真空預(yù)壓處理吹填土的壓縮率計(jì)算方法研究

張?jiān)贫?瑾

（中交（天津）生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461）

引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對(duì)外開放的進(jìn)一步深入，沿海各港口對(duì)土地的需求日益增加，因此吹填造地工程便大規(guī)模的開展起來。真空預(yù)壓地基處理技術(shù)作為一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)的大面積處理軟基的方法，在吹填造地工程中得到了廣泛的應(yīng)用，也積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)[1]。但與真空預(yù)壓技術(shù)取得廣泛應(yīng)用并積累大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)形成鮮明對(duì)比的是，目前真空預(yù)壓技術(shù)的理論研究相對(duì)滯后，實(shí)踐中遇到的很多問題還停留在靠經(jīng)驗(yàn)解決的階段[2-3]，如吹填土在真空預(yù)壓荷載下的沉降計(jì)算，還只能靠估計(jì)其壓縮率的方式計(jì)算沉降量，一般設(shè)計(jì)中采用的吹填土的壓縮率取值范圍是20 %～40 %[4-5]。

由于吹填土在吹填過程中形成的橫向不均勻、成層性較差、欠固結(jié)的特點(diǎn)，導(dǎo)致吹填土在真空預(yù)壓荷載下的沉降難以采用如分層總和法、規(guī)范法等比較適宜成層性較好的土的沉降計(jì)算方法，而目前吹填土沉降計(jì)算又沒有成熟的理論方法，因此吹填土的沉降量大多數(shù)時(shí)候主要是靠經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，因而計(jì)算結(jié)果不嚴(yán)謹(jǐn)[6-8]，說服力較差。

對(duì)于特定的土而言，塑性指數(shù)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的參數(shù)，能否找出真空預(yù)壓后土的物理性質(zhì)參數(shù)與塑形指數(shù)的關(guān)系，從而根據(jù)土的塑性指數(shù)預(yù)測(cè)真空預(yù)壓后的物性參數(shù)如含水率、孔隙比和密度，進(jìn)而結(jié)合真空預(yù)壓前土的物性參數(shù)如含水率、孔隙比和密度預(yù)測(cè)吹填土的壓縮率，從而為吹填土壓縮率的估算提供依據(jù)，提高吹填土沉降計(jì)算的準(zhǔn)確性和結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性。

1 理論方法研究

1）通過對(duì)真空預(yù)壓前后各土樣物理性質(zhì)參數(shù)的深入研究并進(jìn)行篩選后，選擇了真空預(yù)壓前后的含水率ω1，ω2，密度ρ1，ρ2，和土顆粒比重G共5個(gè)指標(biāo)作為吹填土壓縮率計(jì)算的關(guān)鍵指標(biāo)。

2）通過一系列的公式推導(dǎo)，得到了采用以上五個(gè)土的物理性質(zhì)指標(biāo)計(jì)算吹填土壓縮率的計(jì)算公式，見以下三個(gè)公式：

式中：

ω1，ω2為處理前后土的含水率（%）；

ρ1，ρ2為處理前后土的密度（g/cm3）；

G為土顆粒的比重。

3）通過勘察取樣和土工試驗(yàn)的方式得到真空預(yù)壓前土的含水率ω1、密度ρ1和土顆粒比重G。

4）通過真空預(yù)壓后土的含水率、密度與土的塑性指數(shù)的關(guān)系預(yù)測(cè)真空預(yù)壓后土的含水率ω2和密度2ρ。

該方法的前三步，目前都能得到較好的解決，但對(duì)于方法的第四步，如何確定真空預(yù)壓后土的含水率、密度與塑性指數(shù)的關(guān)系，由于缺少相應(yīng)的試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)資料，因此難以確定各指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，更無法運(yùn)用這種關(guān)系預(yù)測(cè)相關(guān)指標(biāo)。因而確定真空預(yù)壓后土的含水率、密度和塑性指數(shù)的關(guān)系，確定其預(yù)測(cè)公式，就成為本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究分析真空預(yù)壓后土樣的含水率、密度、孔隙比等物理性質(zhì)參數(shù)與塑性指數(shù)的關(guān)系，共取得了三地、四種不同性質(zhì)的土樣，分三次進(jìn)行真空預(yù)壓模型試驗(yàn)，從而為研究提供依據(jù)。匯總的歷次試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)參數(shù)及顆粒分析見表1。

表1 各土樣物性參數(shù)

累計(jì)共進(jìn)行了三次真空預(yù)壓模型試驗(yàn)，第一次為連云港土樣（兩個(gè)模型，編號(hào)分別為1-1#，1-2#）和馬來檳城1 土樣（兩個(gè)模型，編號(hào)分別為2-1#，2-2#），第二次為馬來檳城2 土樣（三個(gè)模型，編號(hào)分別為3-1#，3-2#，3-3#），第四次為濱州土樣（三個(gè)模型，編號(hào)分別為4-1#，4-2#，4-3#）。每次試驗(yàn)均基本遵循相同的試驗(yàn)思路，主要試驗(yàn)步驟如下：

1）將取得的土樣攪拌均勻，并從每個(gè)土樣中取得少量的土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，以確定試驗(yàn)前土樣的物理力學(xué)性質(zhì)。

2）將試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯翗臃湃氤檎婵彰芊庋b置中，裝置為單體正方柱體，正方柱底邊長為20 cm，柱高為30 cm，塑料排水板寬度為5 cm，采用同一真空氣源，按現(xiàn)場(chǎng)真空預(yù)壓地基處理的密封形式、加載流程等要求進(jìn)行抽真空試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

3）試驗(yàn)監(jiān)測(cè)：按真空預(yù)壓，巖土工程監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求進(jìn)行膜下真空度、膜頂沉降等指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，直至土樣變形穩(wěn)定為止。

4）試驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)：達(dá)到卸載標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行土的物理、力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)，并測(cè)定土樣的微型十字板抗剪強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)及卸載

初期抽真空時(shí)，為防止排水板淤堵，每次試驗(yàn)均將真空壓力分三級(jí)加載，分別為20 kPa、40 kPa和85 kPa。每次真空預(yù)壓試驗(yàn)抽氣時(shí)間約12 天，并按照真空預(yù)壓巖土工程監(jiān)測(cè)的變形觀測(cè)要求，待土樣變形基本穩(wěn)定時(shí)，即停止抽真空，各土樣沉降觀測(cè)曲線見圖2。

圖2 時(shí)間～沉降曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 土樣試驗(yàn)前后物理力學(xué)參數(shù)的對(duì)比

將抽真空試驗(yàn)前后變化比較大的物理性質(zhì)參數(shù)如含水率、孔隙比、濕密度、液性指數(shù)，以及力學(xué)參數(shù)如微型十字板抗剪強(qiáng)度等進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 試驗(yàn)成果對(duì)比

從歷次試驗(yàn)各土樣的物性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)的變化可以看出，試驗(yàn)前后土樣的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化，含水率均不同程度的明顯降低、孔隙比明顯減小、濕密度明顯增大、液性指數(shù)明顯減??；十字板抗剪強(qiáng)度則明顯增大。對(duì)比結(jié)果表明，真空預(yù)壓試驗(yàn)對(duì)改善各土樣的物理力學(xué)性質(zhì)起到了明顯的效果，試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果。

3.2 試驗(yàn)后土樣物性參數(shù)與塑性指數(shù)的關(guān)系分析

此外通過搜集天津臨港、南港、黃驊、濱州、青島等地的真空預(yù)壓地基處理檢測(cè)資料，結(jié)合以上試驗(yàn)成果，得到真空預(yù)壓后土體的含水率、孔隙比、濕密度、與塑性指數(shù)的函數(shù)關(guān)系，具體見圖3～圖5。

圖3 含水率與塑性指數(shù)的關(guān)系

圖4 密度與塑性指數(shù)的關(guān)系

圖5 孔隙比與塑性指數(shù)的關(guān)系

從圖3 真空預(yù)壓試驗(yàn)后土體的含水率與塑性指數(shù)的關(guān)系可看出，兩者有良好的正線性關(guān)系，且兩者的相關(guān)性較好，屬于中～高度相關(guān)，其所顯示的規(guī)律是隨著塑性指數(shù)的增大，真空預(yù)壓試驗(yàn)后土體的含水率升高。結(jié)合各組土樣試驗(yàn)前后的力學(xué)性質(zhì)可知，雖然塑性指數(shù)大的土試驗(yàn)后的含水率也高，但其強(qiáng)度卻不比塑性指數(shù)相對(duì)低的土的強(qiáng)度低，甚至其抗剪強(qiáng)度還明顯比塑性指數(shù)低的土大。

圖4 真空預(yù)壓試驗(yàn)后土體的密度和塑性指數(shù)的關(guān)系可看出，兩者有良好的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，且兩者的相關(guān)性較好，屬于中～高度負(fù)相關(guān)，其所顯示的規(guī)律是隨著塑性指數(shù)的增大，真空預(yù)壓試驗(yàn)后土體的密度減小。

圖5 真空預(yù)壓試驗(yàn)后土體的孔隙比和塑性指數(shù)的關(guān)系可看出，試驗(yàn)后土樣的孔隙比與塑性指數(shù)有良好的正線性關(guān)系，且相關(guān)性較好，屬于中～高度相關(guān)，其所顯示的規(guī)律是隨著塑性指數(shù)的增大，真空預(yù)壓試驗(yàn)后土體的孔隙比增大。

由以上含水率、濕密度、孔隙比與塑性指數(shù)的擬合優(yōu)度R2可以看出，三個(gè)指標(biāo)與塑性指數(shù)的相關(guān)性大小類似，主要是由于這三個(gè)指標(biāo)存在一定的相關(guān)性，密度和孔隙比均是含水率的函數(shù)，因而各擬合優(yōu)度基本大小類似，若僅通過含水率與孔隙比和密度的函數(shù)關(guān)系計(jì)算這兩個(gè)指標(biāo)，則這兩個(gè)指標(biāo)的準(zhǔn)確性就完全依賴于含水率的準(zhǔn)確性了。但通過三個(gè)指標(biāo)的分別預(yù)測(cè)，可減小單個(gè)指標(biāo)誤差的連鎖影響，進(jìn)而提高目標(biāo)指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程地質(zhì)

將以上研究成果應(yīng)用于天津臨港北港池北側(cè)施工區(qū)地基處理項(xiàng)目，地基為吹填土地基，采用真空預(yù)壓法進(jìn)行地基處理。場(chǎng)地?cái)M處理的軟土層主要是上部的吹填土層和下部原位淤泥土層，各土層詳見表3。

表3 土層及參數(shù)

4.2 吹填土層壓縮率分析

以場(chǎng)地A2 區(qū)（直排式真空預(yù)壓工藝，總面積約11 萬m2）某小分區(qū)和B 區(qū)（直排式真空預(yù)壓工藝，總面積為35 萬m2）某小分區(qū)為研究區(qū)域，以0～6 m 深度內(nèi)的吹填土為主要分析對(duì)象，結(jié)合地基處理前后的鉆探取樣資料，以及地基處理期間的分層沉降監(jiān)測(cè)資料，綜合分析場(chǎng)地吹填土的壓縮率，主要成果見表4。

表4 分析成果

表4 中土層的壓縮率為處理前后土層體積的變化量與其初始體積的比值；從表4 的綜合分析成果表可看出，采用塑性指數(shù)預(yù)測(cè)的含水率、密度計(jì)算得到的吹填土預(yù)測(cè)壓縮率比地基處理后鉆探取樣得到的含水率、密度計(jì)算得到的實(shí)際壓縮率小，比分層監(jiān)測(cè)資料計(jì)算的監(jiān)測(cè)壓縮率也小。預(yù)測(cè)壓縮率與實(shí)際縮率的誤差平均為21.2 %，而監(jiān)測(cè)壓縮率與實(shí)際壓縮率的誤差平均為12.1 %。

預(yù)測(cè)壓縮率與實(shí)際壓縮率的誤差較大主要原因可能是由于采用以上公式預(yù)測(cè)的含水率偏大、密度偏小，最終導(dǎo)致預(yù)測(cè)的壓縮率偏小。表4 中，A2區(qū)的預(yù)測(cè)含水率比實(shí)際含水率高2.8 %，預(yù)測(cè)密度比實(shí)際密度小0.02，而B 區(qū)預(yù)測(cè)含水率比實(shí)際含水率高5.3 %，預(yù)測(cè)密度比實(shí)際密度小0.04。因此，為減小預(yù)測(cè)的誤差，若將含水率預(yù)測(cè)值再減小3 %～5 %，將密度的預(yù)測(cè)值再減小0.02～0.04，則可將預(yù)測(cè)的壓縮率誤差減小至5 %以下。

5 結(jié)語

1）以土的物性指標(biāo)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了真空預(yù)壓土體的壓縮率計(jì)算公式。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，三個(gè)公式計(jì)算得到的各土樣壓縮率與土樣的實(shí)際壓縮率誤差較小，有較好的一致性。

2）真空預(yù)壓后土的含水率、孔隙比和密度與土的塑性指數(shù)均有中～高的相關(guān)性，并據(jù)此建立了三個(gè)指標(biāo)與塑性指數(shù)的相關(guān)函數(shù)關(guān)系。

3）以真空預(yù)壓試驗(yàn)前后土的物性指標(biāo)計(jì)算的各土樣的壓縮率與實(shí)際壓縮率的誤差一般為±5%之間，平均為-0.74 %，誤差較小。

4）以真空預(yù)壓試驗(yàn)前土樣的物性指標(biāo)和塑性指數(shù)預(yù)測(cè)得到的真空預(yù)壓后物性指標(biāo)計(jì)算得到的各土樣壓縮率與實(shí)際壓縮率的誤差一般在±20%之間，平均為-5.26 %。