軟土堆載預(yù)壓處理離心模型試驗(yàn)研究

李從保，李從安

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心 安徽 合肥 230088；2.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引言

近年來，我國在東南沿海地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，但由于沿海地質(zhì)形成的特殊性，多分布著壓縮性高、強(qiáng)度低淤泥或淤泥質(zhì)軟土，在建設(shè)中經(jīng)常遇到軟土。為了滿足道路和場地對強(qiáng)度和變形要求，需要對軟土地基進(jìn)行處理，沿海地區(qū)深厚軟土地基處理多采用塑料排水板加堆載預(yù)壓處理軟弱地基，而排水板處理的深度有限，對于深厚軟土地基中排水板未處理土層后期沉降還有待研究[1-3]。

土工離心機(jī)試驗(yàn)通過離心力模擬重力，按相似準(zhǔn)則將原型的幾何尺寸按比例縮小，并用相同物理性狀土體制成模型，以研究相似工程性狀。在軟土固結(jié)沉降離心機(jī)試驗(yàn)研究中，將原型縮小N倍制成相關(guān)模型，其模型應(yīng)變?yōu)樵偷?/N倍，模型的固結(jié)時(shí)間為原型的1/N2倍[4]。本文以某沿海吹填造陸工程為背景，根據(jù)現(xiàn)場軟土地基沉降觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[5-6]，開展深厚軟土地基堆載固結(jié)沉降離心模型試驗(yàn)研究[7-8]。通過離心模型試驗(yàn)來預(yù)測未來3～5年，甚至更長時(shí)間內(nèi)經(jīng)預(yù)壓處理后的軟土地基工后總沉降，對地基處理效果進(jìn)行評價(jià)，并為下部未處理范圍內(nèi)軟土的長期工后沉降提供設(shè)計(jì)參考。離心模型結(jié)果可以為進(jìn)一步三維數(shù)值分析提供設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)也為同類工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)?zāi)M方法

1.1 原型概況

該填海造陸工程總用地面積約450萬m2。場地原為近海灘涂和水下淺灘，現(xiàn)經(jīng)圍海、集淤、吹砂成陸，分層吹填砂至1985國家高程+2.0 m，然后打設(shè)塑料排水板，回填開山石至+8.0m～+10.0 m進(jìn)行堆載預(yù)壓地基處理，約半年后滿足卸載條件卸載整平至+4.8 m形成最終陸域。

工程場地主要分布Ⅲ2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和Ⅳ1粉質(zhì)黏土，均屬于含水率和壓縮性較高的天然軟土，軟土發(fā)育深厚，底標(biāo)高約從-30 m～-60 m不等。地基處理所采用的塑料排水板+堆載的處理方法中塑料排水板未能穿透整個(gè)軟土層(排水板處理深度約-28 m高程)，處理層下部存在最深約30 m左右的軟弱土層。由于深厚軟弱下臥層的存在，工后沉降易在樁側(cè)產(chǎn)生下拉荷載作用，降低樁基承載力，給上部構(gòu)筑物帶來安全隱患。因此，本試驗(yàn)對軟土地區(qū)對于堆載預(yù)壓工后沉降進(jìn)行研究。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)是在長江科學(xué)院CKY-200型巖土離心試驗(yàn)機(jī)(見圖1)上進(jìn)行的。模型箱尺寸為1.0 m×0.8 m×0.4 m(長×寬×高)其最大容量為200 g·t，最大離心加速度為200 g，有效半徑為3.7 m。

圖1 CKY‐200巖土離心機(jī)

1.3 模擬對象及模型尺寸

根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果，現(xiàn)場土層主要為3類，現(xiàn)場勘查測得土樣參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缛鐖D2所示。模型經(jīng)預(yù)固結(jié)完成后插入塑料排水板，后進(jìn)行40 mm填沙層和60 mm堆石料進(jìn)行堆載預(yù)壓，離心率N=100 g。原型與模型比例為1：100，即將原型尺寸縮小100倍，置于離心機(jī)模型箱中，通過離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)至100倍重力加速度，使模型達(dá)到與原型相同的應(yīng)力場，實(shí)現(xiàn)模型與原型應(yīng)力應(yīng)變相等的目的。

孔隙水壓力消散是土體固結(jié)過程中的關(guān)鍵問題，因此通過對水壓力消散過程進(jìn)行量綱分析，可以獲得相應(yīng)的固結(jié)問題的相似比。衡量超靜孔隙水壓力消散程度的指標(biāo)是固結(jié)度，而固結(jié)度與固結(jié)時(shí)間因子直接相關(guān)。固結(jié)時(shí)間因子定義為：

式中，Cv是固結(jié)系數(shù)，t是固結(jié)時(shí)間，H為排水路徑長度。Tv是無量綱數(shù)，因而模型和原型具有相同的數(shù)值，即

通常情況下，模型與原型采用相同的土體，即具有相同的固結(jié)系數(shù)，因此固結(jié)時(shí)間相似比為1：N2(模型：原型)[9]。這樣，實(shí)際工程中需要一年完成的固結(jié)，如果在離心機(jī)中采用100 g的離心加速度，只需要52 min就可以完成。

表1 原型底層參數(shù)表

圖2 模型材料及制備(單位：cm)

1.4 填筑材料的模擬

為了真實(shí)模擬現(xiàn)場Ⅲ2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的性質(zhì)，本次試驗(yàn)土樣為促淤圍涂工程現(xiàn)場取樣，模型試驗(yàn)Ⅲ2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土土性參數(shù)如表2所示。

1.5 塑料排水板模擬方法

原型現(xiàn)場采用塑料排水板加速軟土地基固結(jié)排水，故模型試驗(yàn)中采取對應(yīng)措施加速軟土固結(jié)排水。由于模型縮尺后難以找到與排水板尺寸相一致的模擬材料，將塑料排水板按等周長換算為圓截面排水體，根據(jù)公式(1)換算得到排水板當(dāng)量直徑Dp：

圖3 模型排水體施工圖

式中：b為塑料排水板寬度，現(xiàn)場試驗(yàn)b=100 mm；δ為排水板厚度，原型為4.5 mm；α為換算系數(shù)，取值0.902。換算得到當(dāng)量直徑為60 mm，若按模型率N=100進(jìn)行縮尺模型排水體直徑為0.6 mm?，F(xiàn)場排水板間距為1.3 m，等邊三角形布置，則原型有效排水直徑為1.365 m，根據(jù)離心模型模型排水體與原型排水板井徑比等效原則(λp＝λm)，λp=22.75，模型試驗(yàn)中為便于施工，選取模型排水板間距為20 mm×20 mm，正方形排列，有效排水直徑de=1.13l=22.6 mm，排水體直徑為為1 mm，模型試驗(yàn)采用兩根透水濾芯捻為一根，模型試驗(yàn)中在側(cè)向土壓力作用下，實(shí)際排水通道可達(dá)到1 mm的理論設(shè)計(jì)值。模型預(yù)固結(jié)完成后，將模型表層放樣為20 mm×20 mm的方格網(wǎng)，將細(xì)合金管在長度為300 mm處刻畫標(biāo)記，再采用合金管將透水濾芯緩緩插入粉細(xì)砂層下的淤泥層中，再將合金管緩緩提起。塑料排水板處理的地基長度為260 mm，模型箱寬度為400 mm，共需要約1000根排水體。圖3為模型塑料排水體施工圖。

1.6 模型監(jiān)測

模型試驗(yàn)制作過程中Ⅳ-2層和Ⅲ層頂面預(yù)埋沉降監(jiān)測管，采用激光位移傳感器監(jiān)測Ⅳ-2層和Ⅲ層和地表沉降，同時(shí)沿Ⅱ-1層底面，垂直間距100 mm位置放置三個(gè)孔壓傳感器，監(jiān)測固結(jié)過程中孔隙壓力變化。模型監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示。

1.7 試驗(yàn)過程

(1)對原型土樣進(jìn)行晾曬破碎后過5mm篩，②1層土樣含水率為50%，③層土樣含水率為30%，④2層含水率為24%備樣，對Ⅲ、Ⅳ-2倒入模型箱中分層擊實(shí)，②1層按設(shè)計(jì)含水率靜置后攪拌均勻倒入模型箱中，預(yù)埋孔壓傳感器。

表2 模型III2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土參數(shù)表

圖4 模型傳感器監(jiān)測布置圖

(2)將模型吊入離心機(jī)中運(yùn)行約25 min，完成模型的初始固結(jié)，停機(jī)吊出模型箱，稱量模型排水質(zhì)量，同時(shí)選取專用套管沿深度對模型進(jìn)行取樣，測量模型不同深度含水，采用微型十字板沿深度測量模型的不排水抗剪強(qiáng)度。

(3)稱量40 mm厚所需吹填砂質(zhì)量，采用砂雨法均勻散落在淤泥層頂面，按設(shè)計(jì)間距采用細(xì)合金管將裁定好的毛線緩慢插入淤泥層中，淤泥成毛線長度為26 cm，后在吹填砂層添加6 cm厚的堆石料，表面整平；

(4)將模型箱吊入離心機(jī)中，架設(shè)位移傳感器，傳感器調(diào)試完成后，開機(jī)進(jìn)行模型試驗(yàn)加載，按20 g為一級，逐級加載至100 g，穩(wěn)定運(yùn)行4.35 h，如圖5所示，模擬工后5年地基沉降變形。

(5)穩(wěn)定運(yùn)行完成后，停機(jī)，采用微型十字板測量試驗(yàn)后模型不同深度不排水強(qiáng)度，并進(jìn)行環(huán)刀取樣，測量不同深度淤泥密度及函水率。

2 成果分析

2.1 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測沉降觀測曲線如圖6，采用雙曲線法對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，雙曲線法是利用實(shí)測沉降數(shù)據(jù)推算滿載穩(wěn)定情況下地基最終沉降量的常用方法。如式(5)所示。

圖5 離心加速度‐時(shí)間的關(guān)系

式中，S0為t=0時(shí)刻對應(yīng)初期沉降量，St為任意t時(shí)刻對應(yīng)沉降量，t0為所選取初始沉降對應(yīng)時(shí)間，α和β均為與沉降時(shí)間和沉降量有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。經(jīng)過沉降公式變換與實(shí)測數(shù)據(jù)圓滑處理，以沉降量計(jì)算數(shù)據(jù)曲線圖為基礎(chǔ)，繪制(t-t0)(St-S0)與t-t0關(guān)系曲線圖，如圖7、圖8所示。通過離心機(jī)試驗(yàn)得出，超軟土地基土體A3-7和A3-8的堆載預(yù)壓322天沉降量分別為1738 mm和1655 mm，根據(jù)雙曲線擬合后，得到最終沉降量分別為2101 mm和2026 mm，堆載322天地基固結(jié)度分別為82.7%和81.7%

2.2 離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 地層沉降

圖6 地表沉降監(jiān)測圖

圖7 編號A3‐7線性回歸曲線

圖8 編號A3‐8線性回歸曲線

離心模型試驗(yàn)測量得到沉降隨時(shí)間的變化關(guān)系，換算成原型比尺如圖9。試驗(yàn)得到堆載322天，地基沉降量為1728 mm，地基固結(jié)度約為82%，與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果一致。其中④2層、③層和②1層沉降量分別為244 mm、407 mm和1077 mm。堆載5年后工后地表沉降量為320 mm，其中④2層、③層和②1層沉降量分別為30 mm、75 mm和215 mm。

圖9 離心機(jī)模擬試驗(yàn)豎向位移圖

2.2.2 孔壓

試驗(yàn)開始前在Ⅲ層頂面及以上100 mm、200 mm位置布置孔壓傳感器KY-1、KY-2和KY-3，監(jiān)測運(yùn)行過程中孔壓變化如圖10，以開始堆載后一年為工后沉降起點(diǎn)，試驗(yàn)得到工后5年內(nèi)孔壓消減 12～20 kPa。

圖10 離心機(jī)模擬試驗(yàn)孔壓圖

2.2.3 含水率及強(qiáng)度

試驗(yàn)將按給定密度與含水率的土樣制備成樣，分層裝入模型箱中，100 g工況下穩(wěn)定運(yùn)行25 min完成預(yù)固結(jié)過程，預(yù)固結(jié)完成后停機(jī)，測量土樣分層含水率，采用微型十字板測量土體初始強(qiáng)度，如圖11，初始固結(jié)完成后進(jìn)行模型表面堆載，100 g穩(wěn)定運(yùn)行4.35 h后停機(jī)，測定模型含水率、密度及土體強(qiáng)度如圖12所示，從圖中可以看出，打入排水板預(yù)壓排水后，Ⅱ-1層含水率分布隨深度增加逐漸增大，表層含水率降低達(dá)11.6%，而排水板以下未處理部分含水率變化不明顯；Ⅱ-1層土體不排水強(qiáng)度隨深度增加亦逐漸增大，土體強(qiáng)度較未排水前提高2倍以上，排水板處理范圍內(nèi)土體強(qiáng)度提高明顯。試驗(yàn)結(jié)結(jié)束后對Ⅱ-1層進(jìn)行環(huán)刀取樣，測得土體平均干密度為1.28 g/cm3。

圖11 預(yù)固結(jié)完成模型不排水強(qiáng)度及含水率(單位：cm)

圖12 試驗(yàn)完成后土體強(qiáng)度、密度含水率分布圖

3 結(jié)論

通過離心模型試驗(yàn)研究軟土地基堆載預(yù)壓固結(jié)過程中土體沉降量，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，離心試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致，試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)堆載預(yù)壓地基最終沉降量約為2080 mm，堆載322天地基固結(jié)度達(dá)82%，工后5年地表沉降量為32 mm，其中④2層、③層和②1層沉降量分別為30 mm、75 mm和215 mm，分布占地基總沉降量的9.3%、23.4%和67.2%。

(2)塑料排水板+堆載預(yù)壓處理地基可以有效提高地基強(qiáng)度。采用排水板處理后，Ⅱ?qū)油馏w不排水強(qiáng)度隨深度增加逐漸減小，含水率隨深度增加逐漸增大。Ⅱ?qū)颖韺油馏w含水率降低達(dá)11.6%左右，土體不排水強(qiáng)度提高5倍，底層土體強(qiáng)度提高約2倍，排水板以下未處理部分含水率未發(fā)生明顯變化。

(3)通過離心機(jī)試驗(yàn)分析，該工程采用塑料排水板+堆載預(yù)壓一年后軟土固結(jié)度可達(dá)80%以上，工后沉降較小，滿足后期項(xiàng)目建設(shè)。同時(shí)堆載預(yù)壓處理工程造價(jià)相對較低，施工難度小，該處理方案在類似項(xiàng)目中值得推廣。