学位论文-—真空排水预压法加固软土地基公路施工与管理课程设计.doc

交通运输学院

公路施工与管理课程设计

学 院 交通运输学院 班 级 交工1002
姓 名 孙亚囡 学 号 201000506
成 绩 指导老师 贾剑青

2013年 5 月 26 日

指导教师评语及成绩
指
导
教
师
评
语

成
绩

导师签字：
年 月 日
兰州交通大学交通运输学院课程设计任务书
所在系： 交通工程系 课程名称： 路基路面工程 指导教师（签名）：
专业班级： 交通工程1002 学生姓名： 孙亚囡 学号： 201000506
一、课程设计题目
边坡防护与加固原理及技术分析
二、课程设计的目的
将课程中所学的几种用于边坡防护与加固的原理及技术措施进行具体阐述，并与实际结合起来，提高理论与实践相结合，将所学知识运用于实践的综合能力，同时加强和巩固土、石质边坡防护与加固部分的知识点。
三、课程设计的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、工作量要求等）
主要内容：
1.简要说明分析与研究该课题的目的、意义等
2.边坡稳定性概述
2.1 路基边坡损坏形式及特点
2.2路基边坡稳定性的主要影响因素
3.边坡加固研究
3.1边坡防护与加固的基本要求
3.2边坡防护与加固的技术方法
4.案例分析
5.得出分析与研究结论
要求：
1.设计中所要分析与研究的各种加固技术应尽可能详细。
2.对各种技术措施的分析过程需以文字、图表等形式详细阐述，图表尽可能自己绘画，形成思路清晰、可读性强的设计报告。
3.严格按照课程要求格式进行排版，形成的设计报告总页数不小于20.
四、工作进度安排
1．第8~第10周，准备资料；
2．第11~第12周，阐述清楚路基边坡损坏形式及特点以及影响路基边坡稳定性的主要因素后，对边坡防护与加固的基本要求和各种技术措施进行举例分析，并比较几种边坡加固措施的特点及适用条件；
3．第13周，整理并撰写设计报告。
五、主要参考文献
[1]廖正环，公路施工与管理，北京：人民交通出版社，1998.
[2]陆鼎中，路基路面工程，上海：同济大学出版社，1998.
[3]各种施工规范.
[4]相关期刊论文.
审核批准意见

系主任（签字） 　　　年　　月　　日
真空排水预压法加固软土地基
摘要
随着国民经济的快速发展，厂房、码头、港口等建筑物不断增加，尤其是沿海开发区建筑物如雨后春笋般崛起。然而，不经处理而直接利用的天然优良地基越来越少，不少建筑物不得不建在软土地基上，因而，软土地基的加固方法越来越多，常用的有六种：排水固结法、水泥土搅拌法、强夯法、振冲碎石桩法、石灰桩法、钢渣桩法。
真空排水预压法是排水固结法的一种，真空排水预压法利用物理方法使地基产生有效固结。真空排水预压法具有加荷速度快、无需堆载材料、加荷中不会出现地基失稳现象、施工工期短、费用少等优点。
本文从其加固机理、加固设计与计算详细介绍了真空排水预压法加固软土地基的技术。在设计时应注意沉降、固结度与强度的变化。以天津新港四港后方软土的地基加固实例，对真空排水预压法做了系统介绍，并从日本东北地区新干线某段超软土的地基加固实例中得出真空排水预压法的特点及注意事项。
关键词
软土地基加固、真空排水预压法、加固机理、加固设计
目录
1、软土地基及其常用的加固方法 1
1.1软土地基概念 1
1.2软土地基常用的加固方法 1
2、真空排水预压法概述 5
3.真空排水预压法的加固机理与特征 6
3.1真空排水预压法加固机理 6
3.2真空排水预压法加固特征 8
4、 加固设计与计算 10
4.1沉降计算 10
4.1.1固结沉降的计算 10
4.1.2最终沉降量的计算 11
4.2固结度的计算 14
4.3强度增长估计 17
4.3.1真空排水预压法强度增长特征 17
4.3.2真空排水预压法强度增长计算 18
5、工程实例 18
5.1天津新港四港后方软土地基加固 19
5.2日本东北地区新干线某段超软土地基加固 21
5.2.1地质概况 21
5.2.2施工情况 21
5.2.3现场观测结果 23
6、结论 25
参考文献 26

交通运输学院课程设计

第 2 页

1、软土地基及其常用的加固方法
1.1软土地基概念
针对各种地基土具有不同的工程性质而言，通常认为在一定荷载作用下，就地基土的总体而言，具有承载能力低、压缩变形大、变形持续时间长、结构性强的土，被称为软土。软土是一种可塑性很强的土。天然软土主要分布在沿海滩地带、河口三角洲以及内陆河、湖、港口及其附近地区，而各地区的软土特征一个不相同。软土地基指以软土为主，与粉砂、泥煤等一些其它土层相间组成的地基，当然也存在厚度几十米、上百米而土质较均匀的软土地基。
为保证软土地基稳定并控制沉降在允许范围内，作为设计者应从减轻（或调整）荷载和提高地基承载能力两方面着手。对上部结构设计来说，充分利用硬壳土层作持力层，简化建筑物平面形状，减少层高差异，设计沉降缝，控制建筑物的长高比，采用轻质材料，考虑相邻建筑物的影响，适当加强基础的刚度和强度以及设计圈梁等都是有利地基稳定，减少沉降和不均匀沉降的措施。对于基础设计来说，首先要确定天然地基的承载能力和由于施加荷载可能产生的最大沉降、沉降差，才能据以确定地基是否需要加固。
1.2软土地基常用的加固方法
1、 根据不同分类原则，可将地基处理方法分为若干类，参照《土木工程指南》中“各种地基处理方法汇总”以加固原理为基础，将常用的软土地基处理方法归类划分如表1-1。

表1-1
分类
方法
原理
说明
排
水
固
结
法
加（超）载预压
在建造建筑物之前进行预压，以消除大部分沉降。当预压荷载超过建筑物永久压力时，可以消除部分次固结沉降为超载预压
有成熟理论，效果显著，处理结果土质较均匀，需要时间长，如加设垂直向排水途径，则可大大缩短预压时间
砂井及各种塑料排水带
增加土层排水通道，缩短固结沉降时间，同时提高强度
有成熟计算理论和设计施工经验，效果显著，有加载预压效果更好
真空预压
通过埋设于地面的砂垫层中的吸水管不断抽气造成负压而使软土层排水固结，砂垫层下如设砂井或塑料排水带，效果更佳
可避免土石方搬运，但预压压力有限（一般可80Kpa），
所以处理深度有限，需不断抽气，故需要一定设备和用电条件
电渗排水
在土中插入金属电极并通以直流电，在电场作用下，土中水从阳极流向阴极，在阴极抽水排除
在饱和粘性土中效果显著，需要一定设备和用电条件
降低地下水位
通过与透水层联系的排水井（管）中直接抽水降低地下水位，使土层固结
易在地下水位较高条件下进行开挖工程或软土层中存在透水层时采用
砂垫法
换土和横向排水
用于局部地基处理
振
密
法
强夯法
利用高锤基功能使地基受冲击力和振动力使土体密实
对于IP≤17或粒径小于0.005㎜占30%以下的表土或浅层粘土层可采用，适用于大面积处理，较简便经济，配合砂井效果更佳。由于强烈振动对环境有较大影响，必要时通过实验确定采用

续表1-1
置
换
拌
入
法
开挖置换
挖出除一定深度的软土地层，回填工程性质好的砂砾石，石碴、粉煤灰等分层夯实，提高持力层承载力，减小下卧层附加力
如遇地下水，对于重要工程去附加降低地下水位设施；对于要求不高的建筑物可采用水下抛填石碴或碎石。简易可靠
振冲置换或干振碎石桩
利用振冲器在高压水流作用下边振边冲（或干振）使地基成孔，在孔内填碎石、卵石振密成桩，桩与桩间土组成复合地基
用不排水抗剪强度大于等于20Kpa的软土地基，施工时排出泥浆需预先安排出路，效果显著
高压喷射注浆
将注浆管通过钻孔置入预定深度，然后高压喷射浆液（常用水泥浆）冲切土体，同时旋转提升注浆管，生成水泥—土桩
亦称旋喷桩或P、P、C法，可用以处理既有建筑物地基，还可以防渗帷幕、基坑维护。水泥浆有时冒出流失，应预先采用措施，需要一定设备
水泥土搅拌法
用水泥或石灰通过深层搅拌机与土搅拌成桩、桩可布置成连续墙或格栅构造，可分为喷浆搅拌和粉体喷射搅拌两种
效果显著，不仅用于提高地基承载力及减少沉降管，目前应用到深度小于10m的基坑支护工程中
石灰桩
机械成孔，填入生石灰碎块或在石灰中再掺入水硬性材料压实成桩，利用石灰的吸水膨胀及与土间的离子交换作用改善桩周土的性质，桩—土组成复合地基
施工较简易，处理有一定效果，承载力提高有限，仅适用与要求不高的建筑物。运输、施工中应加强劳保工作
钢渣桩
利用管内或管外投料的方式在地基中制成钢渣桩，由于钢渣桩成分很接近水泥，与土中水作用后能自凝成桩，与桩周土组成复合地基
利用废料，施工中减少污染，节约投资，可提高承载力0.5~1.5倍
注
浆
法
电化学注浆
加固用的化学溶液在电渗作用下渗入土中或胶体在电泳作用下渗入土空隙中
用于不适于高压注浆的建筑物地基，不适用于高导电性土，造价高，处理后地基土质改善不均匀
劈裂注浆
浆液在高压作用下，是原有的孔隙或裂隙扩张，使低透水性土的可灌性和浆液扩散距离增大
处理后地基土质改善不均匀
续表1-1
加
强
加筋
在土层中埋入土工聚合物或抗拉板条以增加土的抗拉能力，根据不同目的的采用材料可以反滤、渗透、防渗、隔离等
土工聚合物近年来已广泛采用，其本身性质及土的相互作用尚须进一步研究。短期投资大
锚固
将锚杆一端锚固于土坡或地基中稳定的土层中，另一端与结构物联结以抵抗结构物所承受的侧向作用或浮力
有效维持承受侧向荷载或浮力的结构稳定物稳定
树根桩
一群小直径（75~250㎜）的就地灌注桩，可以是竖向的或斜向的
用于稳定土坡、支档结构物或提高地基承载力，也用于处理已有建筑物地基

2、真空排水预压法概述
真空排水预压法是排水固结法的一种，运用该方法加固软土地基时，一般说来都是现在预加固的软土地基上按一定间距打设塑料排水板或袋装砂井（统称为垂直排水通道），然后在地面上铺设一定厚度的砂垫层，再将不透气的薄膜铺设在砂垫层上，借助于埋设在砂垫层中的管道，通过抽真空装置将膜下土体中的空气和水抽出（见图1），是土体得以排水固结，土体的强度同时也得到增长，达到加固的目的。
按照工程使用的目的，真空排水预压法一方面使地基的沉降在抽气加载预压期间大部分被消除（一般是80%）或基本消除，建筑物在使用期间不致有过大的沉降和沉降差，即可以解决沉降问题；另一方面能加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性即可以解决稳定问题。

图1 真空预压法加固软土地基的基本原理
真空排水预压法由排水系统和加压系统两部分（见图2）组成二者缺一不可。排水系统主要用于改变地基原有的排水边界条件和传递真空压力，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离，减少加固时间。加压系统就是起固结作用的荷载，使地基土的有效固结压力增加而产生固结。

垂直排水体—砂井、袋装砂井、塑料排水板、钢丝滤管
排水系统
水平排水体—砂垫层、土工合成材料
真空排水固结

加压系统—抽真空装置

图2 真空排水预压法的两个系统
真空排水预压法与堆载排水预压法相比，具有加荷速度快、无需堆载材料、加荷中不会出现地基失稳现象等优点，因此它相对来说施工工期短、费用少但它能施加的最大压力只有95kPa左右。
3.真空排水预压法的加固机理与特征
3.1真空排水预压法加固机理
太沙基的有效应力原理告诉我们，土体强度的增长、压缩量的发生，都是以有效应力为前提的。只有土体的有效应力发生了变化，土体变形才会发生，强度才会发生变化。排水固结的原理就在于此。
用真空排水预压法加固软土地基时，在地上施加的不是实际重物，而是把大气作为荷载。在抽气前，薄膜内外都受大气压力作用，土体孔隙的气体与地下水面以上都处于大气压力状态（见图3）。抽气后，薄膜内砂垫层中的气体首先被抽出，其压力逐渐下降至，薄膜内外形成△，是薄膜紧贴于砂垫层上，这个压差称为“真空度”。砂垫层中形成的真空度，通过垂直排水通道逐渐向下延伸，同时真空度又由垂直排水通道向四周的土体传递与扩散，引起土体中孔隙水压力降低，形成负的超静孔隙水压力。从而使土体孔隙水中的气和水由土体向垂直排水通道渗流，最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被泵抽出。
3.真空排水预压法的加固机理与特征
3.1真空排水预压法加固机理
太沙基的有效应力原理告诉我们，土体强度的增长、压缩量的发生，都是以有效应力为前提的。只有土体的有效应力发生了变化，土体变形才会发生，强度才会发生变化。排水固结的原理就在于此。
用真空排水预压法加固软土地基时，在地上施加的不是实际重物，而是把大气作为荷载。在抽气前，薄膜内外都受大气压力作用，土体孔隙的气体与地下水面以上都处于大气压力状态（见图3）。抽气后，薄膜内砂垫层中的气体首先被抽出，其压力逐渐下降至，薄膜内外形成△，是薄膜紧贴于砂垫层上，这个压差称为“真空度”。砂垫层中形成的真空度，通过垂直排水通道逐渐向下延伸，同时真空度又由垂直排水通道向四周的土体传递与扩散，引起土体中孔隙水压力降低，形成负的超静孔隙水压力。从而使土体孔隙水中的气和水由土体向垂直排水通道渗流，最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被泵抽出。

图3 真空排水预压法加固软土地基的应力分布
从太沙基的有效应力原理看，整个过程中△σ=0，加固中降低的孔隙水压力就等于增加的有效应力，即
△△u （3-1）
从上可以得出，垂直排水通道不仅起着垂直排水、减小排水距离、加速土体固结的作用，而且起着传递真空度的作用。
从有效应力路径分析看，加固前，平均应力为
（3-2）
加固中地基土体中增加的有效应力为△，由于孔隙水压力是一个球应力，所以各个方向均增加△，因此
△ （3-3）
△ （3-4）
其有效应力圆由向右移到见图4，平均应力增加到
△ （3-5）

o

图4
3.2真空排水预压法加固特征
1、 真空排水预压法是利用大气来加固软土地基，因此不需要大量的预压材料及实物。
2、 对真空排水预压法来说，别加固土体中的A、B、C、D各点（见图3）在加固前处于k0应力状态，位于k0线上（见图5）；加固中产生附加有效应力△σ1ˊ=△σ3ˊ，它们的有效应力路径是一组平行于pˊ轴的水平线，都位于k0线的下方，说明加固土体都发生了侧向收缩变形。
由于真空排水预压法加固软土地基过程中，作用于土体总应力并没有增加，降低的仅仅是土中孔隙水压力，而孔隙水压力是一个球应力。所以不会产生剪切变形，仅有侧向收缩。

图5

其中：

3、 真空排水预压法加固软土地基过程中，在真空吸力的作用下易使土中的密封气泡排出，从而使土的渗透性提高、固结过程加快。
4、 真空排水预压法加固软土地基时，地基周围的土体是向着加固区内移动的，与堆载排水法相比真空排水预压法加固的土体密实度要高。且由于真空排水预压法是通过垂直排水通道向土体传递真空度，而真空度在整个加固区内均匀分布，因此加固后的土体，其垂直变形在全区内比堆载预压加固的要均匀，而且平均沉降量要大。
5、 真空排水预压法的强度增长是在等向固结过程中实现的，抗剪强度提高的同时不会伴随剪应力的增大，从而不会产生剪切蠕动现象，也就不会导致抗剪强度的衰减。
4、 加固设计与计算
设计要达到的目的：第一是经加固要先期消除一定的沉降量，使建筑物基础的剩余沉降量小于允许值，这首先要分别计算出在使用荷载和加固荷载下地基发生的沉降量及规定时间内消除的沉降量；第二个目的是使加固后地基强度的增长满足与建筑物对地基稳定与承载能力的要求；第三，达到预期的固结度所需要的时间应满足工期要求。
4.1沉降计算
4.1.1固结沉降的计算
固结沉降量Sc的计算可采用单向压缩分层总和法或考虑土体应力历史的e-logp’曲线法来进行。对于正常固结土，通常可用单向压缩分层总和法来计算。当土层属于泥炭土、有机质土或高塑性粘性土时，还要考虑次固结沉降问题。
1） 单向压缩分层总和法
按e-p曲线计算，将地基分成若干个薄层，其中第i层的压缩量为
（4-1）
总压缩量为
（4-2）
式中：——第i层的压缩量；
——第i层中点的土自重应力对应的孔隙比，由室内压缩试验e-p曲线求得；
——第i层中点的土自重应力与附加应力和所对应的孔隙比；
——第i层土层的厚度。
2）e-logp’曲线法
首先根据土工试验得到的前期固结压力来判断土层属于正常固结土、超固结土还是欠固结土，然后再以不同的公式加以计算。
对正常固结土：总压缩量为
（4-3）

式中：——第i层的压缩量；
——第i层土层的厚度；
——第i层中点的土自重应力对应的孔隙比；
——第i层的原位压缩指数；
——第i层中心点的有效自重应力；
——在第i层中心点增加的有效附加应力。
对超固结土：
当有效附加应力>（-）的土层，按下式计算固结沉降：

（4-4）

式中：——第i层土的回弹指数；
n——土层的数目。
当有效附加应力≤（-）的土层，按下式计算固结沉降：

（4-5）

式中：——第i层土的回弹指数；
n——土层的数目。
整个土层总的单向固结沉降量为：
（4-6）
对于新近沉积的粘性土、新近吹填土及地下水位降低不久的地区，常会出现欠固结的土层，这种土的沉降包括由于土自重应力的欠固结部分引起的沉降和建筑物附加应力引起的沉降两部分，可以按下式计算：
（4-7）

4.1.2最终沉降量的计算
1） 用公式来计算
按堆载法来计算最终沉降量
（4-8）
式中：——初始沉降量；
——固结沉降量；
——次固结沉降量。
堆载排水预压法中初始沉降量是荷载施加后立即发生的那部分沉降，对于真空排水预压法中初始沉降的计算无具体计算方法，只能将其包含在修正系数中。
次固结沉降量可按下式计算：

（4-9）

（4-10）

式中：——第i层土的初始孔隙比；
——次固结引起的孔隙比的减小；
——次固结的起始时间，可由土样的压缩固结试验来确定；
——建筑物的使用年限。
软土层总的固结沉降量可用求和的方法求出。
严格按照式（4-8）计算最终沉降量有时比较困难，主要是计算参数难以准确确定，因此仍然可用式（4-11）来计算最终沉降量。
（4-11）
对真空排水预压法来说，通常=1.0~1.25，这当中还包括施工中的沉降量。
2） 用实测沉降曲线值来推求
假设在最后一级荷载作用下，沉降随时间变化规律符合某一数学表达式，然后用曲线拟合方法。常用的数学表达式有双曲线、幂指数曲线、二次抛物线等。
a) 双曲线法
按双曲线变化规律，沉降可按式（4-12）计算：

（4-12）
式中：——t时刻的沉降量；
——双曲线起点ta的沉降量；
α、β——待定系数。
将式（4-12）变形得
（4-13）

令y=1/(-)，x=1/(t-ta)，有y=β+αx，利用测得的数据求出系数α、β。由上式可以看出当t趋近于无穷大时，其沉降就是最终沉降量
（4-14）
b) 指数法
（4-15）
式中各符号的意义见图6，（t0，S0）称为沉降曲线的拐点，其后部分的曲线设定按指数曲线规律性延伸。
从式（4-15）可以看出，当t → 时，→，即有
（4-16）
要求出，关键是选取合适的（t0，S0）和利用实测数据求出α。

图6
c) n次多项式或二次抛物线
N次多项式原则上可以将实际沉降曲线拟合的很好，但因工作量大，切实际也没必要，所以一般取n为2，即二次抛物线形式。以时间t的对数作自变量，其表达式为
（4-17）
参数a、b、c用优化法求得。
无论用什么方法求出最终沉降以后，那么在某一时刻t的沉降量可用式（4-18）来计算
（4-18）
式中：Ut——土体在t时刻的固结度。
4.2固结度的计算
一般加固的地基要达到的固结度都是事先根据使用要求确定的，设计计算就是按此要求通过计算确定垂直排水通道的深度、间距和布置型式的。同时它对判断加固效果、加固时间长短、强度增长。地基在加固过程中的稳定程度，都起着十分重要的作用。
首先，在真空排水预压法加固中，一定要设计垂直排水通道，加固时间的长短与垂直排水通道的间距有关。由于有了垂直排水通道，因此地基的固结就产生了竖直和水平两方向，而两个方向的计算是分开的。对于竖向固结计算用的是太沙基固结理论，对于水平向固结计算用的是巴隆固结理论。其次真空荷载是一次施加完成的，可以当成瞬间加荷来看，所以设计中可按砂井固结理论瞬时加荷来进行设计计算，而不必考虑分级加荷和设计加荷速率。
垂直排水通道平面布置方式一般有正三角形和正方形两种，如图7所示。

图7 垂直排水通道的平面面布置形式

c) A-A剖面图

图7 垂直排水通道的平面面布置形式
垂直排水排水通道的等效排水圆柱体直径de为
（4-19）
式中：d——垂直排水通道间距，宜在1~2m范围内选取；
——换算系数，对于正方形=1.128，对于三角形=1.05。
垂直排水通道的平面布置范围应在基础或工程要求的加固区域外增加1至2排。若垂直排水通道采用的是塑料排水板，那么它的等值砂井直径可按式（4-20）换算。
（4-20）
式中：b，δ——分别为塑料排水板的宽度与厚度；
π——为圆周率，取3.1416。
按照砂井固结理论，当垂直排水通道打穿整个软土层时，对真空排水预压法来说，可按堆在排水预压法中的瞬时加荷情况来考虑，地基在加固历时t的平均固结度按式（4-21）计算。
（4-21）
式中：α、β——排水固结参数，各种情况下的α、β值见表4-1。

α、β值 表4-1
排水情况
径向排水
竖向排水
竖向和径向组合三维排水
β
理想井

非理想井

a
1

表4-1中所述的理想井为不考虑井阻和涂抹作用对固结影响的情况，非理想井反之。
——轴对称径向排水固结参数；
——竖向排水一维固结参数；
——分别为地基土的竖向和水平向固结系数（㎝2/s），由原状土固结试验确定；
——井径比因子，由式（4-22）进行计算：

（4-22）
——井径比，为塑料排水板的等值砂井直径或砂井直径，为排水圆柱的等效直径；
G——井阻因子，由式（4-23）和式（4-24）确定：
（4-23）

（4-24）
式中：——垂直排水通道的通水能力（㎝3/s），由实验室测定；
——单位水力梯度作用下，地基中水流入垂直排水通道的流量（㎝3/s）；
——地基土的水平渗透系数（㎝/s）；
L——垂直排水通道的打入深度；
Fs——安全系数，当L≤10m，取4；10m<L≤20m，取5；L>20m，取6。
当G≤0.1或垂直排水通道的通水能力满足式（4-25）时，地基的固结度可按无井阻计算，即G=0，应尽量选取通水能力大的垂直排水通道型式，以减少井阻对真空度传递和固结度的影响，
（4-25）
J——涂抹因子，由式（4-26）确定；
（4-26）
式中：λ——涂抹比，可取1.5~4；
——分别是地基土和涂抹层的渗透系数（㎝/s）；
当J≤0.4时，固结度可按无涂抹层计算，即J=0。
H——固结土层竖向渗流的最大距离，单面排水时，H取土层的厚度，双面排水时，H取两排水面间土层厚度的一半。
当垂直排水通道未打穿软土层时，可按下式计算地层的平均固结度：
（4-27）
式中：——t时刻土层的平均固结度；
——垂直排水通道打入深度范围内土层的平均固结度，按式（4-21）和表4-1中的参数计算；
ρ——打入深度，。
4.3强度增长估计
4.3.1真空排水预压法强度增长特征
1） 真空排水预压法的强度增长是在等向固结过程中实现的。
真空排水预压法中不施加外荷载，土体内有效应力的增量等于孔隙水压力的消散，即，由于孔隙水压力是球应力，故各个方向上的有效应力增量相等，因此，真空排水预压法加固软土地基时，土体是在等向压力下固结的。
2） 真空排水预压法加固软土地基中不会产生剪切蠕动现象。
真空排水预压是等向固结状态，在加固过程中土体内剪应力保持不变，无剪切蠕动现象发生，不会引起强度衰减。
3） 经真空排水预压法加固后的软土地基表层强度增长明显。
①浅层土体离砂垫层近，孔隙水除了向砂井中汇集外，还流向砂垫层；②抽气过程中土体表层有局部非饱和区存在，增加了土中有效应力；③砂垫层中负压通过砂井向下传递，由于井阻现象，负压沿深度逐渐衰减，表层土受到较大的固结应力，使表层强度增长比深层大。
4） 经真空排水预压法加固后的地基强度增长率大。
4.3.2真空排水预压法强度增长计算
真空排水预压法的强度增长可用有效应力法或有效固结法计算。
地基中某一时刻的抗剪强度，在考虑了由于剪切而引起的强度衰减后表示为：
（4-28）
式中：——天然地基抗剪强度；
——由于固结而增长的抗剪强度增量；
——考虑剪切变形及其他因素对强度的影响的一个综合折减系数。
1） 有效应力法

（4-29）

式中：——地基中某一点产生的总的最大主应力增量；
——地基中产生有效应力增量；
将（4-29）代入（4-28）中得：
（4-30）
2） 有效固结应压力法
（4-31）
式中：——地基中某点的附加应力；
——地基中某点某时刻的固结度；
——相应土层的固结快剪内摩擦角。

将（4-31）代入（4-28）得：
（4-32）

5、工程实例
5.1天津新港四港后方软土地基加固
天津新港四港后方软土地基加固是我国第一个将真空排水预压技术用于实际的实例是一次历史性的突破。该项目是由天津一航局科研所的科研人员在1982年完成的。当时现场进行了11m×24m的探索试验和1250㎡及1550㎡的中间试验。试验场地的
地质情况如下：
第一层，为表层2m厚的人工吹填土，含沙粒较多，为亚砂土；
第二层，16m左右厚的淤泥质粘土层，属软塑~可塑状态，中间夹有亚粘土层；
第三层，厚度3m左右的亚粘土层，中塑状态，夹有粉砂薄层；
第四层，厚度2m左右的亚砂土层，密实。
试验场地上打设了直径7㎝、长度10m、间距1.3m的袋装砂井，与铺设厚度为30㎝的砂垫层相接。滤管也铺在砂垫层中，由主管与其相连，并透过覆盖于砂垫层上的薄膜伸出膜外，与抽真空装置相连。所用薄膜为PVC材质制成，铺设时将薄膜周边开挖深度达0.8~0.9m的沟槽中，之后用粘土进行回填密封。
抽气10天后，膜下真空度即可稳定在81.6kPa(即600㎜Hg柱)，最高可达91kPa（即670㎜Hg柱），整个膜下加固范围内真空度分布均匀，都在600㎜Hg柱以上。连续抽气60天后，加固区的平均沉降为57㎝；相应的固结度为70%左右，停抽后地面回弹很小，平均值为2㎝。
现场的原型观测结果表明：
1. 抽真空的前40天，地表沉降发生迅速，日均达8.4mm，至40~60天这段时间里沉降缓慢，曲线平缓，日均仅为1.5mm。
2. 沉降观测表明，沉降大部分发生在打设袋装砂井的地层上部，地表10m以下的沉降仅占总沉降量的25%。
3. 地层的水平变形是向着加固区的，与堆载预压法正好相反。
4. 抽气后，加固区外地下水位下降1m以上，薄膜外水向加固区流动，形成以加固区为中心的降水漏斗，影响范围达18m。
加固后进行了加固效果检测，做过十字板强度的测定和荷载试验。十字板强度的检测结果表明，强度增长是明显的，增幅在8kPa~13.8kPa之间，增率达到31%~91%；上部的增幅大，见表5-1，这与上部固结沉降量是一致的。0.5㎡和4.0㎡两种规格的载荷试验结果表明，经真空排水预压加固后，允许承载力提高了2倍，而且大大高于堆在预压后的值，见表5-2。

加固前后十字板强度值 表5-1
深度（m）
加固前平均值（kPa）
加固后平均值（kPa）
强度增量（kPa）
强度增率（%）
2.0~3.5
11.3
21.5
10.2
91
6.0~10.5
23.4
37.2
13.8
59
11.0~15.0
25.6
33.6
8.0
31

加固前后的允许承载力 表5-2
项目
0.5㎡荷载板
4.0㎡荷载板
加固前
加固后
加固前
加固后
真空预压
堆载预压
真空预压
堆载预压
允许承载力[R]kPa
P0.02
P0.02
P0.02
P0.02
P0.02
Pcr/2
Pcr/2
Pcr/2
74
63
221
227
104
33.4
119.7
77

本次现场试验得到以下几点有益的结论，为该法推广应用奠定了良好的基础。
1. 加固效果显著，可产生相当于80kPa的堆载压力，可替代同样荷载要求的堆载预压，能满足生产的需求；
2. 真空预压时，真空度可一次抽到最大值，节省了加固时间，荷载无须分级施加，缩短了固结时间，达到相同固结度时所需的时间大约为堆载预压的2/3~1/3（天津新港地区）；
3. 该法工艺简单，操作方便，可一套设备加固几块较小的地基，也可以几套设备加固一块较大的地基；
4. 施工单价大大低于堆载预压法，尤其在缺乏材料的地区，耗能为堆载预压法的62%；
5. 该法能施加的荷载小于100kPa，对饱和软粘土的仓库、堆场加固最为合适。
5.2日本东北地区新干线某段超软土地基加固
5.2.1地质概况
工程地点位于日本东北地区新干线新臼石到仙台之间，距起点东京296.5km附近的“第七号谷”。其地质剖面如图8所示，从图中看主要是泥炭土和混有有机物的淤泥土，深度从地表算起有12~13m。地基强度，静力触探试验qc=200kPa以下，属于极软地基。
5.2.2施工情况
加固区的平面尺寸大约是75m×26m，面积1950㎡。
1. 铺设砂垫层
加固区膜下设置的水平排水层为厚度为70cm的砂垫层，砂料的粒径组成如表5-3所示，由表可以看出这是种洁净而透水性好的砂。为防止砂层下沉，在垫砂以前，于地面铺设了有30cm孔洞由熟铁条编制的铁板网，以保证车辆通行和让推土机等施工机械能在其上完成铺设砂等作业。

图8 七号谷地质剖面图

表5-3
粒
度
特
性
砂砾含量（%）
13.4
砂含量（%）
85.8
粉砂（%）
0.8
粘粒含量（%）
0
最大粒径（mm）
4.76
不均匀系数
3.39
曲率系数
1.07
土颗粒比重
2.705
渗透系数
3.41×10-2
2.打设排水板
加固场地内设置了垂直排水通道，垂直排水通道是一种类似今天使用的塑料排水板，是具有槽形的纸板。纸板打设到砂层以下约1m的深度处，不能打穿砂层，以防止地下水涌出，而降低加固效果。纸板为正方形布置，间距80cm，这是很小的一种间距，由日本PPW型打桩机打设。
3.滤管布置和抽真空设备安装
滤管布置如图9所示，埋于砂层内，间距为5m。整个布置中设主管和支管。主管即集水管，其上没有孔洞，支管即滤管，其上分布有按一定间距的孔洞，通过砂垫层与纸板相通，构成一个吸、排水系统。

图9 滤管布置图
4.密封
为获得良好的加固效果，施工中采用有一定气密性、耐水性、良好抗拉强度的、能适应软基不均匀沉降变形的密封膜，用的是A-30型尼龙焦油防水布。除此之外，为了保证密封，在膜的端部做了如图10的处理：一是在加固区外围打设了与纸板同深度的钢板桩，以保证土层深度的气密性；二是在钢板桩内侧设置了沟槽，把薄膜卷在沟槽中，并倒入浓度为14%的膨润土液，以固定薄膜，之后再灌满水。此外，在地面接出的集水管、分层沉降管与沉降板杆的膜上，也做了特殊的密封处理。
5.2.3现场观测结果
加固区中设置了表面沉降、分层沉降、孔隙水压力及出水量的