豎向排水體法處理軟土地基及沉降影響因素分析

湖北宜昌三峽職業技術學院 李海濤

豎向排水體法處理軟土地基及沉降影響因素分析

湖北宜昌三峽職業技術學院 李海濤

地基處理的歷史可追溯到古代,許多現代的地基處理技術都可在古代找到它的雛形。根據歷史記載,早在兩千年前就己采用了軟土中夯入碎石等壓密土層的夯實法;灰土和三合土的換土墊層法也是我國傳統的建筑技術之一。

軟土路基豎向排水法沉降分析

一、軟基處理方法的國內的發展概況[1][2]

我國建國五十年來,在軟土地基處理方面也做過大量工作,國際上一些新技術在我國得到了應用,并積累了較多的經驗。就近年來召開的全國性專業會議有:1979年鐵道部召開了強夯加固會議,1980年建工部召開了樁基及軟土地基加固會議,交通部于1980年及1981年召開了以軟土基處理為中心的專門學術討論會,第一、二、三屆地基處理學術討論會分別于1986年、1989年、1992年在上海寶鋼、山東煙臺、河北秦皇島召開,全國土工織物情報網分別在天津〔1986〕、沈陽(1986),儀征(1992)、上海(1996)、南京(2000)召開了五次學術討論會議等。在歷次會議上,均把軟土地基處理作為主要議題,這在經濟飛速發展的今天,必將帶來更多新的課題。

二、豎向排水體法處理軟土地基及沉降影響因素分析

1.豎向排水體法(VerticalDrains)簡介

1926年Moran獲得砂井專利,1934年美國第一次用砂井排水法加固了公路軟土路基[3]。僅幾年后, 1937年第一次使用了排水板,但所用的紙板透水性差,耐久性差[4]。20世紀60年代末發明了袋裝砂井,得到廣泛應用;同時板式排水體的材料得到不斷改進,外包聚合物濾膜塑料板芯的塑料排水板與砂井相比具有多種優點,在工程中的應用也越來越廣。

2.不同加載方式的比較分析

(1)堆載預壓法加固機理。施加在軟基上的外荷載開始全部由孔隙水壓力承擔,有效應力不變,在土體內與邊界上孔隙水壓力u(勢)不平衡作用下,孔隙水向排水邊界滲流,隨著時間的推移,孔隙水壓力全部轉化為有效應力。

(2)真空預壓法加固機理[5]。真空壓力作用于砂墊層和排水板內孔隙流體,在短時間內砂墊層和排水板內的孔隙水壓力迅速降低,由于土的滲透系數小,土體在抽真空初始仍保持抽氣前孔隙水壓力分布狀態,這樣土體內與作為邊界的排水板和砂墊層間形成孔壓差,孔隙水在壓差的作用下滲流排出并使u(勢)降低, u(勢)的不平衡逐漸由近及遠地向距離較遠的波及。根據太沙基有效應力原理,總應力不變的情況下,孔壓的降低即為有效應力的增加,從而使土體固結壓密,直到土體內與邊界上的u(勢)達到新的平衡為止。

3.影響沉降的主要因素

根據塑料板排水預壓加固軟基的工程實踐,沉降計算值和實測值往往有一定的差別,主要有以下幾個方面的原因:

(1)體應力路徑和應力歷史的影響。軟土地基通常由各種土層組成,其中一些土層可能處于超固結或欠固結狀態,土體的應力歷史不僅對地基沉降量產生影響,也影響土體的固結特性。如欠固結土,由于先期固結應力小于現在的自重應力,即在自重應力作用下尚未完全固結,當地基上沒有外荷載時,土中有效應力也在增加,直到有效應力增大到自重應力時,土體才完全固結。

(2)側向變形的影響。軟土變形中不僅包含彈性變形,也有塑性變形。塑料板排水堆載預壓過程中,隨加載的進行,向場地外的擠出變形逐漸增大;而塑料板排水真空及真空一堆載聯合預壓過程中,往往發生向場地內的收縮變形。地基的沉降不僅是主應力引起的排水固結產生的,還包括土體側向變形的大小與土的性質、軟土層位置、填土高度、加載方式等因素有關。

三、加載方式及加載速率的影響

實際施工中的加載方式變化很大,采用不同的加載方式和加載速率,地基的沉降一時間曲線會有顯著的不同.加荷速率較小時,土中孔隙水能充分的排出,有充分的孔壓消散和應力傳遞時間,加荷速率過大,土體不能得到充分固結,地基往往產生較大的塑性變形量,使總沉降量增加。

四、施工擾動引起的損傷對沉降的影響

塑料排水板是由直徑約130mm的鋼管通過激震力插入到地基中,施工機具的震動、插板擴孔操作會對靈敏度較高的軟土地基產生不同程度的擾動,擾動程度與排水板間距、插板方式以及土體性質有關,這種擾動使土體產生了結構損傷,土體的強度降低、壓縮性增大、物理力學性質變差,不但使主固結沉降量增大,還會影響到土體的次固結變形,加大工后沉降量。

五、硬殼層對沉降的影響[6]

軟土的表層由于長期受氣候的影響,致使土體中的水分蒸發,含水量減小,形成相對下部軟土層較硬的硬殼層。“硬殼層”的存在,改變了軟土地基的受力性狀,使地基土變為雙層體系的受力模式,應力在硬殼層中得到了擴散,從而減小了在軟土層上的應力,使軟土層的壓縮量有所減小。

大部分研究成果說明的問題可歸結為硬殼的擴散作用或支撐作用。盡管,目前對硬殼層的作用機理以及對沉降的影響尚未取得一致意見,但硬殼層具有以下方面的作用是可以肯定的:

(1)硬殼層可以提高地基極限承載力并具有擴散應力的作用;

(2)硬殼層可以明顯提高淤泥質軟土的承載力,而對于硬殼層與軟土性質相近的一般軟粘土其作用不很明顯;

(3)硬殼層具有限制側向變形的作用;

(4)硬殼層在前期具有減小沉降的作用,但隨著填土的高度的增加這種作用不斷減小。

因此,軟土地基施工應充分重視硬殼層作用并采取有效的措施保護硬殼層,這一點在工程實踐中與保護軟土結構的完整性一樣具有相當重要的作用。

[1]地基處理手冊(第二版),中國建筑工業出版社, 2000.8

[2]謝康和,砂井地基:固結理論、數值分析與優化設計,浙江大學博士論文,1987

[3]Wood,1.R,Preface,Geotechnique,1981,31(1),1

[4]高志義,真空預壓法的機理分析[J].巖土工程學報,1989.11(4).45～46

[5]婁炎,真空排水法預壓法的加固機理及其特征的應力路徑分析[J].水利水運科學研究,1990.3

[6]王曉謀,袁懷宇,高等級公路軟土地基路堤設計與施工技術,北京:人民交通出版社,2001

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