真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓加固機(jī)場軟基效果對比

白喬木 劉海洋 滿 立

(1.上海機(jī)場(集團(tuán))有限公司上海機(jī)場建設(shè)指揮部 上海 201207;2.同濟(jì)大學(xué)民航飛行區(qū)設(shè)施耐久與運(yùn)行安全重點實驗室 上海 201804)

在我國東南沿海地區(qū),地基土層分布有厚度較大的軟黏土層。軟土地基具有含水量高、壓縮性高和承載力低、抗剪強(qiáng)度低等工程特性,因此,在該類地基上進(jìn)行工程建設(shè)時必須對軟土進(jìn)行處治加固,以提高承載力并減少沉降。在適用于軟土的各種地基改良技術(shù)中,堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓是實踐中最受歡迎和最具成本效益的軟基加固技術(shù),尤其是對于機(jī)場、公路和儲罐等大面積的土壤改良[1-2]。

真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法都屬于排水固結(jié)法,堆載預(yù)壓法的加固機(jī)理是通過堆載增加地基總應(yīng)力而使地基中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力,超靜孔隙水壓力消散固結(jié)后再轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力,從而使地基強(qiáng)度增長;而真空預(yù)壓法則是在總應(yīng)力保持不變的條件下,通過降低孔隙水壓力,增加有效應(yīng)力而使地基強(qiáng)度增長,真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓機(jī)理有明顯不同[3]。學(xué)者們針對堆載預(yù)壓處理軟土技術(shù)進(jìn)行了大量的理論研究和工程實踐探索并積累了豐富的經(jīng)驗[4]。同時,也發(fā)現(xiàn)一方面大面積堆載預(yù)壓所需土體量巨大,往往難以滿足,而且易導(dǎo)致周邊土體較大的側(cè)向變形進(jìn)而存在地基失穩(wěn)風(fēng)險[5]。針對上述問題,樓曉明、沙玲[6-7]等分別結(jié)合工程實踐和數(shù)值仿真,對比分析了真空預(yù)壓加固地基效果,發(fā)現(xiàn)真空預(yù)壓相對于堆載預(yù)壓具有更快的加固速度和更高的強(qiáng)度。丁海龍等[8]采用新型塑料排水板,提出采用增壓式真空預(yù)壓法對軟土地基進(jìn)行加固,得到了更好的地基處理效果。近年來,一些新型的排水板技術(shù)被引入真空預(yù)壓技術(shù)中。例如,Fu等[9]和王柳江等[10]通過試驗證明,真空預(yù)壓結(jié)合電滲排水比傳統(tǒng)的真空預(yù)壓具有更好的改善效果。上述研究表明,堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓在地基加固方面各有優(yōu)勢和局限性。因此,在真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓對軟土地基的加固效果方面,有必要進(jìn)一步展開研究。

基于此,本文在相同的軟土地基上分別進(jìn)行了等面積堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓現(xiàn)場試驗,研究大面積深厚軟土在真空壓力和堆載壓力下的性能差異。基于表面沉降、分層沉降、側(cè)向位移,以及孔隙水壓力的變化規(guī)律,比較真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓對軟土的影響,以評價真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓應(yīng)用于大面積深厚軟基的處理效果。

1 工程概況

試驗區(qū)域位于上海浦東機(jī)場新老大堤之間,試驗?zāi)康氖菫闄C(jī)場四期擴(kuò)建地基處治提供技術(shù)支撐。根據(jù)巖土工程勘察報告,各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1。地下潛水穩(wěn)定水位埋深在地面以下0.20～1.45 m之間。地基土自上而下包括:雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土、黏土和粉砂。其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和黏土層厚度較大,無法滿足機(jī)場道基沉降要求。因此,采用堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓對地基深層軟土進(jìn)行加固。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.1 工程方案

真空預(yù)壓(Z1)和堆載預(yù)壓(D1)試驗區(qū)域相鄰,面積均為50 m×50 m,斷面圖和平面圖分別見圖1、圖2。

圖1 真空預(yù)壓區(qū)(Z1)(單位:m)

圖2 堆載預(yù)壓區(qū)(D1)(單位:m)

試驗區(qū)域內(nèi)均設(shè)有寬度10 cm、厚度不小于4.5 mm的C型塑料排水板,縱向通水量不低于40 cm3/s,滲透系數(shù)不小于5×10-4cm/s。排水板間距1 m,采用正方形布置,其中堆載區(qū)入土深度為9 m,穿透攤面淤泥層,真空區(qū)入土深度為23 m,穿透淤泥質(zhì)黏土層。排水墊層采用厚度為50 cm中粗砂,墊層中部埋置有間距5 m的水平濾水管,并形成回路。為保證真空預(yù)壓區(qū)密封效果,采取水泥攪拌樁作為密封帷幕,攪拌樁樁長15 m,單樁徑65 cm,搭接20 cm。密封膜采用防滲不透氣材料,鋪設(shè)3層,搭接寬度大于15 mm。區(qū)域周邊采用挖溝埋膜、平鋪并用黏土覆蓋壓邊的方法進(jìn)行密封。

1.2 測點布設(shè)

真空預(yù)壓區(qū)和堆載預(yù)壓區(qū)測點布置分別如圖1和圖2所示?？紤]到試驗區(qū)地基土層分布存在差異,在區(qū)域內(nèi)不同方位各布設(shè)1個沉降板,編號為S1、S2、S3和S4,間距20 m。為分析真空或堆載對周邊土體的影響,在區(qū)域側(cè)邊距離分別為5 m和10 m位置各布置1個沉降板,編號為S5和S6。為分析不同深度和不同土層的沉降和孔隙水變化,結(jié)合具體的土層分布和試驗影響深度,在區(qū)域內(nèi)采用一孔多點埋設(shè)方式布設(shè)分層沉降計和孔隙水壓力計各2個,沿測孔埋深每5 m設(shè)置1個測點,每孔共設(shè)6個點,第1個點設(shè)置于埋深2 m處。此外,為監(jiān)測試驗區(qū)不同方位、不同深度土體水平位移,在試驗區(qū)每邊等間距布置地表水平位移計各2個,間距20 m,在距離側(cè)邊中心點1.5 m的位置布設(shè)深層水平位移測斜管各1個,測斜管深度為40.0 m,大于試驗影響深度。

1.3 加載過程

在真空預(yù)壓試驗中,依據(jù)真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程,對邊界密封良好的黏土地基,真空預(yù)壓荷載設(shè)計值不宜小于85 kPa。因此,本試驗將膜下的真空壓力控制為85 kPa。此外,考慮到輔助密封和增加上覆壓力作用,將排出的孔隙水反壓在真空膜上,高度達(dá)1.5 m。根據(jù)不同方位壓力表測量結(jié)果,膜下真空壓力分布均勻,約為100 kPa。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗,加載和固結(jié)總時間設(shè)為210 d。

在堆載預(yù)壓試驗中,采用工程棄土作為堆載材料,土體容重為18 kN/m3由于設(shè)計堆載荷載為100 kPa左右,因此取堆載高度為6 m。依據(jù)地基處理技術(shù)規(guī)范,堆載采用分層逐級加載,分層厚度為0.3 m,加載速率為3 d不超過0.9 m。同時,加載過程中監(jiān)測地基沉降和水平位移變形速率,通過變形速率動態(tài)調(diào)控加載速率。最終確定本試驗堆載施工時間為30 d,預(yù)壓期為300 d。

2 結(jié)果分析

2.1 地表沉降

圖3、圖4分別為真空預(yù)壓區(qū)和堆載預(yù)壓區(qū)地表沉降隨時間發(fā)展規(guī)律。

圖3 試驗區(qū)域內(nèi)地表沉降量

圖4 試驗區(qū)域外地表沉降量

由圖3、圖4可知,在真空預(yù)壓試驗中,隨著真空壓力逐漸增加,試驗區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外的地表沉降均逐漸增加,真空預(yù)壓210 d后,區(qū)域內(nèi)原地表累計沉降量為637～1 016 mm,區(qū)域外累計沉降量為212.26 mm,約為區(qū)域內(nèi)沉降的20%～30%,表明真空預(yù)壓對周邊地表沉降影響較大。此外,地表沉降速率與抽真空過程相關(guān),抽真空初期,沉降速率較大,達(dá)到30～40 mm/d,沉降迅速增大;真空度穩(wěn)定期間,隨著孔隙水的排出,地表沉降逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。受試驗區(qū)地基土體分布和真空吸力分布差異影響,試驗區(qū)域內(nèi)差異沉降較大,因此,真空預(yù)壓對試驗區(qū)域大小、真空吸力保持和分布等施工要求較高。

在堆載預(yù)壓試驗中,隨著堆載高度增加,試驗區(qū)域內(nèi)地表沉降逐漸增加,而區(qū)域外地表卻發(fā)生了一定的隆起變形,尤其是距離堆載體坡腳較近測點S5,隆起變形更加明顯,隆起量達(dá)到136 mm。這是因為堆載荷載作用下,地基深層土體內(nèi)產(chǎn)生的水平推力引起土體發(fā)生剪切變形,當(dāng)堆載速率較快時,土體剪切導(dǎo)致周邊土體隆起。因此,控制堆載速率是防止堆載區(qū)外土體隆起的有效手段。隨著地基土體逐漸排水固結(jié),區(qū)域外地表隆起量逐漸減小。堆載預(yù)壓300 d后,試驗區(qū)域內(nèi)的原地表累計沉降量為938～1 066 mm,區(qū)域外沉降量為109 mm。此外,地表沉降隨時間發(fā)展規(guī)律與堆載過程密切相關(guān)。堆載開始前,地表沉降隨時間發(fā)展緩慢,沉降速率較小。堆載開始后,隨著填土荷載增加,原地表沉降隨時間迅速發(fā)展,沉降速率達(dá)到40～60 mm/d。預(yù)壓階段,地表沉降逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。總體而言,沉降隨時間變化呈現(xiàn)“緩慢發(fā)展-快速增長-緩慢增長-逐漸穩(wěn)定”的反“S”形發(fā)展趨勢。各測點沉降發(fā)展規(guī)律相同,曲線基本重合,表明堆載預(yù)壓區(qū)內(nèi)原地表沉降均勻,未發(fā)生不均勻沉降。

2.2 分層沉降

圖5所示分別為真空預(yù)壓區(qū)和堆載預(yù)壓區(qū)區(qū)域內(nèi)土層分層沉降隨時間發(fā)展規(guī)律。

圖5 分層沉降量

由圖5可見,各層土體隨時間發(fā)展規(guī)律與地表沉降規(guī)律基本相同,也表現(xiàn)出由快到慢并逐漸趨于穩(wěn)定的發(fā)展趨勢。其中真空預(yù)壓區(qū)各層土體沉降快速發(fā)展時間對應(yīng)于開始抽真空到真空達(dá)到設(shè)計值階段,堆載預(yù)壓區(qū)各層土體表現(xiàn)出“緩慢發(fā)展-快速增長-緩慢增長-逐漸穩(wěn)定”的反“S”形發(fā)展趨勢,其中各層土體沉降快速發(fā)展時間對應(yīng)于堆載土體填筑時間。

對比同一點位不同土層可看出,淤泥質(zhì)黏土、黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層沉降較大,尤其是淤泥質(zhì)黏土層沉降值達(dá)到30 cm左右,雜填土和砂質(zhì)粉土層沉降較小,導(dǎo)致不同土層沉降差異的原因是不同土質(zhì)的含水量和壓縮系數(shù)不同,而且黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度較大,因此產(chǎn)生的相對沉降較大。此外,在真空預(yù)壓區(qū)域,導(dǎo)致不同土層沉降差異的原因與真空度的有效傳遞深度和散失也有關(guān)。

2.3 孔隙水壓力

當(dāng)荷載作用于地基土體時,土體內(nèi)孔隙水壓力首先發(fā)生變化,隨后土體顆粒固結(jié)變形,因此,孔隙水壓力變化是土體運(yùn)動的前兆。圖6所示為真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓試驗過程中孔隙水壓力隨時間的變化規(guī)律。由圖6可見,在真空預(yù)壓區(qū)域,由于抽真空期間孔隙水排出較快,孔隙水壓力下降明顯;真空穩(wěn)定階段,隨著孔隙水不斷排出,孔隙水壓力變化逐漸變緩并保持穩(wěn)定。堆載預(yù)壓區(qū)域,隨著填土荷載增加,地基土體內(nèi)孔隙水壓力逐漸增大,其中,深度15～20 m位置處孔隙水壓力變化最明顯,深度30～35 m處變化相對較小。進(jìn)入預(yù)壓階段后,各點孔隙水壓力隨時間逐漸緩慢消散。

圖6 孔隙水壓力

對比不同深度土層孔隙水壓力變化可發(fā)現(xiàn),深度15 m處孔隙水壓力變化較大,深度30 m以下土層孔隙水壓力基本無變化?？紫端畨毫ψ兓尸F(xiàn)上述規(guī)律的原因是試驗區(qū)域內(nèi)地基土體接近飽和,當(dāng)荷載施加瞬間,作用于地基土體的壓力全部由孔隙水承擔(dān),進(jìn)而使孔隙水壓力增加,由于15～20 m范圍內(nèi)為淤泥質(zhì)黏土和黏土,其滲透系數(shù)較小,因此孔隙水壓力變化最明顯。隨著地基深度的增加,堆載區(qū)堆載體產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響逐漸減小,真空區(qū)真空度逐漸減弱,因此深度30～35 m處孔隙水壓力變化較小。進(jìn)入預(yù)壓階段后,外荷載不再增加,滲透作用下地基土孔隙水壓力逐漸消散,但同樣由于土質(zhì)原因,消散速率有所差異,因此,在15～25 m的范圍內(nèi)存在超孔隙水壓力殘留,需要更長時間消散。

2.4 坡腳水平位移

圖7所示為真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓試驗中坡腳水平位移隨時間的變化。由圖7可見,由于真空預(yù)壓的作用原理為通過抽真空使孔隙水壓力減小,有效應(yīng)力增加進(jìn)而使土顆粒發(fā)生固結(jié)沉降,這個過程中對土體產(chǎn)生向中心的球形作用力,因此,真空預(yù)壓區(qū)域坡腳水平位移向真空區(qū)內(nèi)。同樣,隨時間變化呈現(xiàn)先快后慢,然后逐漸穩(wěn)定的發(fā)展趨勢,水平位移快速發(fā)展階段對應(yīng)于開始抽真空到真空達(dá)到設(shè)計值階段,也就是沉降快速發(fā)展階段。截止2022年1月18日,各測點水平位移全部達(dá)到穩(wěn)定,坡腳水平位移最大值約37.3 cm,占地表沉降的40%。

圖7 坡腳水平位移

堆載預(yù)壓區(qū)域坡腳水平位移向堆載區(qū)外,隨時間變化呈現(xiàn)先快后慢,然后逐漸穩(wěn)定的趨勢,水平位移快速發(fā)展階段對應(yīng)堆載土體填筑時期沉降快速發(fā)展階段,這是因為當(dāng)填土荷載增加時,地基土體受壓并向周圍土體產(chǎn)生水平推力。截止2022年6月19日,各測點水平位移全部達(dá)到穩(wěn)定,坡腳水平位移最大值約21 cm,位于西側(cè)測點WY5。對比不同測點的水平位移可發(fā)現(xiàn),位于區(qū)域同一邊上的兩測點水平位移基本相同,西邊測點水平位移較大,南邊測點次之,這與沉降最大值發(fā)生位置相對應(yīng)。

2.5 土體深層水平位移

圖8為真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓區(qū)土體深層水平位移隨時間變化曲線。

圖8 土體深層累計水平位移

由圖8可知,真空預(yù)壓區(qū)水平位移最大值發(fā)生在原地表,達(dá)到382 mm。隨著深度增加,水平位移逐漸減小,這是因為真空度在向地基內(nèi)部傳遞過程中存在散失。地表以下10 m位置處水平位移小于上、下2層土,同樣是因為該層為砂質(zhì)粉土層,滲透系數(shù)相對較大,因此水平位移相對較小。真空預(yù)壓區(qū)深度20～35 m范圍內(nèi)仍有較小水平位移,表明真空預(yù)壓的影響深度可以達(dá)到塑料排水板底部下一定范圍以下土體,35 m以下水平位移基本為0,表明真空預(yù)壓對該深度范圍內(nèi)的土體沒有作用。堆載預(yù)壓區(qū)土體深層水平位移最大變形發(fā)生在原地表下深度12.5 m位置,即攤面淤泥層,達(dá)到269.1 mm。這是因為該層土含水率高,透水性差,在荷載作用下極易發(fā)生較大水平位移。地表以下10 m位置處水平位移小于上、下2層土,這是因為該層為砂質(zhì)粉土層,滲透系數(shù)相對較大,因此水平位移相對較小。堆載區(qū)深度40 m范圍內(nèi)地基土體均產(chǎn)生不同大小的水平位移,表明堆載預(yù)壓對該深度范圍內(nèi)的土體均有作用,地基處理深度較大。

3 結(jié)論

1) 真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓加固機(jī)場深厚軟土地基效果均較好,預(yù)壓期間累計沉降量可達(dá)到1 000 mm左右。沉降發(fā)展與施工過程密切相關(guān),堆載與抽真空期間沉降發(fā)展較快,堆載區(qū)外土體易發(fā)生隆起變形。因此,需嚴(yán)格控制堆載速率,防止土體發(fā)生剪切破壞。

2) 真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓對淤泥質(zhì)黏土、黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層加固效果明顯,尤其是淤泥質(zhì)黏土層沉降值可達(dá)到30 cm左右。各土層沉降量與土質(zhì)含水量、壓縮系數(shù)、排水板入土深度,以及真空度的有效傳遞深度和散失有關(guān)。

3) 抽真空和堆載期間孔隙水壓力變化明顯,進(jìn)入預(yù)壓階段后,孔隙水壓力隨時間逐漸緩慢消散。但由于土質(zhì)滲透系數(shù)原因,黏土層存在超孔隙水壓力殘留,需要更長的時間消散。

4) 真空預(yù)壓區(qū)域水平位移向真空區(qū)內(nèi),且地表水平位移較大,約占沉降40%左右。堆載預(yù)壓區(qū)域水平位移向堆載區(qū)外,土體水平位移最大值位于淤泥質(zhì)黏土層。真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓處理軟基深度均較大,可到達(dá)30 m以上。