真空预压的加固机理可以简述如下:土体抽真空后,真空压力直接作用在砂垫层中的水气流体上,先提高排水边界砂垫层中真空度,形成下部土体与砂垫层之间的压差,使得表层土体内的水和气在压差作用下,通过塑料排水板流到砂垫层中,再通过与真空泵相连的排水管道被抽出;随着时间的延续,真空度沿着塑料排水板向深度传递,并通过排水板向周围土体扩散传递,使得深部土体中的水和气被抽出,由于土体本身渗透系数很小,水源补给不可能大于或等于地下水被抽出的速度,因此同时伴随着地下水位的逐渐下降。在整个过程中,土体中产生负的超静孔隙水压力,随着水气的排出,超静孔隙水压力不断消散,土体有效应力不断增加,使得土体得到加固。 8l>YpS*S^
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。设抽真空前密封膜下砂垫层中的大气压力为P,抽真空后砂垫层中的压力为P1,则密封膜内外形成的压差可表示为: 9K=K,6
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该压力差即为真空荷载,一般称之为“真空度”。砂垫层中形成的真空度,通过袋装砂井或塑料排水板(纵向排水体)逐渐向下延伸,同时,袋装砂井或塑料排水板中的真空度又向其四周的土体扩展,从而使整个加固内的孔隙水压力降低,形成负的超静孔隙水压力,即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。根据太沙基有效应力原理: K,@} 'N
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式中, 总应力, 有效应力,u孔隙水压力。在总应力不增加的情况下,通过降低孔隙水压力,可以提高地基的有效应力,其具体数学表达式为: |pR'#M4j4A
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或
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真空预压过程降低的孔隙水压力就等于增加的有效应力,加固区内的土体就是在有效应力增加的过程中得到加固,如图2-2所示。 P
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图2-2真空预压的有效应力解释 d"}lh:L9
从另一角度看,负的超静孔隙水压力使加固区内外产生水头差,使之形成渗流需要的水力梯度。根据达西渗透定律可得到: 8D`TN8[W
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式中,ν孔隙水的渗透速度,k土的渗透系数,△h水头差,L渗透距离。即土体中孔隙水的渗透速度与水力坡降(△h/L)成正比,增加水头差△h和减少排水距离L,均可加速土体排水固结。真空预压通过抽真空使加固区内形成负的超静孔隙水压力,该负的超静孔隙水压力促使地基土体产生排水固结,以达到最终加固地基的目的。