真空-堆载联合预压法在高速公路软基加固中的应用研究

许忠发,何 钜

(1.南京市长江河道管理处,江苏南京210011;2.河海大学土木与交通学院,江苏南京210098)

我国东部沿海地区大部分土层为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土及淤泥混砂层,属于饱和的正常压密软粘土。在这种含水率高、压缩性大、渗透性差、强度低,且土层厚、分布极不均匀的软土层上修建高等级公路,将会遇到稳定性差、大沉降和不均匀沉降等问题,对软土路基进行一定的处理措施是必然的。本文对真空-堆载联合预压加固软基的机理、研究现状及工程应用进行了探讨。

1 真空-堆载联合预压法研究现状

从1952年,W.Kjellman教授提出真空预压法的加固模型开始[1],瑞典、美国、日本、前苏联、英国、中国[2]等国家有不少专家学者和研究机构对真空预压法及真空-堆载联合预压法进行了一系列的理论研究、室内试验研究及现场试验研究,但是由于该方法加固机理的复杂及现场土性的千变万化,该方法的加固机理、设计方法仍有许多有待解决的问题。

国内南京水科院等单位在1960—1979年间对真空预压法开展了机理研究,并未取得较大进展。20世纪80年代后,天津大学、河海大学、南京水科院及交通部一、三、四航局科研所等单位相继开展了真空预压加固机理的研究,并取得了较大的研究成就[3]。

2 真空-堆载联合预压法加固机理

真空-堆载联合预压法加固软基是在真空预压法和堆载预压法基础上发展起来的,两者都是属于排水固结法,通过真空压力(负压)和堆载(正压)使土体中的孔隙水产生不平衡的水压力,孔隙水在这种不平衡力的作用下通过竖向排水体逐渐排出,从而使土体产生固结变形。

堆载预压的加固机理是在堆载预压时,地基土由于荷载作用而产生的附加应力开始由孔隙水压力所承担,而有效应力不变,随着时间的推迟,孔压逐渐消散并转变为有效应力,如图1、图2所示。从图2可知,加固后强度由τ0变为τ,且应力莫尔圆大小也改变了。卸载后被加固土体的强度沿超固结包终线O′、A′、退到B点,强度增加了 Δτ。

图1 堆载预压时有效应力变化图

图2 堆载预压时摩尔圆变化示意图

真空预压的加固机理是在外荷不变的情况下,通过抽真空对加固区施加流体压力,它作用于砂垫层和砂井内孔隙流体,在短时间内砂垫层和砂井内的孔压迅速降低并排出水和气。由于土和砂井的渗透系数差别很大,土体内在刚开始抽气时仍保持抽气前孔压分布状态。这样,土体内与作为边界的砂井和砂垫层间形成孔压差。孔隙水在孔压差的作用下,伴随着渗流使水排出并使孔压降低。孔压的不平衡逐渐由近及远地向距边界较远的点波及,形成土体内距砂井和砂垫层远点与近点间的孔压差。在总应力σ基本不变的情况下,孔压的降低值即为σ′的增加值,从而使土体固结压密,直到土体内与边界上达到孔压新的平衡为止。

从图3可知,真空度越高,沿深度衰减越小,增加的有效应力越大,加固效果越好。由于孔压是球应力,所以真空预压时减少的孔压(增加的有效应力)是各向相等的。从图4可知,地基中土体单元的莫尔圆大小并没有改变,只是向右发生移动,加固后剪应力大小没有改变,强度由 τ0卸荷后,被加固土体由正常固结状态变为超固结状态,地基土的强度沿超固结包络线O′A′、退到B点,与加固前比较强度增加了△τ[4]。

图3 真空预压时有效应力变化图

图4 真空预压时摩尔圆变化示意图

真空-堆载联合预压法具有真空预压和堆载预压的双重效果,但不是两者的简单叠加。联合预压时的有效应力变化如图5所示。从渗透规律来进一步分析其加固效果,根据达西渗透定律可得到

图5 真空-堆载联合预压时有效应力变化图

式中:v为孔隙水的渗透速度;k为土的渗透系数;Δ h为水头差;L为渗透距离。即土体中孔隙水的渗透速度与水力坡降(Δ h/L)成正比,增加水头差 Δ h和减小排水距离L,均可加速土体排水固结。真空预压的加固机理是通过降低土体中孔隙水压力,即使加固区内形成负的超静孔隙水压力,加固区内外存在水头差,使之形成渗流需要的水力梯度;而堆载预压是由于堆载产生正的超静孔隙水压力,通过孔压的消散而使强度得到提高。两者联合作用,正负孔隙水压力的压差增大,也就是增加水头差 Δ h,造成孔压消散更快,加固效果更好。

2.1 加固机理

真空预压法与堆载预压法都是排水固结法,都可用固结理论求解,只是边界条件不同,这一观点已得到普遍承认。软土在负压下的排水和固结变形过程与正压条件下的固结过程是相似的,都是通过孔隙压力的变化将荷载传递给土体骨架的过程。但是,关于真空预压过程中是否存在连续的地下水面,如果存在,地下水位是否会下降,以及真空预压法的加固深度和有效加固范围等问题并不十分清楚,仍存在争议,缺乏统一认识。

真空-堆载联合预压法的机理分析,目前仍然是在真空预压法的基础上,将堆载荷载叠加进行应力分析。由于真空预压法与堆载预压法在加荷过程、边界条件、初始条件、土体变形等方面存在不同之处,因此简单的叠加是不能反映其综合作用的。真空-堆载联合预压法的加固机理有待进一步研究。

2.2 计算方法

真空预压法与堆载预压法的固结计算方法,归纳起来有以下两类:一种是以轴对称固结理论为基础的解析解法,如巴隆(Barron)解、汉斯波解和曾国熙解等。另一种是以太沙基(Terzaghi)固结理论或比奥(Biot)固结理论作为基础的数值解法,如有限元法、边界元法和差分法等。解析法最大的优点是计算简单,比较适合计算加固区比较大,地基情况和边界条件、初始条件比较简单的加固区中心的固结沉降。董志良推导了单井在负压及正、负压联合作用下的解析解[5]。由于解析解一般假设固结过程中总应力不变,所以无法考虑固结过程中孔压与变形的耦合关系;此外,它还无法对整个地基特别是加固区边界的固结变形进行计算;因此解析解法的应用受到了很大的限制。数值解法可以弥补解析解的不足,适应于土体的非线性、弹塑性和各向异性等特点。沈珠江首先用有限元法对某真空预压法处理的工程进行了计算,发现土体本构模型对计算结果影响较大[6],陈环等也用有限元和边界元进行了计算[3],余志顽等用有限元对某工程进行了空间固结计算[7]。由于三维有限元分析工作量巨大,现有的有限元计算大都是考虑为平面应变情况,必须对砂井间距和砂井渗透系数进行等效调整,以便于简化计算。真空度在砂井中的分布假定为:(1)理想情况,即真空度随深度没有衰减;(2)把实测的衰减情况带入计算中。理想情况显然是不合理的,对于不同的地质条件和砂井,真空度衰减情况也不尽相同,并且砂井中真空度的测量仍然没有很好地解决。

结合当前的研究现状,对真空预压法及真空-堆载联合预压法仍需要进一步的研究,包括更合理的计算方法的研究、抽真空能量和渗流量的关系、地下水位的变化及影响等方面。

3 真空-堆载联合预压法在高速公路软基加固中的工程应用

本文将真空-堆载联合预压法在浙江甬台温高速公路中的应用情况及效果介绍如下。

3.1 工程概况

甬台温高速公路K36段位于浙江省宁波市境内。该地区分布着大量近代沉积的软粘土层,这种软粘土层具有含水率高、强度低、压缩性大、渗透性差等特点。其中K36+521～K36+634段为高速公路立交桥头所在,对工后沉降的要求更为严格。经过多种方案的分析,采用了真空-堆载联合预压法对该路段进行软基处理。

该路基长约113 m,宽约48m,加固面积约5 400 m2。地质条件第一层为填土,厚0.3m～0.6 m,为筑路砂砾。第二层为粉质粘土,厚0.4m～1.0 m,灰黄～黄色,软塑～可塑,饱和,含褐色铁锈斑。第三层为粉土,厚3.7 m～5.0 m,灰色,松散～稍密,饱和,局部夹薄层粘土。第四层为淤泥质粘土,灰色,流塑～软塑,饱和,夹有粉土,见贝壳碎屑及腐殖质。

3.2 施工过程

先将25 m长的塑料排水板按照三角形排列、间距1.6m打入加固区内。在加固范围内先后铺设40 cm砂砾层和20 cm细砂层,砂砾层和细砂层作为水平排水体,细砂层同时起保护密封膜不被砾石刺破的作用。将PVC滤管埋入砂砾层中,PVC管分为直径55 mm的支滤管和直径82 mm的主管。支滤管上打有直径8 mm、间距4 cm的滤眼,并用土工布将其包裹,以防止抽真空过程中细砂进入支滤管。真空压力由真空射流泵与主管相连后提供。如图6所示。

真空压力保持在80 kPa左右并持续作用4个月。在抽真空过程中,2.8m路基填土被填筑上去,起到堆载的作用。

图6 真空-堆载预压法剖面示意图

路基填筑完毕后,抽真空继续一段时间,真空荷载和堆载共同作用,直到地基的固结度和连续10d平均沉降速率满足要求为止。加载过程如图7所示。

图7 加载曲线

3.3 加固效果

为了研究真空-堆载联合预压法的处理效果,在该路段安排了两个观测断面。观测仪器的布置如图8所示。下面将表面沉降和分层沉降的监测结果分析如下。

图8 观测仪器埋设示意图

3.3.1 表面沉降

表面沉降的观测结果如图9所示。从图9可以看出,加固区边缘(A1,A3,A4,A6板)总沉降量相对稍小,分别为701 mm,828 mm,644 mm,719 mm。加固区中心处(A2,A5板)总沉降量相对稍大,分别为858 mm,798 mm。总的来看,真空-堆载联合预压法处理软土地基的效果是很好的,减少工后沉降且施工进度较块,沉降速率可大大高于堆载预压法规定的10 mm/d。

图9 表面沉降随时间变化曲线

3.3.2 分层沉降

通过分层沉降的观测,可以了解地基不同层位的分层沉降量;根据分层沉降变化规律,进一步分析深层土的加固效果和加固影响深度。分层沉降过程线如图10所示。它反映了不同深度土层在不同时间的沉降特征和压缩量,沉降沿深度递减,呈较好的规律性。

从表1及图10可以看出,土体的压缩量主要由深度20 m以内的土层完成。而且从图10中可看出,在抽真空早期,地面以下27 m处就已经有了沉降。这说明真空预压法及真空-堆载联合预压法的作用可以到达较深的软土层,其作用深度可以到达排水板深度以下2 m～3 m。

表1 真空-堆载联合预压法各分层的压缩量

3.3.3 土体水平位移

土体侧向位移速率大小是判别高速公路路堤地基稳定与否的控制指标之一,其变化规律可以监测地基各层土体的侧向变形发展情况,并可计算因侧向位移而引起的沉降量。根据不同时段侧向位移随深度变化的实测数据,可以了解真空-堆载联合预压法加固软基不同阶段土体的变化特点。

图10 分层沉降随时间变化曲线

从图11测斜管水平位移随深度变化曲线看,开始抽真空后,各测斜管均有向加固区内的收缩变形,Ⅰ断面4 d水平位移达40 mm左右,Ⅱ断面4 d水平位移达50 mm左右,导致沿加固区边缘外4 m处出现长15 m、宽约15 mm的可见裂缝。说明真空-堆载联合预压加固可避免土体发生剪切破坏,明显优于超载预压加固。从图11看,开始堆载之后,每一次堆载过程加固区均有向外的挤出位移,一般在堆载后的一二天达到最大值,随后有一个较快的向内收缩位移,三四天后趋于稳定。在堆载后期,Ⅰ测斜管向外位移达190 mm,日最大位移20mm;Ⅱ测斜管两天向外位移达220mm,日最大位移在25mm。其原因初步认为有两方面,(1)真空预压阶段使加固区周围约束条件减弱,导致初次堆载产生较大的向外挤出位移,(2)随着沉降量的增加土体固结度增大强度提高,抵御变形的能力逐渐变强,导致后两次堆载过程向外挤出位移递减。堆载结束后,在真空荷载作用下,各管的总体位移是向内发生变化,这种变化随着预压时间的延长,速度逐渐趋于稳定。Ⅰ测斜管总共向内位移了13 mm;Ⅱ号测斜管总共向内位移了28 mm。在这个阶段,两根测斜管向内最大日位移量为2.5 mm(开始阶段);最小日位移量为0.4 mm(结束阶段)。各测斜管均发生向内位移,说明真空荷载在此阶段仍起着很大的作用,使土体向内收缩变形。

图11 测斜孔侧向位移随时间变化曲线图

4 结 论

通过实际工程及分析,认为真空-堆载联合预压加固软基方法具有以下特点:

(1)在这些软基地段,采用真空预压措施后,保证了在快速堆载的情况下地基的稳定性,保证了整个工程的顺利完工。用真空-堆载联合预压法加固高速公路软基,加固效果明显。沉降速率较快,最大速率远远超过堆载预压规范允许。

(2)真空-堆载联合预压法具有真空预压和堆载预压双重加固效果,在加固软基过程中,可以较好地解决路堤填筑过程中的稳定性问题,由于真空荷载使土体产生向内收缩变形,可部分平衡堆载预压产生的侧向挤出变形,对路基稳定有利。

(3)侧向位移量和位移速率与荷载大小有明显的相关性,随着荷载增加,位移量和位移速率增大,加载停止,位移量和位移速率显著减小。与堆载预压不同的是随着加荷的停止,水平位移不是向外位移,因为抽真空不仅使土体固结,而且使土体产生向内收缩变形,另一方面真空荷载作用下地基土已发生固结,强度有所增长,从而可以使堆载速度很快而不至于发生失稳破坏,因此可以加快填土速率,缩短工期,带来明显的经济效益。

(4)抽真空产生80 kPa的压力,相当于3 m～4 m的超载,并可一次施加,不仅可达到超载预压的效果,有利于减少工程后期沉降,而且还可节省填土(超载)等施工。

(5)加固效果明显。加固深度大,一般可达砂井下2 m～3 m,适合于加固深厚软土地基。

(6)真空-堆载联合预压法施工管理简便易行。

(7)相比较真空预压法和堆载预压法,采用真空-堆载联合预压法是加固这些地段软基最经济合理的方法。

[1]Kjellman W.Consolidation of Clay Soil by Means of Atmospheric Pressure[C]//Proc.Coference on Soil Stabilization.MIT,Boston,1952:87-91.

[2]陈 环.真空预压法机理研究十年[J].港口工程,1991,(4):17-25.

[3]天津大学地质地基教研室.真空排水固结试验研究[J].天津土工创刊号,1961,(9):12-19.

[4]高志义.真空预压法的机理分析[J].岩土工程学报,1989,11(4):45-56.

[5]董志良.真空预压-塑料排水板加固软基固结理论及真空度的研究[D].南京:河海大学,1995:37-56.

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[7]余志顽,赵维炳,顾 吉.粘弹-粘塑性软基排水预压的三维有限元分析[J].河海大学学报,1995,23(5):7-13.