对真空预压法中真空度的一些认识

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)河海大学交通学 作者:高峰

  真空度是真空预压法中一个很关键的问题,成功解决真空度上的一些问题将对真空预压法的发展起很大的作用。文章主要分析了真空度的一些影响因素以及真空度垂直分布。

1、概述

  真空预压法目前已在我国广大的软土地区进行广泛的应用,并且有着广阔的发展前景。真空度的形成与分布是实施该方法的前提。目前在学术界和工程界对真空度在软土地基中的分布规律已做了很多研究工作[1-4],但还存在一定的问题,如对真空度的传递深度与影响范围未做深入研究,未考虑地下水位线对真空度的影响等等。另外,相对于真空预压法的工程应用,真空预压法的理论和试验研究开展的还比较少,以至于其理论还不能解释工程实践中一些问题,如增加真空泵的台数虽不能导致真空度的进一步提高,但是加固效果却明显得到提高等等。本文将就某些问题谈一下自己的认识。

2、真空预压法的加固机理

  真空预压法是用薄膜对需要加固的软基进行密封与大气隔离,借助射流泵抽真空,通过铺在加固体表面的砂垫层中的管道及垂直排水通道将加固区内的空气和水抽走,形成真空,在地表砂垫层产生负压,该负压通过真空管道及垂直排水通道逐渐向深度方向延伸,并向四周土体扩散,使加固土体内部与垂直排水通道、砂垫层中产生压差,在此压差的作用下,土体中的孔隙水不断由排水通道排出,使孔隙水压力降低,最终使土体固结压密。真空预压加固过程实际上是地下水气不断被抽走的同时,真空度不断向加固土体内传递、扩散并在加固土体内形成一定真空负压和负压梯度的过程。

  真空预压加固软基在地基上施加的不是实际重物,而是通过抽真空使密封膜内外形成压力差,即真空预压是将大气压差作为荷载。在抽气前,薄膜内外都受大气压力的作用,土体孔隙中的气体与地下水面以上都是处于大气压力状态。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Pn,薄膜内外形成一个压力差△P,使薄膜紧贴于砂垫层上,这个压差称之为“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其四周的土体传递与扩散,引起土中孔隙水压力降低,形成负的超静孔隙水压力。所谓负的是指形成的孔隙水压力小于原静水孔隙水压力,其增量为负值。从而使土体孔隙中的气和水由土体向垂直排水通道发生渗流,最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被泵抽出。

3、真空度的分布

  真空预压法成败与否的关键就在于真空度的形成,即加固区密封性能的好坏,这是首要条件。如果密封性能不好,则不可能形成较高的真空度,甚至难以形成真空度。导致密封性能好坏有两大原因:

1)土层的地质条件

  若在加固的软粘土层中夹有水平向透水性较好的粉砂或细砂层,则一方面将真空能量主要消耗在抽取大量砂层中的孔隙水导致真空度不能沿竖向排水系统传递;另一方面,当砂层中的孔隙起着连通大气的作用,引起真空度的逐渐降低。因此,若存在这种地质条件,应在加固区的四周进行密封处理,切断加固区砂层与外界的水、气联系。

2)密封膜的质量与施工

  密封膜本身质量不过关或密封膜因施工不当引起的破坏,均导致密封性能下降,真空度降低。

3.1、真空度分布的影响因素

  加固区内真空度的大小分布影响因素有:真空泵的台数、深度、不同的介质阻力等。

  1)在真空度相对较小时,膜下真空度随着真空泵台数的增加(即抽真空能量的增大)而明显提高;当真空度达到较大值,膜下砂垫层中的气体已相当稀薄,真空泵台数的增加相对难以改变真空度的大小。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传递的过程中,随着深度的增加真空能量逐渐损耗,因此,真空度随深度的增加逐渐减少。

  3)膜下真空度形成以后,真空度传递到塑料排水板、淤泥与砂井中,在不同的介质中,所受到的阻力不同。塑料排水板中所受的阻力最小,真空度相对较容易传递,真空能量损失最小;淤泥中的阻力最大,随着抽气时间的增加由于土层发生固结,真空度的传递能力有所下降,真空能量损失最大;砂井的阻力介于两者之间。

3.2、真空度分布规律

  真空度的变化规律等价于真空预压过程中气体的压强变化,现将其过程等价于图1 装置中气体的压强变化。

真空预压气体压强变化等价图

图1 真空预压气体压强变化等价图

  现将F 力做功等价于真空泵的做功,随着活塞往右移动,由气体热力学知识可以知道,气体的压强越来越小,可以近视理解成真空泵抽走的那部分气体被放到活塞移动后多出的那部分体积中。故可以近视将真空预压中气体压强的变化等价于此装置中气体压强的变化。将此过程近视看成是由连续的准静态过程组成,由热力学知识可知,压强P 随体积V按下式变化:

PV =υRT

  由上式可知,真空度与真空泵的功率,即真空泵的台数有关,另外就与抽真空的时间有关。其关系曲线如图2:

真空度的关系曲线图

图2 真空度的关系曲线图

  从曲线可以看出,当膜下真空度较高时,增加真空泵的台数,最终并不能提高膜下真空度。前面提到工程中后期增加真空泵的台数不能提高真空度,可以通过这点解释我想;但可以提高加固效果,我想可以从渗流角度去考虑,本文对此暂不考虑。

4、结论

  (1)好的密封性能是形成较高真空度的基础,必须采取各种措施进行密封处理;施工中,保护密封膜,做好密封工作,保证形成较高的膜下真空度。

  (2)在真空度相对较低时,增加真空能量可以提高膜下真空度;当膜下真空度较高时,真空能量的增加不会明显提高膜下真空度。

参考文献

  [1] 陈环.真空预压法机理研究十年[J].港口工程,1991
  [2] 娄 炎.真空排水预压法加固软基技术.北京:人民交通出版社,2001
  [3] 高志义.真空预压法的机理分析[J].岩土工程学报,1989
  [4] 陈 环,鲍秀清.负压条件下土的固结有效应力[J]岩土工程学报,1984

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