真空预压加固地基流体运动分析及工程应用

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近年来随着我国港口、码头、机场和高速公路等基础设施建设的快速发展,真空预压技术得到了越来越广泛的应用,特别通过围海造陆修建深水港区,由于围海造陆区域缺乏堆载材料,而水力吹填形成的大面积超软弱陆域必须加固后方能使用,从而真空预压技术在吹填陆域软土加固中表现出明显优势,且取得了良好的加固效果。目前真空预压法在机理研究、施工工艺、设计理论等方面虽取得了较大的进展,但仍有许多问题仍未得到较好地解决:如真空预压地基中流体的运动规律及地下水位变化、土体固结和强度增长方式、流体真空度与孔隙压力降低的关系、射流泵抽吸流体的流型、真空预压加固地基中流体运动对周围环境的影响等,从而导致一些工程现象无法解释,制约了该工法的进一步推广和应用。真空预压加固软土地基技术是一门涉及到土力学、地下水动力学、流体力学、流体机械、多相流等多门学科的工程技术。本文在前人研究成果基础上,通过现场试验、室内模型试验及其相关的理论分析,对上述部分问题进行了较为深入的分析和探讨,主要研究结论如下: (1)室内模型试验揭示了不同条件下真空吸力可引起单相水流、单相气流和气水两相流等三种不同流型的流体运动规律;三种流型分别对应真空泵工作时抽吸的流体为水、气和气水混合物等三种状态和现有真空预压研究中关于预压地基中的三种水位变化观点。 (2)真空预压地基射流泵抽吸流体的流型为气液两相流;真空预压工程实践中预压边界不需绝对密封、而且也不能绝对密封,当且仅当真空预压地基内存在少量空气补给,射流泵才能以气水两相流的方式抽吸预压地基中的地下水,从而导致预压地基中地下水位下降和土体排水固结;真空预压地基中的非饱和带类似于群井抽水地基中的非饱和带,宜采用两相流理论分析地基非饱和带中流体的运动。 (3)真空预压地基竖向排水体中表层真空度最大、真空度随深度增加按梯度递减,现场试验测出真空度竖向梯度约为11.0 kPWm;地基中流体竖向运动的总压降主要包含重力压降和摩阻压降,其中重力压降为流体在竖直方向的固有压降,抽真空期间排水体内地下水相对压强为0的压力面下降的深度是真空预压作用强度的直接体现。 (4)真空预压研究中应该区分流体的“真空度”和“孔隙压力降低”两个概念,真空预压地基中真空度仅为孔隙压力降低的一部分;真空预压地基中土体的侧向总应力随孔隙水压力降低而减小;孔隙压力在相对压强小于0范围内的降低值(也就是真空压力)引起土体等向压缩,孔隙压力在相对压强大于0范围内降低时引起土体单向压缩。 (5)真空预压施工对周围环境影响主要表现为加固区内抽吸流体引起周围地面产生不均匀沉降和真空吸力引起周围土体产生向加固区内水平位移,真空预压期间周围土体中地下水向加固区内渗流是造成对周围环境影响的主要原因;真空预压地基周围土的最大渗透系数决定真空预压施工对周围环境的影响范围。
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