真空或堆載荷載作用下土體變形對比試驗研究

顏立明，劉寶石

(中船勘察設計研究院有限公司，上海 200063)

隸屬于排水固結(jié)法的真空預壓法[1-3]，具有荷載可以一次性快速施加，且在加固的過程中地基不會產(chǎn)生向外的側(cè)向位移，不會發(fā)生失穩(wěn)破壞，以及施工過程中所用的機械設備較輕和成本相對較低等顯著優(yōu)勢，已在全國范圍內(nèi)得到大規(guī)模推廣應用[4-6]。

與真空預壓法大規(guī)模應用于工程實踐形成鮮明對比的是真空預壓法的機理解釋[7-8]明顯滯后于工程實踐[9]，其變形預測仍主要借鑒堆載預壓法[10-11]，目前的真空預壓法地基沉降計算中仍然將真空荷載等效為“堆載”[12]，土體的計算參數(shù)(如壓縮回彈系數(shù)等)通過常規(guī)單向壓縮試驗獲得。在實際工程和室內(nèi)試驗中，真空預壓沉降計算值與實測值往往相差較大，尤其卸荷階段真空預壓地基的實測回彈值遠小于計算值[13]。分析表明：真空預壓時地基土所承受的固結(jié)壓力各向相等[14-15]，而單向壓縮試驗中土樣的應力狀態(tài)接近于K0狀態(tài)，兩種荷載作用下的土體應力狀態(tài)存在顯著差異[16]，顯然用常規(guī)單向壓縮回彈試驗獲得的土體參數(shù)直接進行真空預壓工程的設計是不合理的。

室內(nèi)真空壓縮試驗或者模擬真空土體應力路徑的等向壓縮試驗的難度和耗時遠大于常規(guī)單向壓縮試驗，在真空預壓實際工程中，很難總是采用常規(guī)壓縮試驗之外的復雜試驗來確定土體的壓縮回彈參數(shù)。鑒于此，本文進行了真空荷載作用下土體的壓縮回彈試驗，并與相同試驗條件下的常規(guī)單向壓縮回彈試驗進行對比，總結(jié)歸納堆載與真空荷載作用下土體參數(shù)之間的近似定量關(guān)系，在真空預壓工程中，通過常規(guī)單向壓縮試驗，依據(jù)二者之間近似的定量關(guān)系，可以方便獲得適合真空預壓沉降計算的土體壓縮回彈參數(shù)，提高真空預壓地基變形的計算精度，在實際工程中具有推廣應用價值。

1 對比試驗

1.1 試驗目的

本次試驗通過真空荷載作用下土體的壓縮回彈試驗，與相同試驗條件下的常規(guī)單向壓縮試驗的結(jié)果進行對比，研究兩種不同荷載作用下土體在加卸荷階段的變形特性，總結(jié)歸納真空壓縮試驗的壓縮回彈參數(shù)與常規(guī)壓縮試驗之間的定量關(guān)系，改進真空預壓的沉降計算參數(shù)的取值方法。

1.2 試驗裝置

(1) 真空加載裝置。本文設計了真空荷載分級加載裝置，裝置由模型桶、真空泵、真空表和量測系統(tǒng)組成。排水體系由濾管、砂墊層組成，設置于模型槽底面，砂墊層中的濾管與由真空泵組成的抽真空裝置相連；量測系統(tǒng)由安裝在模型桶內(nèi)土樣表面的百分表和電接點真空表組成。本次試驗在水氣分離箱與模型桶之間加設一個四通閥，可以實現(xiàn)真空壓力分級加載，使土體在每級荷載下充分固結(jié)。初始將四通閥的閥門全部打開，啟動真空泵，通過調(diào)節(jié)閥門1的打開與關(guān)閉程度，調(diào)整電接點真空表的讀數(shù)至預先設定值，并按此規(guī)律逐級加載。真空加載裝置設計圖見圖1，真空試驗的裝置細部圖見圖2。

圖1 真空試驗裝置設計圖

(2) 堆載加載裝置。本次堆載試驗與常規(guī)單向壓縮試驗相同，采用自制杠桿式固結(jié)儀。模型槽內(nèi)徑為17 cm，固結(jié)儀杠桿比為14∶1，加載1 kg砝碼等效于在試樣表面作用6 kPa載荷。堆載預壓模型試驗裝置由大型固結(jié)儀、模型槽和百分表組成。堆載加載裝置圖見圖3。

圖2 真空試驗裝置細部圖

圖3 堆載試驗裝置圖

2 試驗方案

2.1 試驗用土

試驗用土為溫州海底淤泥吹填土，將溫州市龍灣區(qū)一帶經(jīng)水力吹填沿海海底的淤泥后沉積而成，此土為典型的軟黏土，具有高壓縮性、低滲透性，且處于流塑狀態(tài)，強度接近于0，主要物理力學指標如表1所示。為便于運輸及試驗期間土體特定含水率的配置，將溫州海底淤泥原狀土曬干、碾碎、篩分等環(huán)節(jié)制成干粉狀。采用BT-9300H型激光粒度分布儀對干粉狀溫州吹填土進行顆粒分析，測得的土樣粒徑級配曲線如圖4所示，從圖中可看出，吹填土的所有粒組都是細顆粒，黏粒含量超過66.28%，顆粒分析結(jié)果表明，土樣的不均勻系數(shù)為2.23，曲率系數(shù)為1.52，級配較差。

表1 土的物理力學性質(zhì)指標

圖4 顆粒級配曲線圖

2.2 試驗步驟

(1) 裝填土樣。試驗前將溫州粉狀吹填土樣曬干，配制含水率為57%的飽和土(與現(xiàn)場吹填沉積穩(wěn)定后、未經(jīng)處理的場地土體的含水率接近)，攪拌均勻。在模型槽底部鋪設2 cm厚的細砂墊層，將濾管置于砂墊層中，預壓砂墊層至密實后，鋪設濾膜。模型槽內(nèi)壁涂上一薄層凡士林，將處于流塑狀態(tài)的土樣分層放置于模型槽中，并不斷攪拌密實，土樣最終厚度為5 cm。真空試驗中，土樣裝填完成之后，在土樣表面鋪設一層濾膜和密封膜，沿模型桶四周將密封膜插入土樣表面以下，并在密封膜表面填入約3 cm厚淤泥狀高嶺土，高嶺土的高黏結(jié)性保證模型槽在抽真空過程中始終處于密封狀態(tài)。

(2) 儀器安裝。真空試驗中，在密封膜表層鋪設淤泥狀高嶺土之前，首先在密封膜表面放置百分表表座，以安置百分表，圖5為真空試驗裝置實物圖。堆載試驗中，在模型槽土樣表面放置濾板，將內(nèi)徑為15 cm厚的輕質(zhì)柱形模型桶倒置于濾板之上，模型桶底部與固結(jié)儀頂部傳壓板連接，并安裝百分表。

圖5 真空試驗裝置實物圖

(3) 荷載加載。圖5為真空試驗裝置實物圖，初始將四通管(見圖5)的三個閥門全部打開，啟動真空泵，通過調(diào)節(jié)閥門1的打開與關(guān)閉程度，調(diào)整電接點真空表中的值達到預設定值。堆載試驗在安裝好儀器之后，逐級加載砝碼，固結(jié)儀杠桿比為14∶1，加載到1 kg砝碼等效于在試樣表面作用6 kPa載荷。兩種試驗的各分級加載荷載相接近，荷載路徑如圖6所示，每級荷載加載之前，必須使上一級荷載作用下的土體全部固結(jié)完成，即百分表讀數(shù)保持不變。

加載全部結(jié)束之后，卸除裝置，取出土樣，測試壓縮回彈試驗完成之后的土樣的密度和孔隙比。

(a) 堆載荷載 (b) 真空荷載

2.3 試驗結(jié)果及分析

利用真空加載裝置與堆載裝置，對初始含水率為57%的土樣，進行三組平行試驗。試驗用土均為重塑土，土樣的基本物理性質(zhì)如表1所示。每組試驗中，真空與堆載試驗均采用相同批次的土樣以及完全相同的試驗條件。試驗過程中，觀測并記錄百分表讀數(shù)，計算各級荷載作用下土樣的壓縮量。試驗結(jié)果直接繪制e-lnP曲線，獲得壓縮指數(shù)λ和回彈指數(shù)κ。

表2 土樣物理力學性質(zhì)指標

試驗結(jié)果對比如圖7—圖10所示，從圖中可以看出，堆載荷載作用下的土體沉降速率明顯大于真空作用下土體的固結(jié)速率。在卸荷階段，堆載荷載作用下土體的回彈非常明顯，而真空荷載作用下的土體回彈甚微。真空試驗時，模型槽中的土體與模型槽周邊分離，即土體產(chǎn)生向內(nèi)的側(cè)向位移。當卸除真空壓力時，土體的橫向約束得到釋放，側(cè)向位移產(chǎn)生向外的恢復的趨勢，其導致的沉降與可能的回彈有所抵消。

圖7 1#試樣壓縮e-lnP曲線對比圖

圖8 2#試樣壓縮e-lnP曲線對比圖

圖9 3#試樣壓縮e-lnP曲線對比圖

圖10 真空試驗與堆載試驗結(jié)果對比圖

對圖7—圖10曲線進行線性擬合，得到每一組試驗中真空與堆載荷載作用下土體的壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)以及二者的定量比值，如表3所示。

表3 真空與堆載壓縮試驗土樣的壓縮回彈參數(shù)

由表3可見，堆載試驗與真空試驗獲得的土體壓縮指數(shù)比值為1.09～1.23之間，堆載試驗的回彈指數(shù)為真空試驗的9.55～12.74倍。分析堆載試驗與真空試驗下土體的應力路徑，在真空加載階段，土體的應力狀態(tài)相當于無側(cè)向變形加壓和側(cè)向加壓兩種作用過程的結(jié)合，土體產(chǎn)生向內(nèi)的側(cè)向位移阻礙了土體的部分沉降；在真空卸荷階段，土體的應力狀態(tài)相當于無側(cè)向變形減壓回彈和側(cè)向減壓兩種作用過程的結(jié)合，真空壓力的卸除，令地基的橫向約束釋放，其導致的沉降與土體回彈局部抵消，為堆載荷載作用下的土體回彈指數(shù)遠大于真空荷載的主要原因。施建勇等[16]從彈性理論出發(fā)，不考慮應力路徑對泊松比的影響，線彈性材料在無側(cè)向變形條件下的豎向壓縮量約為等向壓縮條件下的1.86倍，以及模擬真空預壓應力路徑的等向壓縮試驗，常規(guī)壓縮試驗的壓縮指數(shù)為等向壓縮試驗的壓縮指數(shù)的1.1倍～1.4倍之間，與本文試驗結(jié)果比較一致。

2.4 真空預壓加固地基的變形規(guī)律

真空預壓加固軟土地基區(qū)別于堆載預壓的一個明顯的特征，就是真空預壓地基加固過程中，施加在地基上的是中性壓力，相應的土體有效應力將產(chǎn)生指向加固區(qū)中心的側(cè)向位移，加固區(qū)周邊的土體受到拉伸作用，甚至產(chǎn)生裂縫。從堆載試驗與真空試驗中土樣的變形情況可以看出，各組試驗的土樣變形情況基本相同，本文只選擇其中一組試驗作詳細說明，如圖11所示。由圖11(a)可見，堆載試驗之后土樣無側(cè)向位移；而從圖11(b)中可以明顯觀測到真空試驗之后土樣與模型槽周邊分離，此現(xiàn)象說明在堆載預壓加固地基過程中，土體無向內(nèi)的側(cè)向位移，而真空預壓地基將會產(chǎn)生向內(nèi)的側(cè)向位移，即當卸除真空壓力時，地基的橫向約束得到釋放，其導致的沉降與可能的回彈有所抵消，導致實際工程或者實驗過程中，土體的回彈量遠遠小于堆載預壓工程中地基的回彈量。

圖11 真空或堆載荷載作用下土體的變形特點

3 結(jié) 論

本文利用自制杠桿式固結(jié)儀，對初始物理性質(zhì)完全相同的土樣，分別進行了真空試驗與堆載試驗，試驗結(jié)果表明：

(1) 堆載試驗中土體的壓縮指數(shù)為真空試驗中土體的壓縮指數(shù)的1.09～1.23倍，堆載試驗的回彈指數(shù)為真空試驗的9.55～12.74倍。

(2)土體受真空荷載作用，與堆載作用相反，加載過程中只產(chǎn)生向中心區(qū)收縮的位移，不會產(chǎn)生側(cè)向擠出位移，無側(cè)向失穩(wěn)風險。