對真空預壓法中真空度的一些認識

2011-09-29 高峰河海大學交通學

　　真空度是真空預壓法中一個很關鍵的問題，成功解決真空度上的一些問題將對真空預壓法的發展起很大的作用。文章主要分析了真空度的一些影響因素以及真空度垂直分布。

1、概述

　　真空預壓法目前已在我國廣大的軟土地區進行廣泛的應用，并且有著廣闊的發展前景。真空度的形成與分布是實施該方法的前提。目前在學術界和工程界對真空度在軟土地基中的分布規律已做了很多研究工作^[1-4]，但還存在一定的問題，如對真空度的傳遞深度與影響范圍未做深入研究，未考慮地下水位線對真空度的影響等等。另外，相對于真空預壓法的工程應用，真空預壓法的理論和試驗研究開展的還比較少，以至于其理論還不能解釋工程實踐中一些問題，如增加真空泵的臺數雖不能導致真空度的進一步提高，但是加固效果卻明顯得到提高等等。本文將就某些問題談一下自己的認識。

2、真空預壓法的加固機理

　　真空預壓法是用薄膜對需要加固的軟基進行密封與大氣隔離，借助射流泵抽真空，通過鋪在加固體表面的砂墊層中的管道及垂直排水通道將加固區內的空氣和水抽走，形成真空，在地表砂墊層產生負壓，該負壓通過真空管道及垂直排水通道逐漸向深度方向延伸，并向四周土體擴散，使加固土體內部與垂直排水通道、砂墊層中產生壓差，在此壓差的作用下，土體中的孔隙水不斷由排水通道排出，使孔隙水壓力降低，最終使土體固結壓密。真空預壓加固過程實際上是地下水氣不斷被抽走的同時，真空度不斷向加固土體內傳遞、擴散并在加固土體內形成一定真空負壓和負壓梯度的過程。

　　真空預壓加固軟基在地基上施加的不是實際重物，而是通過抽真空使密封膜內外形成壓力差，即真空預壓是將大氣壓差作為荷載。在抽氣前，薄膜內外都受大氣壓力的作用，土體孔隙中的氣體與地下水面以上都是處于大氣壓力狀態。抽氣后，薄膜內砂墊層中的氣體首先被抽出，其壓力逐漸下降至Pn，薄膜內外形成一個壓力差△P，使薄膜緊貼于砂墊層上，這個壓差稱之為“真空度”。砂墊層中形成的真空度，通過垂直排水通道逐漸向下延伸，同時，真空度又由垂直排水通道向其四周的土體傳遞與擴散，引起土中孔隙水壓力降低，形成負的超靜孔隙水壓力。所謂負的是指形成的孔隙水壓力小于原靜水孔隙水壓力，其增量為負值。從而使土體孔隙中的氣和水由土體向垂直排水通道發生滲流，最后由垂直排水通道匯至地表砂墊層中被泵抽出。

3、真空度的分布

　　真空預壓法成敗與否的關鍵就在于真空度的形成，即加固區密封性能的好壞，這是首要條件。如果密封性能不好，則不可能形成較高的真空度，甚至難以形成真空度。導致密封性能好壞有兩大原因：

1）土層的地質條件

　　若在加固的軟粘土層中夾有水平向透水性較好的粉砂或細砂層，則一方面將真空能量主要消耗在抽取大量砂層中的孔隙水導致真空度不能沿豎向排水系統傳遞；另一方面，當砂層中的孔隙起著連通大氣的作用，引起真空度的逐漸降低。因此，若存在這種地質條件，應在加固區的四周進行密封處理，切斷加固區砂層與外界的水、氣聯系。

2）密封膜的質量與施工

　　密封膜本身質量不過關或密封膜因施工不當引起的破壞，均導致密封性能下降，真空度降低。

3.1、真空度分布的影響因素

　　加固區內真空度的大小分布影響因素有：真空泵的臺數、深度、不同的介質阻力等。

　　1）在真空度相對較小時，膜下真空度隨著真空泵臺數的增加（即抽真空能量的增大）而明顯提高；當真空度達到較大值，膜下砂墊層中的氣體已相當稀薄，真空泵臺數的增加相對難以改變真空度的大小。真空度值越高，每增加1kpa 所需要的真空能量越大。

　　2）膜下真空度在向地基深部傳遞的過程中，隨著深度的增加真空能量逐漸損耗，因此，真空度隨深度的增加逐漸減少。

　　3）膜下真空度形成以后，真空度傳遞到塑料排水板、淤泥與砂井中，在不同的介質中，所受到的阻力不同。塑料排水板中所受的阻力最小，真空度相對較容易傳遞，真空能量損失最小；淤泥中的阻力最大，隨著抽氣時間的增加由于土層發生固結，真空度的傳遞能力有所下降，真空能量損失最大；砂井的阻力介于兩者之間。

3.2、真空度分布規律

　　真空度的變化規律等價于真空預壓過程中氣體的壓強變化，現將其過程等價于圖1 裝置中氣體的壓強變化。

真空預壓氣體壓強變化等價圖

圖1 真空預壓氣體壓強變化等價圖

　　現將F 力做功等價于真空泵的做功，隨著活塞往右移動，由氣體熱力學知識可以知道，氣體的壓強越來越小，可以近視理解成真空泵抽走的那部分氣體被放到活塞移動后多出的那部分體積中。故可以近視將真空預壓中氣體壓強的變化等價于此裝置中氣體壓強的變化。將此過程近視看成是由連續的準靜態過程組成，由熱力學知識可知，壓強P 隨體積V按下式變化：

PV =υRT