真空预压地基处理的加固深度研究

吴 迪,孙 田

(1.化学工业岩土工程有限公司,江苏南京210044;2.盘锦辽河油田百强建设有限公司,辽宁盘锦214000)

0 前 言

目前我国经济发展迅速,围海造田项目日益增加,软土处理的需求也逐渐加大。软土具有含水量高、压缩性高、渗透性低、抗剪强度低等特点,现在较为成熟的软土地基处理手段为真空预压、强夯以及复合地基处理等地基处理方法。其中真空预压方法有软土处理效果好、比较经济等优点,被广泛运用在江浙、福建、广东等地。于此同时对真空预压的研究也更加深入,不过在真空预压的加固深度方面,学术上还有一定的争论,主要有以下几种观点[1]:①认为真空预压方法只对埋深10 m以上的软土有效果,竖向排水板打设超过10 m以下部分,真空预压不起作用;②认为真空预压加固深度与排水板打设深度有关系;③认为真空预压方法的有效加固深度只在地下水位以上区域,而对地下水位以下没有作用。本文将提出新的加固深度影响因素,并同前两种观点进行比较,结合工程实例进行分析。

1 真空预压加固软基机理

真空预压理论创建以来,对其加固机理的研究日渐深入,也相应得出各种理论[2],本文只列出两种较成熟的理论。

1.1 负压固结理论

赵维炳[3]等人提出负压固结理论,理论提出真空预压是通过覆盖于地表的密封膜下抽真空,使真空膜内外、土体内部与排水通道之间形成气压差,使软土层产生固结压力。即在总应力不变的情况下,通过减小土体中的超静孔隙水压力来增加有效应力的方法,达到排水固结的目的。

根据太沙基有效应力原理,有

两边微分并移项得

可见对于堆载预压,增加的有效应力为增加总应力值,而对真空预压,则为减少孔压值。

1.2 真空渗流场理论

龚晓南,岑仰润[4]提出了真空预压的渗流场理论,真空渗流理论认为,抽真空作用将在地基土中形成真空渗流场,其间产生流动介质为真空流体,真空流体只在较大的土中的孔道中流动,并形成连通的网络,此时虽然排出了水,但是这些水主要是分布在土体中较大的孔道中的重力水,土中重力水的排出,并不产生通常意义上的固结,而是在地下水位下降后,改变了土层中竖向自重应力,由于上覆土重的增加,使得土中更为细小的孔道中的水承受了超静孔隙水压力,并逐渐排出,产生固结现象。于此同时持续的抽气抽水作用会使地下水位线下降。真空渗流场将产生两个方面的作用:

(1)真空渗流使土颗粒中较小孔道处孔隙水排出而产生固结;

(2)对于地下水以下的地基,真空渗流场不能向下传递,真空预压本身对地下水以下的地基固结无效。真空预压过程中,地下水位是下降的,并且地下水位的下降也使得地基土体产生固结。

在负压理论中,认为真空预压的有效加固深度与排水板或者砂井的打设深度有关,取决于排水通道的深度。而在真空渗流理论当中,认为有效的加固深度和压差有密切关联,若压差足以能够排除孔隙水,固结便会进行。相应的固结深度取决于排水通道的真空损失,土体特征等。

2 真空预压加固有效深度机理

前面列出的两种真空预压机理提出的有效加固深度中,只是考虑到土体内部由于空气压力的变化引起孔压变化,从而反映到有效应力的相应改变,产生了固结,但是没有从真空预压的整体进行考虑。真空预压处理地基时,被处理地基是一个密封的整体,此时的受力不仅仅是单一的竖向一维受力,而是一个三维的球体受力如图1,在此模型中,地表受到均布力作用,即一个大气的压力P0,在处理区两侧,即侧边界位置上,也受到大气压差的作用,按理想状态,两侧的压差呈梯形或者三角形分布,随着深度增加压力差递减。由于处理区域的排水通道是整体透水,即使土体具有一定的渗透阻力,但是由于砂井或者排水板的间距较小,可以忽略相应的透水粘滞,即在处理区域的水位近似是一条直线,不存在明显的降水漏斗[5]。同时处理区域的水流主要是水平渗透,并不是竖向渗透[6]。随着抽真空的进行,处理区域的水位开始下降,但是处理区域外侧的地下水会补给预压区域[7],从而在处理区域外侧会产生相应的降水漏斗[8]。

图1 土体受力模型图

由于处理区域土体受到的是竖向和侧向力的共同作用如图2,不考虑土体的粘滞力,此种情况下土体中孔隙水除了受到负压的垂直吸出力作用,还有一个侧向的挤压力,这样就大大的加大了孔隙水竖向排出的能力。与没考虑侧压差的情况相比如图3,此种情况下一般理论认为真空预压的极限加固深度是10 m,即一个大气压下的水柱高度。但是在真空预压中,并不是由真空压力来决定有效的固结深度而是与真空度的传递有关[9],即图2中P1,P2,P3对应相应的竖向真空压力和侧向真空压力。

图2 考虑侧压模型图

图3 一维模型

3 工程实例

3.1 项目概况

某拟建项目为大型化工项目。项目第一期用地面积约27 600.0 m2,主要建筑物和构筑物有办公楼、仓库、材料储罐和堆场、石化工艺装置、管道和支架、成品储存罐、物流道路和铁路、以及电力、消防、给排水等公共辅助设施,高度一般为一至四层,为钢筋混凝土框架结构或钢结构建筑物。一期设施真空联合堆载预压地基处理工程,该工程包括约244 885 m2的堆载联合真空预压地基处理和现场临时工程。

3.2 场地岩土层结构及分布特征

场地原始地貌类型属于滩涂地貌,经人工填海造地平整而成,填土厚度2.0 m～12.0 m不等,地形较平坦。

①人工回填块石素填土层(Qml)

该层分布于整个场地,为人工新近堆填,黄褐、土黄、浅肉红等色,局部紫红、灰白色,主要由中微风化砂岩碎块石和砂岩风化土回填而成,局部含较多岩石碎块,均匀性差,风化土主要成份为粘土及石英砂等。稍湿～饱和,松散。局部碎块石块径较大,可达200 mm～300 mm,最大达1 200 mm左右。层厚1.80 m～7.00 m。

②海陆交互相沉积淤泥层(Qmc)

该层分布于整个场地上部,褐黑,灰黑色为主,具腐臭味,含少量粉砂和贝壳碎屑,局部富集。手捏滑腻,污手。饱和,流塑。顶部0.5 m～1.0 m因填土预压作用,固结较下部稍好,层厚14.70 m～28.70 m,平均20.23 m。

③1陆交互相沉积粉质粘土层(Qmc)

该层分布于大部分场地,与砂土层呈互层状态产出,厚度变化大,以黄褐色、灰色为主,局部杂褐黄、褐红色,粘土为主,含少量粉细砂,含量不均匀,干强度高,湿时手捏粘手,刀切面较光滑-稍光滑。饱和,可塑,局部软塑。层厚1.10 m～13.00 m,平均6.44 m。排水板的打设深度为穿过②层,进入③1层1 m。

3.3 真空度影响深度

3.3.1 超静孔隙水压力

根据设计,孔压计埋设深度为6 m,15 m,22 m各一个。从抽真空开始进行监测,一直到抽真空完毕,历时179 d。用频率仪在早上7∶00～ 10∶00对场地内部的孔压计进行数据采集,初始两个月是每天采集数据一次,后期是两天采集一次。采集好的数据通过公式 P=K(fi2-f02)(其中P为压力值,fi为读取的频率值,f0为初始频率值)。计算出当日的实际孔压值,绘制成图见图4。在抽真空开始阶段,孔压都成降低趋势,也就是意味着抽真空的区域中出现了负的超静孔隙水压力,在开始的7 d内,孔压下降不大,因为当时场地处于试抽阶段,真空泵并未完全开启,真空压力尚未完全达到设计要求。在一周以后,孔压出现较明显的下降趋势,并且不同深度的超静孔压出现的时间差不多。论证了赵维炳先生提出的深层土体中真空度是影响真空压力的主要原因。由于场地的初始水位在自然地面下0.5 m左右,而从图4中可以看出,在深达22 m处也产生了孔压的降低,即也产生了相应的固结,这与龚晓南先生[5]提出的渗流场理论即真空预压对地下水位以下的区域无效有出入。由于工程施工的客观原因,在一个月以后才逐渐开始进行堆土作业,可以看到在迅速堆土阶段的孔压变化很明显,整体的孔隙水压力值为升高趋势,但是堆载完毕之后,孔压开始消散,并且6 m处和15 m处的孔压的消散速度大于22 m处的孔压。在110 d的时候,22 m处的孔压开始变成负值,也就说证明了在22 m深度的土体中,存在着负超静孔隙水压力,也就说明真空预压可以影响到排水板底部[10]。

图4 孔压～时间曲线

3.3.2 深层水平位移与真空预压影响深度的关系

测斜管埋设到地表下30 m,这样可以是测斜管底部保持固定,上部土体产生水平向位移的时候就会带动测斜管一起偏移。测斜管主要功能是能体现出来抽真空区域的侧向位移,也就是在受到负的真空围压的情况下,处理区域边界向着处理区移动。如图5在未抽真空阶段,也就是在2010-06-30的时候,测斜管基本上是一条直线,在进行抽真空过程中,测斜管开始向处理区域偏移,上部偏移较大,下部偏移较小,在30 d左右的时候,开始堆载,之后在6 m～8 m的位置出现了向处理区域外移动趋势,在这个位置可能是出现滑裂面的危险区域。在抽真空的过程中,随着深度的增加,偏移量开始减小,但是在25 m的位置以上,都有较明显的水平位移。如图5中,排水板深度打到20 m,但是在25 m左右依然有明显的位移,表明在排水板打设深度以下一定范围内依然有真空压力的影响。结合图4和图5进行纵向比较,发现在22 m深度的孔压消散和水平位移的变化有着同步性,即在堆载完成之后,孔压开始消散,同时深层水平位移也开始向着处理区域发展,表明除了竖向的真空压差产生负的孔隙水压力,侧向的压差也会对负孔隙水压力产生影响,也会对真空预压的有效深度有影响。

图5 深层水平位移～深度曲线图

4 结 论

(1)结合现场的监测数据,随着深度的增加,负超静孔隙水压力是呈递减的趋势的,同时越深的位置的孔压消散会越慢。

(2)验证了赵维炳提出的负压固结理论,真空预压过程中,预压过程并不是从上至下依次开始,而是基本上同时开始。并且可以得到真空预压的影响深度能够达到排水板的底部。

(3)结合测斜的数据分析得到,由于有着围压压差的存在,土体会出现向处理区域偏移的情况,偏移量随着深度的增加而减小,能够影响到排水板打设深度以下深度。表明围压差的存在会对预压区域内部的孔压产生影响,并且会对有效深度产生影响。

(4)孔压消散和水平位移的变化有着同步性,表明除了竖向的真空压差产生负的孔隙水压力,侧向的压差也会对负孔隙水压力产生影响,说明真空预压主要是一个三维的固结,而不是传统意义上的一维固结。

[1] 吴春勇.真空预压加固深度分析与探讨[J].东北水利水电,2010,28(12):1-3.

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[3] 陈小舟,赵维炳,周智勇.真空预压法加固软基的特性和机理探讨[J].路基工程,2005,(3):1-4.

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[10] 彭 吉力,刘汉龙,陈永辉.真空-堆载联合预压法加固机理讨论[J].河海大学学报(自然科学版),2003,31(5):560-563.