摘要：在在真空预压条件下，地基将会出现负的孔隙水压，而实际的沉降则是以膜下的真空度为等效荷载，采用堆载预沉法进行。因此，在负孔隙水压作用下，必须对其进行三维数值模拟，并对其进行数值模拟。通过三方压实与标准压实实验，比较了典型的负孔压饱和软粘土的力学性能。根据排水砂床与竖向砂井的边界条件，建立了一种预压型真空排水固结微分方程。本文从应力所决定的固结度出发，对一种新的固结沉降量进行了分析。 关键词：真空预压；软土地基；固结特性；沉降计算
引言大蒜破瓣机
真空排水预压法是一种常用的施工方法，但它的整体沉降及固结沉降均以堆载预压固结理论为基础。通过实例证明，采用这种方法进行整体沉降及固结度计算时，在满足总沉降和固结度控制指标（U，≥90%）后，地基的沉降速度仍然很高，很难满足停泵要求，因此，本文提出了一种新的方法。在真空预压作用下，地基土的整体应力保持不变（Ao=0)，孔隙水在竖向排水管道中发生渗透，造成土壤孔隙水压力逐渐降低，有效应力逐渐增大，从而引起土体体积的减少，并引起沉陷。 一、负孔隙水压力下土体固结特性
（一）试验方案
第一，三向固结试验。使用密度1.86g/cm³、32.4%水分的土壤制成三轴饱和再塑土样，其直径39.1mm，高80mm，样品中央留出一个直径5 mm的小孔，并用细沙填充小孔，以形成竖向排水槽。
采用真空预压方法进行分段加压，其放大效果最佳。在三轴试验机上，采用三轴试验装置，对不同的压力、围压进行了模拟，并对其进行了模拟。在地应力稳定土体变形后，采用真空度60,75,90 kPa的压实实验，测定了不同时期的渗透流量。实验分为三组，每一组的轴向压力和围压分别为：
第1类：轴压 o和围压 o都是0，并对地面土壤的应力状况进行了仿真：
第2类：具有91 kPa的轴向压力 o、50 kPa的围压，对5 m以下土壤样品的应力状况进行了仿真：
第3类：在10米以下的土壤中，对土壤的应力状况进行了模拟，其中，轴向压力 o为l82kPa。
第二，标准的固结性测试。制备饱和重塑土壤样品，样品底部30mm，高20mm。将样品同环刀放置在一个固化容器中，在60,75和90 kPa的压力下，测试样品的高度随着时间的推移而改变。
（二）试验结果分析
第一，在负压状态下，试件的固结变形特征及固结系数。在三向固结实验中，在负压作用下，样品发生了均匀的收缩，其应变为三倍的轴向应变；利用标准固结实验中的方根法，对3组土壤进行了实测，得出了在不同的应力条件下，在不同的真空度条件下的土壤固结系数[31。
第1组样品在90 kPa的情况下，由于样品自身和设备的因素，使样品的高度发生了异常的变化，而固结系数很低。在相同的应力条件下，随外加真空作用的增加，土体的固结程度逐渐降低。在相同的真空度下，固结系数随埋入深度的增大而降低。
第二，在超静压作用下，试件的固结系数。在标准固结实验中，土壤样品的孔隙水压是正向的。同样地，在超静水压力消失时，用时间方根法求出了其固结系数。
在荷载作用下，土壤的致密程度逐步提高，渗透率下降；随压力递增，混凝土的固结系数逐渐降低。
第三，比较了不同水压下的固结系数。三向固结实验结果表明，在地面原位应力条件下，其固结系数约为标准固结法的40倍。三向固结实验采用了一个真空度，使土壤承受等向压力，并在纵向和横向上形成多向渗流，并使其在纵向和横向上发生固结。因此，采用三轴固结实验得到的固结系数要大于侧限压缩试验结果。
二、考虑三向变形的固结沉降计算
旗杆模型在真空排水预压力作用下，计算了U（r、t）和垂直固结微分方程u（z、t），并根据应力定义了平均固结度，由此得出三向变形时的固结度和沉降计算公式。
建立和求解三维固结微分方程。在此基础上，根据不同的空间位置，通过垂直和径向的空间传播，形成了等向压缩固结，并在砂井的中心位置上形成了轴向的轴向压缩固结模型。
在线预约系统三、室内模型试验和沉降修正系数
（一）试验方案
在进行模型实验时，采用1:20的相似比值，对现场进行了真空预压桩的加固。模型测试设备由模型箱、真空泵、沉降仪等部分构成.模盒的大小是80cm×40cm×50cm（长×宽×高）；该系统包括一个沉降计和一个百分仪。实验用的土壤是一种含水分32.4%、密度1.86g/cm的饱和粉状粘土，土样的充填高度为30厘米，在充填过程中，在模盒中心10、20、30cm处放置沉降仪，测量表层、表层10cm、20cm的沉降量；在两个平面上分别设置了两个沉降台，测量了模型箱体的表面沉陷情况[2]。
在充填过程中，留出一条沙槽，该沙槽的直径为2.5cm，间隔15cm，呈矩形，并在预留的孔洞内用中粗沙充填，以形成竖向排水的通道。在土壤上层用2厘米厚的沙垫层，并将抽水装置与真空泵连接。最后，将塑料薄膜覆盖于表面，将薄膜的边缘嵌入土壤，并用粘土进行密封。
（二）实验结果分析
在实验期间，膜下的吸水率约为87 kPa，而在连续抽真空94小时后，沉降标点的沉降值分别为35.319、31.288、29.087 mm；在地表10cm处，20cm处的沉降量为20.261mm，而在地表20cm处则为14.560mm。通过实测发现，由于部分砂井制造过程中的一些问题，以及泵站的位置等原因，导致了表面不均匀沉降，而中心区域的沉降比周围区域要小，而最靠近抽水管道处的真空度最大，与实际施工过程中出现的不均匀沉降情况是一致的。
通过“三点法”计算，得出了地表沉降率为35.319、29.218、31.509mm，在地表10cm、20cm处的最后沉降量分别为20.458mm和14.732mm。
在三向固结试验中，由于在90 kPa的情况下，由于试件自身的缺陷和设备的作用，导致了土壤的固结系数较低，故采用75 kPa的垂直固结系数 C为3.93×103 cm²/s；假定土壤各向同性，在各方向上的孔隙水压力都是相同的， C,=3.93x103 cm/s，可以得到由应力所确定的理论强度。
转基因鸡在相同的条件下，地基的固结度在10 cm以下最大，而在地面上的固结度最低，表明地基是最早的。表面应力下的理论固结度约为90%，约为25小时，大于按沉降定义的强度，需要进行修正。
（三）理论修正
通过对土壤表面沉降的测量，得出了土壤孔隙比为0.93、孔隙比为0.737的沉降曲线。实测的真空度为87 kPa，土壤厚度=0.3 m。一次的理论沉降量为30.01mm[3]。
在真空预压实验中，土体发生垂直下沉和横向收缩，在土体自重和大气压力的作用下，土体发生横向膨胀，在实验中出现了横向紧靠模型箱内壁的现象。为了解决这个问题，我们使用了司开普顿—比伦的半经验式： S′= CpS, S′是考虑了横向变形的固结沉降， S是单向固结变形；Cp是一个比率因子， Cp= a+ a (1- A).A是以0.8表示的孔内应力系数；模具的 H/B是0.5，而 a的数值是0.53，所以 C=0.906。结果表明，在横向变形情况下，固结沉降 S′为27.189 mm。
第一，理论上的沉降修正系数 n=0.98、1.08、1.18，与观测点的沉降资料吻合良好，说明在三向变形条件下，固结沉降的计算结果是比较精确的，并且在0.98-1.18之间。
第二，在实验前期（即0-10小时），其沉降修正因子 n可以是1.18，以使得理论沉降值与实测值相近；试验中期，即10-55小时，其沉降修正系数 n为0.98；在试验后期（>55小时），其沉降修正系数为1.08，固结强度为100%；
结语
三向固结实验中，固结因子多为3x10=3cm2/s-4x10=3cm2/s，大约为40cm2/s，这是因为在三向固结实验中，真空通过竖向排水管道向周围传导，形成多向渗透，并在横向和纵向上都形成了固结，固结系数比标准固结试验高。通过模拟实验，结果显示，在40小时左右，表层固结度达到90%，而理论上的应力强度约在25小时内可达90%，这意味着实际的负孔压因真空度的下降而逐渐消散。利用模型实验资料对理论沉降公式进行了修正，得到了在0.98—1.18之间的修正系数 n。而在试验前期，其沉降修正因子 n为1.18；在实验的中期， n为0.98；到了后期，地基的固结已接近尾声，其理论解与实测结果基本一致， n为1.08。
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参考文献：
[1] 王思刘,张冬琪,陈纪胜,等. 真空预压下软土地基的固结特性和沉降计算方法[J]. 铁道科学与工程学报,2022,19(3):674-682.
[2] 刘运涛. 真空堆载联合预压加固软土地基的固结特性研究[D]. 江苏:南京大学,2008.
[3] 吴剑. 软土地基固结沉降的数值模拟研究[D]. 中国地质大学(武汉),2003.
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