真空預(yù)壓聯(lián)合堆載法加固吹填淤泥地基室內(nèi)試驗研究

汪小平 吳洪貴 王軍 符洪濤

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院 江西贛州 341000；2.溫州大學建筑與土木工程學院 浙江溫州 325035；3.溫州大學浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點實驗室 浙江溫州 325035)

真空預(yù)壓聯(lián)合堆載法加固吹填淤泥地基室內(nèi)試驗研究

汪小平1吳洪貴1王軍2,3符洪濤2,3

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院 江西贛州 341000；2.溫州大學建筑與土木工程學院 浙江溫州 325035；3.溫州大學浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點實驗室 浙江溫州 325035)

針對傳統(tǒng)真空預(yù)壓法加固吹填淤泥地基過程中，存在真空應(yīng)力小，孔隙水壓力消散過慢，深層土體加固效果欠佳，加固后地基標高不夠等缺陷，提出了真空預(yù)壓聯(lián)合堆載法，即在真空預(yù)壓真空度穩(wěn)定后通過堆載滿足后期機械進場施工之前宕渣所需的回填，分別采用5Kpa、10Kpa、15Kpa的砂袋堆載方式進行，以增加地基土的標高和總應(yīng)力，從而增大了排水效率，快速有效的加固了吹填土。試驗結(jié)果表明，采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載法能夠加快孔隙水的消散，加速了土體的固結(jié)，加固后的土體剪切強度、含水量均優(yōu)于普通真空預(yù)壓法，說明真空預(yù)壓聯(lián)合堆載法能夠更好的加固吹填土淤泥地基。

孔隙水壓力；真空聯(lián)合堆載法；土體剪切強度：加固效果

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0 引言

隨著東南海產(chǎn)業(yè)帶經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，圍墾造陸已經(jīng)成為了獲取土地資源的主要途徑[2,3]。吹填土具有含水量高、強度低、滲透性差、壓縮性大、孔隙大、承載力低等缺陷[4]。目前國內(nèi)外通常采用真空預(yù)壓法加固吹填淤泥土地基[5,7]，如孫立強等人[8]進行超軟土真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗研究，提出了排水板不同深度處真空度隨時間的變化呈現(xiàn)出一定的遞減規(guī)律，主要是因為真空度在沿排水板傳遞的過程中，排水板容易發(fā)生彎折和淤堵現(xiàn)象，排水板的阻力變大，使得真空度難以到達土體深部，土體整體固結(jié)效果差；張澤鵬、李約俊、馮淦清對塑料排水板與袋裝砂井的真空度傳遞性能進行了對比分析，得出同樣位置處袋裝砂井中的真空度僅為膜下真空度的 20%[9]。因此普通真空預(yù)壓應(yīng)力較小，真空度傳遞過程中容易發(fā)生淤堵排水板容易產(chǎn)生淤堵現(xiàn)象，其次孔隙水消散緩慢，加固后地基標高滿足不了工程實際要求，后期機械進不了場宕渣需要回填才能滿足后期施工的需要等缺陷，對一些地基容許承載力要求高的工程，不能滿足實際工程應(yīng)用，為了進一步提高地基承載力，通常采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載法加固吹填土[10,12]。針對上述問題，本文提出采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載法處理吹填淤泥的方法，將后期回填宕渣作為堆載在真空預(yù)壓過程中施加，通過進行室內(nèi)模型箱試驗比對方法評價加固效果。

1 模型試驗

1.1 試驗土樣

試驗所用土樣取自溫州市龍灣區(qū)甌飛工程圍墾區(qū)吹填土現(xiàn)場，取樣深度為灘涂以下1m～2m，取回的土樣裝入模型箱內(nèi)，試驗前將模型箱表層土樣進行平整，待自然沉積一周后，土-水很快分離，具有明顯的分界面，表層余水的高度大概5cm。通過室內(nèi)土工試驗進行人工取樣，測試得到土樣的初始基本物理指標見表1：

表1 初始土樣物理指標

1.2 試驗過程

試抽真空一段時間后，待沉降穩(wěn)定之后下再進行逐級堆載，模型裝置如圖1所示，吹填淤泥土樣裝入模型箱經(jīng)過平整之后后，將真空探頭、孔壓傳感器和復(fù)試排水板固定在內(nèi)置鋼架上，然后將內(nèi)置鋼架緩緩地壓入土中。在試驗區(qū)域鋪設(shè)一層土工編織布，將真空探頭設(shè)在膜下，并采用雙層塑料薄膜密封，取中心面積120cm×120cm區(qū)域進行試驗，將四周冗余的密封膜壓入試驗區(qū)外側(cè)，最后利用防水標簽在土體表面試驗區(qū)域布置沉降標如圖2所示，孔壓、真空度的數(shù)據(jù)監(jiān)測儀器布置如實體裝置所示(圖3)，試驗安裝完成后，開啟真空泵抽真空，真空泵初始真空壓力穩(wěn)定在95kPa，待表層沉降變化穩(wěn)定之后進行逐級砂袋堆載，堆載的方式為5kPa堆載，穩(wěn)定后加下一級堆載、分別為10kPa堆載和15kPa堆載，監(jiān)測指標穩(wěn)定后，待每天沉降不超過2mm/d，再進行逐級卸載，試驗試抽后檢查試驗裝置的密封性，如發(fā)現(xiàn)漏氣則采取補漏措施進行補救。

圖1 試驗?zāi)Ｐ脱b置(單位;mm)

圖2 平面裝置示意(單位：mm)

圖3 試驗實體裝置圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 真空度

數(shù)據(jù)每兩個小時監(jiān)測一次，通過監(jiān)測結(jié)果得知模型箱的膜下真空度、排水板露出土表層彎折處的真空度，真空預(yù)壓聯(lián)合堆載試驗?zāi)は抡婵斩群团潘宀煌疃忍幷婵斩热鐖D3，試抽之后，泵中真空度很快上升穩(wěn)定在85～95kPa,隨之膜下真空度也迅速上升，真空曲線圖表明,膜下真空度最終穩(wěn)定在78～85kPa，膜下真空度始終要低于泵中真空度，穩(wěn)定后相比泵中真空度小10～15kPa左右。試抽真空一段時間后，真空度在傳遞過程中排水板和和土中不同深度處的變化趨勢基本一致，且隨著深度的增加呈現(xiàn)出一定量的衰減規(guī)律如圖4，曲線圖表明，排水板彎折處真空度相對膜下真空度下降了10～15kPa，排水板單位深度真空度下降1kPa左右，土中單位深度真空度下降1.2kPa左右，說明相同土中真空度沿程損失要比排水板快。

此外，當抽真空過程變形穩(wěn)定后進行逐級聯(lián)合堆載，上述試驗分別在第一級變形穩(wěn)定后，進行下一級堆載，模型箱分別進行5kPa，10kPa，15kPa的方式進行堆載，試驗曲線表明，真空聯(lián)合堆載并不影響膜下真空度的下降，但是排水板和土中不同深度的真空度在瞬時堆載后曲線出現(xiàn)明顯抖動現(xiàn)象，在堆載的瞬間排水板和土中不同深度處真空度出現(xiàn)5～8kPa的突增，這是因為在堆載的瞬間，外部荷載突然增加，總應(yīng)力增加，負壓增大，從而更好的通過排水板向土體傳遞真空度。此外，孔壓也出現(xiàn)類似的突增。

圖3 排水板和土中各測點真空度

圖4 真空度隨深度衰減曲線圖

2.2 孔壓

孔隙水壓力數(shù)據(jù)能夠有效的反應(yīng)土體固結(jié)的情況，孔壓計安裝在內(nèi)置鋼架上,孔壓計分別安裝土深30cm,60cm的位置，如圖5所示，土體不同深度孔壓隨時間的變化曲線呈現(xiàn)一定的遞減規(guī)律，試驗前，隨著深度的增加，孔壓初始值逐漸增大，抽真空開始時，土體孔隙水比較多，在真空壓力的作用下孔隙水很快被大量排出，孔壓下降比較明顯，甚至有些出現(xiàn)負壓的現(xiàn)象，一段時間后趨于穩(wěn)定，曲線圖表明模型箱抽真空15d土體中的孔壓消散基本達到穩(wěn)定，30cm處的孔壓值為-3.8kPa左右，60cm處孔壓值為-1.0kPa左右；此外，上述試驗在第20天、第30天和第40天分別進行逐級堆載，伴隨著土體總應(yīng)力增大，導(dǎo)致每次孔壓都出現(xiàn)一個上升的過程，土深30cm處孔壓出現(xiàn)0.7kPa左右的突增，60cm處孔壓出現(xiàn)1.0kPa左右的突增；最終土深30cm處的孔壓穩(wěn)定在-7.4kPa左右，土深60處孔壓穩(wěn)定在-4.5kPa左右，真空預(yù)壓聯(lián)合堆載完畢后，整個加固過程中孔隙水壓力不斷地消散，從而土體的有效應(yīng)力不斷增大，土體強度最終得到加強，土深30cm孔壓最終消散值10.4kPa，土深60cm孔壓消散值10.7kPa。

圖5 孔壓隨時間變化曲線圖

圖6 土表沉降隨時間變化曲線圖

2.3 沉降

用防水標簽紙在土體表面布置沉降標，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制表層沉降—時間關(guān)系如圖6,圖7所示，土體沉降初期沉降速率比較快，基本呈線性增長。曲線表明，抽真空初期，施加85kPa真空，沉降速率達到0.8cm/d，抽真空20天后，1號點的沉降逐漸穩(wěn)定8.2cm左右,2號點沉降穩(wěn)定6.5cm左右，其他各個點的沉降有類似的規(guī)律，之后再進行逐級堆載，由圖可知每一次堆載之后，沉降都會有所增加直至穩(wěn)定。由表可以看出，真空預(yù)壓聯(lián)合堆載期間實測表層沉降為7.3cm～12.6cm，這當中的沉降包括垂直壓縮產(chǎn)生的，也包括堆載后側(cè)向變形引起的附加垂直變形。

根據(jù)三點法公式，從曲線上取三點(s,t)，可推算最終沉降，進而計算地基沉降固結(jié)度情況。

(1)

(2)

式中：S1、S2、S3—t1、t2、t3時刻沉降量(mm),△S=t3-t2=t2-t1；

S∞—最終沉降量(mm)；

Ut—某時刻沉降固結(jié)度(%)。

卸載時，利用公式(1)～(2)推算土表沉降固結(jié)度結(jié)果匯總見表2：

圖7 土表沉降隨時間變化

表2 土表沉降固

圖8 測試點取樣平面示意圖

2.4 十字板剪切強度和加固后含水量

試驗結(jié)束后，分別取模型箱1/4區(qū)域進行試驗，如圖8 所示，在排水板附近，直角邊離排水板15cm,30cm,斜邊距離排水板15cm,30cm,45cm,共取7個點進行試驗，每個點分別在表層、距表層20cm、距表層40cm、距表層60cm的位置進行取土。根據(jù)加固后土體深度平分為4 層土體，分別測得每層土體分界線下十字板板頭高度范圍內(nèi)土體的4 個十字板剪切強度值和每層土體分界線下十字板板頭底邊處的4 個土樣含水量值[13]，土的含水率-深度曲線變化如圖9～圖10，曲線說明加固后土的含水率相對初始值在很大程度上均發(fā)生降低，土的初始含水率值為85%～116%，加固后的含水率為28%～53%，說明加固后土的工程性質(zhì)明顯得到改善且比單純真空預(yù)壓相同深度處的含水量要低5%～15%[13]，進一步說明真空聯(lián)合堆載的效果更佳。

圖9 直角邊含水量隨深度變化曲線

此外含水率隨深度變化情況與十字板剪切強度值符合加固效果規(guī)律，試驗前不同深度相同位置的剪切強度為0～0.5kPa左右，試驗后十字板抗剪強度～深度變化曲線如圖11～圖12所示，曲線表明排水板附近表層土體的抗剪強度最大且比單純真空預(yù)壓時相同深度處的十字板剪切強度要大0.6kPa～1.2kPa[13]，排水板附近土的剪切強度為10.3kPa，說明通過真空預(yù)壓聯(lián)合堆載之后土的抗剪強很快加強，土的工程性質(zhì)得到改善。

此外，同一深度距離排水板越遠抗剪強度反而越小，同一位置抗剪強度隨著深度的增加出現(xiàn)遞減規(guī)律，說明隨著滲流路徑的增加，土中孔隙水在真空負壓作用下的滲流變得更為困難，導(dǎo)致排水效果降低，因此土體的加固區(qū)影響范圍是至上而下，由近到遠擴散的，含水率隨著深度的增大而升高，同一分層含水率由近到遠逐漸減小。

圖11 直角邊抗剪強度隨深度的曲線變化

圖12 斜邊抗剪強度隨深度的曲線變化

3 結(jié)論

本文采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載試驗，通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并進行檢測結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

(1)真空預(yù)壓初期施加真空荷載造成較大的土表沉降,一段時間后沉降速率變化越來越小,在聯(lián)合堆載階段,由于堆載的瞬時作用,沉降速率突然增大之逐漸平穩(wěn)。最終,在真空荷載和堆載聯(lián)合作用下,沉降速率越來越慢,趨于平緩,并取得更好的加固效果。

(2)采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載法能夠更快加速土體固結(jié)沉降，其加固后土體平均總沉降量比真空預(yù)壓增加了近25%～30%；并且該方法能夠加速生成土體的固結(jié)，提高深層土體的抗剪強度，很大程度上提高了吹填土地基的有效應(yīng)力。

(3)抽真空初期,上體抗剪強度和固結(jié)收縮變形不斷增長,地基不會存在失穩(wěn)的現(xiàn)象,允許抽真空至最大載荷，可以提高聯(lián)合堆載階段的加載速率和土體穩(wěn)定性。

(4)采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載的方式加固吹填淤泥土地基，能在很大程度上減小土體的含水量和提高土體的抗剪強度，獲得更高的地基承載力，比單存的真空預(yù)壓更為有效。該方法不但可以短施工工期，而且很大程度上節(jié)約了工程成本，在吹填土地基處理工程中具有很好的應(yīng)用價值。

(5)此次試驗以部分試驗為基礎(chǔ)分析了真空預(yù)壓聯(lián)合堆載的加固效果，為了獲得更精確理論成果，還需要學者分析更多的現(xiàn)場試驗。

[1]曾芳金，位慧星，王軍，等.分層插板真空預(yù)壓法處理軟土地基的試驗研究[J].中國港灣建設(shè)，2014(3)：31-32.

[2]趙維炳, 唐彤芝,關(guān)云飛, 等.大面積吹填淤泥土表層快速硬化處理技術(shù)究報告[R].南京:南京水利科學研究院,2009.

[3]孫立強.超軟吹填土地基真空預(yù)壓理論及模型試驗的研究[D].天津：天津大學，2010.

[4]龔鐳,余文天.新吹填淤泥工程性質(zhì)變化特性研究[J].工程勘察, 2008(6): 23-25.

[5]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 ：62 - 93.

[6]唐彤芝, 黃家青, 關(guān)云飛, 等.真空預(yù)壓加固吹填淤泥土現(xiàn)場試驗研究[J].水運工程, 2010(4):115-122.

[7]胡利文, 王永平.真空預(yù)壓淤泥攪拌墻氣密性試驗分析與應(yīng)用技[J].巖土力學, 2005, 26(3) ,427-431.

[8]夏玉斌，陳允進.直排式真空預(yù)壓法加固軟土地基的試驗與研究[J].工程地質(zhì)學報，2010，18(3)：376-384.

[9]孫立強，閆澍旺，李偉，等.超軟土真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗研究[J].巖土力學，2011,32(4)：984-990.

[10]張澤鵬，李約俊，馮淦清.塑料排水板在真空預(yù)壓加固軟基中的作用，廣州大學學報(自然科學版)，2002，1(2)：68-71.

[11]李就好.真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法在軟基加固中的應(yīng)用[J].巖土學,1999,20(4):58-62.

[12]劉漢龍，李 豪，彭劫，等.真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟基室內(nèi)試驗研究[J].巖土工程學報，2004，26(1)：145-149.

[13]熊熙，王杰光，曹輝，等.真空聯(lián)合堆載預(yù)壓與堆載預(yù)壓軟土地基加固對比研究[J]． 路基工程，2012( 3) : 53 - 56．

[14]王軍，蔡袁強，符洪濤，等.新型防淤堵真空預(yù)壓法室內(nèi)與現(xiàn)場試驗研究[J]巖土工程學報，2014，33(6)：1261-1263.

汪小平(1973.1- )，男，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程方面的研究。

吳洪貴(1988.8- )，男，碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究。

王 軍(1980.02- )，男，教授，主要從事巖土工程方面的研究。

符洪濤(1987.05- )，男，講師，主要從事巖土工程方面的研究。

Indoor experiment on reclaimed silt foundation reinforced by vacuum combined with surcharge preloading

WANGXiaoping1WUHonggui1WANGJun2,3FUHongtao2,3

(School of Architectural and surveying and mapping engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000;2.College of architecture and Civil Engineering, Wenzhou 325035;3.Key Laboratory of Engineering and Technology for Soft Soil Foundation and Tideland Reclamation. Wenzhou University, Wenzhou 325035)

The imperfection of pumped The imperfection of pumped vacuum preloading with little vacuum pressure, pore water pressure dissipation slowly, clogging seriously, deep soil reinforcement ineffective, foundation elevation is not enough after soil reforcement, Vacuum combined with surcharge preloading method is proposed, in the process of vacuum preloading, through the pile load ,act as the need of backfill soil before the mechanical approach in later period ,with 5Kpa、10Kpa、15Kpa sand bags stacks manner,the level of foundation soil and the total stress increased, the reclaimed soil reinforce Quickly and effectively through the pile load, Experimental results show that using vacuum preloading combined with surcharge method can accelerate the soil pore water pressure dissipation and soil consolidation, the shear strength and moisture content of soil are also superior to ordinary vacuum preloading method ,This is show that new type of vacuum preloading combined with surcharge preloading can achieve better effect.

Pore water pressure; vacuum combined with surcharge preloading method; shear strength; reinforcement effect

汪小平(1973.1- )，男。

2015-09-26

TU4

A

1004-6135(2015)12-0068-05