兩次插板和兩階段真空預(yù)壓模型試驗對比研究*

吳建奇 歐陽財?shù)?符洪濤 許士偉 呂有暢

(1. 江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院, 江西贛州 341000; 2. 溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,浙江省軟弱土地基與海涂圍墾重點(diǎn)實驗室, 浙江溫州 325035; 3. 溫州市甌飛開發(fā)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司, 浙江溫州 325035)

近年來,隨著我國東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對土地資源的需求日益增加,圍海造陸成了解決該問題的有效途徑。吹填土材料采用的是高含水率、高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度的疏浚海泥,海泥屬于超軟土,而處理超軟土最有效的方法則是利用真空預(yù)壓。[1-4]自1952年Kjellman第一次提出利用真空預(yù)壓加固超軟土[5]的想法以來,經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,這項技術(shù)已被廣泛用到超軟土地基加固工程中。然而在利用傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)加固吹填淤泥地基時會遇到一個典型問題——排水板嚴(yán)重淤堵。

許多學(xué)者為解決真空預(yù)壓過程中排水板淤堵問題進(jìn)行了研究:朱群峰等通過研究排水板在實際工況下的通水特性,提出對于變形大且固結(jié)時間長的新近吹填淤泥地基加固工程應(yīng)優(yōu)先選用高性能排水板。[6]王軍等提出應(yīng)采用新型防淤堵排水板,通過對不同排水板的真空預(yù)壓試驗,驗證了新型防淤堵真空預(yù)壓法的有效性。[7]雷華陽等提出“交替式真空預(yù)壓法”[8],證明土顆粒的交替運(yùn)移可有效地抑制淤堵泥層的形成及“土柱”現(xiàn)象的產(chǎn)生,使整體加固效果更加均勻有效。史吏等進(jìn)行了增壓式真空預(yù)壓處理吹填淤泥的室內(nèi)模型試驗[9],發(fā)現(xiàn)土體產(chǎn)生的微小劈裂裂縫,提高了土體的滲透性,加快了孔壓消散和土體固結(jié)。

部分學(xué)者從改變土的性質(zhì)出發(fā)提出用絮凝劑提高預(yù)壓效果:武亞軍等提出“利用化學(xué)藥劑絮凝沉積聯(lián)合真空預(yù)壓處理軟土地基”[10-12],通過絮凝真空預(yù)壓和普通真空預(yù)壓對比研究,表明藥劑真空預(yù)壓法具有非常好的防淤堵作用。趙森等提出一種“新型化學(xué)絮凝聯(lián)合真空預(yù)壓法”[13],表明摻入絮凝劑的吹填土加固效果明顯提高。Lin等通過摻入FeCl3溶液對污泥進(jìn)行絮凝處理,并聯(lián)合真空預(yù)壓法快速降低含水率,提高土體固結(jié)速率。[14]然而,化學(xué)絮凝劑會對環(huán)境造成污染,特別是含有重金屬離子的絮凝劑,甚至造成水污染,因此,絮凝固化真空預(yù)壓沒有在實際工程中大規(guī)模使用。

為進(jìn)一步研究和解決實踐工程中排水板淤堵問題,基于孫立強(qiáng)等提出的“兩次插板真空預(yù)壓法”[15],Wang等提出了“兩階段抽真空法”[16],提高了加固效果。

目前,關(guān)于排水板的數(shù)量和工程實際相吻合的報道還不多,為模擬實際施工現(xiàn)場,將采用新型防淤堵排水板,通過計算排水板的影響范圍,得出排水板數(shù)量。對兩次插板和兩階段真空預(yù)壓進(jìn)行對比試驗,其中兩階段真空預(yù)壓是:第一階段,先對一半排水板地基抽取真空,當(dāng)土體有一定抗剪強(qiáng)度后再對剩下的排水板抽取真空。兩次插板預(yù)壓是:在試驗開始時先插一半排水板并抽真空,等土體有一定強(qiáng)度后再布置插入新的排水板,繼續(xù)對土體進(jìn)行抽真空。通過兩次真空預(yù)壓或兩次插板真空預(yù)壓的室內(nèi)模型試驗,以加深對排水板的淤堵機(jī)理的研究,對真空預(yù)壓工程實踐提供參考。

1 模型試驗

1.1 土的物理性質(zhì)

試驗土樣來至浙江省溫州市甌飛工程第二期吹填現(xiàn)場,通過室內(nèi)實測得到其物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。土的顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1 土的顆粒級配曲線Fig.1 A particle gradation curve of soil

表1 土的物理性質(zhì)Table 1 Basic physical property indexes of soil

1.2 試驗裝置

試驗裝置模型示意圖如圖2所示,試驗裝置主要有模型箱、排水系統(tǒng)、量測系統(tǒng)和真空泵四部分組成。

真空探頭;孔壓傳感器。圖2 試驗裝置示意 mmFig.2 A schematic diagram of experimental apparatus

排水系統(tǒng)由整體式排水板、水-氣分離瓶、真空軟管組成。量測系統(tǒng)有刻度尺、真空表、電子秤和孔壓計組成。其中模型箱的尺寸為120 cm長,60 cm寬,60 cm高的有機(jī)玻璃制成。其中排水板寬度為100 mm,厚度為5 mm,排水板等效直徑按式(1)[17]確定:

(1)

式中:d為等效直徑;b為排水板寬度;δ為排水板厚度。

通過式(1)計算得到排水板等效直徑為66.85 mm,排水板間距取15～22倍的等效直徑,試驗取18倍,模型箱中4根排水板的作用面積與現(xiàn)場實際的作用面積之比為 0.5(模型比為 0.5)。因此試驗排水板寬度取50 mm,間距為0.4 m。排水板實物圖如圖3所示。其中,對孔壓計的透水石進(jìn)行了飽和處理,參考了高志義等的做法[18],具體做法是將孔壓計的透水石取下放進(jìn)裝滿水的燒杯中,再將燒杯放進(jìn)自制的抽真空設(shè)備中抽真空48 h。停止抽真空后,將飽和的透水石在水下與孔壓計接好后將孔壓計頭表面注一層水以保證與空氣隔絕,小心地把孔壓計埋進(jìn)土內(nèi)指定位置。

圖3 改進(jìn)排水板Fig.3 Improved PVDs

同時在T1、T2、T3三個模型箱進(jìn)行試驗,箱內(nèi)均布置四根排水板。T1模型箱內(nèi)為傳統(tǒng)真空試驗排水板平面布置示意,見圖4所示;T2、T3模型箱內(nèi)分別為兩次插板真空預(yù)壓試驗和兩階段真空預(yù)壓試驗,排水板布置如圖5所示,其中,1號排水板為兩次插板真空預(yù)壓試驗中首次插入的插板或兩階段真空預(yù)壓試驗中先抽真空的插板,2號為兩次插板真空預(yù)壓試驗中第二批插入的插板或兩階段真空預(yù)壓中后抽真空的插板。在三個模型箱內(nèi)均注入含水率相同的泥漿并且靜置24 h后待泥面高度穩(wěn)定在45 cm處,第二,將排水板布置到指定位置,孔壓計分別埋設(shè)在距土表面下20 cm、距排水板5,20 cm處各一個;在同一深度處,在距排水板20 cm處,埋設(shè)真空探頭針。

圖4 傳統(tǒng)真空預(yù)壓排水板平面 cmFig.4 Arrangements for PVDs of conventional vacuum preloading

圖5 改進(jìn)方法中排水板的布置平面 cmFig.5 Arrangements for PVDs in the two kinds of improved vacuum preloading

2 試驗結(jié)果分析

2.1 真空度

圖6為T1、T2和T3三個模型箱試驗時真空度隨時間變化曲線。可知:在開啟真空泵2 h后,真空度就達(dá)到了90 kPa以上并保持穩(wěn)定,證明氣密性良好。此外,三個模型箱的真空度基本一致,可認(rèn)為三個試驗箱在相同真空壓力下抽真空。但是在試驗后期,T1模型箱的真空度急劇下降,而沉降和排水卻依然存在,判斷是真空探頭的針頭堵塞導(dǎo)致,等試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)果然由于淤堵嚴(yán)重,針頭被細(xì)土顆粒堵住,而T2和T3卻沒有出現(xiàn)這種情況,所以兩次插板和兩階段真空預(yù)壓在后期也可以更好地傳遞真空度,兩者在真空度這個指標(biāo)上并沒有顯著差別。

圖6 真空度隨時間變化曲線Fig.6 Changes of vacuum degrees with time

2.2 沉 降

試驗過程中分別對距排水板5,15 cm處的土層表面進(jìn)行沉降記錄,圖7是土體表面沉降隨時間變化曲線。由圖4可知:由于T1模型箱開始就對4根排水板進(jìn)行抽真空,而T2和T3模型箱只對兩根排水板實施抽真空,所以沉降速率比較大,但是在后期沉降基本不變,原因是排水板發(fā)生淤堵。而T2和T3模型箱中前期沉降變化不大,但是在第50天,在T3模型箱進(jìn)行第二階段抽真空后,土體沉降變快,這是因為第二階段的排水板開始工作。對T2模型箱在第一次抽真空沉降變化很小接近平穩(wěn)時進(jìn)行第二次插板處理,沉降又有很大變化,說明第一次抽真空的排水板發(fā)生淤堵,已經(jīng)不能加固土體,對新插的排水板進(jìn)行抽真空處理,繼續(xù)加固土體。T1模型箱的距排水板15 cm處的沉降161 mm,但是在距排水板5 cm處的最終沉降只有121 mm,兩者的差距達(dá)到了40 cm。這是因為試驗初期細(xì)土顆粒向排水板移動,附著在排水板濾膜上發(fā)生淤堵,結(jié)果造成在排水板周圍形成了致密的“土柱”,土體發(fā)生不均勻固結(jié),靠近排水板的土體加固效果較好,遠(yuǎn)離排水板的土體加固效果不佳。T2和T3模型箱距離排水板不同位置的沉降基本相同,沉降差分別是3%和4%,所以進(jìn)行兩次插板真空預(yù)壓和兩階段真空預(yù)壓處理都可以減少“土柱”形成,土體可以均勻加固,靠近和遠(yuǎn)離排水板的土體加固效果不會相差太大。從圖7可知:兩次插板真空預(yù)壓的最大沉降要明顯大于兩階段真空預(yù)壓,高出22%,證明加固效果要好很多。

圖7 土體表面沉降隨時間變化曲線Fig.7 Changes of subsidence at the earth’s surface with time

2.3 超靜孔隙水壓力

孔隙水壓力的過程監(jiān)測采用湖南湘銀河傳感科技有限公司生產(chǎn)的 YH04-B03 型孔壓計。試驗時分別對距排水板5, 20 cm處深度為20 cm的孔隙水壓力進(jìn)行記錄,圖8為孔隙水壓力隨時間消散曲線?？芍?試驗前期,T1箱常規(guī)真空預(yù)壓的孔壓消散較快,但后期隨著排水板的淤堵,孔壓基本不再減小,最終孔壓消散量為-61.2,-52.6 kPa。T2箱在進(jìn)行二次插板后抽真空時,孔壓消散速度變快,最后消散量為-75.5,-71.5 kPa。T3箱在進(jìn)行第二階段抽真空后孔壓消散速率也明顯加快,最終達(dá)到-70.3,-67.4 kPa。T2和T3箱的最終孔壓消散值都大于T1箱,所以兩次插板和兩階段真空預(yù)壓都可以防止排水板淤堵,提高加固效果。另外,兩次插板真空預(yù)壓的孔壓消散均大于兩階段真空預(yù)壓,說明兩次插板真空預(yù)壓處理超軟土的效果比兩階段真空預(yù)壓好。

圖8 距土表面20 cm處超孔隙水壓力隨時間變化曲線Fig.8 Relations between excess pore water pressure below the earth’s surface of 20 cm and time

2.4 十字板剪切強(qiáng)度

試驗結(jié)束,拆開密封膜后,分別對距排水板5,15 cm處的土在豎向0,5,10,15,20 cm不同深度進(jìn)行十字板剪切強(qiáng)度試驗。圖9為距排水板5,15 cm處的十字板抗剪強(qiáng)度隨深度變化曲線?？芍?三個模型箱的抗剪強(qiáng)度都是靠近排水板的強(qiáng)度比遠(yuǎn)離的高。T1箱從表面到20 cm深度變化的平均抗剪強(qiáng)度為10.5 kPa 到25.5 kPa ,T2箱為24.5 kPa 到34.5 kPa,T3箱為19 kPa 到30.5 kPa。T2的平均抗剪強(qiáng)度要比T3高13%,說明兩次插板真空預(yù)壓的加固效果要比兩階段真空預(yù)壓好。

圖9 十字板抗剪強(qiáng)度隨深度變化曲線Fig.9 Changes of cross-plate vane shear strength with time

此外,對T2沿著排水板徑向5,10,20 cm處測十字板抗剪強(qiáng)度,圖10所示的分別是T2中沿排水板徑向抗剪強(qiáng)度變化,其中,1號插板是第一次插的排水板,2號插板是第二次插的排水板。可知:從距排水板5 ～20 cm,1號插板抗剪強(qiáng)度從31 kPa降到14 kPa,變化了17 kPa。而2號插板僅降低了8 kPa,表明兩次插板真空預(yù)壓的土體加固效果比一次插板處理的更加均勻和有效,兩次插板真空預(yù)壓可以有效緩解排水板淤堵問題。

圖10 十字板抗剪強(qiáng)度隨排水板徑向變化曲線Fig.10 Changes of vane shear strength along the radial direction of PVDs

2.5 含水率

十字板剪切強(qiáng)度試驗結(jié)束后,對不同位置取出的土進(jìn)行含水率測定試驗,并繪制含水率隨深度變化曲線如圖11,可知:T1箱內(nèi)的含水率變化范圍由高到低在40%～61%,相比于初始含水率(105%)下降了44%～65%。T2箱內(nèi)土經(jīng)處理后,含水率大概在33%～43%,降低了62%～72%。T3箱內(nèi)加固后土體含水率為38%～50%,降低了55%～67%。所以說明兩次插板真空預(yù)壓的處理效果要比兩階段真空預(yù)壓好,該趨勢與抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果一致。

圖11 含水率隨深度變化曲線Fig.11 Changes of the water content along depth

另外,對T2箱土樣進(jìn)行含水率測試,圖12為T2箱中沿排水板徑向土的含水率變化情況,可見:1號插板附近土體的含水率隨排水板徑向變化比較大,從5 cm處的41.5%到20 cm處的59.6%,變化達(dá)到18.1%。而2號插板的含水率則從36.6%變到43.6%,變化為7%。說明兩次插板真空預(yù)壓可以有效防止排水板淤堵,讓土體更加均勻固結(jié)。

圖12 含水率隨排水板徑向變化曲線Fig.12 Changes of the water content along the radial direction of PVDs

3 結(jié)束語

通過兩次插板和兩階段真空預(yù)壓室內(nèi)模型對比試驗,研究排水板淤堵導(dǎo)致不均勻固結(jié)問題,根據(jù)試驗結(jié)果的分析,可以得出以下結(jié)論:

1)通過采用兩次插板和兩階段真空預(yù)壓都可以有效緩決豎向排水板淤堵問題,進(jìn)一步降低土體不均勻固結(jié)。

2)兩次插板真空預(yù)壓的最大沉降要明顯大于兩階段真空預(yù)壓,沉降分別為208,170 mm,最大相差22%;比較平均十字板抗剪強(qiáng)度,分別是29.5,24.75 kPa,兩者相差19%以上,說明兩次插板的加固效果要比兩階段真空預(yù)壓好。

3)兩次插板真空預(yù)壓處理超軟土地基的效果要比兩階段真空預(yù)壓好,但是二次插板須要重新密封,增加施工工序,提高成本。因此,建議采用真空預(yù)壓加固含水率較高的吹填土地基加固時,先利用排水板進(jìn)行一次加固,然后再利用新排水板板進(jìn)行加固處理,可以取得更好效果。