两次插板和两阶段真空预压模型试验对比研究*

吴建奇 欧阳财禄 符洪涛 许士伟 吕有畅

(1. 江西理工大学土木与测绘工程学院, 江西赣州 341000; 2. 温州大学建筑与土木工程学院,浙江省软弱土地基与海涂围垦重点实验室, 浙江温州 325035; 3. 温州市瓯飞开发建设投资集团有限公司, 浙江温州 325035)

近年来,随着我国东部沿海地区经济的快速发展,对土地资源的需求日益增加,围海造陆成了解决该问题的有效途径。吹填土材料采用的是高含水率、高压缩性、低抗剪强度的疏浚海泥,海泥属于超软土,而处理超软土最有效的方法则是利用真空预压。[1-4]自1952年Kjellman第一次提出利用真空预压加固超软土[5]的想法以来,经过数十年的发展,这项技术已被广泛用到超软土地基加固工程中。然而在利用传统真空预压技术加固吹填淤泥地基时会遇到一个典型问题——排水板严重淤堵。

许多学者为解决真空预压过程中排水板淤堵问题进行了研究:朱群峰等通过研究排水板在实际工况下的通水特性,提出对于变形大且固结时间长的新近吹填淤泥地基加固工程应优先选用高性能排水板。[6]王军等提出应采用新型防淤堵排水板,通过对不同排水板的真空预压试验,验证了新型防淤堵真空预压法的有效性。[7]雷华阳等提出“交替式真空预压法”[8],证明土颗粒的交替运移可有效地抑制淤堵泥层的形成及“土柱”现象的产生,使整体加固效果更加均匀有效。史吏等进行了增压式真空预压处理吹填淤泥的室内模型试验[9],发现土体产生的微小劈裂裂缝,提高了土体的渗透性,加快了孔压消散和土体固结。

部分学者从改变土的性质出发提出用絮凝剂提高预压效果:武亚军等提出“利用化学药剂絮凝沉积联合真空预压处理软土地基”[10-12],通过絮凝真空预压和普通真空预压对比研究,表明药剂真空预压法具有非常好的防淤堵作用。赵森等提出一种“新型化学絮凝联合真空预压法”[13],表明掺入絮凝剂的吹填土加固效果明显提高。Lin等通过掺入FeCl3溶液对污泥进行絮凝处理,并联合真空预压法快速降低含水率,提高土体固结速率。[14]然而,化学絮凝剂会对环境造成污染,特别是含有重金属离子的絮凝剂,甚至造成水污染,因此,絮凝固化真空预压没有在实际工程中大规模使用。

为进一步研究和解决实践工程中排水板淤堵问题,基于孙立强等提出的“两次插板真空预压法”[15],Wang等提出了“两阶段抽真空法”[16],提高了加固效果。

目前,关于排水板的数量和工程实际相吻合的报道还不多,为模拟实际施工现场,将采用新型防淤堵排水板,通过计算排水板的影响范围,得出排水板数量。对两次插板和两阶段真空预压进行对比试验,其中两阶段真空预压是:第一阶段,先对一半排水板地基抽取真空,当土体有一定抗剪强度后再对剩下的排水板抽取真空。两次插板预压是:在试验开始时先插一半排水板并抽真空,等土体有一定强度后再布置插入新的排水板,继续对土体进行抽真空。通过两次真空预压或两次插板真空预压的室内模型试验,以加深对排水板的淤堵机理的研究,对真空预压工程实践提供参考。

1 模型试验

1.1 土的物理性质

试验土样来至浙江省温州市瓯飞工程第二期吹填现场,通过室内实测得到其物理力学性质如表1所示。土的颗粒级配曲线如图1所示。

图1 土的颗粒级配曲线Fig.1 A particle gradation curve of soil

表1 土的物理性质Table 1 Basic physical property indexes of soil

1.2 试验装置

试验装置模型示意图如图2所示,试验装置主要有模型箱、排水系统、量测系统和真空泵四部分组成。

真空探头;孔压传感器。图2 试验装置示意 mmFig.2 A schematic diagram of experimental apparatus

排水系统由整体式排水板、水-气分离瓶、真空软管组成。量测系统有刻度尺、真空表、电子秤和孔压计组成。其中模型箱的尺寸为120 cm长,60 cm宽,60 cm高的有机玻璃制成。其中排水板宽度为100 mm,厚度为5 mm,排水板等效直径按式(1)[17]确定:

(1)

式中:d为等效直径;b为排水板宽度;δ为排水板厚度。

通过式(1)计算得到排水板等效直径为66.85 mm,排水板间距取15～22倍的等效直径,试验取18倍,模型箱中4根排水板的作用面积与现场实际的作用面积之比为 0.5(模型比为 0.5)。因此试验排水板宽度取50 mm,间距为0.4 m。排水板实物图如图3所示。其中,对孔压计的透水石进行了饱和处理,参考了高志义等的做法[18],具体做法是将孔压计的透水石取下放进装满水的烧杯中,再将烧杯放进自制的抽真空设备中抽真空48 h。停止抽真空后,将饱和的透水石在水下与孔压计接好后将孔压计头表面注一层水以保证与空气隔绝,小心地把孔压计埋进土内指定位置。

图3 改进排水板Fig.3 Improved PVDs

同时在T1、T2、T3三个模型箱进行试验,箱内均布置四根排水板。T1模型箱内为传统真空试验排水板平面布置示意,见图4所示;T2、T3模型箱内分别为两次插板真空预压试验和两阶段真空预压试验,排水板布置如图5所示,其中,1号排水板为两次插板真空预压试验中首次插入的插板或两阶段真空预压试验中先抽真空的插板,2号为两次插板真空预压试验中第二批插入的插板或两阶段真空预压中后抽真空的插板。在三个模型箱内均注入含水率相同的泥浆并且静置24 h后待泥面高度稳定在45 cm处,第二,将排水板布置到指定位置,孔压计分别埋设在距土表面下20 cm、距排水板5,20 cm处各一个;在同一深度处,在距排水板20 cm处,埋设真空探头针。

图4 传统真空预压排水板平面 cmFig.4 Arrangements for PVDs of conventional vacuum preloading

图5 改进方法中排水板的布置平面 cmFig.5 Arrangements for PVDs in the two kinds of improved vacuum preloading

2 试验结果分析

2.1 真空度

图6为T1、T2和T3三个模型箱试验时真空度随时间变化曲线。可知:在开启真空泵2 h后,真空度就达到了90 kPa以上并保持稳定,证明气密性良好。此外,三个模型箱的真空度基本一致,可认为三个试验箱在相同真空压力下抽真空。但是在试验后期,T1模型箱的真空度急剧下降,而沉降和排水却依然存在,判断是真空探头的针头堵塞导致,等试验结束后发现果然由于淤堵严重,针头被细土颗粒堵住,而T2和T3却没有出现这种情况,所以两次插板和两阶段真空预压在后期也可以更好地传递真空度,两者在真空度这个指标上并没有显著差别。

图6 真空度随时间变化曲线Fig.6 Changes of vacuum degrees with time

2.2 沉 降

试验过程中分别对距排水板5,15 cm处的土层表面进行沉降记录,图7是土体表面沉降随时间变化曲线。由图4可知:由于T1模型箱开始就对4根排水板进行抽真空,而T2和T3模型箱只对两根排水板实施抽真空,所以沉降速率比较大,但是在后期沉降基本不变,原因是排水板发生淤堵。而T2和T3模型箱中前期沉降变化不大,但是在第50天,在T3模型箱进行第二阶段抽真空后,土体沉降变快,这是因为第二阶段的排水板开始工作。对T2模型箱在第一次抽真空沉降变化很小接近平稳时进行第二次插板处理,沉降又有很大变化,说明第一次抽真空的排水板发生淤堵,已经不能加固土体,对新插的排水板进行抽真空处理,继续加固土体。T1模型箱的距排水板15 cm处的沉降161 mm,但是在距排水板5 cm处的最终沉降只有121 mm,两者的差距达到了40 cm。这是因为试验初期细土颗粒向排水板移动,附着在排水板滤膜上发生淤堵,结果造成在排水板周围形成了致密的“土柱”,土体发生不均匀固结,靠近排水板的土体加固效果较好,远离排水板的土体加固效果不佳。T2和T3模型箱距离排水板不同位置的沉降基本相同,沉降差分别是3%和4%,所以进行两次插板真空预压和两阶段真空预压处理都可以减少“土柱”形成,土体可以均匀加固,靠近和远离排水板的土体加固效果不会相差太大。从图7可知:两次插板真空预压的最大沉降要明显大于两阶段真空预压,高出22%,证明加固效果要好很多。

图7 土体表面沉降随时间变化曲线Fig.7 Changes of subsidence at the earth’s surface with time

2.3 超静孔隙水压力

孔隙水压力的过程监测采用湖南湘银河传感科技有限公司生产的 YH04-B03 型孔压计。试验时分别对距排水板5, 20 cm处深度为20 cm的孔隙水压力进行记录,图8为孔隙水压力随时间消散曲线。可知:试验前期,T1箱常规真空预压的孔压消散较快,但后期随着排水板的淤堵,孔压基本不再减小,最终孔压消散量为-61.2,-52.6 kPa。T2箱在进行二次插板后抽真空时,孔压消散速度变快,最后消散量为-75.5,-71.5 kPa。T3箱在进行第二阶段抽真空后孔压消散速率也明显加快,最终达到-70.3,-67.4 kPa。T2和T3箱的最终孔压消散值都大于T1箱,所以两次插板和两阶段真空预压都可以防止排水板淤堵,提高加固效果。另外,两次插板真空预压的孔压消散均大于两阶段真空预压,说明两次插板真空预压处理超软土的效果比两阶段真空预压好。

图8 距土表面20 cm处超孔隙水压力随时间变化曲线Fig.8 Relations between excess pore water pressure below the earth’s surface of 20 cm and time

2.4 十字板剪切强度

试验结束,拆开密封膜后,分别对距排水板5,15 cm处的土在竖向0,5,10,15,20 cm不同深度进行十字板剪切强度试验。图9为距排水板5,15 cm处的十字板抗剪强度随深度变化曲线。可知:三个模型箱的抗剪强度都是靠近排水板的强度比远离的高。T1箱从表面到20 cm深度变化的平均抗剪强度为10.5 kPa 到25.5 kPa ,T2箱为24.5 kPa 到34.5 kPa,T3箱为19 kPa 到30.5 kPa。T2的平均抗剪强度要比T3高13%,说明两次插板真空预压的加固效果要比两阶段真空预压好。

图9 十字板抗剪强度随深度变化曲线Fig.9 Changes of cross-plate vane shear strength with time

此外,对T2沿着排水板径向5,10,20 cm处测十字板抗剪强度,图10所示的分别是T2中沿排水板径向抗剪强度变化,其中,1号插板是第一次插的排水板,2号插板是第二次插的排水板。可知:从距排水板5 ～20 cm,1号插板抗剪强度从31 kPa降到14 kPa,变化了17 kPa。而2号插板仅降低了8 kPa,表明两次插板真空预压的土体加固效果比一次插板处理的更加均匀和有效,两次插板真空预压可以有效缓解排水板淤堵问题。

图10 十字板抗剪强度随排水板径向变化曲线Fig.10 Changes of vane shear strength along the radial direction of PVDs

2.5 含水率

十字板剪切强度试验结束后,对不同位置取出的土进行含水率测定试验,并绘制含水率随深度变化曲线如图11,可知:T1箱内的含水率变化范围由高到低在40%～61%,相比于初始含水率(105%)下降了44%～65%。T2箱内土经处理后,含水率大概在33%～43%,降低了62%～72%。T3箱内加固后土体含水率为38%～50%,降低了55%～67%。所以说明两次插板真空预压的处理效果要比两阶段真空预压好,该趋势与抗剪强度试验结果一致。

图11 含水率随深度变化曲线Fig.11 Changes of the water content along depth

另外,对T2箱土样进行含水率测试,图12为T2箱中沿排水板径向土的含水率变化情况,可见:1号插板附近土体的含水率随排水板径向变化比较大,从5 cm处的41.5%到20 cm处的59.6%,变化达到18.1%。而2号插板的含水率则从36.6%变到43.6%,变化为7%。说明两次插板真空预压可以有效防止排水板淤堵,让土体更加均匀固结。

图12 含水率随排水板径向变化曲线Fig.12 Changes of the water content along the radial direction of PVDs

3 结束语

通过两次插板和两阶段真空预压室内模型对比试验,研究排水板淤堵导致不均匀固结问题,根据试验结果的分析,可以得出以下结论:

1)通过采用两次插板和两阶段真空预压都可以有效缓决竖向排水板淤堵问题,进一步降低土体不均匀固结。

2)两次插板真空预压的最大沉降要明显大于两阶段真空预压,沉降分别为208,170 mm,最大相差22%;比较平均十字板抗剪强度,分别是29.5,24.75 kPa,两者相差19%以上,说明两次插板的加固效果要比两阶段真空预压好。

3)两次插板真空预压处理超软土地基的效果要比两阶段真空预压好,但是二次插板须要重新密封,增加施工工序,提高成本。因此,建议采用真空预压加固含水率较高的吹填土地基加固时,先利用排水板进行一次加固,然后再利用新排水板板进行加固处理,可以取得更好效果。