5　软土受力和变形过程分析

根据有效应力原理，土体总应力保持不变时，孔隙水压力减小等于有效应力的等值增大，在其有效应力作用下土体压缩，真空联合堆载预压外荷作用下土体最终有效应力由真空负压和堆土荷载两部分组成。

根据慈北平原K118+880和K118+980两断面路段超静孔隙水压力资料（图1、图2），由于该路段抽真空较长时段后开始进行路堤填土，填土荷载施加前，真空负压在地基各深度所形成的负超静孔隙水压力已基本达到其最大值，上述两断面土体在真空负压作用下形成的总有效应力采用该负孔隙水压力极值并根据有效应力原理计算；计算姚江平原K134+428断面路段地基各深度土层中形成的负超静孔隙水压力时参考慈北平原两断面路段沿深度的实测分布规律，并结合其后续联合加载后的实测结果计算求得，该断面负压作用下形成的总有效应力同样根据有效应力原理计算；路堤填土荷载最终在地基各深度的土层中产生的有效应力可根据平面问题条件下的附加应力计算方法求得，在此基础上，可计算出其地基压缩变形量，由此计算出试验段工程三路段重点监测断面地基各土层压缩变形量与实测结果对比，见表6。

表6　N5、N6和S3路段监测断面地基压缩变形量统计表

续表

利用实测孔隙水压力资料，根据有效压力原理和地基附加应力计算理论，采用分层总和法以3m厚度为一个分层计算得到每5m厚土层的地基压缩变形和总变形，三路段重点监测断面地基总压缩变形量与实测值比较接近，但各分层压缩变形量的计算值与实测值误差较大，其原因在于各分层土体参数取值与实际存在较大差异，压缩系数等参数选用各断面地基分层土样室内试验全部结果的平均值。

土样室内试验结果显示压缩系数等土性参数差异较大，三路段主要软土层③1层的压缩系数离散性显著，原状土室内试验测得K118+880断面、K118+980断面、K134+428断面③1层土的压缩系数变化范围分别为0.22～0.75MPa-1、0.26～0.82MPa-1、0.54～1.85MPa-1。

以超静孔隙水压力实测值，采用有效压力原理计算N6路段的重点断面在真空排水预压法单独作用50d时地基各土层压缩变形量与实测结果对比见表7。N6路段重点断面真空预压单独作用50d时各土层压缩变形量计算值略小于实测结果（表7），其原因在于计算其压缩变形采用K0固结模式[5]，但真空荷载在土体中形成的有效应力实际应为三向相同的球应力[10]，这使得计算值略小。

表7　N6路段监测断面真空单独作用下地基压缩变形量统计表

通过三路段真空联合堆载预压加固处理软土地基孔隙水压力和分层沉降实测成果分析，说明基于有效应力原理和沉降固结理论的计算方法较为合理可行。根据土样室内试验所得土性参数和排水板材料及工艺参数指标，采用沉降固结理论中式（3）和表1固结度计算方法，可以计算得到地基不同深度土体固结度的分布规律（表8～表10）。

表8　N5路段监测断面地基土体固结度计算结果

表9　N6路段监测断面地基土体固结度计算结果

表10　S3路段监测断面地基土体固结度计算结果

根据N5和N6路段的K118+880和K118+980重点断面地基不同深度土体固结度计算结果（表8、表9），结合两重点断面地基土体超静孔隙水压力实测资料（图1、图2），加固60d时3～30m深度土体内负超静孔隙水压力已达最大值，计算结果表明60d时3～30m深度内土体固结度为0.92～1，并沿深度递减，说明采用有效应力原理和沉降固结理论计算所得各深度土体固结度与真空预压作用下土体内负超静孔隙水压力的变化发展规律基本吻合，各时段各深度土体固结度计算结果与负超静孔隙水压力变化过程较为一致。

S3路段K134+428重点断面地基不同深度土体固结度计算结果（表10）与该断面土体内负超静孔隙水压力实测结果及变化规律较为一致。该断面真空负压和堆土荷载几乎同期施加，现有理论手段和技术条件下，明确区分两者在土体中形成的负、正超静孔隙水压力比较困难，但根据总超静孔隙水压力变化规律，能够说明堆土荷载作用下地基土体内形成的正超静孔隙水压力主要存在于下部③2层土体内，由于③2层土渗透特性略好，正超静孔隙水压力消散速率快与其上部的③1层土（表10）相比，深度为3～6m处的超静孔隙水压力消散完成时间超过4个月（图3），土体固结度计算得到该层土120d固结度为0.92～0.95。

根据三路段重点断面孔隙水压力和分层沉降实测资料（图4～图6），真空联合堆载预压法加固处理时，慈北平原N5和N6路段（K118+880断面和K118+980断面）软土地基的沉降固结发展过程明显快于姚江平原S3路段（K134+428断面），且K118+880断面和K118+980断面浅层土体较深层土体固结更快、K134+428断面浅层土体较深层土体固结更慢，三路段重点断面土体固结度沿深度变化计算结果（表8～表10）与各深度土层沉降变形发展规律也较为一致。测得N5路段K118+880断面在真空负压和全部堆土荷载联合作用4个月后（2005年7—10月），地基土体各深度分层沉降基本稳定，土体固结度计算得到该断面90d时3～30m土层固结度基本接近于1（表8），N6路段K118+980断面与之情况基本一致。测得S3路段K134+428断面在真空负压和全部堆土荷载联合作用4个多月后（2005年4月—8月26日停抽真空），地基土体各深度分层沉降仍继续发展，该阶段内浅层土体③1层的沉降变形发展更快，而计算得到120d时（停抽真空后）③1土层固结度为0.90～0.95，由此推算停抽真空后该断面仍有约180mm固结变形尚未完成，该断面0～30m深度内土体完全固结约需300d，基本符合后期实测结果，说明该断面土体固结度计算结果（表10）与实测各深度土层沉降变形发展规律基本吻合。

2005年2月，由于调整施工管理和控制技术，要求在保证膜下真空度的同时确保真空泵开启率不少于设计数量的90%，因此加大真空泵开启量，此时膜下真空度并未发生变化，但出水量明显增加，实测K118+880断面和K118+980断面地基土体内负超静孔隙水压力（图1、图2）和分层沉降图4、图5均显著增加，有效提升了真空预压加固效果。在此情况下，膜下真空度无明显变化，达西定律有关概念无法解释这一现象[5，11]，而达西定律是真空排水预压法中固结理论推导的重要依据，真空排水预压法和真空联合堆载预压法的相关理论仍有待完善。