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真空预压法自1952年Kjellman提出[1]以来，随着抽真空的设备、密封、排水等一些技术难题的突破，如今已广为应用[2]。然而其排水固结时间相对较长、沉降速率难稳定、工后沉降难以控制，因此，诸如真空联合堆载预压法[3]、真空井点降水法[4]、真空电渗法[5,6]、高真空击密法[7]、真空预压联合电动法[8]等一系列方法被提出，并取得了良好的应用效果。但是对于我国东南沿海工程建设中经常遇到的深厚软土，仍不同程度存在上述问题，加固效果不够理想。
气压劈裂技术最初应用于土壤环境修复工程中，以提高土体的渗透性能。刘松玉等人将该技术应用到地基处理领域，发明了气压劈裂真空预压法，并作了大量卓有成效的研究[9,10,11]。
气压劈裂真空预压法是软基处理的一种新工艺，运用到工程实践中需经过恰当的设计。而目前对其设计原则、设计方法研究甚少，本文介绍了劈裂真空法加固软土地基的设计方法，通过阜宁-建湖高速公路的实际应用，对加固效果进行分析，为该工法应用于工程实践提供参考和依据。
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气压劈裂真空预压法处理软基，主要应用于对变形要求极高的高速公路、高速铁路等，因此本文提出以沉降变形控制为目标的设计原则。设计中既需保证路堤填筑过程中的稳定性，更需控制工后沉降。其中工后沉降可联合总沉降和固结度计算确定，通过调整排水体深度、间距、预压时间和预压荷载，使其在适宜的范围内就可以满足工后沉降的要求；稳定性要求就是要确保在路堤施工过程及后续地基固结过程中荷载不超过其承载力。基于变形控制的气压劈裂真空预压法的设计参数，如表1所示。
表 1 基于变形控制的气压劈裂真空预压法设计参数
Table 1.
Design parameters of the method basing on the deformation control 计算内容 计算参数 沉降设计 总沉降量计算 预压荷载 喷气荷载 预压时间 固结计算 排水体直径、间距、深度 喷气管间距、深度 稳定性验算 强度增长计算 排水体直径、间距、深度 喷气管间距、深度 -
在真空预压区内，由于真空度会向外扩散，边缘的加固效果不如中部，长方形场地的加固效果不如正方形场地。为保证预压区加固效果的均匀性，真空预压加固范围应大于拟建工程外缘所包围的范围，并且使每块预压面积尽可能大且呈正方形；当真空预压加固范围较大时，应该分区进行加固。
气压劈裂真空预压法由气压劈裂法和真空预压法两大部分组成。其中真空预压系统主要包括排水系统、密封系统、抽真空系统，主要涉及到的参数有：排水体的尺寸、间距、深度；预压区的面积及分块情况；真空度及固结度；地基土的变形计算；地基土的地基承载力计算。这部分设计即是常规真空排水预压法的内容，此处不再赘述。
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气压劈裂真空预压法是在常规真空排水预压法的基础上，增加了一套气压劈裂系统，因此主气压劈裂系统设计是本工法设计的关键。根据气压劈裂的原理，气压劈裂系统设计主要包括喷气管深度设计、喷气管路布置设计、输气管路形式的设计以及喷气方式选择。
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气压劈裂真空预压法的特色在于提高深部软土的处理效果，常规真空预压一般10 m以内的处理效果还是非常理想的，在设置喷气管深度时应重点考虑深部软土。根据场地工程地质勘察报告确定软土地基的位置，尤其是深部软土的厚度，结合软土地质特性确定喷气点的深度。喷气点的不同深度的设置可以由软土层厚度确定，用式(1)计算。
((1)) 式中：m为喷气管深度；h1为深厚软土层底面高程；h2为深厚软土层顶面高程；λ为气压劈裂沿深度方向影响系数，可由理论公式确定，经验值为2.0～2.5。
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喷气管间距主要取决于劈裂的水平影响范围、土的固结特性和施工期限的要求。喷气管的间距，要满足工程设计对固结度的要求。喷气管的布置形式与竖向排水的体的设置相似，排列方式有正三角形和正方形两种，其中正三角形的更为常用。一般而言，“细而密”布置的喷气效果好。
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输气管路分为的支管和主管。由于考虑气压劈裂的效果，将加固软土层厚度进行等分，进行不同深度的喷气管的施工。因此在进行输气管路连接时，要考虑到土体劈裂所需要的喷气压力，必须将相同深度的喷气管连接到了同一个输气管上，不同深度的喷气管由不同的气源提高不同的喷气压力。同时，为了保证整个场地中气压劈裂效果，减小劈裂的不均匀性，将场地分块进行连接。
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气源的选择直接关系到气压劈裂的效果。由于对场地进行了分块，一般以一块场地中的注气为一个系统。在小块区域中，喷气顺序为从最深注气管开始依次往浅层喷气。一轮喷气结束后，间隔一段时间，再进行下轮喷气。每轮喷气时间、间隔时间及整个持续时间要根据现场监测结果，特别是砂垫层表面出气和出水情况、孔压变化等进行调整。
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气压劈裂真空预压法引起的地基土沉降一般包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降、喷气荷载引起沉降、打设竖向排水体期间产生的沉降这几部分。总沉降量可由式(2)计算：
((2)) 式中：S为总沉降量；Sx为打设竖向排水体期间所产生沉降量；Sd为瞬时沉降量；Sc为地基固结沉降量；Ss为地基次固结沉降量；Sp为喷气荷载引起的沉降量。
从理论上讲，上式计算结果将非常精确，但是由于其中公式所需参数众多，难以确定，因此计算结果的精确度难以保证。根据国内外实测沉降资料的分析结果，得到式(3)：
((3)) 式中：ψs为沉降计算经验系数，可取1.0～1.3。Sc可由考虑地基一维固结情况的固结沉降公式计算。大量统计数据表明[13,14]，Sx的占总沉降量的比例在7.2%～34.1%之间，不同工程之间相差较大。考虑到打设塑料喷气管也将引起部分沉降，本文建议该部分沉降量取总沉降量的30%。
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工后沉降可由总沉降量和固结度计算，如式(4)和(5)式：
((4)) ((5)) 式中：
当增加气压劈裂系统后，由于气压劈裂使得土体的渗透性得到改善，而且这主要是水平向渗透系数的增长所致。进行固结度计算时，应采用式(6)[15]计算气压劈裂裂隙宏观渗透系数，代替原有的水平向渗透系数，故平均气压劈裂对土体固结速率的增强效应。
((6)) -
对高速公路而言，工程实践对沉降控制的要求较稳定性控制的要求高，地基处理以控制工后沉降为目标是发展的必然。以工后沉降为控制目标的设计新思路已经隐含了稳定性的要求，因此，气压劈裂真空预压法仅进行稳定性验算。
均质软土地基稳定分析方法一般采用圆弧法，其抗滑稳定安全系数Kh由式(7)计算：
((7)) 式中：M抗为滑弧面上剪阻力对圆心的矩；M滑为滑弧体上重量对圆心的矩。产生抗滑力矩的因素包括：路堤、地基中的竖排区和非竖排区。其中，地基中的竖排区考虑真空预压加固引起有效应力增加的影响，则抗滑力矩增量为
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阜宁-建湖高速公路项目区域处于苏北平原，属冲击堆积平原，地势平坦，地面标高一般在2.2～3.0 m，地貌形态简单，河流纵横成网，地下水位在地表下1.5～2.0 m，工程地质条件复杂。路线内软土连续分布，含水量高(最高达85.2%)、压缩性大、强度低、天然孔隙比大，压缩性高，工程性质差。针对上述特点，选择气压劈裂真空预压法对该项目东益互通C匝道处的软基进行处理。
图 2 阜宁-建湖高速公路东益互通C匝道处地质剖面图
Figure 2. Geological section map in Dongyi interflow Cramp of Funing-Jianhu highway
根据钻孔资料，该场地20 m以下分布土层依次为：1-1c层粉土：灰黄色，很湿，稍密状态，上部为耕植土，近连续分布，厚度1.4～1.9 m。1-2层淤泥、淤泥质粉质粘土：灰褐色，流塑，高孔隙比，高压缩性，含少量腐殖质，局部夹粉土薄层；一般层顶埋深1.1～5.2 m，层厚8.9～33.4 m。1-2a层粘土：灰黄色，可塑，高孔隙比，高压缩性，含有机质，局部夹粉砂薄层；夹于1-2层之间。2-1a层粉质粘土：灰黄色，可塑，中等压缩性，局部夹粉砂薄层，局部地段揭示。2-1c层粉土：黄色，湿，中密～密实状态，干强度低，局部夹粉砂薄层，局部夹粉质粘土，连续分布，局部双层分布。
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根据现场情况，设计塑料排水板三角形布置，间距1.2 m，板长20 m，塑料排水板在砂垫层面外露20 cm；设计喷气管三角形布置，间距4.8 m，由于深部软土位于14～20 m，喷气管长分别为14 m、16 m、18 m、20 m。管径25 mm，壁厚3～5 mm，为承受内压力大于1.5 MPa的塑料管。喷气管与塑料排水板呈嵌打形式排列，具体布置如图3、图4所示。
图 3 喷气管与排水板平面布置图
Figure 3. Plane arrangement chart of air ejector pipe and drainage plate
图 4 喷气管路连接示意图
Figure 4. Sketch of air ejector connection
在20 cm砂垫层上铺设注气系统输气管路，考虑气压劈裂的效果，将加固软土层厚度进行等分为4个区域，并设定不同深度的喷气管。输气管路连接时，须将相同深度的喷气管连接在同一个输气管上。设计输气主管管径50 mm，支管管径25 mm，壁厚均为3～5 mm，承受内压力大于1.5 MPa的塑料管。
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为分析劈裂真空法加固C匝道处的软基处理效果，分别对加固前后的相关指标进行监测。其中，(1)地表沉降随时间变化规律是路堤质量控制的关键性指标，直接反映了加固效果的好坏；(2)对深层水平位移进行监测，可充分了解劈裂真空法对软土地基的处理深度及效果；(3)对加固前后的CPTU锥尖阻力进行监测，及时掌握加固土体强度的变化情况。
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如图5所示，劈裂真空预压荷载作用下，加固初期，地表沉降发展迅速，沉降速率较大；到了第20 d左右，沉降速率开始放缓；一直持续到第120 d左右，沉降速率开始趋于稳定。到最终卸载时，劈裂真空预压加固地基的地表沉降最大值约为585 mm，平均值约为490 mm。
图 5 沉降随加固时间的变化曲线
Figure 5. Graph of settlement curve varies with reinforce time
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如图6所示，抽真空期间，最大水平位移基本都发生在地表附近；整体上，从浅层到深部，水平位移呈逐渐减小的趋势。路堤荷载填筑后，水平位移速率开始降低，水平位移在一定程度上被限制，加固效果较为明显。
图 6 水平位移随时间变化曲线
Figure 6. Graph of horizontal displacement varies with time
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对场地加固前后分别进行了CPTU测试，测试结果对比，如图7所示。显然，在2～20 m深度内，加固后的锥尖阻力与加固前的锥尖阻力之差开始逐步拉开，从4 m深度开始，加固后的锥尖阻力明显大于加固前。其中，在深度2～10 m之间，加固后锥尖阻力平均增长约22%；在10～20 m之间，加固后锥尖阻力平均增长约37%。
图 7 加固前后CPTU锥尖阻力变化情况
Figure 7. Variation of CPTU tip resistance before &after reinforce
由上述监测结果可知，劈裂真空技术可有效加固软土地基深部土体。这主要是由于高压气体使土体产生裂隙，增加了流体流动通道，深部土体的渗透性能由此得到增强，土中水分及时排除，使得超静孔隙水压力迅速消散，加速了真空荷载向软土地基深部传递，土体强度也得到了提高。
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在气压劈裂真空预压法计算理论研究的基础上，提出基于变形控制的气压劈裂真空预压的实用设计方法，包括：设计原则、设计内容、设计参数的取值以及设计计算方法。然后将这套方法应用于阜宁-建湖高速公路的软基处理工程中，并对加固后的地表沉降、深层水平位移和加固前后CPTU锥尖阻力等指标进行了监测，结果表明：
1)气压劈裂真空预压法加固地基时，地表沉降发展迅速，沉降速率较大；到120 d左右，开始趋于稳定，处理时间得到有效压缩，最终工后沉降满足设计要求。
2)常规真空预压法对浅部土体效果较好，而深部处理效果不佳。采用气压劈裂真空预压法之后，深层土体强度明显增加，水平位移降低，加固效果较为明显。
现场实测数据表明，气压劈裂真空预压法是一种快速、有效的软土地基处理新方法，且设计方法的明确，为该技术的进一步推广应用提供基础和参考。
Design Method and Its Engineering Application on a Combined Method of Vacuum Preloading and Pneumatic Fracturing for Soft Ground Improvement
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摘要:
气压劈裂真空预压法是将气压劈裂和真空预压结合起来的新的软土地基处理方法。高压气体进入土体中使其形成裂隙，提高了低渗透土体的渗透性能，从而加速地基沉降速率、缩短处理工期，达到经济高效地加固深厚软基的目的。从控制沉降变形的目标出发，提出气压劈裂真空法处理软基的设计原则、设计内容、参数取值及设计计算方法，并应用于阜宁—建湖高速公路的软基处理工程中，对加固后的地表沉降、深层水平位移、加固前后CPTU锥尖阻力等指标进行监测，取得了较好的效果。气压劈裂真空法加固软土地基的设计方法可为推广该法的工程应用提供参考和依据。 Abstract:The combined method for vacuum preloading and pneumatic fracturing is a new soft earth foundation treatment. It formed a series cracks when the high pressure gas entered into soils, then the penetrating quality increased, the settlement rate was accelerated and construction times have been cut down, thus the goal of economic efficiently reinforcement of deep soft foundation been achieved. Based on the purpose of settlement deformation controlling, the design principles, design contents, parameter choice and design calculation method was put forward, by the combined method of vacuum preloading and pneumatic fracturing for soft ground improvement. After that, the method was applied to the deep soft soil improvement of Funing-Jianhu Highway, some indexes was monitored such as ground surface settlement, horizontal displacement of deep soft soil, and CPTU static point resistance and good effect was obtained. The design method can be reference basis to engineering application. -
Key words:
- pneumatic fracturing /
- vacuum preloading /
- deep soft soil /
- design method /
- reinforcement effect
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图 1 气压劈裂真空预压法原理图
Fig. 1 Schematic diagram of combined method of vacuum preloading and pneumatic fracturing
图 2 阜宁-建湖高速公路东益互通C匝道处地质剖面图
Fig. 2 Geological section map in Dongyi interflow Cramp of Funing-Jianhu highway
图 3 喷气管与排水板平面布置图
Fig. 3 Plane arrangement chart of air ejector pipe and drainage plate
表 1 基于变形控制的气压劈裂真空预压法设计参数
Tab. 1.
Design parameters of the method basing on the deformation control 计算内容 计算参数 沉降设计 总沉降量计算 预压荷载 喷气荷载 预压时间 固结计算 排水体直径、间距、深度 喷气管间距、深度 稳定性验算 强度增长计算 排水体直径、间距、深度 喷气管间距、深度 
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图(7) / 表 (1)
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