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【摘要】通过运用土的三相比例指标，提出了对于为工程建设地下室服务的真空预压，建议采用以降低含水量为目标的设计方法，以地表沉降量作为唯一停泵标准。实际工程算例表明通过计算地表沉降量推算含水量变化的计算结果与实测结果相当接近。
【关键词】真空预压；含水量；淤泥；停泵标准
Discussion of Vacuum Preloading Design
Aims to Reduce the Moisture Content
Zhou jiaxing
Abstract： By means of appling the three phase proportion index of soil， a vacuum preloading design method is put forward， which aims to reduce the moisture content of soil. The settlement of the surface of the earth could be the only one standard of stopping the pumps. The engineering example shows the calculation result of the change of the moisture content of soil through the settlement of the surface of the earth is close to the testing result.
Keywords： vacuum preloading； moisture content； Silt； standard of stopping the pumps
真空预压是通过对覆盖于竖井地基表面的封闭薄膜内抽真空排水使地基土固结压密的地基处理方法，适用于处理以黏性土为主的软弱地基，能加速地基的固结和强度增长，提高地基的稳定性，加速沉降发展，使基础沉降提前完成。
1、设计现状
真空预压设计中常以预压完成后地基的平均固结度作为真空预压处理效果评价标准，固结度越大，处理效果越好。影响固结度的因素包括排水竖井（塑料排水板）的尺寸、間距、预压荷载大小、加载速率、真空预压工期、土层竖向排水距离和土层排水固结系数等。
真空预压的目标可包括地基承载力、十字板剪切试验抗剪强度和含水量等，而停泵标准主要包括地表沉降量和地表沉降速率要求等。由于必须在真空预压完成后才能对其处理效果进行检测，实际工程中只能通过地表沉降量、地表沉降速率、真空度和孔隙水压力等监测数据判断真空预压的效果。只要停泵开展检测，无论是钻探取样还是十字板剪切试验都必然对密封膜产生破坏，如果处理效果达不到设计要求也无法再直接继续进行真空预压。真空预压的成败对项目建设关系重大，因此，停泵标准的确定就尤为重要。
规范[1]对以变形控制设计的建筑物和以地基承载力或抗滑稳定性控制设计的建筑物提出了真空预压的设计方法。通过确定对应总荷载的地基平均固结度需求和计算总荷载下的地基沉降，确定真空预压完成后的地表沉降量要求，以此作为主要的真空预压停泵标准。
2、设计目标
因城市发展的需要，近年在深厚淤泥的场地上建设地下室的工程越来越多，真空预压地基处理的工程应用也随之越来越多。在这些工程中，先进行真空预压，再施工基坑支护，接着进行桩基施工和土方开挖成为常见的施工顺序。与以提高地基承载力和减少工后沉降为主要目标的工程不同，这些工程进行真空预压的目的是便于后续基坑开挖及工程桩基础施工，为后续施工提供工作面，确保基坑及桩基施工安全。
真空预压降低淤泥的含水量从而改善淤泥性状，可起到减少基坑支护主动土压力，提高基坑支护被动土压力，提高水泥搅拌桩强度[2]，提高基坑土方开挖便利性，提高承台土方开挖安全度和降低基坑底淤泥上涌可能性等作用。在这种情况下，真空预压的目标是降低含水量，与以提高地基承载力和减少工后沉降为主要目标的工程有以下区别：
1.真空预压后不在淤泥上增加荷载，不需对淤泥提出承载力要求。平均地基承载力和十字板剪切试验抗剪强度不适宜作为真空预压的目标。
2.以降低含水量为目标的工程实践与固结度无直接关系，难以确定淤泥真空预压后含水量目标和固结度目标的关系。淤泥含水量可对应于不同预压荷载下不同的固结度。
3.淤泥最终沉降量计算结果常常与实际情况差异较大，难以保证通过计算固结度和最终沉降量得出的地表沉降量作为主要停泵标准的可信度。
因此，以下提出以降低含水量为目标的真空预压设计方法。
3、以降低含水量为目标的真空预压设计
3.1地表沉降量
土由固相（土颗粒）、液相（水）和气相（空气）组成。在真空预压前后，土颗粒的质量不变，部分水和空气排出原土体以外，从而导致地表沉降。根据土的三项比例指标[3]，忽略土中空气的质量，假设真空预压前后土的饱和度不变，则含水量变化
ω-ω′=Δmw/ms=ρwΔVw/（ρdV）= ρwSrΔVv/（ρdV）= ρwSrΔhv/（ρdh） （1）
式中，ω为真空预压前含水量，ω′为真空预压后含水量，Δmw为真空预压抽出水的质量，ms为土粒的质量，ρw为水的密度，ΔVw为真空预压抽出水的体积，ρd为真空预压前土的干密度，V为真空预压前土的体积，Sr为土的饱和度，ΔVv为土中孔隙体积的变化量，Δhv为真空预压后地表沉降量，h为真空预压有效影响深度。
整理式（1）可得
Δhv=ρdh（ω-ω′）/（ρwSr） （2）
因此，根据勘察报告提供的ρd、ω和Sr，结合工程需要的ω′和h，即可确定真空预压后地表沉降量。 3.2停泵标准
对于以降低含水量为目标的真空预压，控制地表沉降量即确定了含水量的变化量，从而控制真空预压完成后的含水量。因此，可以地表沉降量作为唯一停泵标准。沉降速率大小与塑料排水板间距、淤泥固结系数和颗粒大小有关，与含水量无必然联系，不必作为停泵标准。
3.3真空预压后含水量
土中的液态水以结合水和自由水两种形式存在。淤泥的粘粒含量比较大导致其结合水占的比例较高，且粘粒越小，结合水占比越高。由于结合水在土粒的电场引力范围内，不传递静水压力，故真空预压不能排出土中的结合水，仅能排出土中的自由水。
基坑支护和土方、承台开挖的风险主要在于淤泥的含水量大，流动性很高。根据工程经验，淤泥处理后含水量在50%～55%范围内，有较好的效果，开挖的风险基本可控。真空预压的目的是使淤泥状态从流塑改善为软塑，即处理后含水量低于液限，因此可以真空预压前淤泥的液限作为预压后淤泥含水量的目标。
3.4真空预压有效影响深度
工程实践表明，塑料排水板深度范围内，真空预压后的淤泥含水量均有所降低，越接近地表的淤泥含水量的改善效果越好，主要原因有以下几个方面：
1.真空度往下传递有一定衰减，约为每延米（0.8～2.0）kPa[4]。
2.真空预压过程中，由于土中的水以脉冲的形式通过塑料排水板排出，对塑料排水板产生向上的作用力，使得塑料排水板局部不可避免地向上位移，导致塑料排水板弯曲。处于塑料排水板底部末端的淤泥由于该部位的塑料排水板的移位，预压效果大打折扣。
3.土压力随深度加大而加大，较大的土压力压缩了塑料排水板截面，使有效的排水通道缩窄。
4.真空预压过程中，可能因土颗粒进入塑料排水板芯板堵塞排水通道，也可能发生塑料排水板受拉断裂的现象。这使得塑料排水板失效的概率随深度加大而加大。
因此，在实际工程中运用式（2）时，可沿深度方向分段计算沉降量后求和，以更真实反映实际含水量的变化情况，具体见式（3），等号右侧均为淤泥沿深度方向分段范围内的参數：
Δhv=Σρdihi（ωi-ωi′）/（ρwSri） （3）
4、工程算例
某工程地处珠海市横琴新区，设计两层地下室，基坑开挖深度为6.5m。原状地面上部为平均厚度2m的人工填土层，下部为平均厚度20m的淤泥层，工程特性较差，故先采用真空预压进行地基处理，再开挖土方至基坑底，然后锤击预应力混凝土管桩。塑料排水板按正方形排列，间距1.2m，排水板打设深度为15m。真空预压后的平均地表沉降量为1.185m。在基坑底对淤泥钻探取样，真空预压前后淤泥含水量见表1，土工试验对比见表2。
表1真空预压前后各深度段淤泥含水量对比表
标高范围 处理前含水量（%） 处理后含水量（%） 变化量（%）
0～-6.0m 71.6 51.1 20.5
-6.0～-10.0m 72.4 59.3 13.1
-10.0m～-15.0m 63.8 56.6 7.2
表2 真空预压前后土工试验对比表
物理力学指标 处理前 处理后
含水量（%） 68.1 56.3
干密度（g/cm3） 1.57 1.61
比重 2.68 2.68
孔隙比 1.877 1.608
饱和度（%） 97 94
液限（%） 50.2 54.1
塑限（%） 29.5 30.1
塑性指数 20.7 21.2
液性指数 1.90 1.22
粘聚力（kPa） 5.3 7.9
内摩擦角（°） 1.3 3.7
忽略人工填土层的含水量变化，假设真空预压后淤泥含水量变化量沿深度方向线性变化，淤泥面（-2.0m）处最大，塑料排水板底（-15.0m）为0。
由于取样处（-6.5m）的含水量变化量为68.1-56.3=11.8，设-8.5m处（淤泥范围内的塑料排水板的中点）的含水量变化量为ω′，则
11.8/Δω=8.5/6.5
Δω为淤泥含水量平均变化值，可得Δω=9.0，所以所以ω′=68.1-9.0=59.1。
运用式（2）可得真空预压后地表沉降量计算值为1.134m，是实测地表沉降量的95.7%，计算结果与实测结果相当接近。
结 语
对于为工程建设地下室服务的真空预压，建议采用以降低含水量为目标的设计方法，以地表沉降量作为唯一停泵标准。实际工程算例表明通过计算地表沉降量推算含水量变化的计算结果与实测结果相当接近。
参考文献
[1] JGJ 79-2012.建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[2]莫海鸿，杨小平.基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2003：211.
[3]杨小平.土力学[M].广州：华南理工大学出版社，2001：15-18.
[4]龚晓南.地基处理手册（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：211
【关键词】真空预压；含水量；淤泥；停泵标准
Discussion of Vacuum Preloading Design
Aims to Reduce the Moisture Content
Zhou jiaxing
Abstract： By means of appling the three phase proportion index of soil， a vacuum preloading design method is put forward， which aims to reduce the moisture content of soil. The settlement of the surface of the earth could be the only one standard of stopping the pumps. The engineering example shows the calculation result of the change of the moisture content of soil through the settlement of the surface of the earth is close to the testing result.
Keywords： vacuum preloading； moisture content； Silt； standard of stopping the pumps
真空预压是通过对覆盖于竖井地基表面的封闭薄膜内抽真空排水使地基土固结压密的地基处理方法，适用于处理以黏性土为主的软弱地基，能加速地基的固结和强度增长，提高地基的稳定性，加速沉降发展，使基础沉降提前完成。
1、设计现状
真空预压设计中常以预压完成后地基的平均固结度作为真空预压处理效果评价标准，固结度越大，处理效果越好。影响固结度的因素包括排水竖井（塑料排水板）的尺寸、間距、预压荷载大小、加载速率、真空预压工期、土层竖向排水距离和土层排水固结系数等。
真空预压的目标可包括地基承载力、十字板剪切试验抗剪强度和含水量等，而停泵标准主要包括地表沉降量和地表沉降速率要求等。由于必须在真空预压完成后才能对其处理效果进行检测，实际工程中只能通过地表沉降量、地表沉降速率、真空度和孔隙水压力等监测数据判断真空预压的效果。只要停泵开展检测，无论是钻探取样还是十字板剪切试验都必然对密封膜产生破坏，如果处理效果达不到设计要求也无法再直接继续进行真空预压。真空预压的成败对项目建设关系重大，因此，停泵标准的确定就尤为重要。
规范[1]对以变形控制设计的建筑物和以地基承载力或抗滑稳定性控制设计的建筑物提出了真空预压的设计方法。通过确定对应总荷载的地基平均固结度需求和计算总荷载下的地基沉降，确定真空预压完成后的地表沉降量要求，以此作为主要的真空预压停泵标准。
2、设计目标
因城市发展的需要，近年在深厚淤泥的场地上建设地下室的工程越来越多，真空预压地基处理的工程应用也随之越来越多。在这些工程中，先进行真空预压，再施工基坑支护，接着进行桩基施工和土方开挖成为常见的施工顺序。与以提高地基承载力和减少工后沉降为主要目标的工程不同，这些工程进行真空预压的目的是便于后续基坑开挖及工程桩基础施工，为后续施工提供工作面，确保基坑及桩基施工安全。
真空预压降低淤泥的含水量从而改善淤泥性状，可起到减少基坑支护主动土压力，提高基坑支护被动土压力，提高水泥搅拌桩强度[2]，提高基坑土方开挖便利性，提高承台土方开挖安全度和降低基坑底淤泥上涌可能性等作用。在这种情况下，真空预压的目标是降低含水量，与以提高地基承载力和减少工后沉降为主要目标的工程有以下区别：
1.真空预压后不在淤泥上增加荷载，不需对淤泥提出承载力要求。平均地基承载力和十字板剪切试验抗剪强度不适宜作为真空预压的目标。
2.以降低含水量为目标的工程实践与固结度无直接关系，难以确定淤泥真空预压后含水量目标和固结度目标的关系。淤泥含水量可对应于不同预压荷载下不同的固结度。
3.淤泥最终沉降量计算结果常常与实际情况差异较大，难以保证通过计算固结度和最终沉降量得出的地表沉降量作为主要停泵标准的可信度。
因此，以下提出以降低含水量为目标的真空预压设计方法。
3、以降低含水量为目标的真空预压设计
3.1地表沉降量
土由固相（土颗粒）、液相（水）和气相（空气）组成。在真空预压前后，土颗粒的质量不变，部分水和空气排出原土体以外，从而导致地表沉降。根据土的三项比例指标[3]，忽略土中空气的质量，假设真空预压前后土的饱和度不变，则含水量变化
ω-ω′=Δmw/ms=ρwΔVw/（ρdV）= ρwSrΔVv/（ρdV）= ρwSrΔhv/（ρdh） （1）
式中，ω为真空预压前含水量，ω′为真空预压后含水量，Δmw为真空预压抽出水的质量，ms为土粒的质量，ρw为水的密度，ΔVw为真空预压抽出水的体积，ρd为真空预压前土的干密度，V为真空预压前土的体积，Sr为土的饱和度，ΔVv为土中孔隙体积的变化量，Δhv为真空预压后地表沉降量，h为真空预压有效影响深度。
整理式（1）可得
Δhv=ρdh（ω-ω′）/（ρwSr） （2）
因此，根据勘察报告提供的ρd、ω和Sr，结合工程需要的ω′和h，即可确定真空预压后地表沉降量。 3.2停泵标准
对于以降低含水量为目标的真空预压，控制地表沉降量即确定了含水量的变化量，从而控制真空预压完成后的含水量。因此，可以地表沉降量作为唯一停泵标准。沉降速率大小与塑料排水板间距、淤泥固结系数和颗粒大小有关，与含水量无必然联系，不必作为停泵标准。
3.3真空预压后含水量
土中的液态水以结合水和自由水两种形式存在。淤泥的粘粒含量比较大导致其结合水占的比例较高，且粘粒越小，结合水占比越高。由于结合水在土粒的电场引力范围内，不传递静水压力，故真空预压不能排出土中的结合水，仅能排出土中的自由水。
基坑支护和土方、承台开挖的风险主要在于淤泥的含水量大，流动性很高。根据工程经验，淤泥处理后含水量在50%～55%范围内，有较好的效果，开挖的风险基本可控。真空预压的目的是使淤泥状态从流塑改善为软塑，即处理后含水量低于液限，因此可以真空预压前淤泥的液限作为预压后淤泥含水量的目标。
3.4真空预压有效影响深度
工程实践表明，塑料排水板深度范围内，真空预压后的淤泥含水量均有所降低，越接近地表的淤泥含水量的改善效果越好，主要原因有以下几个方面：
1.真空度往下传递有一定衰减，约为每延米（0.8～2.0）kPa[4]。
2.真空预压过程中，由于土中的水以脉冲的形式通过塑料排水板排出，对塑料排水板产生向上的作用力，使得塑料排水板局部不可避免地向上位移，导致塑料排水板弯曲。处于塑料排水板底部末端的淤泥由于该部位的塑料排水板的移位，预压效果大打折扣。
3.土压力随深度加大而加大，较大的土压力压缩了塑料排水板截面，使有效的排水通道缩窄。
4.真空预压过程中，可能因土颗粒进入塑料排水板芯板堵塞排水通道，也可能发生塑料排水板受拉断裂的现象。这使得塑料排水板失效的概率随深度加大而加大。
因此，在实际工程中运用式（2）时，可沿深度方向分段计算沉降量后求和，以更真实反映实际含水量的变化情况，具体见式（3），等号右侧均为淤泥沿深度方向分段范围内的参數：
Δhv=Σρdihi（ωi-ωi′）/（ρwSri） （3）
4、工程算例
某工程地处珠海市横琴新区，设计两层地下室，基坑开挖深度为6.5m。原状地面上部为平均厚度2m的人工填土层，下部为平均厚度20m的淤泥层，工程特性较差，故先采用真空预压进行地基处理，再开挖土方至基坑底，然后锤击预应力混凝土管桩。塑料排水板按正方形排列，间距1.2m，排水板打设深度为15m。真空预压后的平均地表沉降量为1.185m。在基坑底对淤泥钻探取样，真空预压前后淤泥含水量见表1，土工试验对比见表2。
表1真空预压前后各深度段淤泥含水量对比表
标高范围 处理前含水量（%） 处理后含水量（%） 变化量（%）
0～-6.0m 71.6 51.1 20.5
-6.0～-10.0m 72.4 59.3 13.1
-10.0m～-15.0m 63.8 56.6 7.2
表2 真空预压前后土工试验对比表
物理力学指标 处理前 处理后
含水量（%） 68.1 56.3
干密度（g/cm3） 1.57 1.61
比重 2.68 2.68
孔隙比 1.877 1.608
饱和度（%） 97 94
液限（%） 50.2 54.1
塑限（%） 29.5 30.1
塑性指数 20.7 21.2
液性指数 1.90 1.22
粘聚力（kPa） 5.3 7.9
内摩擦角（°） 1.3 3.7
忽略人工填土层的含水量变化，假设真空预压后淤泥含水量变化量沿深度方向线性变化，淤泥面（-2.0m）处最大，塑料排水板底（-15.0m）为0。
由于取样处（-6.5m）的含水量变化量为68.1-56.3=11.8，设-8.5m处（淤泥范围内的塑料排水板的中点）的含水量变化量为ω′，则
11.8/Δω=8.5/6.5
Δω为淤泥含水量平均变化值，可得Δω=9.0，所以所以ω′=68.1-9.0=59.1。
运用式（2）可得真空预压后地表沉降量计算值为1.134m，是实测地表沉降量的95.7%，计算结果与实测结果相当接近。
结 语
对于为工程建设地下室服务的真空预压，建议采用以降低含水量为目标的设计方法，以地表沉降量作为唯一停泵标准。实际工程算例表明通过计算地表沉降量推算含水量变化的计算结果与实测结果相当接近。
参考文献
[1] JGJ 79-2012.建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[2]莫海鸿，杨小平.基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2003：211.
[3]杨小平.土力学[M].广州：华南理工大学出版社，2001：15-18.
[4]龚晓南.地基处理手册（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：211