真空预压和堆载预压加固机场软基效果对比

白乔木 刘海洋 满 立

(1.上海机场(集团)有限公司上海机场建设指挥部 上海 201207;2.同济大学民航飞行区设施耐久与运行安全重点实验室 上海 201804)

在我国东南沿海地区,地基土层分布有厚度较大的软黏土层。软土地基具有含水量高、压缩性高和承载力低、抗剪强度低等工程特性,因此,在该类地基上进行工程建设时必须对软土进行处治加固,以提高承载力并减少沉降。在适用于软土的各种地基改良技术中,堆载预压和真空预压是实践中最受欢迎和最具成本效益的软基加固技术,尤其是对于机场、公路和储罐等大面积的土壤改良[1-2]。

真空预压法和堆载预压法都属于排水固结法,堆载预压法的加固机理是通过堆载增加地基总应力而使地基中产生超静孔隙水压力,超静孔隙水压力消散固结后再转化为有效应力,从而使地基强度增长;而真空预压法则是在总应力保持不变的条件下,通过降低孔隙水压力,增加有效应力而使地基强度增长,真空预压与堆载预压机理有明显不同[3]。学者们针对堆载预压处理软土技术进行了大量的理论研究和工程实践探索并积累了丰富的经验[4]。同时,也发现一方面大面积堆载预压所需土体量巨大,往往难以满足,而且易导致周边土体较大的侧向变形进而存在地基失稳风险[5]。针对上述问题,楼晓明、沙玲[6-7]等分别结合工程实践和数值仿真,对比分析了真空预压加固地基效果,发现真空预压相对于堆载预压具有更快的加固速度和更高的强度。丁海龙等[8]采用新型塑料排水板,提出采用增压式真空预压法对软土地基进行加固,得到了更好的地基处理效果。近年来,一些新型的排水板技术被引入真空预压技术中。例如,Fu等[9]和王柳江等[10]通过试验证明,真空预压结合电渗排水比传统的真空预压具有更好的改善效果。上述研究表明,堆载预压和真空预压在地基加固方面各有优势和局限性。因此,在真空预压和堆载预压对软土地基的加固效果方面,有必要进一步展开研究。

基于此,本文在相同的软土地基上分别进行了等面积堆载预压和真空预压现场试验,研究大面积深厚软土在真空压力和堆载压力下的性能差异。基于表面沉降、分层沉降、侧向位移,以及孔隙水压力的变化规律,比较真空预压和堆载预压对软土的影响,以评价真空预压与堆载预压应用于大面积深厚软基的处理效果。

1 工程概况

试验区域位于上海浦东机场新老大堤之间,试验目的是为机场四期扩建地基处治提供技术支撑。根据岩土工程勘察报告,各土层物理力学参数如表1。地下潜水稳定水位埋深在地面以下0.20～1.45 m之间。地基土自上而下包括:杂填土、淤泥质粉质黏土、砂质粉土、淤泥质黏土、黏土和粉砂。其中淤泥质粉质黏土和黏土层厚度较大,无法满足机场道基沉降要求。因此,采用堆载预压和真空预压对地基深层软土进行加固。

表1 土层物理力学参数

1.1 工程方案

真空预压(Z1)和堆载预压(D1)试验区域相邻,面积均为50 m×50 m,断面图和平面图分别见图1、图2。

图1 真空预压区(Z1)(单位:m)

图2 堆载预压区(D1)(单位:m)

试验区域内均设有宽度10 cm、厚度不小于4.5 mm的C型塑料排水板,纵向通水量不低于40 cm3/s,渗透系数不小于5×10-4cm/s。排水板间距1 m,采用正方形布置,其中堆载区入土深度为9 m,穿透摊面淤泥层,真空区入土深度为23 m,穿透淤泥质黏土层。排水垫层采用厚度为50 cm中粗砂,垫层中部埋置有间距5 m的水平滤水管,并形成回路。为保证真空预压区密封效果,采取水泥搅拌桩作为密封帷幕,搅拌桩桩长15 m,单桩径65 cm,搭接20 cm。密封膜采用防渗不透气材料,铺设3层,搭接宽度大于15 mm。区域周边采用挖沟埋膜、平铺并用黏土覆盖压边的方法进行密封。

1.2 测点布设

真空预压区和堆载预压区测点布置分别如图1和图2所示。考虑到试验区地基土层分布存在差异,在区域内不同方位各布设1个沉降板,编号为S1、S2、S3和S4,间距20 m。为分析真空或堆载对周边土体的影响,在区域侧边距离分别为5 m和10 m位置各布置1个沉降板,编号为S5和S6。为分析不同深度和不同土层的沉降和孔隙水变化,结合具体的土层分布和试验影响深度,在区域内采用一孔多点埋设方式布设分层沉降计和孔隙水压力计各2个,沿测孔埋深每5 m设置1个测点,每孔共设6个点,第1个点设置于埋深2 m处。此外,为监测试验区不同方位、不同深度土体水平位移,在试验区每边等间距布置地表水平位移计各2个,间距20 m,在距离侧边中心点1.5 m的位置布设深层水平位移测斜管各1个,测斜管深度为40.0 m,大于试验影响深度。

1.3 加载过程

在真空预压试验中,依据真空预压加固软土地基技术规程,对边界密封良好的黏土地基,真空预压荷载设计值不宜小于85 kPa。因此,本试验将膜下的真空压力控制为85 kPa。此外,考虑到辅助密封和增加上覆压力作用,将排出的孔隙水反压在真空膜上,高度达1.5 m。根据不同方位压力表测量结果,膜下真空压力分布均匀,约为100 kPa。结合相关工程经验,加载和固结总时间设为210 d。

在堆载预压试验中,采用工程弃土作为堆载材料,土体容重为18 kN/m3由于设计堆载荷载为100 kPa左右,因此取堆载高度为6 m。依据地基处理技术规范,堆载采用分层逐级加载,分层厚度为0.3 m,加载速率为3 d不超过0.9 m。同时,加载过程中监测地基沉降和水平位移变形速率,通过变形速率动态调控加载速率。最终确定本试验堆载施工时间为30 d,预压期为300 d。

2 结果分析

2.1 地表沉降

图3、图4分别为真空预压区和堆载预压区地表沉降随时间发展规律。

图3 试验区域内地表沉降量

图4 试验区域外地表沉降量

由图3、图4可知,在真空预压试验中,随着真空压力逐渐增加,试验区域内和区域外的地表沉降均逐渐增加,真空预压210 d后,区域内原地表累计沉降量为637～1 016 mm,区域外累计沉降量为212.26 mm,约为区域内沉降的20%～30%,表明真空预压对周边地表沉降影响较大。此外,地表沉降速率与抽真空过程相关,抽真空初期,沉降速率较大,达到30～40 mm/d,沉降迅速增大;真空度稳定期间,随着孔隙水的排出,地表沉降逐渐变缓并趋于稳定。受试验区地基土体分布和真空吸力分布差异影响,试验区域内差异沉降较大,因此,真空预压对试验区域大小、真空吸力保持和分布等施工要求较高。

在堆载预压试验中,随着堆载高度增加,试验区域内地表沉降逐渐增加,而区域外地表却发生了一定的隆起变形,尤其是距离堆载体坡脚较近测点S5,隆起变形更加明显,隆起量达到136 mm。这是因为堆载荷载作用下,地基深层土体内产生的水平推力引起土体发生剪切变形,当堆载速率较快时,土体剪切导致周边土体隆起。因此,控制堆载速率是防止堆载区外土体隆起的有效手段。随着地基土体逐渐排水固结,区域外地表隆起量逐渐减小。堆载预压300 d后,试验区域内的原地表累计沉降量为938～1 066 mm,区域外沉降量为109 mm。此外,地表沉降随时间发展规律与堆载过程密切相关。堆载开始前,地表沉降随时间发展缓慢,沉降速率较小。堆载开始后,随着填土荷载增加,原地表沉降随时间迅速发展,沉降速率达到40～60 mm/d。预压阶段,地表沉降逐渐变缓并趋于稳定。总体而言,沉降随时间变化呈现“缓慢发展-快速增长-缓慢增长-逐渐稳定”的反“S”形发展趋势。各测点沉降发展规律相同,曲线基本重合,表明堆载预压区内原地表沉降均匀,未发生不均匀沉降。

2.2 分层沉降

图5所示分别为真空预压区和堆载预压区区域内土层分层沉降随时间发展规律。

图5 分层沉降量

由图5可见,各层土体随时间发展规律与地表沉降规律基本相同,也表现出由快到慢并逐渐趋于稳定的发展趋势。其中真空预压区各层土体沉降快速发展时间对应于开始抽真空到真空达到设计值阶段,堆载预压区各层土体表现出“缓慢发展-快速增长-缓慢增长-逐渐稳定”的反“S”形发展趋势,其中各层土体沉降快速发展时间对应于堆载土体填筑时间。

对比同一点位不同土层可看出,淤泥质黏土、黏土和淤泥质粉质黏土层沉降较大,尤其是淤泥质黏土层沉降值达到30 cm左右,杂填土和砂质粉土层沉降较小,导致不同土层沉降差异的原因是不同土质的含水量和压缩系数不同,而且黏土和淤泥质粉质黏土层厚度较大,因此产生的相对沉降较大。此外,在真空预压区域,导致不同土层沉降差异的原因与真空度的有效传递深度和散失也有关。

2.3 孔隙水压力

当荷载作用于地基土体时,土体内孔隙水压力首先发生变化,随后土体颗粒固结变形,因此,孔隙水压力变化是土体运动的前兆。图6所示为真空预压和堆载预压试验过程中孔隙水压力随时间的变化规律。由图6可见,在真空预压区域,由于抽真空期间孔隙水排出较快,孔隙水压力下降明显;真空稳定阶段,随着孔隙水不断排出,孔隙水压力变化逐渐变缓并保持稳定。堆载预压区域,随着填土荷载增加,地基土体内孔隙水压力逐渐增大,其中,深度15～20 m位置处孔隙水压力变化最明显,深度30～35 m处变化相对较小。进入预压阶段后,各点孔隙水压力随时间逐渐缓慢消散。

图6 孔隙水压力

对比不同深度土层孔隙水压力变化可发现,深度15 m处孔隙水压力变化较大,深度30 m以下土层孔隙水压力基本无变化。孔隙水压力变化呈现上述规律的原因是试验区域内地基土体接近饱和,当荷载施加瞬间,作用于地基土体的压力全部由孔隙水承担,进而使孔隙水压力增加,由于15～20 m范围内为淤泥质黏土和黏土,其渗透系数较小,因此孔隙水压力变化最明显。随着地基深度的增加,堆载区堆载体产生的附加应力影响逐渐减小,真空区真空度逐渐减弱,因此深度30～35 m处孔隙水压力变化较小。进入预压阶段后,外荷载不再增加,渗透作用下地基土孔隙水压力逐渐消散,但同样由于土质原因,消散速率有所差异,因此,在15～25 m的范围内存在超孔隙水压力残留,需要更长时间消散。

2.4 坡脚水平位移

图7所示为真空预压和堆载预压试验中坡脚水平位移随时间的变化。由图7可见,由于真空预压的作用原理为通过抽真空使孔隙水压力减小,有效应力增加进而使土颗粒发生固结沉降,这个过程中对土体产生向中心的球形作用力,因此,真空预压区域坡脚水平位移向真空区内。同样,随时间变化呈现先快后慢,然后逐渐稳定的发展趋势,水平位移快速发展阶段对应于开始抽真空到真空达到设计值阶段,也就是沉降快速发展阶段。截止2022年1月18日,各测点水平位移全部达到稳定,坡脚水平位移最大值约37.3 cm,占地表沉降的40%。

图7 坡脚水平位移

堆载预压区域坡脚水平位移向堆载区外,随时间变化呈现先快后慢,然后逐渐稳定的趋势,水平位移快速发展阶段对应堆载土体填筑时期沉降快速发展阶段,这是因为当填土荷载增加时,地基土体受压并向周围土体产生水平推力。截止2022年6月19日,各测点水平位移全部达到稳定,坡脚水平位移最大值约21 cm,位于西侧测点WY5。对比不同测点的水平位移可发现,位于区域同一边上的两测点水平位移基本相同,西边测点水平位移较大,南边测点次之,这与沉降最大值发生位置相对应。

2.5 土体深层水平位移

图8为真空预压和堆载预压区土体深层水平位移随时间变化曲线。

图8 土体深层累计水平位移

由图8可知,真空预压区水平位移最大值发生在原地表,达到382 mm。随着深度增加,水平位移逐渐减小,这是因为真空度在向地基内部传递过程中存在散失。地表以下10 m位置处水平位移小于上、下2层土,同样是因为该层为砂质粉土层,渗透系数相对较大,因此水平位移相对较小。真空预压区深度20～35 m范围内仍有较小水平位移,表明真空预压的影响深度可以达到塑料排水板底部下一定范围以下土体,35 m以下水平位移基本为0,表明真空预压对该深度范围内的土体没有作用。堆载预压区土体深层水平位移最大变形发生在原地表下深度12.5 m位置,即摊面淤泥层,达到269.1 mm。这是因为该层土含水率高,透水性差,在荷载作用下极易发生较大水平位移。地表以下10 m位置处水平位移小于上、下2层土,这是因为该层为砂质粉土层,渗透系数相对较大,因此水平位移相对较小。堆载区深度40 m范围内地基土体均产生不同大小的水平位移,表明堆载预压对该深度范围内的土体均有作用,地基处理深度较大。

3 结论

1) 真空预压和堆载预压加固机场深厚软土地基效果均较好,预压期间累计沉降量可达到1 000 mm左右。沉降发展与施工过程密切相关,堆载与抽真空期间沉降发展较快,堆载区外土体易发生隆起变形。因此,需严格控制堆载速率,防止土体发生剪切破坏。

2) 真空预压和堆载预压对淤泥质黏土、黏土和淤泥质粉质黏土层加固效果明显,尤其是淤泥质黏土层沉降值可达到30 cm左右。各土层沉降量与土质含水量、压缩系数、排水板入土深度,以及真空度的有效传递深度和散失有关。

3) 抽真空和堆载期间孔隙水压力变化明显,进入预压阶段后,孔隙水压力随时间逐渐缓慢消散。但由于土质渗透系数原因,黏土层存在超孔隙水压力残留,需要更长的时间消散。

4) 真空预压区域水平位移向真空区内,且地表水平位移较大,约占沉降40%左右。堆载预压区域水平位移向堆载区外,土体水平位移最大值位于淤泥质黏土层。真空预压和堆载预压处理软基深度均较大,可到达30 m以上。