真空預(yù)壓土體強度增長計算方法

劉 鋒，余湘娟，倪小東

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098)

強度是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一，由于土的成因、應(yīng)力歷史及周圍環(huán)境不同，受荷載以后的反應(yīng)亦各不相同，且隨著時間而改變［1］。對軟土地基進行處理以提高土體強度的方法很多，最有效的辦法就是通過加載預(yù)壓使軟土壓密固結(jié)，提高地基的強度［2］。真空預(yù)壓法在工程上應(yīng)用廣泛，技術(shù)經(jīng)濟合理，是行之有效的軟土地基處理方法，尤其適用于深厚軟弱地基［3］，加固后土體強度增長的計算方法很多。婁炎［4］提出了綜合影響系數(shù)法，闡述了折減系數(shù)η 作為剪切變形因素對強度產(chǎn)生的影響，并考慮真空預(yù)壓的特殊作用，研究真空預(yù)壓中軟黏土不排水剪切強度的增長。目前工程上常用有效應(yīng)力法和有效固結(jié)壓力法計算強度增長，但這兩種方法的計算結(jié)果偏差較大。本文結(jié)合實際工程分別使用這兩種方法計算折減系數(shù)η和強度增長率K，以評價土體強度變化規(guī)律。

1 土體強度增長計算方法

真空預(yù)壓法加固時，考慮了由于剪切而引起的強度衰減后地基中某一時刻的抗剪強度τct:

式中:τ0為加固前的抗剪強度;Δτct為由于固結(jié)而增長的抗剪強度增量;η為考慮剪切變形及其他因素對強度影響的折減系數(shù)。

由固結(jié)引起的強度增量Δτct的計算方法很多，本文主要考慮兩種方法。

a.有效應(yīng)力法。計算公式為

將式(2)代入式(1)得

b.有效固結(jié)壓力法。計算公式為

式中:Δσz為地基中某點的附加應(yīng)力;Ut為地基中某點完工時刻的固結(jié)度;φcu為固結(jié)不排水三軸試驗得到的內(nèi)摩擦角。

將式(4)代入式(1)得

2 工程概況

某工程的擬建場地位于長江三角洲沖積平原，全境地勢平坦，自東北向西南略呈傾斜，東部為沿江平原，西部為低洼圩區(qū)。經(jīng)勘察該場地深度65.42 m范圍內(nèi)地基土屬第四紀上更新世及全新世沉積物，主要由黏性土、粉性土和砂土組成。按其沉積年代、成因類型及其物理力學(xué)性質(zhì)的差異，該場地土層劃分如表1 所示。

表1 各土層的物理力學(xué)性質(zhì)

由于該區(qū)域軟土層很厚，強度較低，如不進行基礎(chǔ)處理，不能滿足上部結(jié)構(gòu)的荷載要求。經(jīng)設(shè)計采用真空預(yù)壓法加固該工程區(qū)域軟土地基，預(yù)壓荷載為80 kPa(即真空預(yù)壓值)，以SPB100-C 型塑料排水板為排水通道，間距1 m，正方形布置，施打深度約為18 m。根據(jù)設(shè)計要求，工程預(yù)壓時間為3個月，連續(xù)10 d的日平均沉降不大于2 mm 即可卸載，加固后淤泥及淤泥質(zhì)土層的平均固結(jié)度達到85%以上，各土層承載力標準值不小于100 kPa。

3 現(xiàn)場監(jiān)測成果分析

圖1 是c1～c6 沉降板的累計沉降值隨時間的變化，其中c3和c4 是施工區(qū)域的中間斷面。在真空預(yù)壓的第1個月，累計沉降值隨時間下降幅度較大，這是由于土顆粒之間的直接有效作用增加，土體顆粒密實，從而產(chǎn)生較大的沉降［5］;隨后沉降量變小，曲線變緩，此時真空荷載已不足以使軟土地基產(chǎn)生更明顯的沉降。為縮短工程的總工期，業(yè)主要求提前鋪設(shè)30 cm 厚的中粗砂墊層，砂堆從工程區(qū)域的中部往兩邊推平。在砂堆荷載作用下地基土層產(chǎn)生新的沉降，沉降曲線出現(xiàn)臺階，其中中間斷面的沉降板(c3，c4)沉降量最大，且明顯大于其他沉降板。

圖1 累積沉降與時間的關(guān)系

真空預(yù)壓處理方法是將大氣作為荷載，通過真空負壓向深土層傳遞，本工程的深層真空度曲線如圖2 所示。開始抽真空時，膜下真空度上升很快，1個月以后基本趨于穩(wěn)定。深層真空度體現(xiàn)了豎向排水體中真空壓力向深層傳遞，使加固區(qū)域形成網(wǎng)狀真空度［6］，豎向排水體中的真空度通過土體的孔隙沿橫向傳遞，使整個加固區(qū)域形成一定的真空度。從圖2可看出，在抽真空的初期塑料排水板中的真空度迅速增加，沿深度遞減［7］。預(yù)壓期間因為天氣或施工的因素造成了土工膜破壞，壓力值急劇下降，通過及時修補后壓力值迅速得以恢復(fù)。類比分層沉降數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)深層土體處在真空壓力影響范圍內(nèi)。

圖2 深層真空度與時間的關(guān)系

孔隙水壓力變化可反映真空預(yù)壓過程中地下水的滲流變化及有效應(yīng)力的增加程度。從觀測數(shù)據(jù)看，隨著抽真空的進行，同一土體深度孔隙水壓力逐漸減小，孔隙水壓力消散后有效應(yīng)力的提高量越大;不同土體深度，孔隙水壓力由淺至深逐漸增大，增加趨勢逐漸變緩［8］，由于真空壓力影響由淺至深發(fā)生衰減。預(yù)壓1個月后，孔隙水壓力增加，是受到鋪設(shè)砂墊層時砂堆的荷載作用影響，隨后，孔隙水壓力曲線趨于平緩，卸載后孔隙水壓力迅速回升。

圖3 孔隙水壓力與時間的關(guān)系

4 兩種方法比較

表2和表3為有效應(yīng)力法和有效固結(jié)壓力法計算的地基強度增長與工程區(qū)域軟土地基加固后實測剪切強度的比較。采用式(1)計算η 值，表中天然強度為該地基加固前十字板剪切強度，實測強度是加固后十字板剪切強度;有效應(yīng)力Δσ'1取各深度實測的負孔隙水壓力增量值;附加應(yīng)力Δσz取砂井中各深度實測的真空壓力值;Ut為相應(yīng)土層達到的固結(jié)度。由表2可以得出:Δσ'1和Δσz隨著深度逐漸減小，兩種方法所計算的土的抗剪強度Δτct隨土體深度逐漸減小，η 隨土體深度呈小幅增大趨勢，其值在1.0～1.5 之間;在同一土體深度，用有效固結(jié)壓力法計算的η 值略偏大，有效固結(jié)壓力法計算的土體強度增長值接近于實測的土體強度變化。由于十字板實測強度值由擬合方程計算而得，結(jié)果偏小［9］，因此計算的η 也偏小。

由表2可看出:相同土體深度兩種方法計算得到的強度增長率K 大小相接近，在0.4～0.6 之間，并且隨土體深度增加呈增加趨勢［10］，最大值出現(xiàn)在12 m 處。

地基加固后土層強度增長規(guī)律與土體本身的性質(zhì)有關(guān)。由表3 各土層強度增長量可知該區(qū)域淤泥質(zhì)黏土加固后土體強度增加幅度最大，其下伏土層為強度較高的粉質(zhì)黏土，加固后土體強度增加幅度最小。

表2 兩種方法計算的η 與K 比較

表3 各土層強度變化量

將表2和表3 中同一土體深度的η 與K 值進行對比，可以得到圖4的關(guān)系曲線。圖4 中η 與K 隨土體深度近似呈一次線性關(guān)系，K 隨η的增加而增加。

圖4 有效應(yīng)力法和有效固結(jié)壓力法計算的η 與K的關(guān)系

5 結(jié) 論

a.分析監(jiān)測結(jié)果，預(yù)壓初期，累計沉降值隨時間下降幅度較大，第一個月累積沉降約為總沉降量的60%，前兩個月沉降量達到90%以上，這是真空負壓使土體壓縮固結(jié)的結(jié)果，土體強度也不斷增加。

b.η 隨土體深度呈小幅增大趨勢;在同一土體深度，用有效固結(jié)壓力法計算的η 值略偏大，其值在1.0～1.5 之間。

c.在相同土體深度兩種方法計算得到的強度增長率K 值大小接近，在0.4～0.6 之間，并且都隨土體深度增加。

d.兩種方法計算的η 與K 呈一次線性關(guān)系，K隨η的增加而增加。

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