淤泥地基处理中真空度和孔压变化规律研究

马 杰,王剑波,王伟强

(河海大学 土木与交通学院,江苏南京210098)

0 前 言

对软土地基进行加固常用的方法是真空预压法和堆载预压法,他们在理论上有相似的地方,都是属于排水预压法。不同的是[1-2],堆载预压法是通过堆载增加地基中的总应力,并形成正的超静孔隙水压力,然后通过超孔隙水压力的消散来达到增加土体中有效应力的目的;而真空预压法则是在总应力基本不改变的情况下,通过抽真空实现排水,并使地基中形成负的超静孔隙水压力,依靠其转化形成的有效应力来达到增加土体抗剪强度,提高地基的承载力。通过室内实验和现场试验证明,真空排水预压法与堆载排水预压法的效果是可以叠加的[3]。

在真空堆载联合预压法加固软土地基的工程中,由于淤泥中土体的物理和力学性质比较复杂,许多学者对其真空度的传递规律和超静孔隙水压力的变化规律进行了分析和研究,也得出了很多的结论[4-7],但是在真空预压处理淤泥地基过程中,对于真空度和超静孔隙水压力两者之间关系的分析,并没有得出明确一致的结论。根据目前对真空预压机理的研究成果和相关结论,以太仓某物流仓库的真空堆载联合预压工程为实例,通过对现场监测数据的分析,对淤泥中真空度的传递特性,孔隙水压力消散规律及二者之间的相关性作进一步的探究。

1 工程概况及地质条件

太仓属长江三角洲冲积平原,全境地势平坦,自东北向西南略呈倾斜。东部为沿江平原,西部为低洼圩区。拟建物流仓库位于太仓市申江路以东,通港路以北,地貌类型属长江三角洲冲积平原。场区内分布原有河道、池塘现已填埋整平,自然地面标高一般在2.42 m～3.21 m之间,平均约2.8 m,地下水位埋深在1.7 m左右。

经地质勘察,拟建场地地基土分布自上而下分布为:①素填土,上部为近期人工填土,以粘性土为主,夹植物根茎等细小杂物。平均厚度约1.7 m;②粉质粘土,局部夹粘土,土质自上而下逐渐变软,呈可塑～软塑状,中等～高等压缩性,平均厚度约1.2 m;③淤泥质粉质粘土,含云母、有机质,局部夹少量淤泥质粘土,呈流塑状,高等压缩性,平均厚度约4.3 m;④淤泥质粘土,含云母、有机质、贝壳碎屑,局部夹粘土,呈流塑状,高等压缩性,平均厚度约7.7 m;⑤粉质粘土,呈流塑～软塑状,高等压缩性,以下几十米都是该土层。各土层物理力学指标见表1。

表1 各土层的物理力学性质

该仓库地基浅部主要以淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土为主,属于典型的软土地基,土体成流塑状态,具有含水率高、孔隙比大、压缩性高等特点,采用传统的软基处理方法较难达到预期效果或者成本较大,故采用真空排水预压法来进行处理。

2 现场监测方案

经过多种方法对比,本工程采用真空-堆载联合预压处理方法,处理范围为305 m×240 m,即73 200 m2,分为两块区域进行处理,每块面积分别为36 600 m2。区域之间密封膜不断开,在分区的情况下,整个场地仍然为一个处理整体,有助于减小工后差异沉降。

以塑料排水板作为竖向排水体,采用正方形布置,间距1.0 m,打设深度约15 m。以真空堆载联合作为预压荷载,设计加载方式为抽真空达到80 kPa后,再堆载20 kPa。A区和B区从8月16日抽真空至11月30日结束,抽真空时间都在3个月以上。场地内设孔隙水压力计2组,深层真空度4组,每组埋设深度分别为:3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。监测仪器平面布置图见图1。本文选取B区的真空度和孔隙水压力监测结果进行研究分析。

图1 监测仪器平面布置图

3 试验数据分析

3.1 淤泥中真空度

在抽真空的开始阶段,膜下真空度上升迅速,抽真空10 d左右,膜下真空度就达到了80 kPa,而且其值保持在80 kPa以上的时间大致有3个月(见图2)。图2中10月15日的真空度急剧下降,这主要是由于停泵造成的,开泵后真空度很快又恢复正常。而淤泥中真空度开始则没有读数,它需要一个启动过程,浅层3 m的土体启动时间比较短,而深层6 m土体的启动时间则较长。在抽真空的初始阶段,只有3 m处的土体有读数,稳定时真空度数值为50 kPa,随着抽真空的进行,真空度能量逐渐向土体深处传递扩散,沿深度土体阻力不断增加,真空度衰减是很明显的,衰减平均值达到了10 kPa/m。按照此衰减速率,9 m及其以下的土体真空度基本就测不到了,这也说明了真空度的有效传递深度在9 m左右,真空度的加固效果不仅对地下水位面以上的土体有效,而且对地下水位面以下的土体及深度更大的土体的加固也是有效果的。

图2 B区淤泥中真空度过程线

从图2中看出,3 m处土中的真空度随着膜下真空度的增加开始迅速上升,经过15 d达到最高水平60 kPa,之后随着抽气时间的增加真空度逐渐下降,最后趋于一个相对稳定的真空度值。6 m处淤泥中的真空度增长缓慢,稳定后其真空度值只有20 kPa左右,其真空度下降速率略缓于浅层土体。这主要是由于当浅层土体发生固结压缩变形后,土层的密实度提高,土体的孔隙比减小,真空能量向下传递的阻力增大,导致真空度开始下降。

在堆载阶段,每级堆载会引起土体中的水位升高[8],使得真空能量向下传递阻力增大,土体中的真空度降低,但是下降幅度不大,当每级堆载结束后,随着水位的下降,真空度缓慢回升至原来水平。在卸除真空荷载后,膜下真空度迅速衰减为0,并且逐渐向深层发展,土体中的真空度经过2 d也全部衰减为0。

3.2 淤泥中超静孔隙水压力

图3为B区超静孔隙水压力随时间的变化曲线图。

图3 B区超孔隙水压力过程线

从图3中看出,抽真空对孔隙水压力的影响是非常明显的,在抽真空之前现场进行插设塑料排水板,铺设水平砂垫层,铺真空膜等施工工序时,测得的孔压值基本保持不变。8月16日开始抽真空以后,土体形成负的超静孔隙水压力,负孔压值随真空度的增大急剧降低,随着抽真空时间的延长,孔隙水压力下降速率逐渐变小,曲线也逐渐变缓。但是15 m处的负孔压数值比其他深度的孔压值小很多,这主要是由于该孔压计位于排水板底部的淤泥中,在真空渗流场的作用下,周围土体逐渐固结压缩,使该处土体的渗透性变差,因此孔压消散速度变慢,曲线趋于平缓。

膜下真空负压对孔隙水压力的消散影响是比较明显的,同一深度处土体的超静孔隙水压力与真空度具有类似的变化规律,尤其是3 m土体更为明显,受真空度的影响也更大。10月15日停泵造成3 m处真空度急剧下降了30 kPa,对应位置的孔压回升迅速,回升值达到5 kPa,但随深度的增加孔压的反应逐渐减小。表明了若膜下真空度大幅度变化的时间较短,则对深度较大处土体的孔隙水压力的影响是很小的。

在真空预压阶段,当膜下真空度基本维持在80kPa左右时,3 m到12 m各测点的超静孔隙水压力数值基本保持一致,由于各埋设点处土体的渗透性有差异,得出在单独抽真空阶段由真空度引起的孔隙水压力消散值沿深度分布基本相同,其值都在50 kPa左右,这与文献[5]的观点是一致的。

在抽真空一个月后开始堆载,由填土引起不同深度处超孔压数值变化是不一样的,可以看出地基浅处的超孔压上升幅度比较大,而深部上升幅度则很小,这是由于堆载产生的附加应力沿深度方向递减引起的。在堆载过程中,超静孔隙水压力呈波浪形的变化,这主要是因为由堆载产生的附加应力开始全部由孔隙水承担,导致孔隙水压力上升,随着孔压的逐渐消散,附加应力逐渐转化为了土体的有效应力,之后土体在有效应力的作用下发生相互的挤压和挪动,对孔隙中的水产生挤压作用,负的超静孔隙水压力又开始上升。上述的相互作用过程不断的循环,便反应出了孔压消散曲线的波浪形变化。

在真空堆载联合预压工程中,负压渗流场是引起孔隙水压力消散的主要方式,所以真空度的大小对孔压的最终消散值有着直接的决定作用。而堆载产生的附加应力使土体产生正的超静孔隙水压力,使土体渗流场中的压力差变大,促使孔隙水的渗流速度加快,进而加快了孔隙水压力的消散速率,使附加应力更快更有效的转化为有效应力,达到土固结的目的。可见,在真空堆载联合预压中孔隙水压力的消散速度要比单独堆载作用下孔压消散速度快得多,在开始堆载后,从孔压上升并达到稳定状态经过的时间很短,就能反映这一点。

3.3 真空度与超静孔压的相关性分析

根据文献[9],地基中的孔隙水压力消散值可以分为两个部分:一是抽真空引起地下水位线下降进而引起的孔隙水压力消散值;二是真空负压渗流场中的“真空负压能”的传递导致的孔隙水压力下降值,而“真空负压能”的大小又与土体中的真空度值及其沿深度的传递效果有关系。所以,孔隙水压力的变化与真空度的变化二者是相关联的。图4和图5分别是B区淤泥中3 m和6 m处真空表与孔压计在抽真空阶段的实测结果对比图。

从图4中可发现,3 m处的真空度值和超孔压值两者是很吻合的,此时测得地下水位下降了3 m,则该真空表和孔压计位于地下水位线以上,也就是说,在地下水位线以上的淤泥中,真空表和孔压计的数值基本是一致的,孔隙水压力值实质上反映了该处土体的大气压力值,二者基本都为50 kPa。表明了在淤泥中地下水位线以上的土体中,孔隙水压力的消散主要是由真空度的传递所引起的。

图4 膜下3 m处真空表与孔压计测试结果对比图

图5 膜下6 m处真空表与孔压计测试结果对比图

而6 m处的土体位于地下水位线以下(见图5),该处真空表与孔压计两者的结果不一致,孔压值比真空度值大的多,其实测最大值相差了28 kPa,与该处孔隙水压力因地下水位下降的30 kPa在数值上比较接近。说明了在淤泥中地下水位线以下的土体,孔隙水压力的消散主要是由地下水位的下降所引起的,真空度直接引起的孔隙水压力消散值相对较小。

4 结 论

结合真空堆载联合预压现场试验,对淤泥中的超孔隙水压力和真空度进行了分析,得出了以下结论:

(1)淤泥中真空度的出现有一个启动的过程,深度较大土体的启动时间明显大于埋深较浅的土体,只有经过这样的过程淤泥中的真空度才会上升,而且淤泥中真空度沿深度的衰减平均值达到10 kPa/m。

(2)随着抽真空时间的延长,膜下真空度基本保持稳定,而淤泥中的真空度则因土体的固结压缩逐渐下降并趋于一个相对稳定的值。

(3)加固区内超静孔隙水压力变化受真空负压、土体渗透性和堆载的影响,在真空预压阶段,孔隙水压力沿深度方向的最大消散值基本上是相同的。在整个预压处理过程中,孔压的消散曲线呈现出具有波浪形。

(4)淤泥地基中孔隙水压力的消散主要是由于地下水位线的下降所引起的,地下水位线以上土体的超孔隙水压力值与真空度在数值上一致,地下水位线以下的真空度值小于超孔压值,此时孔隙水压力消散主要是由抽真空导致的地下水位下降引起的,真空度直接引起的孔隙水压力消散值相对较小。

[1]龚晓南,岑仰润.真空预压加固软土地基机理探讨[J].哈尔滨建筑大学学报,2002,35(2):7-10.

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[3]高志义,张美燕,刘立钅玉,等.真空预压加固的离心模型试验研究[J].港口工程,1988(1):18-24.

[4]岑仰润,俞建霖,龚晓南.真空排水预压工程中真空度的现场测试与分析[J].岩土力学,2003,24(4):603-605.

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[9]娄 炎.负压条件下软土地基的孔隙水压力[J].水利学报,1988,(9):48-52.