真空預壓法加固軟粘土地基的理論與適用條件

1、東北水利水電 2006年第 7期 (第 24卷 264期 收稿日期 2006-01-18作者簡介 吳 躍 東 (1969-, 男 , 福 建 漳 州 人 , 副 教 授 , 從 事 軟 基 處 理 的 教 學 與 科 研 工 作 。 真空預壓法加固軟粘土地基的理論與適用條件吳躍東 , 曹 杰 , 殷宗澤摘 要 本 文 介 紹 真 空 預 壓 法 加 固 軟 基 的 特 點 和 真 空 預 壓 法 的 加 固 機 理 , 根 據 真 空 預 壓 與 堆 載 預 壓應 力 路 徑 的 不 同 , 比 較 了 它 們 的 加 固 效 果 , 分 析 和 探 討 了 真 空 壓 力 隨 豎 向 排 水

2、 體 傳 遞 的 變 化 規(guī) 律 , 以 及 在 淤 泥 層 底 部 孔 壓 可 能 會 升 高 而 存 在 M a ndol 效 應 , 探 討 了 真 空 預 壓 的 適 用 條 件 。關鍵詞 真 空 預 壓 法 ; 加 固 機 理 ; 適 用 條 件 中圖分類號 TV443+. 1文獻標識碼 A文章編號 1002-0624(2006 07-0006-03(河海大學巖土工程研究所 , 江蘇 南京 2100981真空預壓法的加固機理真空預壓法屬于排水固結法 , 通過真空壓力 (負 壓 使 土 體 中 的 孔 隙 水 壓 力 產 生 不 平 衡 的 水 壓 力 , 孔 隙 水 在 這 種 不

3、平 衡 力 的 作 用 下 通 過 豎 向 排 水 體 逐 漸 排 出 , 從 而 使 土 體 產 生 固 結 變 形 。 根 據太沙基的有效應力原理分析土體 , ! , u , ! 三 者 之 間 的 變 化 情 況 與 依 賴 形 式 以 及 和 固 結 的 關 系 , 可歸結如下 :(1 靜態(tài)平衡 , u=常量 , 如正常固結土體 。 (2 動態(tài)平衡 , 如穩(wěn)定滲流土體 。(1 和 (2 u (勢 都 保 持 平 衡 狀 態(tài) , ! 不 變 , 不 為固結 。(3 動態(tài)不平衡 。 ! 不變 , 當增高時引起 ! 降 低 , 則不稱為固結 。 如在無砂井地基上筑堤時 , 由 堤心向坡腳傳遞

4、正孔壓 , 引起坡腳處 ! 降低 , 將 會導致地基的失穩(wěn) 。從 以 上 分 析 可 以 看 出 , 固 結 并 非 一 定 歸 結 為 外 荷 的 作 用 , 固 結 應 歸 結 為 一 切 能 夠 引 起 土 體 內 孔 隙 水 減 少 及 孔 隙 水 壓 力 (u 降 低 , 即 有 效 應 力 (! 增 加 的 作 用 。 ! 的 增 加 唯 一 來 源 于 u(勢 分 布 的 不 平 衡 , 這 種 不 平 衡 必 然 伴 隨 著 滲 流 促 使 孔 隙 水 流 動 ; 反 之 , 這 種 不 平 衡 能 夠 促 使 孔 隙 水 流 動 但 不 能 引 起 孔 隙 水 減 少 時 ,

5、 則 不 會 導 致 固 結 。 所 以 , u(勢 不 平 衡 是 固 結 的 必 要 條 件 , 而 土 中 水減少及 u 降低 , 使 ! 增加是固結的決定條件 。真 空 預 壓 的 加 固 機 理 是 在 外 荷 不 變 的 情 況 下 , 通 過 抽 真 空 對 加 固 區(qū) 施 加 以 流 體 壓 力 , 它 必 然 作 用 于 砂 墊 層 和 砂 井 內 孔 隙 流 體 , 在 短 時 間 內 砂墊層和砂井內的 u 迅速降低并排出水和氣 。 由 于 土 和 砂 井 的 滲 透 系 數 的 極 大 差 別 , 土 體 內 在 剛 開始抽氣時仍保持抽氣前 u(勢 分布狀態(tài) 。 這樣 ,

6、 土體內與作為邊界的砂井和砂墊層間形成 u (勢 差 。 孔 隙 水 在 勢 差 的 作 用 下 , 伴 隨 著 滲 流 使 水 排 出并使 u 降低 。 u(勢 的不平衡逐漸由近及遠地向 距 邊 界 較 遠 的 點 波 及 , 形 成 土 體 內 距 砂 井 和 砂 墊 層 遠 與 近 各 點 間 的 u(勢 差 。 在 總 應 力 ! 基 本 不 變 的 情 況 下 , u 的 降 低 值 即 為 ! 的 增 加 值 , 從 而 使土體固結壓密 , 直到土體內與邊界上達到 u(勢 新的平衡為止 。根據應力路徑的分析來比較真空預壓與堆載 預 壓 的 加 固 效 果 , 土 中 任 意 單 元

7、 體 的 應 變 、 強 度 和孔壓都與應力路徑有關 。 以豎向應力 v 和水平 向應力 h 代替 1和 3, 圖 1繪出了真空與堆載 預 壓 時 的 應 力 路 徑 與 變 形 、 強 度 與 孔 壓 的 關 系 。 堆 載 預 壓 時 除 荷 載 中 心 區(qū) 以 下 淺 層 土 單 元 外 , 一 般 開 始 時 刻 側 向 膨 脹 (h <0, 加 固 前 土 體 中 任 一 單元體處在 K 0固結的 M 點 , 如分三級加 荷 到 B 3點 , 總應力路徑 (記作 TSP 為實線 M B 3, 有效應力62006年第 7期 (第 24卷 264期 東北水利水電排水板中的真空度 淤

8、泥層中的真空度 深度(m 真空度 (kPa 深度 (m 真空度 (kPa 2. 5732. 5605. 5605. 5458. 5518. 52011. 54311. 5014. 53214. 5017. 52117. 5路 徑 (記 作 ESP 從 M 點 沿 虛 線 到 達 C 3點 , 最 終 接 近 B 點 。 故 堆 載 預 壓 的 應 力 路 徑 一 般 在 K 0與K f 線間變動 , 開始呈擠 出 變 形 , 隨 孔 壓 消 散 (如 由 C 3向 B 3移 動 , 側 向 開 始 壓 縮 , 需 分 級 加 荷 使 最大 剪 切 面 上 (或 破 壞 面 的 外 加 剪 應

9、力 始 終 小 于 土 的 抗 剪 應 力 , 以 保 證 兩 者 協 調 發(fā) 展 。 對 于 飽 和 土 , 孔 壓 增 量 由 前 項 球 應 力 與 后 項 偏 應 力 共 同 產 生 ; 真空預壓時 TSP 線在 M 點基本不變 , ESP 線 為 M D 線 。 由 于 真 空 預 壓 特 點 為 側 向 壓 縮 且 v >h , 圖 1中 真 空 預 壓 ESP 線 應 靠 近 M G , 但 在 M G與 K 0線間剪應力稍有增加 , 孔壓降低主要引起球 應力變化 。 ES P 線的發(fā)展 K f 線 愈 來 愈 遠 , 剪 應 力 越 來 越 小 于 土 的 破 壞 抗 剪

10、 力 , 故 不 需 分 級 抽 氣 。 當 堆 載 預 壓 和 真 空 預 壓 相 同 時 , 真 空 預 壓 的 水 平 附 加 應 力 大 于 堆 載 預 壓 的 (此 時 ES P 認 為 C 3到 達 B 3, 如 圖 1中 初 始 狀 態(tài) 為 M 點 的 單 元 土 體 , 堆載與真空預 壓 終 了 時 在 45°剪 切 面 上 的 強 度 分 別為 I B , I D 點 , 然后 , 兩者卸荷后為 J B , J D , 因 I B >ID ,J B >JD , 故真空預壓比堆載預壓加固效果要好 。 圖 1真 空 預 壓 與 堆 載 預 壓 的 應 力 路

11、 徑 示 意 圖在真空預壓中 , 豎向排水體不僅起排水作用 , 而 且 還 起 著 傳 遞 真 空 壓 力 的 作 用 , 由 于 豎 向 排 水 體 存 在 阻 力 , 真 空 壓 力 沿 深 度 傳 遞 過 程 中 要 有 所 損 失 , 最 主 要 影 響 因 素 是 其 滲 透 系 數 。 真 空 壓 力 的 傳 遞 規(guī) 律 直 接 影 響 到 土 體 的 加 固 效 果 , 為 了 研 究 真 空 壓 力 的 變 化 規(guī) 律 , 在 某 試 驗 段 進 行 了 監(jiān) 測 , 結果如表 1。 試驗段排水板打設深度為 17. 5m , 場地地層條件為淤泥和淤泥質粘土 。從表 1可 以 看

12、出 真 空 壓 力 沿 深 度 逐 步 衰 減 , 上 部 衰 減 小 , 下 部 衰 減 大 , 從 監(jiān) 測 資 料 也 可 以 得 到 前 期 衰 減 大 , 后 期 衰 減 小 ; 在 塑 料 排 水 板 底 部 17. 5m 處 還有 21kPa 的真空壓力 , 說明真空預壓加固深度 較 為 理 想 , 對 消 除 下 臥 層 沉 降 十 分 有 利 。 由 于 加 固 的 軟 土 滲 透 系 數 都 較 小 , 因 此 淤 泥 層 中 的 真 空 壓 力衰減很快 , 10m 以下沒有觀測到數據 , 可能與 監(jiān)測手段和儀器的精度有關 。表 1豎 向 排 水 體 中 真 空 壓 力 沿

13、深 度 傳 遞 規(guī) 律 真空預壓加固軟土地基的基本原理應該比較 清 晰 , 就 是 " 不 變 , u 降 低 , 來 提 高 " , 因 而 人 們 普 遍 認 為 抽 真 空 的 過 程 , 就 是 孔 壓 下 降 的 過 程 , 但 是 在 孔 隙 水 壓 力 實 測 的 過 程 中 , 發(fā) 現 淤 泥 層 底 部 存 在 孔 壓 上 升 現 象 。 在 真 空 預 壓 作 用 下 , 土 體 產 生 固 結 收 縮 , 但 淤 泥 層 中 豎 向 排 水 體 底 部 的 土 體 孔 隙 水 排 不 出 , 在 周 圍 土 體 固 結 變 形 產 生 的 擠 壓 作

14、用 下 , 為 了 維 持 有 效 應 力 不 變 , 它 的 孔 壓 將 必然升高 , 這是典型的曼德爾效應 。 因此 , 利用真 空 預 壓 法 加 固 滲 透 性 很 小 的 軟 土 時 , 由 于 周 邊 邊 界 幾 乎 不 排 水 , 加 上 土 體 向 內 收 縮 變 形 , 在 深 度 較 深 處 , 存 在 孔 壓 上 升 現 象 , 即 曼 德 爾 效 應 , 隨 時 間的延續(xù) , 孔壓將慢慢下降 。在抽真空后期 , 發(fā)現抽出的氣多于水 , 根據分 析 這 些 氣 有 以 下 幾 方 面 來 源 :土 體 孔 隙 中 的 封 閉 氣 泡 ; 孔 隙 水 中 的 溶 解 氣 體

15、 在 壓 力 降 低 時 析 出 ; 軟 土 中 的 有 機 質 產 生 化 學 反 應 生 成 的 氣 泡 ; 抽 真 空造成孔隙水汽化的水泡 。有些學者認為由于抽真空造成汽化可能導致 形 成 非 飽 和 區(qū) 。 其 實 這 是 不 可 能 的 , 除 非 被 汽 化 的 水 量 大 于 排 水 固 結 所 生 成 的 水 量 , 而 實 際 上 水 汽化的速度不可能有這么快 。 因此可以否定真空 預 壓 加 固 區(qū) 范 圍 內 存 在 非 飽 和 區(qū) 的 觀 點 , 認 為 真 空 預 壓 處 理 軟 基 可 采 用 飽 和 土 體 固 結 理 論 進 行 計算 。2真空預壓的適用條件軟

16、土 地 基 處 理 的 目 的 是 改 善 地 基 土 的 性 質 ,7東北水利水電 2006年第 7期 (第 24卷 264期 提 高 地 基 土 的 抗 剪 強 度 , 減 少 沉 降 或 不 均 勻 沉 降 。 雖 然 地 基 處 理 方 法 很 多 , 但 沒 有 一 種 萬 能 通 用 的 方 法 , 必 須 進 行 技 術 經 濟 比 較 加 以 選 擇 。 最 近 真 空 預 壓 引 入 高 速 公 路 軟 基 加 固 中 , 取 得 較 好 的 經 濟 效 益 和 社 會 效 益 , 但 也 存 在 一 些 不 顧 真 空 預 壓 的 適 用 條 件 最 終 失 敗 的 例 子

17、 , 從 而 造 成 巨 大 的 經 濟 損 失 。 從 加 固 機 理 分 析 可 知 , 保 持 膜 下 的 真 空 度 是 真 空 預 壓 的 關 鍵 , 而 膜 下 真 空 度 的 密 封 與 薄 膜 的 密 封 效 果 和 土 體 的 密 封 效 果 關 系 較 為 密 切 , 其 中 土 體 的 密 封 性 是 影 響 加 固 效 果 的 主 要 因 素 。 真 空 預 壓 法 適 用 軟 粘 土 地 基 的 處 理 , 但 由 于 地 質 條 件 變 化 很 大 , 在 施 工 中 必 須 對 其 在 真 空 預壓加固效果的影響進一步加以研究 。(1 加固區(qū)范圍內有強透水層或地下

18、暗河 。 由 于 加 固 區(qū) 內 的 含 水 層 與 外 界 連 通 , 且 滲 透 系 數 較 大 , 當 開 始 抽 真 空 時 , 由 于 豎 向 排 水 體 (塑 料 排 水 板或袋裝砂井 的存在 , 相當于加固區(qū)與外界連 通 , 這樣就不能保證膜下的真空度達到設計要求 , 從而影響加固效果 。 埋得較深的 , 加固區(qū)以外的水 不斷流入加固區(qū)內 , 致使膜下真空度相對較低 , 若 埋深較淺 , 更會造成漏水漏氣 , 在這種地質條件下 必須在加固區(qū)四周采用密封封堵技術 , 隔斷內外 含水層的聯系 , 否則將導致真空預壓失敗 。 (2 加固區(qū)內有雜填土層分布 。 當填土層為建 筑 垃 圾

19、或 雜 填 土 , 則 該 層 可 能 成 為 強 透 水 層 , 造 成 真 空 預 壓 時 漏 水 漏 氣 ; 若 埋 深 較 淺 , 應 將 密 封 溝 挖 至 填 土 以 下 0. 20.5m , 若 埋 深 較 深 時 , 應 采 用在填土中灌漿 , 形成防滲帷幕 。(3 淺層土為流土型土或分散性土 。 由于該類 型 土 體 粒 間 引 力 較 小 或 粘 性 較 小 , 在 抽 真 空 時 所 造 成 較 高 的 水 力 梯 度 作 用 下 , 容 易 在 土 體 內 部 形 成 的 裂 隙 和 空 洞 , 直 至 在 密 封 溝 邊 或 土 體 表 面 的 薄 膜 中 形 成 漏

20、 洞 , 造 成 膜 下 真 空 度 不 能 達 到 設 計 要 求 。 一 般 來 說 , 由 于 土 體 的 流 失 而 造 成 土 體 密 封 效 果 不 佳 或 薄 膜 破 損 常 發(fā) 生 在 密 封 溝 邊 , 為 防 止 密 封 溝 漏 水 漏 氣 , 可 在 加 固 區(qū) 邊 緣 50c m 范 圍 內用粘土代替砂墊層 。(4 加固區(qū)產生較大的不均勻沉降 。 若下臥層 硬 土 層 面 坡 度 較 大 , 軟 土 厚 度 較 大 時 , 極 易 造 成 土 體 不 均 勻 沉 降 , 使 水 平 排 水 濾 管 破 碎 , 降 低 膜 下 真 空 度 。 在 濾 管 連 接 處 可

21、采 用 柔 性 的 鋼 絲 膠 管 , 以 適 應 不 均 勻 沉 降 。 加 固 區(qū) 若 存 在 壓 縮 模 量 較大的樁體 , 應將樁頭挖至可能的沉降面 。(5 是 否 會 對 鄰 近 建 筑 物 產 生 危 害 。 根 據 真 空 預 壓 法 的 加 固 機 理 , 被 加 固 土 體 向 內 收 縮 變 形 , 若 加 固 區(qū) 周 圍 存 在 鄰 近 建 筑 物 , 必 須 考 慮 對 其影響 。 可在加固區(qū)周圍采用復合地基的方法消 除部分影響 。4結 語通過對于真空預壓加固機理和施工工藝進一 步研究 , 可以得到如下結論 :(1 真空預壓在加固過程中增加的是球應力 , 剪 應 力 并

22、 未 增 大 , 因 而 , 不 會 出 現 堆 載 預 壓 中 因 有 效 應 力 增 加 導 致 抗 剪 強 度 降 低 的 現 象 。 另 外 , 在 大 主 應 力 相 等 的 條 件 下 , 真 空 預 壓 比 堆 載 預 壓 加固效果要好 。(2 真 空 度 沿 深 度 逐 步 衰 減 , 上 部 衰 減 小 , 下 部衰減大 , 而且前期衰減大 , 后期衰減小 。 根據監(jiān) 測 資 料 在 塑 料 排 水 板 底 部 仍 有 一 定 的 真 空 壓 力 , 說 明 真 空 預 壓 加 固 深 度 較 為 理 想 , 對 消 除 下 臥 層 沉降十分有利 。(3 在 真 空 預 壓 作 用 下 , 土 體 產 生 固 結 收 縮 , 但 淤 泥 層