马昌龙 顾全 吕进 王梅花
摘 要：该文对无砂垫层真空联合水袋堆载预压法加固超软地基进行了介绍，笔者在浙江苍南进行了相应的现场试验，试验结果从室内试验和现场原位试验等方面进行分析，结果均表明该方法能够有效提高地基承载力，并能够增大硬壳层的厚度和土体的有效加固深度。同时对真空膜面覆水预压法进行了比较，分析了该方法存在的缺陷，特别是在产生“循环水”的情况下该方法的失效性。
关键词：真空预压 水袋堆载预压 地基承载力 覆水预压
Abstract： In this paper， the method of no-sand cushion joint water bag vacuum preloading to reinforce super soft foundation are introduced， the author made field tests in zhejiang cangnan， the tests results from laboratory tests and field tests in situ were analyzed， and the results showed that this method can effectively improve the bearing capacity of foundation， and can increase the thickness of crust layer and the effective reinforcement depth. At the same time， vacuum membrane surface overlying water preloading method are compared， and the analysis of the defects of the method， especially in case of "cycle water"， the failure of the method.
Key Words： Vacuum preloading; Water bag preloading; The bearing capacity; Overlying water preloading
自从1952年W.Kjellman[1]教授提出了真空预压加固地基的施工工艺，其材料和设备都不断地更新换代，使得这一工艺便得到了不断地发展和完善，该工艺更是从单纯的真空预压法逐步发展为真空-联合堆载预压法，真空-联合电渗预压法等。
近10年逐渐推广使用了一种新的真空预压法——无砂垫层真空预压法，张文彬[2]、唐蔚东[3]对无砂垫层真空预压法工程进行了加固效果分析，结果表明该方法在加固软土方面具有很好的加固效果。也有学者认为无砂垫层真空预压法对浅层土体的加固效果很好，而对深层土体的加固效果并不理想[4]，但整体上土体的工程性质得到了很大的改善。
真空联合堆载预压法已经被广泛应用于加固软土，且已经成为一种成熟的施工工艺。Bergado.D.T[5]、谢弘帅[6]、王炳龙[7]对真空联合堆载预压法进行了研究，认为该法能够缩短预压时间，有助于提高地基的承载能力，减少工后沉降。吴跃东[8]、骆行文[9]结合现场试验结果，认为真空联合堆载预压法不仅能够提高地基的整体承载能力，而且能够有效增大加固深度，缩短施工工期，减小工后沉降。在无砂垫层真空预压法施工过程中，若结合堆载预压法，需要在密封膜上布置堆载体，为了提高加固效果和就近利用水资源，无砂垫层真空膜面覆水预压法也被提出并应用。刘寒鹏[10]、冯仁祥[11]对膜面覆水联合真空预压法进行了研究，认为该方法能够提高土体强度。姜彦彬[12]认为膜上覆水可以减缓密封膜的老化和真空度的损失。
无砂垫层真空膜面覆水预压法看似很好地结合了真空预压法与堆载预压法的优点，且能够就近利用水源，即做到了资源的合理利用。然而，在进行现场施工时该方法在施工前需要修筑围堰，施工过程中，若出现破洞，容易产生“循环水”[13]，且难以发现和进行密封膜的修补。该文基于此，提出无砂垫层真空联合水袋堆载预压法。
1 工程概况
该工程位于浙江省苍南县龙港镇规划的江南涂区域内，工程包括A1区、A2区和C区，总吹填面积约为1063.63万m2（约合15954.45亩），共包括5个区块，如图1所示，区域呈“倒置L”形。其中，C1区面积为14582m2，C2区面积为16002m2，C3区面积为13056m2，C7区面积为16200m2，C8区面积为12960m2，C区总面积为72800m2。此次选用的水袋为4个20×10×2m3和1个10×10×2m3的水袋，在C7区块内选择一块场地900m2进行现场联合预压试验，场地的尺寸为30m×30m，考虑到软土厚度为3～4m，因此试验场地的大小能够避免尺寸效应。具体布置图如图2所示。
通过钻孔取样，得到土层的工程地质情况如下。
第一層：粘土;褐黄、褐灰色，软塑-可塑状，中-高压缩性，见有铁锰质斑点，层厚0.40～2.20m。
第二层：含细砂淤泥;灰色、浅灰色，流塑状，局部软塑状，中-高压缩性，夹贝壳碎片和半炭化物，层顶埋深0～2.20m，层厚3.40～6.70m。
第二亚层：细砂;褐灰色，饱和，松散状为主，含少量贝壳碎片。层顶埋深3.80～6.50m，层厚3.50～13.70m。
第三层：淤泥;青灰色、灰色，流塑状，高压缩性，静探孔均未揭穿，揭露厚度6.80～17.50m。
2 加固效果
2.1 真空度和孔压的变化规律
图3为各区真空度随时间的变化曲线，从图中可看出，前45天真空度缓慢增长，之后各区真空度稳定在80kPa以上直至卸载。前期各区开泵率缓慢增长使得真空度增加缓慢，这是为了避免真空预压工程中常见的“土柱”现象的产生。
图4中为C3区和C7区的孔压变化曲线，从图中可以看出，埋深越浅的孔压变化值越大，C3区3条曲线开始阶段变化较大，后期变化相对小得多，这主要是由于负压在土中传递受到井阻和涂抹作用的影响，使得负压沿深度的传递效果减弱。图中C7区3条曲线在抽真空进行了45d后均有所增长，这是由于此时水袋开始逐步充水，堆载作用下使得孔压增大的缘故。
2.2 表层沉降
表层沉降可用于推算工后沉降和固结度，能够对该次的加固效果进行评价，此次通过在各区布设监测元件，对各区的表层沉降进行了监测。测得各区表层沉降曲线如图5所示，从图中可以看出C7区总沉降量均大于其余各区，总沉降量差值在30～40cm之间，即采用无砂垫层真空联合水袋堆载预压法加固效果要明显优于采用常规无砂垫层真空预压法。图6为表层日均沉降曲线图，从图中可以看出，施加水袋堆载作用后，日均沉降变化很大，在荷载逐步增加的过程，日均沉降变化趋势减小，这是由于土体在真空联合堆载作用下而变得逐步密实。
2.3 加固前后土体的物理力学性质
为了对无砂垫层真空联合水袋堆载预压加固效果进行研究，此次对C3、C7两区块加固前的土体进行了基本的室内土工试验，和加固前后土体的孔隙比、含水率试验，并在加固后进行了压缩试验、十字板剪切试验、静力触探试验和浅层平板载荷试验。具体试验结果如下。
表1为浙江苍南沿海地区软土的土工试验参数，该土的液限值为58.1，塑性指数IP=31.7，根据塑性图可将该土划分为高液限粘土。
从表2和图7中可以看出，加固前C3区和C7区的土体的孔隙比和含水率都较为接近，越接近表层，土体的含水率越大，甚至超过100%。而通过对该土加固前后孔隙比和含水率的对比，发现C7区土体加固后孔隙比和含水率均小于C3区，即C7区土体比C3区土体更为密实，但是两者在3m深度所取得的土体的孔隙比和含水率都十分接近。
以上说明了无砂垫层真空联合水袋堆载预压作用的效果在一定深度范围内要明显优于无砂垫层真空预压法，而当超过一定深度后，其加固效果并不能得到有效的提高。
表3为工后通过现场取土进行压缩试验所得成果，通过压缩试验得到不同荷载作用下土样的孔隙比。
结合表3和图8，可以看出在相同的取土深度范围内，加固后C7区的孔隙比均小于C3区。随着荷载的增加，C7-1和C7-2两条曲线的变化相对较缓，而其余曲线的斜率变化较大，这就说明了C7区1m和2m深度土体较为密实，加固效果较好;而C7区3m深度土体的孔隙比变化大得多，这就表明3m深度以上土体的加固效果较差。
以上分析表明：采用真空联合水袋堆载预压法得到的硬壳层厚度在2～3m之间，而采用真空预压法得到的硬壳层厚度在1.5m左右，这就说明了采用真空联合水袋堆载预压法能够有效增大硬壳层的厚度，这将显著地提高地基的承载力。总之，如果单独采用真空预压法，则需要注意后期的工程建设过程中产生的较大的沉降;而采用真空联合水袋堆载预压法则可以有效避免过大的沉降变形。以上数据也可用于今后工程建设当中，为避免产生过大沉降变形作为参考。
2.4 加固后现场原位试验对比
此次通过现场十字板剪切试验，测试了C3区和C7区的不排水抗剪强度cu，其值随深度的变化曲线如图9所示。从图中可以看出采用水袋联合堆载的C7区的强度在3m深度范围内都要大于只采用真空预压法的C3区。按照中国建筑科学研究院和华东电力设计院的经验公式：fk=2Cu+rh，算得C3区和C7区的0～1.5m土体承载力均值分别为：54.0、78.4kPa， 承载力相对提高了45.2%，均满足大于50kPa的要求。
此次通过静力触探试验，测试了C3区和C7区的锥尖阻力Ps，其随深度的变化曲线如图10所示，根据《铁路工程地质原位测试》（TB10041-2003）中对地基承载力的估算公式，即：σ0=0.112Ps+5，可算得工后C3区和C7区的0～1.5m土体承载力均值分别为：53.13、70.7kPa，承载力相对提高了33.1%，均满足大于50kPa的要求。
此次采用载荷板的规格为：0.7m×0.7m，通过在C3区和C7区进行浅层平板载荷试验，测定加固后地基的承载力特征值，其P-S曲线如图11、图12所示。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）中对承载力特征值的确定方法，对加固后的软基承载力进行了评估，得到C3区的承载力为49.8kPa，C7区的承载力为62.4kPa，承载力相对提高了25.3%，均满足大于50kPa的要求。
从图9至图12中均可看出，C7区的加固效果要优于C3区。但根据十字板和静探试验可以看出，C7区的加固效果在2m深度以下则增大不多，在2m深度范围内的加固效果相对较好。这就表明，无砂垫层真空联合水袋堆载预压虽然也能提高深层土体的加固效果，但超过一定深度后，其加固效果会有一定的降低，也即土体的强度增长会有所减少。尽管如此，这部分提高的强度对于土体的承载力提高而言，还是起到了重要的作用。
3 无砂垫层真空联合水袋堆载预压法与膜面覆水预压法的对比
在无砂垫层真空预压技术发展过程中，膜面覆水曾被认为具有很多优点[10]，比如，可将膜面覆水作为堆载荷载，即起到了联合堆载的作用;认为膜面覆水能够起到密封的作用，能保持和提高膜下真空度;主张膜面覆水能够避免密封膜受到气候条件的影响，延长其使用寿命。
然而實际情况却并非如此。第一，对于将膜面覆水作为附加荷载在原理上是可行的，但是1m厚的水层只有10kPa的附加压力，而实际上要使膜面覆水达到0.5m已经是很不容易。采用膜面覆水法不仅需要在加固区周围修筑围堰，这就增加了施工成本的投入，而且围堰修筑时间长，对围堰的强度、稳定性也有要求，这就会对施工工期产生影响，而原理上，10kPa对提高地基承载力贡献并不大。第二，当水下膜面有破损，就会使得膜面水与膜下滤管相通，膜面水进入滤管，再经滤管输送至水箱，再排至膜面，即形成了“循环水”，如图13所示，这个过程白白耗费了真空泵的做工，消耗了电能却没有起到加固的效果。第三，膜面覆水较深会影响真空期间的膜面维护，由于水较深，现场维护人员要进入场区后行动会十分不便，且要发现0.5m深水下密封膜何处发生损坏变得十分困难，即便发现了破损，想要修补也需花费很长时间。第四，虽然密封膜较薄，但经过检验表明合格的密封膜寿命可达6个月以上，相对与4～5个月的施工工期而言已完全可以满足使用要求。
与膜面覆水不同的是，采用充水水袋作为堆载载荷，能够克服膜面覆水方法带来的弊端。如：（1）采用水袋预压法，由于水袋的充水高度可以控制，虽然此次采用2m的水袋进行堆载预压，但只要水袋的强度满足要求，其充水高度可以达到更高，而且前文已有论证，证明了水袋预压法的加固效果良好;（2）由于在水袋底部预先布置了两层土工布，这就能够有效地对密封膜起到保护作用，避免膜下破洞的产生;（3）采用水袋作为水的载体，在充水前，只需将水袋运至指定位置，再通过输水导管进行充水即可，即其灵活性很高，对小范围和大范围的软基加固均适用;（4）采用水袋预压法，其并不会影响真空预压工程的施工进度，即对施工工期不产生影响，且通过合理地划分施工场地，能够有效解决现场真空维护人员难以进入预压场区进行维护的问题。
如上所述，在加固机理方面，二者都是采用水作为堆载体，假设二者堆载到相同的高度，如果密封膜并未产生破损，那么二者的作用效果是相同的。但如果膜面覆水法密封膜有破损，由于形成“循环水”，那么加固区土体受力就發生了变化，具体变化如图14所示。即在膜面如果产生了破洞，那么由于膜面水进入土中，膜面上下连通，那么膜面覆水产生的压力不再转变为加固土体的有效应力，即膜面覆水预压法不能够继续加固土体，该法也就失效了。而水袋预压法由于有水袋的束缚，即使在膜面存在破洞时，上部荷载也能继续提供加固作用。
通过以上对膜面覆水问题的分析，可知在无砂垫层真空预压施工及维护时，并不需要膜面覆水以产生附加应力作用，却需及时将膜面较深的水导入明沟，以便于维护人员巡查和发现膜面的破损并修补。
4 结语
该文基于对现有无砂垫层真空预压法、真空联合堆载预压法以及膜面覆水预压法的分析，认为膜面覆水预压法存在一定的缺陷，因此提出采用无砂垫层真空联合水袋堆载预压法进行软基的加固。该文主要研究了该方法的加固效果和该方法与膜面覆水预压法之间的不同，主要结论如下。
（1）C7区采用了无砂垫层真空联合水袋堆载预压法，其表层沉降较一般区域大30～40cm。
（2）通过现场取土，C7区加固后孔隙比与含水率均低于C3区;现场十字板试验、静探试验和载荷板试验结果表明C7区较C3区承载力分别提高了45.2%、33.1%和25.3%;通过室内压缩试验，表明C7区E-P曲线较C3区缓和，说明了C7区土体得到有效加固，能够避免过大的沉降变形。
（3）对比了无砂垫层真空联合水袋堆载预压法和膜面覆水预压法，分析了膜面覆水预压法的优缺点，尤其是对膜面有破洞时发生“循环水”的情况进行了分析，说明了膜面覆水预压法的不适用性。
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