软土堆载预压处理离心模型试验研究

李从保，李从安

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心 安徽 合肥 230088；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010)

0 引言

近年来，我国在东南沿海地区基础设施建设的规模不断扩大，但由于沿海地质形成的特殊性，多分布着压缩性高、强度低淤泥或淤泥质软土，在建设中经常遇到软土。为了满足道路和场地对强度和变形要求，需要对软土地基进行处理，沿海地区深厚软土地基处理多采用塑料排水板加堆载预压处理软弱地基，而排水板处理的深度有限，对于深厚软土地基中排水板未处理土层后期沉降还有待研究[1-3]。

土工离心机试验通过离心力模拟重力，按相似准则将原型的几何尺寸按比例缩小，并用相同物理性状土体制成模型，以研究相似工程性状。在软土固结沉降离心机试验研究中，将原型缩小N倍制成相关模型，其模型应变为原型的1/N倍，模型的固结时间为原型的1/N2倍[4]。本文以某沿海吹填造陆工程为背景，根据现场软土地基沉降观测数据为基础[5-6]，开展深厚软土地基堆载固结沉降离心模型试验研究[7-8]。通过离心模型试验来预测未来3～5年，甚至更长时间内经预压处理后的软土地基工后总沉降，对地基处理效果进行评价，并为下部未处理范围内软土的长期工后沉降提供设计参考。离心模型结果可以为进一步三维数值分析提供设计参数，同时也为同类工程的设计、施工提供参考。

1 模型设计和试验模拟方法

1.1 原型概况

该填海造陆工程总用地面积约450万m2。场地原为近海滩涂和水下浅滩，现经围海、集淤、吹砂成陆，分层吹填砂至1985国家高程+2.0 m，然后打设塑料排水板，回填开山石至+8.0m～+10.0 m进行堆载预压地基处理，约半年后满足卸载条件卸载整平至+4.8 m形成最终陆域。

工程场地主要分布Ⅲ2层淤泥质粉质粘土和Ⅳ1粉质黏土，均属于含水率和压缩性较高的天然软土，软土发育深厚，底标高约从-30 m～-60 m不等。地基处理所采用的塑料排水板+堆载的处理方法中塑料排水板未能穿透整个软土层(排水板处理深度约-28 m高程)，处理层下部存在最深约30 m左右的软弱土层。由于深厚软弱下卧层的存在，工后沉降易在桩侧产生下拉荷载作用，降低桩基承载力，给上部构筑物带来安全隐患。因此，本试验对软土地区对于堆载预压工后沉降进行研究。

1.2 试验设备

本次试验是在长江科学院CKY-200型岩土离心试验机(见图1)上进行的。模型箱尺寸为1.0 m×0.8 m×0.4 m(长×宽×高)其最大容量为200 g·t，最大离心加速度为200 g，有效半径为3.7 m。

图1 CKY‐200岩土离心机

1.3 模拟对象及模型尺寸

根据现场勘查结果，现场土层主要为3类，现场勘查测得土样参数如表1所示。设计模型试验模型尺寸如图2所示。模型经预固结完成后插入塑料排水板，后进行40 mm填沙层和60 mm堆石料进行堆载预压，离心率N=100 g。原型与模型比例为1：100，即将原型尺寸缩小100倍，置于离心机模型箱中，通过离心机高速旋转至100倍重力加速度，使模型达到与原型相同的应力场，实现模型与原型应力应变相等的目的。

孔隙水压力消散是土体固结过程中的关键问题，因此通过对水压力消散过程进行量纲分析，可以获得相应的固结问题的相似比。衡量超静孔隙水压力消散程度的指标是固结度，而固结度与固结时间因子直接相关。固结时间因子定义为：

式中，Cv是固结系数，t是固结时间，H为排水路径长度。Tv是无量纲数，因而模型和原型具有相同的数值，即

通常情况下，模型与原型采用相同的土体，即具有相同的固结系数，因此固结时间相似比为1：N2(模型：原型)[9]。这样，实际工程中需要一年完成的固结，如果在离心机中采用100 g的离心加速度，只需要52 min就可以完成。

表1 原型底层参数表

图2 模型材料及制备(单位：cm)

1.4 填筑材料的模拟

为了真实模拟现场Ⅲ2淤泥质粉质黏土的性质，本次试验土样为促淤围涂工程现场取样，模型试验Ⅲ2淤泥质粉质黏土土性参数如表2所示。

1.5 塑料排水板模拟方法

原型现场采用塑料排水板加速软土地基固结排水，故模型试验中采取对应措施加速软土固结排水。由于模型缩尺后难以找到与排水板尺寸相一致的模拟材料，将塑料排水板按等周长换算为圆截面排水体，根据公式(1)换算得到排水板当量直径Dp：

图3 模型排水体施工图

式中：b为塑料排水板宽度，现场试验b=100 mm；δ为排水板厚度，原型为4.5 mm；α为换算系数，取值0.902。换算得到当量直径为60 mm，若按模型率N=100进行缩尺模型排水体直径为0.6 mm。现场排水板间距为1.3 m，等边三角形布置，则原型有效排水直径为1.365 m，根据离心模型模型排水体与原型排水板井径比等效原则(λp＝λm)，λp=22.75，模型试验中为便于施工，选取模型排水板间距为20 mm×20 mm，正方形排列，有效排水直径de=1.13l=22.6 mm，排水体直径为为1 mm，模型试验采用两根透水滤芯捻为一根，模型试验中在侧向土压力作用下，实际排水通道可达到1 mm的理论设计值。模型预固结完成后，将模型表层放样为20 mm×20 mm的方格网，将细合金管在长度为300 mm处刻画标记，再采用合金管将透水滤芯缓缓插入粉细砂层下的淤泥层中，再将合金管缓缓提起。塑料排水板处理的地基长度为260 mm，模型箱宽度为400 mm，共需要约1000根排水体。图3为模型塑料排水体施工图。

1.6 模型监测

模型试验制作过程中Ⅳ-2层和Ⅲ层顶面预埋沉降监测管，采用激光位移传感器监测Ⅳ-2层和Ⅲ层和地表沉降，同时沿Ⅱ-1层底面，垂直间距100 mm位置放置三个孔压传感器，监测固结过程中孔隙压力变化。模型监测点布置如图4所示。

1.7 试验过程

(1)对原型土样进行晾晒破碎后过5mm筛，②1层土样含水率为50%，③层土样含水率为30%，④2层含水率为24%备样，对Ⅲ、Ⅳ-2倒入模型箱中分层击实，②1层按设计含水率静置后搅拌均匀倒入模型箱中，预埋孔压传感器。

表2 模型III2淤泥质粉质黏土参数表

图4 模型传感器监测布置图

(2)将模型吊入离心机中运行约25 min，完成模型的初始固结，停机吊出模型箱，称量模型排水质量，同时选取专用套管沿深度对模型进行取样，测量模型不同深度含水，采用微型十字板沿深度测量模型的不排水抗剪强度。

(3)称量40 mm厚所需吹填砂质量，采用砂雨法均匀散落在淤泥层顶面，按设计间距采用细合金管将裁定好的毛线缓慢插入淤泥层中，淤泥成毛线长度为26 cm，后在吹填砂层添加6 cm厚的堆石料，表面整平；

(4)将模型箱吊入离心机中，架设位移传感器，传感器调试完成后，开机进行模型试验加载，按20 g为一级，逐级加载至100 g，稳定运行4.35 h，如图5所示，模拟工后5年地基沉降变形。

(5)稳定运行完成后，停机，采用微型十字板测量试验后模型不同深度不排水强度，并进行环刀取样，测量不同深度淤泥密度及函水率。

2 成果分析

2.1 现场实测结果分析

根据现场实测沉降观测曲线如图6，采用双曲线法对沉降数据进行线性回归分析，双曲线法是利用实测沉降数据推算满载稳定情况下地基最终沉降量的常用方法。如式(5)所示。

图5 离心加速度‐时间的关系

式中，S0为t=0时刻对应初期沉降量，St为任意t时刻对应沉降量，t0为所选取初始沉降对应时间，α和β均为与沉降时间和沉降量有关的经验系数。经过沉降公式变换与实测数据圆滑处理，以沉降量计算数据曲线图为基础，绘制(t-t0)(St-S0)与t-t0关系曲线图，如图7、图8所示。通过离心机试验得出，超软土地基土体A3-7和A3-8的堆载预压322天沉降量分别为1738 mm和1655 mm，根据双曲线拟合后，得到最终沉降量分别为2101 mm和2026 mm，堆载322天地基固结度分别为82.7%和81.7%

2.2 离心机试验结果分析

2.2.1 地层沉降

图6 地表沉降监测图

图7 编号A3‐7线性回归曲线

图8 编号A3‐8线性回归曲线

离心模型试验测量得到沉降随时间的变化关系，换算成原型比尺如图9。试验得到堆载322天，地基沉降量为1728 mm，地基固结度约为82%，与现场实测结果一致。其中④2层、③层和②1层沉降量分别为244 mm、407 mm和1077 mm。堆载5年后工后地表沉降量为320 mm，其中④2层、③层和②1层沉降量分别为30 mm、75 mm和215 mm。

图9 离心机模拟试验竖向位移图

2.2.2 孔压

试验开始前在Ⅲ层顶面及以上100 mm、200 mm位置布置孔压传感器KY-1、KY-2和KY-3，监测运行过程中孔压变化如图10，以开始堆载后一年为工后沉降起点，试验得到工后5年内孔压消减 12～20 kPa。

图10 离心机模拟试验孔压图

2.2.3 含水率及强度

试验将按给定密度与含水率的土样制备成样，分层装入模型箱中，100 g工况下稳定运行25 min完成预固结过程，预固结完成后停机，测量土样分层含水率，采用微型十字板测量土体初始强度，如图11，初始固结完成后进行模型表面堆载，100 g稳定运行4.35 h后停机，测定模型含水率、密度及土体强度如图12所示，从图中可以看出，打入排水板预压排水后，Ⅱ-1层含水率分布随深度增加逐渐增大，表层含水率降低达11.6%，而排水板以下未处理部分含水率变化不明显；Ⅱ-1层土体不排水强度随深度增加亦逐渐增大，土体强度较未排水前提高2倍以上，排水板处理范围内土体强度提高明显。试验结结束后对Ⅱ-1层进行环刀取样，测得土体平均干密度为1.28 g/cm3。

图11 预固结完成模型不排水强度及含水率(单位：cm)

图12 试验完成后土体强度、密度含水率分布图

3 结论

通过离心模型试验研究软土地基堆载预压固结过程中土体沉降量，并与现场实测数据进行对比验证，离心试验结果与现场实测数据基本一致，试验结果得到以下结论：

(1)堆载预压地基最终沉降量约为2080 mm，堆载322天地基固结度达82%，工后5年地表沉降量为32 mm，其中④2层、③层和②1层沉降量分别为30 mm、75 mm和215 mm，分布占地基总沉降量的9.3%、23.4%和67.2%。

(2)塑料排水板+堆载预压处理地基可以有效提高地基强度。采用排水板处理后，Ⅱ层土体不排水强度随深度增加逐渐减小，含水率随深度增加逐渐增大。Ⅱ层表层土体含水率降低达11.6%左右，土体不排水强度提高5倍，底层土体强度提高约2倍，排水板以下未处理部分含水率未发生明显变化。

(3)通过离心机试验分析，该工程采用塑料排水板+堆载预压一年后软土固结度可达80%以上，工后沉降较小，满足后期项目建设。同时堆载预压处理工程造价相对较低，施工难度小，该处理方案在类似项目中值得推广。