淤泥地基處理中真空度和孔壓變化規(guī)律研究

馬 杰,王劍波,王偉強(qiáng)

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇南京210098)

0 前 言

對(duì)軟土地基進(jìn)行加固常用的方法是真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法,他們?cè)诶碚撋嫌邢嗨频牡胤?都是屬于排水預(yù)壓法。不同的是[1-2],堆載預(yù)壓法是通過堆載增加地基中的總應(yīng)力,并形成正的超靜孔隙水壓力,然后通過超孔隙水壓力的消散來達(dá)到增加土體中有效應(yīng)力的目的;而真空預(yù)壓法則是在總應(yīng)力基本不改變的情況下,通過抽真空實(shí)現(xiàn)排水,并使地基中形成負(fù)的超靜孔隙水壓力,依靠其轉(zhuǎn)化形成的有效應(yīng)力來達(dá)到增加土體抗剪強(qiáng)度,提高地基的承載力。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明,真空排水預(yù)壓法與堆載排水預(yù)壓法的效果是可以疊加的[3]。

在真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固軟土地基的工程中,由于淤泥中土體的物理和力學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜,許多學(xué)者對(duì)其真空度的傳遞規(guī)律和超靜孔隙水壓力的變化規(guī)律進(jìn)行了分析和研究,也得出了很多的結(jié)論[4-7],但是在真空預(yù)壓處理淤泥地基過程中,對(duì)于真空度和超靜孔隙水壓力兩者之間關(guān)系的分析,并沒有得出明確一致的結(jié)論。根據(jù)目前對(duì)真空預(yù)壓機(jī)理的研究成果和相關(guān)結(jié)論,以太倉某物流倉庫的真空堆載聯(lián)合預(yù)壓工程為實(shí)例,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,對(duì)淤泥中真空度的傳遞特性,孔隙水壓力消散規(guī)律及二者之間的相關(guān)性作進(jìn)一步的探究。

1 工程概況及地質(zhì)條件

太倉屬長江三角洲沖積平原,全境地勢(shì)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)。擬建物流倉庫位于太倉市申江路以東,通港路以北,地貌類型屬長江三角洲沖積平原。場(chǎng)區(qū)內(nèi)分布原有河道、池塘現(xiàn)已填埋整平,自然地面標(biāo)高一般在2.42 m～3.21 m之間,平均約2.8 m,地下水位埋深在1.7 m左右。

經(jīng)地質(zhì)勘察,擬建場(chǎng)地地基土分布自上而下分布為:①素填土,上部為近期人工填土,以粘性土為主,夾植物根莖等細(xì)小雜物。平均厚度約1.7 m;②粉質(zhì)粘土,局部夾粘土,土質(zhì)自上而下逐漸變軟,呈可塑～軟塑狀,中等～高等壓縮性,平均厚度約1.2 m;③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,含云母、有機(jī)質(zhì),局部夾少量淤泥質(zhì)粘土,呈流塑狀,高等壓縮性,平均厚度約4.3 m;④淤泥質(zhì)粘土,含云母、有機(jī)質(zhì)、貝殼碎屑,局部夾粘土,呈流塑狀,高等壓縮性,平均厚度約7.7 m;⑤粉質(zhì)粘土,呈流塑～軟塑狀,高等壓縮性,以下幾十米都是該土層。各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層的物理力學(xué)性質(zhì)

該倉庫地基淺部主要以淤泥質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主,屬于典型的軟土地基,土體成流塑狀態(tài),具有含水率高、孔隙比大、壓縮性高等特點(diǎn),采用傳統(tǒng)的軟基處理方法較難達(dá)到預(yù)期效果或者成本較大,故采用真空排水預(yù)壓法來進(jìn)行處理。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

經(jīng)過多種方法對(duì)比,本工程采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓處理方法,處理范圍為305 m×240 m,即73 200 m2,分為兩塊區(qū)域進(jìn)行處理,每塊面積分別為36 600 m2。區(qū)域之間密封膜不斷開,在分區(qū)的情況下,整個(gè)場(chǎng)地仍然為一個(gè)處理整體,有助于減小工后差異沉降。

以塑料排水板作為豎向排水體,采用正方形布置,間距1.0 m,打設(shè)深度約15 m。以真空堆載聯(lián)合作為預(yù)壓荷載,設(shè)計(jì)加載方式為抽真空達(dá)到80 kPa后,再堆載20 kPa。A區(qū)和B區(qū)從8月16日抽真空至11月30日結(jié)束,抽真空時(shí)間都在3個(gè)月以上。場(chǎng)地內(nèi)設(shè)孔隙水壓力計(jì)2組,深層真空度4組,每組埋設(shè)深度分別為:3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。監(jiān)測(cè)儀器平面布置圖見圖1。本文選取B區(qū)的真空度和孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究分析。

圖1 監(jiān)測(cè)儀器平面布置圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 淤泥中真空度

在抽真空的開始階段,膜下真空度上升迅速,抽真空10 d左右,膜下真空度就達(dá)到了80 kPa,而且其值保持在80 kPa以上的時(shí)間大致有3個(gè)月(見圖2)。圖2中10月15日的真空度急劇下降,這主要是由于停泵造成的,開泵后真空度很快又恢復(fù)正常。而淤泥中真空度開始則沒有讀數(shù),它需要一個(gè)啟動(dòng)過程,淺層3 m的土體啟動(dòng)時(shí)間比較短,而深層6 m土體的啟動(dòng)時(shí)間則較長。在抽真空的初始階段,只有3 m處的土體有讀數(shù),穩(wěn)定時(shí)真空度數(shù)值為50 kPa,隨著抽真空的進(jìn)行,真空度能量逐漸向土體深處傳遞擴(kuò)散,沿深度土體阻力不斷增加,真空度衰減是很明顯的,衰減平均值達(dá)到了10 kPa/m。按照此衰減速率,9 m及其以下的土體真空度基本就測(cè)不到了,這也說明了真空度的有效傳遞深度在9 m左右,真空度的加固效果不僅對(duì)地下水位面以上的土體有效,而且對(duì)地下水位面以下的土體及深度更大的土體的加固也是有效果的。

圖2 B區(qū)淤泥中真空度過程線

從圖2中看出,3 m處土中的真空度隨著膜下真空度的增加開始迅速上升,經(jīng)過15 d達(dá)到最高水平60 kPa,之后隨著抽氣時(shí)間的增加真空度逐漸下降,最后趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的真空度值。6 m處淤泥中的真空度增長緩慢,穩(wěn)定后其真空度值只有20 kPa左右,其真空度下降速率略緩于淺層土體。這主要是由于當(dāng)淺層土體發(fā)生固結(jié)壓縮變形后,土層的密實(shí)度提高,土體的孔隙比減小,真空能量向下傳遞的阻力增大,導(dǎo)致真空度開始下降。

在堆載階段,每級(jí)堆載會(huì)引起土體中的水位升高[8],使得真空能量向下傳遞阻力增大,土體中的真空度降低,但是下降幅度不大,當(dāng)每級(jí)堆載結(jié)束后,隨著水位的下降,真空度緩慢回升至原來水平。在卸除真空荷載后,膜下真空度迅速衰減為0,并且逐漸向深層發(fā)展,土體中的真空度經(jīng)過2 d也全部衰減為0。

3.2 淤泥中超靜孔隙水壓力

圖3為B區(qū)超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化曲線圖。

圖3 B區(qū)超孔隙水壓力過程線

從圖3中看出,抽真空對(duì)孔隙水壓力的影響是非常明顯的,在抽真空之前現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行插設(shè)塑料排水板,鋪設(shè)水平砂墊層,鋪真空膜等施工工序時(shí),測(cè)得的孔壓值基本保持不變。8月16日開始抽真空以后,土體形成負(fù)的超靜孔隙水壓力,負(fù)孔壓值隨真空度的增大急劇降低,隨著抽真空時(shí)間的延長,孔隙水壓力下降速率逐漸變小,曲線也逐漸變緩。但是15 m處的負(fù)孔壓數(shù)值比其他深度的孔壓值小很多,這主要是由于該孔壓計(jì)位于排水板底部的淤泥中,在真空滲流場(chǎng)的作用下,周圍土體逐漸固結(jié)壓縮,使該處土體的滲透性變差,因此孔壓消散速度變慢,曲線趨于平緩。

膜下真空負(fù)壓對(duì)孔隙水壓力的消散影響是比較明顯的,同一深度處土體的超靜孔隙水壓力與真空度具有類似的變化規(guī)律,尤其是3 m土體更為明顯,受真空度的影響也更大。10月15日停泵造成3 m處真空度急劇下降了30 kPa,對(duì)應(yīng)位置的孔壓回升迅速,回升值達(dá)到5 kPa,但隨深度的增加孔壓的反應(yīng)逐漸減小。表明了若膜下真空度大幅度變化的時(shí)間較短,則對(duì)深度較大處土體的孔隙水壓力的影響是很小的。

在真空預(yù)壓階段,當(dāng)膜下真空度基本維持在80kPa左右時(shí),3 m到12 m各測(cè)點(diǎn)的超靜孔隙水壓力數(shù)值基本保持一致,由于各埋設(shè)點(diǎn)處土體的滲透性有差異,得出在單獨(dú)抽真空階段由真空度引起的孔隙水壓力消散值沿深度分布基本相同,其值都在50 kPa左右,這與文獻(xiàn)[5]的觀點(diǎn)是一致的。

在抽真空一個(gè)月后開始堆載,由填土引起不同深度處超孔壓數(shù)值變化是不一樣的,可以看出地基淺處的超孔壓上升幅度比較大,而深部上升幅度則很小,這是由于堆載產(chǎn)生的附加應(yīng)力沿深度方向遞減引起的。在堆載過程中,超靜孔隙水壓力呈波浪形的變化,這主要是因?yàn)橛啥演d產(chǎn)生的附加應(yīng)力開始全部由孔隙水承擔(dān),導(dǎo)致孔隙水壓力上升,隨著孔壓的逐漸消散,附加應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為了土體的有效應(yīng)力,之后土體在有效應(yīng)力的作用下發(fā)生相互的擠壓和挪動(dòng),對(duì)孔隙中的水產(chǎn)生擠壓作用,負(fù)的超靜孔隙水壓力又開始上升。上述的相互作用過程不斷的循環(huán),便反應(yīng)出了孔壓消散曲線的波浪形變化。

在真空堆載聯(lián)合預(yù)壓工程中,負(fù)壓滲流場(chǎng)是引起孔隙水壓力消散的主要方式,所以真空度的大小對(duì)孔壓的最終消散值有著直接的決定作用。而堆載產(chǎn)生的附加應(yīng)力使土體產(chǎn)生正的超靜孔隙水壓力,使土體滲流場(chǎng)中的壓力差變大,促使孔隙水的滲流速度加快,進(jìn)而加快了孔隙水壓力的消散速率,使附加應(yīng)力更快更有效的轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力,達(dá)到土固結(jié)的目的?？梢?在真空堆載聯(lián)合預(yù)壓中孔隙水壓力的消散速度要比單獨(dú)堆載作用下孔壓消散速度快得多,在開始堆載后,從孔壓上升并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)過的時(shí)間很短,就能反映這一點(diǎn)。

3.3 真空度與超靜孔壓的相關(guān)性分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9],地基中的孔隙水壓力消散值可以分為兩個(gè)部分:一是抽真空引起地下水位線下降進(jìn)而引起的孔隙水壓力消散值;二是真空負(fù)壓滲流場(chǎng)中的“真空負(fù)壓能”的傳遞導(dǎo)致的孔隙水壓力下降值,而“真空負(fù)壓能”的大小又與土體中的真空度值及其沿深度的傳遞效果有關(guān)系。所以,孔隙水壓力的變化與真空度的變化二者是相關(guān)聯(lián)的。圖4和圖5分別是B區(qū)淤泥中3 m和6 m處真空表與孔壓計(jì)在抽真空階段的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖。

從圖4中可發(fā)現(xiàn),3 m處的真空度值和超孔壓值兩者是很吻合的,此時(shí)測(cè)得地下水位下降了3 m,則該真空表和孔壓計(jì)位于地下水位線以上,也就是說,在地下水位線以上的淤泥中,真空表和孔壓計(jì)的數(shù)值基本是一致的,孔隙水壓力值實(shí)質(zhì)上反映了該處土體的大氣壓力值,二者基本都為50 kPa。表明了在淤泥中地下水位線以上的土體中,孔隙水壓力的消散主要是由真空度的傳遞所引起的。

圖4 膜下3 m處真空表與孔壓計(jì)測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

圖5 膜下6 m處真空表與孔壓計(jì)測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

而6 m處的土體位于地下水位線以下(見圖5),該處真空表與孔壓計(jì)兩者的結(jié)果不一致,孔壓值比真空度值大的多,其實(shí)測(cè)最大值相差了28 kPa,與該處孔隙水壓力因地下水位下降的30 kPa在數(shù)值上比較接近。說明了在淤泥中地下水位線以下的土體,孔隙水壓力的消散主要是由地下水位的下降所引起的,真空度直接引起的孔隙水壓力消散值相對(duì)較小。

4 結(jié) 論

結(jié)合真空堆載聯(lián)合預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)淤泥中的超孔隙水壓力和真空度進(jìn)行了分析,得出了以下結(jié)論:

(1)淤泥中真空度的出現(xiàn)有一個(gè)啟動(dòng)的過程,深度較大土體的啟動(dòng)時(shí)間明顯大于埋深較淺的土體,只有經(jīng)過這樣的過程淤泥中的真空度才會(huì)上升,而且淤泥中真空度沿深度的衰減平均值達(dá)到10 kPa/m。

(2)隨著抽真空時(shí)間的延長,膜下真空度基本保持穩(wěn)定,而淤泥中的真空度則因土體的固結(jié)壓縮逐漸下降并趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值。

(3)加固區(qū)內(nèi)超靜孔隙水壓力變化受真空負(fù)壓、土體滲透性和堆載的影響,在真空預(yù)壓階段,孔隙水壓力沿深度方向的最大消散值基本上是相同的。在整個(gè)預(yù)壓處理過程中,孔壓的消散曲線呈現(xiàn)出具有波浪形。

(4)淤泥地基中孔隙水壓力的消散主要是由于地下水位線的下降所引起的,地下水位線以上土體的超孔隙水壓力值與真空度在數(shù)值上一致,地下水位線以下的真空度值小于超孔壓值,此時(shí)孔隙水壓力消散主要是由抽真空導(dǎo)致的地下水位下降引起的,真空度直接引起的孔隙水壓力消散值相對(duì)較小。

[1]龔曉南,岑仰潤.真空預(yù)壓加固軟土地基機(jī)理探討[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2002,35(2):7-10.

[2]婁 炎.真空排水預(yù)壓法加固軟土技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2002.

[3]高志義,張美燕,劉立钅玉,等.真空預(yù)壓加固的離心模型試驗(yàn)研究[J].港口工程,1988(1):18-24.

[4]岑仰潤,俞建霖,龔曉南.真空排水預(yù)壓工程中真空度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析[J].巖土力學(xué),2003,24(4):603-605.

[5]岑仰潤,龔曉南,溫曉貴.真空排水預(yù)壓工程中孔壓實(shí)測(cè)資料的分析與應(yīng)用[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2003,37(1):16-18.

[6]張照華.真空聯(lián)合堆載預(yù)壓排水固結(jié)法在沿海吹填造地中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2009,7(3):123-126.

[7]董江平,張雄壯,洪 雷,等.無砂墊層真空預(yù)壓法提高吹填淤泥地基承載力試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2010,8(4):131-133,180.

[8]董志良.堆載及真空預(yù)壓法加固地基地下水位及測(cè)管水位高度的分析與計(jì)算[J].水運(yùn)工程,2001,(8):15-19.

[9]婁 炎.負(fù)壓條件下軟土地基的孔隙水壓力[J].水利學(xué)報(bào),1988,(9):48-52.