1.引言

我国东部沿海地区及内陆江河湖泊沉积区普遍存在大量淤泥、淤泥质土为主软土。这类土体一般具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、渗透性差等典型工程特性，在交通荷载作用下，直接修建在软土地基上的路基工程极易产生过大不均匀沉降与侧向变形，导致路面平顺度降低、行车舒适性变差，严重时甚至出现路基失稳、结构开裂等工程病害，影响交通运营安全。 怎样在符合工后沉降和稳定性的要求下，经济又快速地对软土地基实施处理，这是当下路基工程领域所面临的重大难题，传统处理办法诸如堆载预压法，换填法，桩基法等等，或者工期太长，或者代价太大，或者给环境带来麻烦，所以在实际操作当中有着一定的局限性，所以，找到更加快速，经济而且环保的软土地基处理技术就变得十分紧迫^[1]。

2. 真空预压加固软土的基本原理

2.1.真空预压固结理论

真空预压法加固软土的机理本质上是利用了太沙基(Terzaghi)有效应力原理的土体固结过程，当真空系统开启后，密封膜下的空气被抽出，产生负压区，在膜外大气压(pa)和膜内残余气压(pv)的共同作用下，土体表面会受到一个大小为的均等荷载，这个压力差就是真空荷载，真空荷载会通过土骨架传递，使得土中的总应力增大，进而引起孔隙水压力瞬时增大。与堆载预压不同，真空荷载是通过改变孔隙水压力边界条件来实现的。在真空的作用下，排水通道(如塑料排水板，PVD)中的水压力降低，形成从土体到排水通道的水力梯度。 土中的孔隙水在这样的水力梯度推动之下，从PVD周围土体里面渗出来，经过水平排水系统之后被泵出场外，随着孔隙水不断地排出，超静孔隙水压力慢慢消失，按照有效应力原理，土体的有效应力（σ′）就变大了，于是土体骨架发生压缩变形，地面出现下沉的情况，这个过程一直持续下去，直到土体在新的有效应力水平上稳定下来，土体的抗剪强度和承载能力也就得到了很大的提高^[2]。

2.2.真空预压系统构成

一个完整的真空预压系统一般包括以下几部分。首先竖向排水系统，竖向排水系统一般采用透水性、抗拉强度较好的塑料排水板（PVD），按一定的间距、排列方式（正方形或等边三角形）打入软土层中，为深层土体的孔隙水提供快速排出的竖向通道。其次水平排水系统，水平排水系统铺设在PVD之上，一般采用中粗砂或碎石垫层，内设集水主管，其作用是汇集从PVD排出的水，然后引至真空泵的吸水口。第三密封系统，密封系统是真空预压能否成功的关键，一般采用两层或多层具有良好的气密性和抗穿刺性的聚合物薄膜（如聚乙烯膜）覆盖整个处理区，膜的边缘挖沟填水或埋入粘土中密封，防止外界空气漏入，保持膜下真空度。 第四是抽真空排水系统,包括真空泵、真空集水总管和连接管、排水井等,用来不断抽出膜下的空气及水分,保证真空度。最后是监测系统,主要是设置在地表面的地表沉降板和分层沉降标以及埋入孔内的孔隙水压力计和侧向位移管,用来对地基在整个预压的过程中实时监测地基的变形及固结过程。以得到处理是否有效和调整施工参数等的数据^[3]。

2.3 真空预压法的关键影响参数

真空预压法的效果被各种因素综合作用所影响，这一系列的设计参数选择极为关键，包括真空度(也即真空荷载)，膜下可以形成的并且保持住的负压值，它直接影响了预压的负荷大小;还有竖向排水体(PVD) 的布置参数，包含了间距，深度，排列方式等，这些关乎于孔隙水排水效率及其固结速度;密封系统的表现主要看密封膜的气密性与边缘密封可靠性的表现情况，这也是确定真空度能否持久维持有效的重要部分;至于预压的时间长与短，也就是施加真空荷载期间的时长，它与地基能否达到足够的最终固结度密切相关，这种固结效果的好坏就是加固最终达到的程度如何。

3. 关键设计参数对加固效果的影响分析

3.1.真空度与荷载施加方式

真空度是真空预压法里最核心的参数之一，它直接决定着施加给地基的有效预压应力水平，从理论上讲，真空度越高，施加到地基上的预压荷载也就越大，带来的固结沉降会更多一些，地基强度增长也会更高一些，但实际工程中真空度传递会随着深度和距离排水体距离而衰减，也就是存在真空度损失现象，这种损失主要是由于管路沿程阻力、土体内气体渗透及地下水中溶解气体释放等原因造成的，所以盲目追求泵口极高真空度，它在深层土体里的有效增量其实可能很少，反而会造成大量能耗和设备运行费用。

3.2 竖向排水体（PVD）布置参数研究

竖向排水体（PVD）的布置参数，尤其是在于间距，这是决定固结速率的重要因素，巴隆Barron的砂井地基固结理论指出，固结时间与排水距离成二次比例，那么在真空预压之中也就意味着固结时间大致与PVD间距成二次比例，在减小PVD间距以加快固结速率、压缩工期的做法上，这成为最为有效也是最有效的途径，但是PVD间距一旦缩小就预示着PVD总用量的增多，直接导致了材料费与施工费的提升现象发生，而且，如果此时的间距减小的幅度较大，则PVD在打设时对于土壤的扰动作用会更强烈些^[4]。

3.3.密封系统性能

密封系统是保证整个真空预压场正常工作的前提和基础。密封膜的性能及铺设质量直接影响到真空度的保持程度和稳定性。优质的密封膜应具有良好的气密性、足够的抗拉强度和抗穿刺性，以抵抗施工过程中拖拽、张拉及地表尖锐物的破坏。在实际工程中，密封膜破损、接缝不严及周边密封沟失效是造成系统漏气的主要原因。一旦出现漏气，外界空气就会进入膜下负压区，使局部或全部真空度降低，降低了有效预压荷载，降低了排水固结效果。

3.4.预压时间与固结度

预压时间是决定地基最终固结程度的直接控制参数。固结度是反映真空预压效果的主要指标，它是某时间已完成的沉降量与最终总沉降量之比，或者已消散的超静孔隙水压力与最初超静孔隙水压力之比。随着预压时间的增加，地基的固结度在逐步上升，沉降量逐步增多，土的强度在逐渐提高。从理论上讲，土的固结是一种收敛的过程，达到 100%的固结是永远不可能的，所以工程上不可能做到地基完全固结，只能在满足路基工后沉降的前提下确定一个合适的固结度，90%或者95%。

4.真空预压参数优化方法

4.1 基于经验与现场试验的优化方案

传统的真空预压参数设计往往依赖工程师的经验和地区性设计手册，对于地质条件相对简单的地区和有着先例的地方有一定的指导意义，可以很快得出一个初步方案，但缺点也很明显，无法适应复杂的地质环境，优化程度不高，为了确保参数设计的可靠性，往往会在正式施工前做现场试验，在代表地段开一小块试验区，用不同的参数组合（比如不同的PVD间距、真空度）做对比实验，通过布置各种仪器来获得详细的监测数据，直接判断不同方案的加固效果。 现场试验得到的数据最为真实可靠，它是检验理论、校核模型参数的最后依据。但它有成本高、周期长等缺点，而且试验区规模有限，其结果的代表性也难免会受局部地质变异的影响，不能完全代表整个工区的宏观特征^[5]。

4.2.正交试验设计法

为了系统、 要高效地研究多个参数对真空预压效果的综合影响，正交试验设计法就比较合适，这是一种处理多因素、多水平试验的科学统计方法，它的一大优点是能够用较少的试验次数得到等同于全面试验的结论，因为正交试验法能从全部试验组合中挑选出一些有代表性的试验组合，这样就能达到等效于全面试验的效果。在真空预压参数优化时，可以把真空度、PVD间距、预压时间等看作试验的“因素”，每个因素设几个不同的取值，也就是“水平”，接着用标准化的正交表来安排这些试验组合，并对试验结果（比如最终沉降量、固结度、强度增长率等）实施极差分析或者方差分析。

4.3.数值模拟分析法

随着计算机技术的发展，采用有限元法（FEM）或者有限差分法（FDM）的数值模拟，已经成为岩土工程领域强有力的分析手段，在真空预压参数优化研究中，数值模拟有着无可比拟的优势，一方面，通过建立能够反映土体真实应力应变特性的二维或三维固结模型（例如修正剑桥模型），以及考虑大变形效应的二维或三维固结模型，可以对真空预压的全过程进行精确的模拟，再现地基应力场、位移场、孔隙水压力场的动态演变过程，另一方面，数值模拟非常灵活且高效，研究人员可以在计算机上轻松地修改任何一个设计参数（如PVD间距、真空度、土层参数等），然后立即得到对应的计算结果，从而对大量的参数组合方案进行系统的比较和筛选。

4.4.智能算法优化探索

近些年来，遗传算法（GA）、人工神经网络（ANN）、粒子群优化（PSO）等智能算法在工程优化领域崭露头角，也给真空预压参数优化带来了新的思路。这些算法模仿自然界的进化或者群体智能行为，有着很强的全局搜索能力，很适合解决复杂的、非线性的优化问题。其基本应用框架是：把数值模拟程序当作“黑箱”评价函数，用来算出给定一组设计参数（比如PVD间距，真空度）时地基的反应（比如总沉降，固结时间），智能算法则会自动而且高效地在参数空间里搜索，迭代，通过适应度评判（创建一个包含成本，工期的综合目的函数），不断地淘汰掉差劲的解，保存并且进化好的解，最后找到全局最优的参数组合。

5.结论

本文通过对真空预压法在软土路基处理中参数优化问题的研究，得到如下主要结论：第一，真空预压法加固效果与真空度、PVD布设参数、密封系统、预压时间等参数密切相关，这些参数之间相互联系，必须进行系统优化。第二，提高真空度可直接增大预压荷载，增加总沉降量；缩小PVD间距是加快固结、缩短工期的最有效途径，但要权衡其经济成本。 第三，以数值模拟为代表的现代分析方法，能够高效、经济的对多个参数、多个方案进行对比分析，为参数优化提供强大的技术支持，相比于传统的经验法具有很大的优越性。第四，通过对参数的优化，可以结合具体的工程地质条件和设计要求，制定出安全、经济、工期的最佳处理方案，提高真空预压技术的应用水平和经济效益。

参考文献

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[2]张梦龙,方川,张子明,等. 泵波作用下电离层等离子体中波–波、波–粒相互作用过程的数值模拟研究[J/OL].物理学报,1-45[2025-09-10].https://link.cnki.net/urlid/11.1958.O4.20250910.1251.008.

[3]张雷,梁晋,李俊麒,等. 高含水率泥水盾构废弃泥浆絮凝-固结脱水试验研究[J/OL].现代隧道技术,1-10[2025-09-10].https://link.cnki.net/urlid/51.1600.U.20250908.1615.002.

[4]柴新军,何大源,丁振琨,等. 排水松木桩联合分级真空预压处理超软土试验研究[J/OL].东华理工大学学报(自然科学版),1-10[2025-09-10].https://link.cnki.net/urlid/36.1300.N.20250908.0913.002.

[5]景磊,贾世权,何建东,等. 软土地区新老路基填料差异化压缩变形特性研究[J/OL].路基工程,1-6[2025-09-10].https://doi.org/10.13379/j.issn.1003-8825.202411076.