1 绪论
1.1 引言
根据国务院 2012 年批复的《广州南沙新区发展规划》，继上海浦东新区、天津滨海新区、重庆两江新区、浙江舟山群岛新区和兰州新区之后，南沙成为第六个国家级新区，南沙从此进入快速发展阶段。珠江三角洲属于第四纪沉积地貌，沉积厚度大，沉积相类型多，土层多为含水丰富的淤泥、淤泥质粘土及粉细砂[1]。南沙区地处珠江入海口，绝大部分地区为农田和滩涂，土质为软土，具有含水率高，渗透性低，压缩性高，承载力低等特征，这给工程建设带来诸多难题和考验。不过同时也促进了该地区软土地基处理和施工工艺的进一步发展。真空预压法是一种有效而又经济的软土地基处理方法，从 1952 年由瑞典皇家地质学院提出，经世界各国学者专家研究和试验，其理论基础、加固机理及施工工艺等已趋于成熟。经过国内外学者及工程技术人员长期的研究和试验，其加固机理及施工工艺已经成熟。由于其具在工期、经济效益、社会效益等多方面具有综合的优势，已经成为人工吹填造陆工程的首选固结技术，亦可广泛应用于各种淤泥质软土的加固。真空预压法加固软土地基时，会使加固区土体产生竖向沉降及向加固区中心的水平变形，从而引起加固区周边(影响区)土体的竖向及水平变形，严重时可以导致周围建筑物、道路等倾斜开裂和结构破坏。但我们对加固区周边环境的影响研究相对较少，或者没有引起足够的重视，因此，研究真空预压法加固软土地基对周边环境的影响意义重大。
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1.2 真空预压法地基处理的应用及机理研究
真空预压地基处理技术的研究起于十八世纪 50 年代之前，最早由瑞典皇家地质学院杰尔曼(W.Kjellman)教授于 1952 年提出, 其理论引起学术界及工程界极大的兴趣，其后又有许多学者对其理论和实践进行更深入的研究和试验。真空预压是处理软土地基的一种非常有效的方法[2]，目前已广泛应用于港口、道路、房建等工程中。到上世纪 90 年代中期，我国用真空预压法处理的软土地基达 300 万 m2之多[3]，同时也对真空预压提出了许多改进的办法[4]。到 21 世纪初，使用该法成功处理了超过 400 万 m2的软基[5]。但长期以来在作用机理的研究和认识上仍然存在分歧和争论。对于真空预压加固软土地基的作用机理，目前主要存在两种认识[6]，即以阎澍旺、陈环[7; 8]等为代表的负压固结理论和以龚晓南[9; 10]等为代表的真空渗流场理论，在此之前的认识都是把真空预压当做某种荷载加到软土地基表面，其计算分析也是采用堆载预压的原理，未分析有效应力及渗流原理。真空渗流理论认为土是一种多孔介质，土中的孔隙充满了空气和水，在自然状态下，土体中的水气不流动，处于一种稳定的平衡状态。当开始抽真空时，土体孔隙或孔道中的水气被抽出，地基土中逐渐出现较大的连通孔道，孔道中的水气可以看做是流动介质而称为“真空流体”，由于“真空流体”与孔隙中的水存在压力差，使得较小孔隙中的水被吸出，然后通过这些孔道流入排水带或砂井排出土体，直到达到新的平衡。同时，土颗粒之间产生重组和压密，土体发生固结现象，真空渗流和土体固结是同步发生的。真空预压结束后，地下水位会下降，由于在降低后的地下水位线以下不存在渗流，故渗流作用而产生的固结只发生在降低后的地下水位线以上。
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2 真空预压地基处理工程监测试验
2.1 工程概况及地质条件
拟建场地原地貌属珠江三角洲海陆交互相沉积平原地带，原地势较低洼工程，地下水位较高。拟建工程属一级工程，拟建场地为中等复杂场地，地基的复杂程度属中等，岩土工程勘察等级为甲级。整个场地面积约为 30 万 m2，分三期开发，共划分为 10 个地块。地基为深厚淤泥土层，承载力极低，为防止基坑开挖造成不稳定事故及建成后地基下沉等不利情况的出现，需在前期进行地基加固处理，提高软土地基固结度、承载力及稳定性等。真空预压处理软土地基的方法具有施工简单、无噪音、工期短、造价低等特点，经讨论研究，决定全部采用真空预压法处理软土地基。场地四周有道路或建筑物等，故分析真空预压法加固软土地基对周边环境的影响意义重大。图 2-1 为真空预压施工分区平面图。人工填土层，欠压实、松散状，均匀性差，承载力较低，具不均匀性和不稳定性，不宜作为建筑物基础的天然地基持力层。淤泥、淤泥质土层及松散粉、细砂层属软弱土，含水量高，孔隙比大，欠固结，压缩性高，抗剪强度低，灵敏度高，其工程性质差，对地基基础稳定性、基坑开挖的边坡稳定性和基坑安全性影响较大。未经处理不能作为基础持力层。
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2.2 真空预压实施方案
该场地处理面积较大，约为 30 万 m2，共划分为 10 个地块，本场地四周都是道路或建筑物，真空预压分 10 个区域施工，分区图参照 2.1 节图 2-1。为及时掌握软基施工过程中场地的变形情况、土体的固结程度和孔隙水压力的消散情况及卸载后的软基加固效果，为数值分析计算提供实测数据，在工程施工过程中进行有效而必要的监测工作工作。本监测变形测量的基准网采用与国家二等水准点闭合水准测量的方法进行测量，精度为二等；表层沉降观测及周边道路沉降观测按四等及以上水准测量标准进行测量。根据《监测平面布置图》要求，进行地表沉降板的埋设工作。观测仪器采用索佳 SET3X全站仪，其测角精度为 1″，测距精度为 3+2ppm×D 的全站仪。采用三角高程进行观测。测点埋设方法:在地基处理(真空预压)之前参照监测点平面布置图布置沉降板。沉降板底板平放在真空膜上(为防止沉降板刺破真空膜，一般在沉降板与真空之间防止土工布或沙袋等)并使沉降板上的管杆竖直。钢板底面与砂层完全接触，避免局部虚空，再用砂袋整平压实。
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3 真空预压的有限元分析 ... 20
3.1 比奥固结理论与平面应变有限元分析 ....... 20
3.2 平面应变有限元模型的建立 ... 25
3.3 模型计算结果与分析 ... 35
4 真空预压影响因素分析 ... 39
4.1 膜下真空度 ..... 39
4.2 排水板施工深度 ....... 42
4.3 密封墙渗透性 ... 46
4.4 影响区土体强度 ....... 49
5 减少环境影响的工程防范措施研究 ..... 53
5.1 减小密封墙的渗透性 ... 53
5.2 增大密封墙体刚度 ..... 55
5.3 改善影响区土体性质 ... 57
5 减少环境影响的工程防范措施研究
从上述分析看，减少影响区变形和影响范围的方法有多种，比如减小膜下真空度、减小排水板打设深度、减小密封墙渗透系数、增大密封墙刚度、改善影响区土质条件等。但如果一味地减小膜下真空度和打板深度，加固区的加固效果就会大打折扣，所以这通常不是最好的选择。不过减小密封墙渗透系数、增大密封墙刚度、改善影响区土质条件等方法，既不减弱加固区加固效果，还能减小影响区范围和变形。减小密封墙渗透系数的办法有打设淤泥搅拌桩、水泥搅拌桩、旋喷桩，插止水帷幕等方法；增大密封墙刚度可以将密封墙按支护结构考虑，如做成双排的或格栅状的混凝土搅拌桩、SMW 工法桩支护等；改善影响区土质条件可以预先将影响区进行加固处理，可根据实际情况选用加固办法。
5.1 减小密封墙的渗透性
采用真空预压法对软土进行加固时，边界密封是保证加固效果以及减小真空度向周边土体传递的一项重要工作。对于渗透性低的软粘土，一般可以采用密封沟的形式，密封沟的做法就是在加固区边界四周挖一定深度的沟槽用于埋设密封膜，密封沟的典型断面图如图 5-1。但实际工程中，很多地基浅层存在透水透气层。尤其对于吹填土，在吹填过程中经过水力重新分选，容易形成粘性土和夹砂层。对于上述情况不宜采用密封沟处理，可在四周进行止水帷幕处理[50]。止水帷幕又可分为垂直铺塑、粘土密封墙、水泥土搅拌墙等。垂直铺塑密封技术是预先用锯槽机在加固区四周先形成宽约30cm、深10-15m的沟槽，再将塑料密封膜连续地铺入槽内，再用粘土回填形成密封墙。图 5-2 为垂直铺塑典型断面图。
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结论
通过以上研究，可以得出如下结论：
1.文章 ABAQUS 数值模拟结果与实测值吻合，数值模型能较好地模拟真空预压加固过程及影响范围。当排水板打设深度为 20m 时，地表竖向变形影响范围达可达 45m 左右，侧向变形影响范围达可达 60m 左右，对密封墙附近土体的影响深度可达 28m 左右。
2.真空预压对周围环境造成影响的影响因素包括但不限于：膜下真空度、排水板打设深度、密封墙渗透系数、影响区土体强度，其中影响区土体强度是最重要的影响因素。
3.其他条件不变时，增大膜下真空度会加大影响区土体变形。当真空度加大，真空度向加固区外的传递范围和影响力度也增大。影响区土体最大变形在真空度 90kPa 条件下，比真空度为 50kPa 时大了约 1 倍。周围土体竖向变形及侧向变形随着真空度的增大或减小大致呈线性变化。
4.排水板打设深度也能影响真空预压影响区土体变形，排水板深度不同，真空度的竖向传递深度就不同，有效加固深度也就不同了。排水板打设深度对影响区土体地表变形主要集中在距加固区 60m 范围之内，打板深度从 8m 变化至 24m，最大变形相差超过 1 倍。
5.密封墙渗透系数是影响真空度向周边土体传递效果的最重要因素，渗透系数小于10-6cm/s 时，基本能满足持久气密性要求。但淤泥搅拌强只能起到防渗作用，没有支挡效果。
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参考文献（略）