重固结，当真空预压软土地基处理时类似于图 1 中土体沿图 2 中 OF 线变化，真空预压的荷载一般可达 80 kPa 左右，地基处理结束后卸除该荷载，根据图 1 卸载后不同深度土的抗剪强度为图 2 中的 ODD1线。从图 2 可以看出无砂垫层真空预压后土的抗剪强度沿深度方向逐渐增大，D 点为拐点，表层OA 深度内的强度线为 OD 线，强度值较低。文献1中通过分析得到拐点 D 的正应力为最大前期固结应力的 0.2 倍，或为卸除应力值的 0.25 倍。当真空预压的大气压力为 80 kPa 时，拐点 D 的正应力约为 20 kPa（该结果是文献1取黏性土的土性图 1卸载后不同深度各点土的抗剪强度128第 5 期系数统计平均值为 0.64 得出的，如果土的黏粒含量较高，土性系数大于 0.64，该拐点上移）。图 2 中 ODD1线是理论上固结完成后土的卸载抗剪强度线，随着深度增大强度增大。但是真空预压期间也可能由于表层排水路径短、排水条件好固结速度快；其下部土层由于排水路径长、排水条件差固结速度慢，出现上部强度大下部强度小的情况。3.2有砂垫层地基处理后土的抗剪强度假设在土层表面先铺设一定厚度的砂垫层作为真空预压的水平通道，由于砂垫层自身具有一定的质量，真空预压过程中的固结应力与无砂垫层相比增加了砂垫层的自重荷载，虽然砂垫层自身质量部分荷载并不大，但对地基处理效果的影响相差较大，卸载后软土层表面应力不是图 2 中ODD1曲线上的 O 点，而是由砂垫层引起自重应力对应于 ODD1曲线上的某一点，因砂垫层自重应力的大小，这一点相对于 D 点来说有 3 种可能，位于 D 点之上（图 3），位于 D 点（图 4）和位于 D点之下（图 5），图 35 中 OA 表示砂垫层的厚度或砂垫层的自重应力。图 3 表示砂垫层的自重应力 s小于强度线上拐点 D 应力 D时土层在真空预压地基处理后软土层的正应力与强度的关系。此时如果砂层厚度过小，CD 段抗剪强度较小，对表层土的地基承载力不利。图 4 表示砂垫层的自重应力 s等于强度线上拐点 D 应力 D时土层在真空预压地基处理后软土层的正应力与强度的关系。此时不出现图 2 中拐点 D 以内的抗剪强度较小段。图 5 表示砂垫层的自重应力 s大于强度线上拐点 D 应力 D时土层在真空预压地基处理后软土层的正应力与强度的关系。虽然砂垫层越厚自重应力越大，因软土层中的固结应力越大固结效果越好，抗剪强度越大，但是在砂源紧缺的情况下增加砂垫层厚度对工程的造价影响较大。3.3无砂垫层地基处理后再铺设砂垫层时的强度在无砂垫层地基处理后土的抗剪强度线与图 2相同，然后再铺设砂垫层，因砂垫层是大面积均匀增加的，在软土层中增加竖向应力的同时也增加水平向的侧向应力，效果与图 35 相似，不同的是抗剪强度曲线数值比图 35 的数值略小。图 2无砂垫层卸载后土的抗剪强度线图 3有砂垫层卸载后土的抗剪强度线(sD)顾 勇，等：砂垫层在真空预压软土地基处理中的作用129水运工程2011 年图 6相同深度 3 种不同地基处理方法后的强度3.4地基处理后土的抗剪强度的变化规律假设土的密度为 1.7 t/m3，真空预压的大气压力为 80 kPa，砂垫层的荷载为 20 kPa，采用式（1）和（2）自泥面起相同深度 3 种不同地基处理方法后的强度计算结果见图 6。A 线表示随深度增大土体在自重应力作用下固结后的抗剪强度变化线，B 线表示随深度增大土体在自重应力和大气压力作用下固结后再卸除大气压力后的抗剪强度变化线，C 线表示随深度增大土体在自重应力和大气压力作用下固结后再卸除大气压力后增加砂垫层的抗剪强度变化线，D线表示随深度增大土体在自重应力、大气压力和砂垫层共同作用下固结后再卸除大气压力后的抗剪强度变化线，E 线表示随深度增大土体在自重应力、大气压力和砂垫层共同作用下固结后再卸除大气压力和砂垫层后的抗剪强度变化线。由图 6 可以看出在 B 线、C 线和 D 线中，相同深度无砂垫层真空预压的 B 线抗剪强度最小，有砂垫层真空预压的 D 线抗剪强度最大，无砂垫层真空预压后再设置砂垫层的 C 线抗剪强度处于两者之间。4抗剪强度对地基承载力的影响通常采用平板载荷试验确定地基的承载力，典型的地基破坏滑动面形状见图 7。图 7 中的 P 为作用的荷载，为土的内摩擦角，为主动区、为过渡区、为被动区，曲线 bcd 或 bcd为地基破坏滑动面，这种加荷方式与吹填土表层铺设砂垫层性质不同，在载荷板下局部范围内增加竖向应力同时没有增加相应的侧向应力，相当于增加剪应力使地基破坏。地基的承载力主要取决于表层土的抗剪强度，在不考虑软弱下卧层影响的情况下主要与 2 倍载荷板宽度的深度范围的土层的抗剪强度有关。5工程实例某工程为大面积吹填疏浚淤泥地基，吹填土层厚度 3.5 m 左右，真空预压地基处理前天然状态土的基本物理指标见表 1，土层密度 1.471.56 t/m3，土的含水量 70.4%101.3%，土的颗粒以粉粒和黏粒为主。因土样为流动状无法进行剪切试验，在直剪仪的 4 个剪力盒内放入土样，分别逐级施加不同的正应力固结，然后进行固结快剪试验，试验结果见图 8，土的粘聚力为 0 kPa，土的内摩擦角为 22.57。另外采用无砂垫层和有砂垫层 1.3 m两种真空预压方法进行地基处理，真空预压时间均约为 4.5 个月，地基土层在真空预压的大气压力下基本完成固结。图 7地基破坏时的滑动面形状表 1土的基本物理指标土样编号取土深度/m含水量不同直径粗粒（砂粒）含量/%不同直径细粒含量不均匀系数粉粒/%黏粒/%W/%0.2500.100 mm 0.1000.075 mm0.0750.050 mm0.0500.005 mm0.005 mmCu2-2-2.75-3.001.5670.40.090.150.7355.7743.257.872-6-1.75-2.001.5077.20.990.842.0256.6239.536.472-10-0.75-1.001.47101.31.230.882.1759.5737.156.43密度/(t m-3)130第 5 期图 8土的抗剪强度线真空预压结束后经现场取土进行室内试验，土的含水量为 4555，土的密度为 1.671.74 t/m3。假设取真空预压的大气压力为 80 kPa，土的重度为1.7 t/m3，试验时载荷板尺寸为 70.7 cm70.7 cm，根据式(2)计算无砂垫层真空预压后 1.5 m 深度土抗剪强度为=29.7 kPa。地表下 1.5 m 深度范围内土的平均强度为14.9 kPa，真空预压的过程为土体的固结过程，饱和软黏土在载荷板试验时由于加载速率快，土体破坏过程类似快剪试验，整个过程为固结快剪过程，饱和软黏土快剪时土的内摩擦角为 0，真空预压期间固结具有的强度值相当于快剪时土样的黏聚力值4，对于饱和软黏土采用普朗特尔(Prandtl)和太沙基(Terzaghi)极限承载力公式5-6计算极限承载力。普朗特尔(Prandtl)(条形基础)极限承载力：fu=cNc+0gdNq（3）式中：fu为极限承载力(kPa)；c 为地基土的粘聚力(kPa)；0为基础底面以上土的平均密度(t/m3)；d 为基础埋置深度(m)；Nc，Nq为承载力系数。埋置深度 d=0 m，承载力系数 Nc=5.14。极限承载力为 5.1414.9 kPa=76.59 kPa太沙基(Terzaghi)(条形基础)极限承载力：fu=12gbN+0gdNq+cNc（4）式中：为基础底面处土的密度(t/m3)；b 为基础的宽度(m)；N为承载力系数。承载力系数 N=0，埋置深度 d=0 m，承载力系数 Nc=5.71。极限承载力为 5.7114.9 kPa=85.1kPa。对于饱和软黏土采用斯肯普顿(Skempten)(矩形基础)极限承载力公式6计算极限承载力为：fu=Nccu+q（5）均布超荷 q=0、承载力系数 Nc=5(1+0.2bl)，b 和 l 分别为矩形基础的宽度和长度。极限承载力为：6.0014.9 kPa=89.4 kPa2010 年 5 月 26 日2010 年 6 月 3 日对两组无砂垫层真空预压后地基进行静载试验，现场试验荷载 Q-沉降 S 关系曲线见图 9，第 1 组和第 2组地基极限承载力分别为 70 kPa 和 90 kPa，理论分析计算与实测值基本一致。2010 年 7 月 13 日2010 年 7 月 16 日对两组有 1.3 m 厚砂垫层的真空预压后地基进行静载试验，现场试验荷载 Q-沉降 S 关系曲线见图 10，第 3 组静载试验因试验时所堆荷载较小，加载到206 kPa 时试验被迫中止。第 4 组静载试验加载到 288 kPa 时终止，综合判断取有砂垫层真空预压后地基极限承载力为 256 kPa。因缺少砂垫层材料的抗剪强度指标参数，无法进行定量的地基极限承载力计算，只能进行定性分析。1）从图 7 的地基破坏滑移线看，有砂垫层真空预压后地基极限承载力因地基破坏的滑移线位于砂垫层内，砂垫层排水速度快，砂垫层地基极限承载力比无砂垫层真空预压黏土地基极限承载力大。2）从下卧层的角度看，因砂垫层具有自身重量，砂垫层下部的真空预压黏土在利用式图 9无砂垫层真空预压静载荷载 Q-沉降 S 关系曲线图 10有砂垫层真空预压静载荷载 Q-沉降 S 关系曲线（下转第 140 页）顾 勇，等：砂垫层在真空预压软土地基处理中的作用131水运工程2011 年（3），（4），（5）计算地基极限承载力时具有均布超载的原因，有砂垫层真空预压黏土地基极限承载力比无砂垫层情况真空预压黏土地基极限承载力大。3）因砂垫层的自重作用在图 6 中 D 线与 B 线相比能避免浅层黏土层抗剪强度随深度减小而快速降低的影响。6讨论砂垫层在真空预压中不仅具有水平向的排水通道作用，它自身还具有一定的重力，这一点是无砂垫层真空预压方法所无法做到的，尽管自身质量较小，但它能在避免浅层土抗剪强度随深度减小而快速降低方面发挥较好的优势作用。无砂垫层真空预压地基处理后地基极限承载力只能达到 90 kPa 左右。有砂垫层真空预压地基处理后地基极限承载力能达到 256 kPa，假设不考虑砂垫层厚度和重力对承载力部分的贡献，仅从处理后软土层的强度为 29.7 kPa 的角度考虑，按普朗特尔(条形基础)极限承载力计算它的地基极限承载力最小值也能达 153 kPa。7结论1）砂源紧缺时能满足砂层自重应力达到抗剪强度线的拐点处正应力的砂垫层厚度为最佳厚度。2）3 种方法中无砂垫层真空预压效果最差，有砂垫层真空预压效果最好，无砂垫层真空预压后再设置砂垫层处于两者之间。3）砂垫层在真空预压软土地基处理中具有难以替代的重要作用。参考文献:1蔡建,周健.土的卸载抗剪强度J.岩土工程学报,2006(5):606-6102Kjellman W.Consolidation of clay soils by means ofatmosphericpressureG/Pro.ConferenceonSoilStabilization.USA Boston:Massachusettes Institute ofTechnology,1952:258-263.3高志义.真空预压法的机理分析J.岩土工程学报,1989(4)：45-564钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算M 2 版.北京:中国水利水电出版社,1996:271.5胡中雄.土力学与环境土工学M.上海:同济大学出版社,1997:3616卢廷浩.土力学M.南京:河海大学出版社,2005:274-281（本文编辑 武亚庆）（上接第 131 页）3结语1）吹填淤泥土样在两段不同固结压力范围525 kPa，25200 kPa 内近似满足 Gibson 方程简化所需的 3 个假定条件，即孔隙比 e 与固结压力及渗透系数 k 与(1+e)的线性关系，大变形固结系数 CF近似为常数，在此基础上提出了针对双层软基沉降过程预测的大变形固结简化计算方法。2）将笔者方法应用于围海造陆工程吹填淤泥与原状淤泥双层软基沉降过程预测，相比于基于经典固结理论的高木俊介法，其预测结果更接近于实测值，为软基沉降预测提供了一种简洁实用的方法，可推广应用于实际工程。参考文献:1JGJ 792002 建筑地基处理技术规范S.2Gibson R E,England G L,Hussey M J L.The theory ofone-dimensional consolidation of saturated clays I:Finitenon-linear consolidation of thin homogeneous layers J.Geotechnique,1967,17(3):261-273.3Lee K,Sills G C.The consolidation of a soil stratum,including self-weight effects and large strainsJ.Int J NumerAnal Meth Geomech,1981(5):405-428.4招商局蛇口工业区有限公司.吹填淤泥专项试验研究报告R.深圳:招商局蛇口工业区有限公司,2008.5江辉煌,赵有明,刘国楠.深圳湾海底淤泥大变形固结试验研究J.中国铁道科学,2008,29(6):18-21.6Bo M W.Compressibility of ultra-soft soilM.Singapore:World Scientific Publishing Company,2008.7王丙乾.吹填淤泥土性指标分布规律及固结沉降的概率描述D.北京:中国铁道科学研究院,2009.（本文编辑 武亚庆）!140