不同形式排水固結(jié)法加固機(jī)理及特性研究

陸 泓 劉紅軍 鄧乃勻

（五邑大學(xué)土木建筑學(xué)院，廣東 江門 529000）

1 概述

目前在大面積軟基處理工程中，排水固結(jié)法憑借其施工工藝簡單及工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。常見的排水固結(jié)法以加載荷載種類不同可分為堆載預(yù)壓法及真空預(yù)壓法，以及基于這兩種工法發(fā)展而來的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法。近年來隨著工程研究以及施工工藝的不斷發(fā)展，科研人員也研發(fā)出各種新型的排水固結(jié)法如增壓式真空預(yù)壓[1]、低位真空預(yù)壓[2]以及直排式真空預(yù)壓[3]等。盡管上述各種排水固結(jié)法施工由于施工工藝等有所不同，但就其加固原理而言排水固結(jié)法均是通過排出軟基土體中的孔隙水及壓實(shí)軟基土體以增加原有軟基土體的抗剪強(qiáng)度，從而達(dá)到提高地基承載力及減少殘余沉降的目的。本文從有效應(yīng)力原理出發(fā)，針對目前工程中常用的三種排水固結(jié)法各自的加固形式、加固機(jī)理以及加固特性進(jìn)行分析闡述。

2 加固機(jī)理

2.1 堆載預(yù)壓法

堆載預(yù)壓法由美國工程師Moran 在1925 年提出并在美國加州一軟基加固工程中得到應(yīng)用。該法通過在軟基中打設(shè)砂井作為豎向排水通道并在軟基上堆載填土或其它重物以排出軟基中孔隙水，達(dá)到軟基加固目的。隨著技術(shù)與材料的不斷發(fā)展，目前工程中打設(shè)的豎向排水通道一般為袋裝砂井或塑料排水板。采用堆載預(yù)壓加固軟基施工簡圖如圖1 所示。

圖1 堆載預(yù)壓施工簡圖

堆載預(yù)壓施工中隨著堆載填土的進(jìn)行，施加在軟基上的總應(yīng)力不斷增加，軟基土體中產(chǎn)生正的超靜孔隙水壓力。當(dāng)堆載結(jié)束后，超靜孔隙水壓力值逐漸下降直至為0，土體的有效應(yīng)力隨著超靜孔隙水壓力的消散而增加。堆載預(yù)壓中對軟土地基施加的是豎向應(yīng)力△σ1，地基土體發(fā)生的是k0固結(jié)。在堆載預(yù)壓瞬間，土體的豎向有效應(yīng)力由σ10′變?yōu)棣?′，水平向有效應(yīng)力由σ30′變?yōu)橹力?′。隨著偏應(yīng)力的不斷增大，土體中剪應(yīng)力增大，可能導(dǎo)致土體有效應(yīng)力摩爾應(yīng)力圓與剪切破壞線相接，從而造成土體剪切破壞。圖2 是以應(yīng)力圓形式表示堆載預(yù)壓處理軟基過程中土體的強(qiáng)度增長原理，應(yīng)力圓A 表示加固前土體處于k0狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)軟基土體強(qiáng)度為τ0，堆載填土后土體有效應(yīng)力圓變化為A'，此時(shí)軟基土體強(qiáng)度增長為τ。當(dāng)施工結(jié)束卸去堆載填土后，軟基土體強(qiáng)度沿C'O'一線退回至D 點(diǎn)位置，此時(shí)軟基土體處于超固結(jié)狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度較原有抗剪強(qiáng)度提升了△τ。

圖2 堆載預(yù)壓軟基土體強(qiáng)度增長原理

由于堆載預(yù)壓中有效應(yīng)力是伴隨堆載產(chǎn)生的，且由于在預(yù)壓期結(jié)束后一般不會(huì)將堆載填土完全卸載，故地基土體中的有效應(yīng)力增量仍然存在。從微觀機(jī)理上看，堆載預(yù)壓中地基土體在上覆荷載作用下發(fā)生壓縮變形，土體中孔隙水被擠出，土體顆粒受外力作用下“被動(dòng)”發(fā)生變形及重新排列，并在該過程中也伴隨著顆粒破碎及填充，當(dāng)上覆荷載過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)土體破壞。由于堆載預(yù)壓加固機(jī)理，采用該法處理軟基時(shí)，土體中孔隙水和氣排出較為緩慢，這就導(dǎo)致堆載預(yù)壓工期普遍較長。

2.2 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法由瑞典W.Kjellman 教授在1952 年提出并在美國費(fèi)城國際機(jī)場跑道軟基加固工程中得到應(yīng)用。與堆載預(yù)壓不同，真空預(yù)壓法是通過建立排水及密封系統(tǒng)并利用真空泵進(jìn)行抽氣，在真空膜上下表面形成壓力差。真空壓力通過排水系統(tǒng)向軟基深處傳遞擴(kuò)展，軟土地基中產(chǎn)生負(fù)的超靜孔隙水壓力，實(shí)質(zhì)上真空作用相當(dāng)于對軟基施加一個(gè)負(fù)壓作用，真空預(yù)壓加固軟基施工簡圖如圖3 所示。

圖3 真空預(yù)壓施工簡圖

在真空預(yù)壓過程中，土體所受的總應(yīng)力沒有變化，而是由于負(fù)壓作用使孔隙水壓力降低，土體的有效應(yīng)力逐漸增加，土體強(qiáng)度得到提高。該加固過程為等壓固結(jié)過程，在真空預(yù)壓過程中，土體的總應(yīng)力σ 不變，隨著孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力隨之增加。

在真空預(yù)壓過程中土體的剪應(yīng)力沒有增加，故該工法處理軟基過程中并不存在穩(wěn)定問題，真空荷載可一次加載至最大值。真空預(yù)壓過程中，產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力為-△σ，由于孔隙水壓力為球應(yīng)力，故有效應(yīng)力增量為：△σ'1=△σ，△σ'3=△σ。加真空預(yù)壓后土體有效應(yīng)力圓由A 變化為A',此時(shí)軟基土體強(qiáng)度增長為τ，當(dāng)施工結(jié)束，停止抽氣后軟基土體強(qiáng)度沿C'O' 一線退回至D 點(diǎn)位置，軟基土體處于超固結(jié)狀態(tài)，此時(shí)抗剪強(qiáng)度提升了△τ。圖4表示以應(yīng)力圓形式表示采用真空預(yù)壓處理軟基過程中軟基土體的強(qiáng)度增長原理。

圖4 真空預(yù)壓軟基土體強(qiáng)度增長原理

由于真空預(yù)壓中有效應(yīng)力增長是由于真空作用帶來的負(fù)的超靜孔壓形成的，隨著真空作用的減小或消失，土體的有效應(yīng)力也隨之減小或消失，當(dāng)真空作用完全消失時(shí)，如無外加荷載，地基土體將處于超固結(jié)狀態(tài)。在真空預(yù)壓初期，在真空泵作用下，地基土體中的自由水和氣沿排水通道排出。從微觀機(jī)理上看，隨著真空作用的不斷進(jìn)行，地基土體中的孔隙水逐漸排出，土體顆粒開始重新排列，在外因下土體顆?！爸鲃?dòng)”重新調(diào)整排列，使得土體變得密實(shí)。在整個(gè)真空預(yù)壓過程中土體顆粒只是進(jìn)行重新排列，土體顆粒并不會(huì)破碎，一次加載也不會(huì)出現(xiàn)土體破壞現(xiàn)象。

2.3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法是由我國學(xué)者于20 世紀(jì)80 年代提出的概念，該法最早于1985 年應(yīng)用于天津新港碼頭堆場碼頭軟基處理工程中。由于真空預(yù)壓加固過程中不改變的土體的總應(yīng)力，且真空荷載不超過一個(gè)大氣壓并依賴于豎向排水通道來傳遞真空度，對于荷載較大及承載力要求較高的地基，單一的真空預(yù)壓或堆載預(yù)壓往往無法滿足工程需求。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓結(jié)合了真空預(yù)壓及堆載預(yù)壓的特性，聯(lián)合預(yù)壓加固軟基施工簡圖如圖5所示。

圖5 聯(lián)合預(yù)壓施工簡圖

聯(lián)合預(yù)壓法加固機(jī)理為真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓兩者機(jī)理互補(bǔ)[4]：在真空負(fù)壓作用下地基中的孔隙水壓力降低至負(fù)值，而在堆載正壓作用下地基中孔隙水壓力逐漸回升，在正負(fù)壓耦合效應(yīng)下土體中孔隙水加速排出，超靜孔隙水壓力消散比單一堆載預(yù)壓更快，采用聯(lián)合預(yù)壓處理效果好于單一預(yù)壓，聯(lián)合預(yù)壓加固軟基過程有效應(yīng)力變化如圖6 所示。

圖6 聯(lián)合預(yù)壓有效應(yīng)力變化

如圖7 所示，聯(lián)合預(yù)壓中前期的真空作用使土體有效應(yīng)力圓由A 變化為A', 后續(xù)堆載填土后使得土體有效應(yīng)力圓由A'變化為A''。當(dāng)施工結(jié)束后，軟基土體強(qiáng)度沿C'O' 一線退回至D 點(diǎn)位置，軟基土體處于超固結(jié)狀態(tài)，此時(shí)抗剪強(qiáng)度較原抗剪強(qiáng)度提升了△τ。在聯(lián)合預(yù)壓加固后土體抗剪強(qiáng)度提升值△τ 均大于單一預(yù)壓增加的抗剪強(qiáng)度值。

圖7 聯(lián)合預(yù)壓軟基土體強(qiáng)度增長原理

從微觀上看，在聯(lián)合預(yù)壓加固軟基過程中，在真空作用下土體顆粒因負(fù)壓作用而“主動(dòng)”重新調(diào)整排列，變的更加“緊密”；在堆載開始進(jìn)行后，土體顆粒因正壓作用“被動(dòng)”重新調(diào)整排列，細(xì)微顆粒之間孔隙被填充。相較真空預(yù)壓或堆載預(yù)壓，軟土地基經(jīng)聯(lián)合預(yù)壓處理后，土體將被壓縮得更加密實(shí)，物理力學(xué)性質(zhì)得到改善。綜上，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法進(jìn)行軟基處理可以看作軟基在正負(fù)壓耦合效應(yīng)下排水固結(jié)的過程，且由于正壓與負(fù)壓產(chǎn)生的超孔壓可以抵消一部分，這就使得在正負(fù)壓耦合效應(yīng)下處理軟基變得更加高效。

3 加固特性

3.1 孔隙水壓力

堆載預(yù)壓中伴隨堆載產(chǎn)生的是數(shù)值上大于靜水壓力的孔隙水壓力，超孔壓的存在使得土體中的自由水與孔隙水沿排水通道排出，隨著超孔壓的消散，土體的有效應(yīng)力也隨之增加。與堆載預(yù)壓不同，真空預(yù)壓中伴隨真空作用產(chǎn)生的真空滲流場使地基中產(chǎn)生的是數(shù)值上小于靜水壓力的孔隙水壓力，表現(xiàn)為負(fù)的超靜孔隙水壓力。

堆載預(yù)壓中利用超孔壓可以控制加載速率、推求地基固結(jié)度、確定下一級(jí)荷載大小與施加時(shí)機(jī)以及判斷土體加固效果。由于真空預(yù)壓不存在穩(wěn)定性問題，工程中利用超孔壓可以判定土體中有效應(yīng)力的變化時(shí)程、地基的強(qiáng)度增長、推求土體的固結(jié)度以及判斷土體加固效果。

3.2 土體側(cè)向位移

真空預(yù)壓過程中，表層土體受到的是等向的真空作用p 接近于等向固結(jié)，而對于較深土體更接近于一維固結(jié)。根據(jù)Chai[5]的試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)真空荷載大于土體的側(cè)向靜止土壓力時(shí)，土體會(huì)發(fā)生向加固區(qū)的側(cè)向位移。同時(shí)由于土體產(chǎn)生了向內(nèi)的變形，故在真空預(yù)壓中真空作用帶來的土體豎向位移值將小于等效荷載的堆載作用。Chai根據(jù)研究結(jié)果得出了真空預(yù)壓下地基土體側(cè)向位移及土體裂縫的計(jì)算式。

上式中，Zw為地下水位深度；Zc為豎向裂縫深度；Yt為土體重度；c'為土體有效黏聚力；Ka為土體的主動(dòng)土壓力系數(shù)。

堆載預(yù)壓過程中，地基土體在豎向附加應(yīng)力的作用下產(chǎn)生向加固區(qū)外的側(cè)向變形，根據(jù)曾國熙的計(jì)算推導(dǎo)，對于堆載預(yù)壓中最常見的矩形均布垂直荷載作用下土體中某點(diǎn)側(cè)向變形可表示為：

上式中，L 與B 為矩形基礎(chǔ)的長與寬；p 為荷載大小。

而對于真空聯(lián)合堆載預(yù)壓過程中，地基中土體的應(yīng)力狀態(tài)較單一預(yù)壓更加復(fù)雜，土體的側(cè)向變形是兩者的綜合。該工法中土體側(cè)向位移的變化分為兩個(gè)階段：真空預(yù)壓階段，地基土體在真空作用下產(chǎn)生沉降，加固區(qū)內(nèi)土體發(fā)生向內(nèi)的側(cè)向位移并在地基淺層產(chǎn)生裂縫；聯(lián)合預(yù)壓階段，在堆載作用下地基土體發(fā)生向加固區(qū)外的擠出變形且可能在地表產(chǎn)生隆起現(xiàn)象。故利用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土地基時(shí)，地基土體發(fā)生的向內(nèi)變形與向外變形可以抵消一部分，減少單一預(yù)壓對周圍環(huán)境的影響，取得更好的加固效果。

4 結(jié)論

本文基于有效應(yīng)力原理，對三種類型排水固結(jié)法加固軟土地基的加固機(jī)理、加固過程中軟基土體有效應(yīng)力變化以及土體微觀機(jī)理變化進(jìn)行闡述。由于加固機(jī)理與施工工藝的不同，不同的排水固結(jié)法的加固特性如側(cè)向位移及地基中超孔隙水壓力變化均有較大差異。而聯(lián)合預(yù)壓可以結(jié)合兩者的加固特性以達(dá)到更好的處理效果，但目前對于聯(lián)合預(yù)壓處理過程中穩(wěn)定性控制值仍是沿用堆載預(yù)壓中的控制值，后續(xù)仍需要結(jié)合聯(lián)合預(yù)壓本身特殊性予以修改。