随着我国沿海地区经济的快速发展，土地资源日益紧缺，成为制约经济发展的瓶颈. 在我国东部沿海地区，有许多省市采用填海造陆的方式来增加建设用地，随着海砂资源的逐渐枯竭，许多地区采用淤泥土为吹填材料. 吹填淤泥土的水的质量分数（含水率）高达80%~200%，呈流动、悬浮状态，基本不具备强度，须经地基处理后才能进行后续施工^[1-2].

目前对于吹填软土地基的处理常采用真空预压法，通常采用塑料排水板形成竖向排水系统，并采用真空压力进行加载，使土体排水固结. 近年来，有许多学者对真空预压法加固吹填淤泥的机理进行了试验研究. 孙立强等^[3]通过模型试验研究了超软土真空预压过程中的固结沉降，认为二次插板可以提高土体加固效果. 唐彤芝等^[4]通过现场试验研究了真空预压作用下吹填淤泥土的沉降和强度变化特性，指出加密排水板可促进淤泥土排水固结. 武亚军等^[5]开展了真空预压室内模型试验，观测了试验过程中沉降量、出水量的变化规律，发现真空压力的大小和加载方式对于吹填淤泥的固结有比较明显的影响，认为低初始真空压力对于淤泥土的加固效果更好. 陈雷等^[6]开展了淤泥土真空预压室内模型试验，通过分析排水板周边土体的基本物理力学性质、渗透性、压缩性，研究了预压地基排水体中真空负压对周围土体固结的影响. 鲍树峰等^[7]开展了分级真空预压室内模型试验，认为当排水体反滤层采用中等等效孔径时，可采用较快的真空荷载加载速率进行分级真空预压加固.

在真空预压处理地基过程中，会发生竖向沉降，同时产生水平方向变形^[8]；与堆载预压的情况不同，真空预压的水平方向位移指向加固区内. 目前对于竖向固结过程已有许多的研究成果^[9-10]，但是对于采用塑料排水板处理软土过程中的径向固结的研究尚不多见.

近年来，数字图像技术在岩土工程领域有了充分的发展. 其中，粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）技术作为一种非侵入式、能够实现全场测量的测量方法，得到了广泛的应用. White等^[11]建立了以互相关方法为基础的PIV数字图像表面位移测量方法，并分析了在不同网格大小、不同图片尺寸下的测量结果，同时对测量的误差进行了评估. 刘振亚等^[12]对黏性土进行了表面纹理构建，利用PIV技术测量了黏性土冻结过程中的变形位移场. 袁炳祥等^[13]利用人工合成透明土和PIV技术，研究了侧向受荷桩周土体内部不同位置处的土体位移发展规律.

与传统的观测方式相比，PIV技术可以实现全位移场的多点测量，不仅能够贯穿整个试验过程，提高了测量精度，也减少了对于模型土的扰动. 鉴于PIV技术在可视化模型试验研究中有着独特的优势，本文在进行超软土真空预压模型试验时，对相机拍摄得到的图片进行PIV分析，通过土体位移场数据对位移场在不同时间段内的发展规律进行研究，获得在不同位置处土体的径向、竖向位移变化规律，并对其在径向与竖向的固结机理进行探讨.

本试验系统包括真空驱动系统、模型箱和监测系统3个部分，如图1所示. 真空驱动系统包括水汽分离瓶和真空泵. 其中，水汽分离瓶用于分离模型箱中排出的水和汽，并测量排出的水的体积，真空泵用于提供试验系统内的真空压力.

试验模型箱长0.87 m，宽0.30 m，高0.60 m，在模型箱上部有密封框和密封膜，保证试验过程中气密性良好. 如图2所示，在模型箱前部有有机玻璃观察窗，长0.75 m，宽0.48 m；在模型箱内装有土体，土体内插设2个塑料排水板，间距为0.75 m. 在观察窗一侧设置有参考点，用于对试验系统进行标定和坐标转换.

试验监测系统包括孔隙水压力传感器测量系统和数字图像采集系统. 孔压测量系统采用GT-25型微型孔隙水压力传感器，其量程为−100~100 kPa. 孔隙水压力传感器P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8分别布置在距离排水板5.0、10.0、15.0和20.7 cm处. 图像采集系统包括高速工业相机、相机支架和光源. 相机分辨率为4 912 × 3 684像素，通过计算机软件可以连续拍摄并记录试验过程中的土体图像. 将相机固定在相机支架上，调节焦距、光圈以及白平衡，使得土体成像清晰，并确保镜头的轴线与物体平面垂直. 在模型箱前部安装有LED光源，用于提供稳定光场，避免环境光源的影响，保证图像的成像质量.

如图3所示，PIV分析计算过程首先将试验过程中拍摄的淤泥土体图片分割为若干个像素为L×L的网格，网格的坐标由其中心点的坐标表示. 对网格进行互相关运算，认为在一定范围搜索区域内互相关函数的峰值点是网格在时间间隔之后所处的位置，据此进行位移与变形的计算. 计算得到的位移为像素坐标形式，需要通过坐标转换转化为物理距离.

为了分析模型箱两端排水板之间土体的位移场变化，又因相机拍摄的视野有限，根据对称性原则，选取图1（a）中左侧排水板附近虚线范围内的土体，拍摄其试验过程中的变形图片，图像分析的单元尺寸大小取为100×100. 考虑到在试验开始阶段的土体变形较大，而试验开始24 h之后土体的位移场变化较为缓慢，综合衡量精度与计算效率，取拍摄时间间隔为1 min，计算涉及的土体范围大小为309 mm×225 mm.

在PIV分析计算过程中，必须保证充足的图像像素灰度差异. 对于砂土来说，其颗粒本身的颜色差异能够提供足够的像素灰度差异；而对于黏性土来说，其像素灰度值比较均匀，需要对其进行纹理构建. 王世鑫等^[14]采用将碳末颗粒混入到黏性土中的方法改变土样纹理，增强了PIV技术在黏性土变形测量中的适用性. Stanier等^[15-16]在黏性土中添加细砂进行纹理构建，实现了PIV技术在黏性土中较好的应用. Hu^[17]使用黑色细砂作为示踪粒子进行了砂井作用下黏性土真空预压的离心机模型试验，测量了砂井对土体的作用情况. 本文参考前述文献，采用粒径为150 μm的黑色细砂作为示踪粒子，对淤泥土样进行纹理构建，得到的示例图像如图3所示.

试验所用排水板为热熔整体式FDPS-B型排水板，排水板滤膜等效孔径为75 μm，排水板宽度为10 cm，两排水板间距为75 cm，分别位于有机玻璃观察窗的两端. 试验主要操作步骤如下：

1）制备目标含水率为130%的土样，首先将取自施工现场的淤泥土样搅拌均匀，测量其含水率，根据计算结果加入一定量的水，采用机械搅拌将其搅拌均匀至无明显颗粒状，并使其满足目标含水率要求；

2）通过固定支架安装塑料排水板与孔隙水压力传感器，连接好真空管线；

3）将泥浆注入到模型箱中，在靠近有机玻璃一侧的土体中均匀布撒示踪粒子；

4）在土体上部铺设土工布和密封膜，安装金属密封盖，并用环氧树脂对管线和传感器线路进行密封；

5）连接真空驱动系统进行抽真空，期间通过孔压传感器监测土体内的孔压值变化，同时通过三脚架上固定的相机拍摄土体变形的图像，通过数据线传输图像并保存到计算机中，进行图像分析计算.

为试验土样取自浙江省温州市洞头区围海造地现场. 试验前将土样加水搅拌均匀至含水率为130%，通过室内土工试验测得土粒比重为2.68，土样孔隙比为3.53，液限为53.42%，塑限为32.94%，土样的湿密度为1.36 g/cm³. 淤泥土样的粒径分布曲线如图4所示. 图中，w为小于某粒径的土的质量分数，s为土粒粒径.

使用geoPIV算法^[18]对试验结果进行计算、标定、坐标转换，得到位于模型箱两端的2个排水板间的土体位移情况如图5、图6所示. 其中，d为土体位移值，x为土体的水平位置，y为土体的竖直方向位置. 所涉计算视野大小为309 mm×225 mm，塑料排水板位于视野的左侧，由于排水板的位置并不处于横坐标轴原点，可通过横坐标来计算位移场中的点与排水板的水平距离. 图5中，位移值云图的轮廓是在上一个24 h内发生变形后土体的形状，即轮廓为这一个24 h时段内土体网格的初始位置，可以由此看出土体的整体变形情况.

根据真空预压过程中土体位移场的变化情况，同时考虑到在试验开始阶段位移速率较大，将径向位移速率小于1 mm/d的土体位移忽略. 从图5（a）中可以看出，在试验开始的0~24 h，真空压力的影响范围达到距排水板290 mm处，在距排水板15 mm的范围内，土体水平位移值较大，最大值达14.16 mm，并且水平位移值呈现出随着与排水板距离的增大而减小的趋势. 如图5（c）所示为24~48 h的土体水平位移云图. 可知，在此时间段内，全场的水平位移值整体减小，水平位移值的最大位置处向远离排水板方向移动，距排水板50 mm范围内的土体水平位移值的减小幅度较大，由13.97 mm减小至5.26 mm，同时真空压力的影响范围继续扩大，已到达了计算视野边缘处. 如图5（e）、（g）和（i）所示分别为开始抽真空后48~72、72~96与96~120 h的土体水平位移图. 土体的水平位移最大值处继续沿径向向外运动，在排水板邻近土体处，出现了水平位移速度小于0.5 mm/d的位移值极小区域，且随着时间的推移，此区域逐渐扩大，抽真空96 h后此区域的宽度达到近20 mm. 位移场的水平位移值与前一个阶段相比有所减小，水平位移速度的最大值由8.48 mm/d减小到了4.69 mm/d. 如图5（k）和（m）所示分别为试验开始后120~144、144~168 h土体的水平位移图. 可看出，此阶段内土体的整体水平位移值不断减小，位移场内水平位移速度最大值由2.14 mm/d减小到了1.11 mm/d，距排水板水平距离10 cm范围内的土体水平位移值趋近于0. 如图5（o）所示为168~192 h的土体水平位移图，此时间段内全场的最大位移值为0.66 mm，位移场整体的水平位移值很小.

从图5中每一个24 h内的土体水平位移云图变化过程可以看出，在真空预压的初期，淤泥土的含水率很高，排水板附近的土体中的自由水在负压作用下向排水板渗流，径向固结排水，同时土颗粒在渗流力的作用下向着排水板运动，产生了水平向的位移. 由于真空压力的传递有先后并且在传递过程中会有衰减，排水板近处的土体最先开始排水固结，在试验初期的水平位移值大于远处. 随着抽真空时间的不断增长，排水板附近土体径向固结较早，真空度不断向远处土体传递，此时远处土体在真空压力梯度作用下开始径向固结排水，因此，此时远处土体的水平位移值更大，排水板的影响范围也不断扩大.

从土体在每一个24 h内的水平位移变化趋势来看，在0~48 h，位移场中土体的水平位移速率不断减小；48~120 h，从整体上看，位移场中土体的水平位移速率趋于稳定，但部分区域内土体的水平位移速率减小，邻近排水板处土体的水平位移速率很小，且这一区域内的土体范围不断扩大；在120~168 h，土体的水平位移速率持续减小；至168 h之后，全场水平位移速率均小于0.66 mm/d，可认为此时水平位移不再发生.

如图6所示为192 h内土体发生的总位移云图，根据计算所得的土体位移值，取每一个24 h内位移场中水平位移值最大的点，绘制在每个时刻的水平位移最大值变化曲线. 同时根据曲线计算每个时刻全场水平位移最大值对应的速度，如图7所示. 其中，d_max为全场水平位移最大值，v为任一时刻全场水平位移最大值对应的位移速度，t为实验时间. 可以看出，在试验开始阶段，全场水平位移最大值对应的位移速度达17.7 mm/d，但随着试验的继续进行，其值迅速下降，在48 h达到7.95 mm/d，随后水平位移速度下降变缓，在110 h为4.77 mm/d. 此后，水平位移速度继续下降，于144 h和168 h分别降至1.20和0.68 mm/d，在192 h时降至0.4 mm/d，可认为之后水平位移不再发生.

在抽真空168 h之后，全场的水平位移速度都小于1 mm/d，此时土体的径向位移值已基本稳定，且孔隙水已逐步由排水板排出，由渗流力引起的土颗粒发生的水平位移很小，因此土体位移场中全场的水平位移值都很小.

从图5（b）中可以看出，在试验开始后的0~24 h，距离排水板30 cm处的土体竖向位移值较大，最大值达29.29 mm，此时，距离排水板较近处的土体竖向位移值较小. 如图5（d）所示为24~48 h的竖向位移云图. 在此时间段内，全场的竖向位移值减小，且距排水板5 cm范围内的土体竖向位移速度小于2 mm/d. 如图5（f）、（h）和（j）所示分别为48~72、72~96与96~120 h的土体竖向位移云图. 在排水板附近，土体竖向位移速度小于1 mm/d的区域不断扩大，在120 h后此区域的宽度达到7 cm，竖向位移最大值位于远离排水板处. 如图5（l）和（n）所示分别为120~144 和144~168 h的竖向位移云图. 此阶段土体的竖向位移值继续减小，位移场内竖向位移最大值减小到了4.06 mm，距排水板10 cm范围内的土体水平位移速度均小于1 mm/d.

从整个试验过程来看，土体的竖向位移值随着距排水板的距离的增大而增大，这与砂井地基的Barron固结理论^[19]中竖向等应变的情况有所不同，原因是距排水板较近的土体先发生了径向排水固结，随着真空度在土体孔隙中的传递，距排水板远处的土体也发生了径向固结，同时在自重作用下产生了竖向压缩位移值. 由于土体变形存在泊松效应，土体在产生径向运动时会在其他方向上产生收缩，另外位于视野边缘处（两排水板中间位置处）土体的竖向位移在两排水板作用下会发生叠加，造成远处土体沉降值较大的现象. 随着试验的继续进行，土体位移场中的竖向位移值逐步减小，竖向位移值极小的区域范围沿径向不断扩大. 与水平位移的变化情况有所不同，在抽真空168~192 h的时间段内（见图5（p）），距排水板150 mm范围内的土体竖向位移值均小于0.8 mm，但距离排水板最远处的土体表面处仍维持了一定竖向位移速度，即部分区域沉降仍在发生.

从竖向位移的云图轮廓形状来看，由于排水板近处的土体竖向位移值较小，而排水板远处、浅层的土体竖向位移值较大，竖向位移在整个过程中累积起来，土体由原来两端平齐的水平面逐渐转变成了一个排水板近处土体凸起而远端下沉的“坡面”，与工程实践现场的排水板处沉降远小于其他处的“土桩”现象吻合. 另外，在排水板附近约5 cm范围内的土体在整个试验过程中竖向位移值很小，此区域内的土体主要发生了径向固结.

对于试验所得的模型箱两端塑料排水板间的土体位移计算结果，取距离排水板5、10、20、30 cm处的所有土体，计算网格内的位移矢量最大值，绘制排水板不同径向位置处土体水平位移值随时间变化的曲线. 如图8（a）和（b）所示分别为0~30和0~192 h各处的水平位移最大值变化曲线. 图中，l为排水板不同径向位置处的水平位移，r为距排水板的径向距离. 可以看出，在试验开始时，距排水板5和10 cm处的土体水平位移值增长较快，距排水板10 cm处土体在0~30 h的水平位移值小于距排水板5 cm处土体. 抽真空75 h之后，距排水板5 cm处的土体水平位移增长缓慢；125 h之后，此处土体的水平位移不再增长，表明距排水板5 cm范围内的土体不再发生径向运动. 距排水板10 cm处土体的水平位移值在试验开始后的110 h内增长速率逐渐减缓，在125 h之后水平位移值不再发生变化. 距离排水板20 cm处土体在试验前期的水平位移值小于距排水板5、10 cm处，至80 h开始超过其他位置处的水平位移值，表明随着抽真空时间的增长，距离排水板较近处的土体水平位移增长速度逐渐减小，水平位移值较大的区域逐渐向远离排水板处移动，在试验开始192 h后，距排水板20 cm处土体的水平位移值达42.40 mm. 这是因为距排水板越近，土体径向固结越快，土体更早地被压密且水平位移值达到稳定.

距离排水板30 cm处的土体水平位移值在试验过程中增长缓慢，远小于其他位置处的土体，这是因为真空负压传递需要时间，而且在传递过程中会有真空度的损失，所以距排水板30 cm处的土体在试验过程中发生的径向位移值较小，但此处土体的径向位移还会继续缓慢增长.

从水平位移值的变化曲线来看，在试验开始150 h后，距排水板5、10、20 cm处土体的水平位移曲线已经接近水平，可认为此后不再产生水平位移，水平位移场不再发生变化，径向位移已达到稳定状态.

试验模型箱内各微型孔隙水压力传感器安装于同一水平高度上，所得土体中距排水板不同径向位置处的孔压随时间的变化曲线如图9所示. 其中，p为孔隙水压力值. 可以看出，距排水板5 cm处的传感器P1、P8孔压消散较快，在192 h内分别消散了−9.3和−15.8 kPa，孔压消散的幅度大于其他位置处的传感器. 距排水板10 cm处的传感器P2、P7的孔隙水压力值分别降低了−8.7和−10.6 kPa，孔压消散的幅度大于距排水板20、30 cm处，说明径向的孔压消散在一定范围内表现出明显的差异性. 这是因为在开始阶段，排水板近处的土体首先开始排水固结，且排水板近处的土体排水路径短，水力梯度更大，有利于渗流排水，因此较近处的孔压消散更快；而真空压力在传递过程中在较远处有损失，因此远处土体的孔压消散幅度较小. 试验结果表明：排水板周围的土体存在径向孔压消散差异，距排水板较近处的孔压消散较快，土体的处理效果更好.

与前述土体位移场的情况比较，在抽真空得到192 h后，土体的径向位移在距排水板5、10 cm处可认为已基本稳定，且距排水板10 cm范围内土体的竖向位移也已趋于稳定，但由安装距排水板5、10 cm处的孔压传感器读数可知，土体孔压消散最快的P8处其孔压仅下降至−10.3 kPa，与−80 kPa的真空压力相比，可以看到，在这些位置通过孔压计算得到的固结度远小于通过径向位移计算的固结度.

（1）排水板近处的土体位移以水平方向为主，主要发生了径向固结，距排水板远处土体以竖向位移为主，主要发生了竖向固结. 竖向位移值随距排水板距离的增大而增大，竖向位移值在径向上的差异在整个过程中累积起来，形成了排水板处凸起的“土桩”状。

（2）试验初期，排水板近处的土体先发生径向排水固结，排水板的真空压力影响范围不断向远处发展，位移场中的土体水平位移速度迅速减小，随后进入一个位移速度发展平稳期；在试验后期，土体的径向位移已基本稳定.

（3）在使用排水板处理软土地基时，土体在在孔压消散与径向位移发展方面存在差异. 在抽真空8 d之后，距离排水板15 cm范围内的土体的径向位移值和竖向位移值趋于稳定，且通过孔压计算得到的固结度远小于通过位移计算得到的固结度.

本次试验是在模型箱中进行的，土体的固结状态与试验模型的边界条件与工程实践中的实际工况有一定差异，由此产生的对于试验结果的影响需要进一步的研究.