真空預(yù)壓地基處理的加固深度研究

吳 迪,孫 田

(1.化學(xué)工業(yè)巖土工程有限公司,江蘇南京210044;2.盤錦遼河油田百強(qiáng)建設(shè)有限公司,遼寧盤錦214000)

0 前 言

目前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,圍海造田項(xiàng)目日益增加,軟土處理的需求也逐漸加大。軟土具有含水量高、壓縮性高、滲透性低、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn),現(xiàn)在較為成熟的軟土地基處理手段為真空預(yù)壓、強(qiáng)夯以及復(fù)合地基處理等地基處理方法。其中真空預(yù)壓方法有軟土處理效果好、比較經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛運(yùn)用在江浙、福建、廣東等地。于此同時對真空預(yù)壓的研究也更加深入,不過在真空預(yù)壓的加固深度方面,學(xué)術(shù)上還有一定的爭論,主要有以下幾種觀點(diǎn)[1]:①認(rèn)為真空預(yù)壓方法只對埋深10 m以上的軟土有效果,豎向排水板打設(shè)超過10 m以下部分,真空預(yù)壓不起作用;②認(rèn)為真空預(yù)壓加固深度與排水板打設(shè)深度有關(guān)系;③認(rèn)為真空預(yù)壓方法的有效加固深度只在地下水位以上區(qū)域,而對地下水位以下沒有作用。本文將提出新的加固深度影響因素,并同前兩種觀點(diǎn)進(jìn)行比較,結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析。

1 真空預(yù)壓加固軟基機(jī)理

真空預(yù)壓理論創(chuàng)建以來,對其加固機(jī)理的研究日漸深入,也相應(yīng)得出各種理論[2],本文只列出兩種較成熟的理論。

1.1 負(fù)壓固結(jié)理論

趙維炳[3]等人提出負(fù)壓固結(jié)理論,理論提出真空預(yù)壓是通過覆蓋于地表的密封膜下抽真空,使真空膜內(nèi)外、土體內(nèi)部與排水通道之間形成氣壓差,使軟土層產(chǎn)生固結(jié)壓力。即在總應(yīng)力不變的情況下,通過減小土體中的超靜孔隙水壓力來增加有效應(yīng)力的方法,達(dá)到排水固結(jié)的目的。

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理,有

兩邊微分并移項(xiàng)得

可見對于堆載預(yù)壓,增加的有效應(yīng)力為增加總應(yīng)力值,而對真空預(yù)壓,則為減少孔壓值。

1.2 真空滲流場理論

龔曉南,岑仰潤[4]提出了真空預(yù)壓的滲流場理論,真空滲流理論認(rèn)為,抽真空作用將在地基土中形成真空滲流場,其間產(chǎn)生流動介質(zhì)為真空流體,真空流體只在較大的土中的孔道中流動,并形成連通的網(wǎng)絡(luò),此時雖然排出了水,但是這些水主要是分布在土體中較大的孔道中的重力水,土中重力水的排出,并不產(chǎn)生通常意義上的固結(jié),而是在地下水位下降后,改變了土層中豎向自重應(yīng)力,由于上覆土重的增加,使得土中更為細(xì)小的孔道中的水承受了超靜孔隙水壓力,并逐漸排出,產(chǎn)生固結(jié)現(xiàn)象。于此同時持續(xù)的抽氣抽水作用會使地下水位線下降。真空滲流場將產(chǎn)生兩個方面的作用:

(1)真空滲流使土顆粒中較小孔道處孔隙水排出而產(chǎn)生固結(jié);

(2)對于地下水以下的地基,真空滲流場不能向下傳遞,真空預(yù)壓本身對地下水以下的地基固結(jié)無效。真空預(yù)壓過程中,地下水位是下降的,并且地下水位的下降也使得地基土體產(chǎn)生固結(jié)。

在負(fù)壓理論中,認(rèn)為真空預(yù)壓的有效加固深度與排水板或者砂井的打設(shè)深度有關(guān),取決于排水通道的深度。而在真空滲流理論當(dāng)中,認(rèn)為有效的加固深度和壓差有密切關(guān)聯(lián),若壓差足以能夠排除孔隙水,固結(jié)便會進(jìn)行。相應(yīng)的固結(jié)深度取決于排水通道的真空損失,土體特征等。

2 真空預(yù)壓加固有效深度機(jī)理

前面列出的兩種真空預(yù)壓機(jī)理提出的有效加固深度中,只是考慮到土體內(nèi)部由于空氣壓力的變化引起孔壓變化,從而反映到有效應(yīng)力的相應(yīng)改變,產(chǎn)生了固結(jié),但是沒有從真空預(yù)壓的整體進(jìn)行考慮。真空預(yù)壓處理地基時,被處理地基是一個密封的整體,此時的受力不僅僅是單一的豎向一維受力,而是一個三維的球體受力如圖1,在此模型中,地表受到均布力作用,即一個大氣的壓力P0,在處理區(qū)兩側(cè),即側(cè)邊界位置上,也受到大氣壓差的作用,按理想狀態(tài),兩側(cè)的壓差呈梯形或者三角形分布,隨著深度增加壓力差遞減。由于處理區(qū)域的排水通道是整體透水,即使土體具有一定的滲透阻力,但是由于砂井或者排水板的間距較小,可以忽略相應(yīng)的透水粘滯,即在處理區(qū)域的水位近似是一條直線,不存在明顯的降水漏斗[5]。同時處理區(qū)域的水流主要是水平滲透,并不是豎向滲透[6]。隨著抽真空的進(jìn)行,處理區(qū)域的水位開始下降,但是處理區(qū)域外側(cè)的地下水會補(bǔ)給預(yù)壓區(qū)域[7],從而在處理區(qū)域外側(cè)會產(chǎn)生相應(yīng)的降水漏斗[8]。

圖1 土體受力模型圖

由于處理區(qū)域土體受到的是豎向和側(cè)向力的共同作用如圖2,不考慮土體的粘滯力,此種情況下土體中孔隙水除了受到負(fù)壓的垂直吸出力作用,還有一個側(cè)向的擠壓力,這樣就大大的加大了孔隙水豎向排出的能力。與沒考慮側(cè)壓差的情況相比如圖3,此種情況下一般理論認(rèn)為真空預(yù)壓的極限加固深度是10 m,即一個大氣壓下的水柱高度。但是在真空預(yù)壓中,并不是由真空壓力來決定有效的固結(jié)深度而是與真空度的傳遞有關(guān)[9],即圖2中P1,P2,P3對應(yīng)相應(yīng)的豎向真空壓力和側(cè)向真空壓力。

圖2 考慮側(cè)壓模型圖

圖3 一維模型

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

某擬建項(xiàng)目為大型化工項(xiàng)目。項(xiàng)目第一期用地面積約27 600.0 m2,主要建筑物和構(gòu)筑物有辦公樓、倉庫、材料儲罐和堆場、石化工藝裝置、管道和支架、成品儲存罐、物流道路和鐵路、以及電力、消防、給排水等公共輔助設(shè)施,高度一般為一至四層,為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)建筑物。一期設(shè)施真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理工程,該工程包括約244 885 m2的堆載聯(lián)合真空預(yù)壓地基處理和現(xiàn)場臨時工程。

3.2 場地巖土層結(jié)構(gòu)及分布特征

場地原始地貌類型屬于灘涂地貌,經(jīng)人工填海造地平整而成,填土厚度2.0 m～12.0 m不等,地形較平坦。

①人工回填塊石素填土層(Qml)

該層分布于整個場地,為人工新近堆填,黃褐、土黃、淺肉紅等色,局部紫紅、灰白色,主要由中微風(fēng)化砂巖碎塊石和砂巖風(fēng)化土回填而成,局部含較多巖石碎塊,均勻性差,風(fēng)化土主要成份為粘土及石英砂等。稍濕～飽和,松散。局部碎塊石塊徑較大,可達(dá)200 mm～300 mm,最大達(dá)1 200 mm左右。層厚1.80 m～7.00 m。

②海陸交互相沉積淤泥層(Qmc)

該層分布于整個場地上部,褐黑,灰黑色為主,具腐臭味,含少量粉砂和貝殼碎屑,局部富集。手捏滑膩,污手。飽和,流塑。頂部0.5 m～1.0 m因填土預(yù)壓作用,固結(jié)較下部稍好,層厚14.70 m～28.70 m,平均20.23 m。

③1陸交互相沉積粉質(zhì)粘土層(Qmc)

該層分布于大部分場地,與砂土層呈互層狀態(tài)產(chǎn)出,厚度變化大,以黃褐色、灰色為主,局部雜褐黃、褐紅色,粘土為主,含少量粉細(xì)砂,含量不均勻,干強(qiáng)度高,濕時手捏粘手,刀切面較光滑-稍光滑。飽和,可塑,局部軟塑。層厚1.10 m～13.00 m,平均6.44 m。排水板的打設(shè)深度為穿過②層,進(jìn)入③1層1 m。

3.3 真空度影響深度

3.3.1 超靜孔隙水壓力

根據(jù)設(shè)計,孔壓計埋設(shè)深度為6 m,15 m,22 m各一個。從抽真空開始進(jìn)行監(jiān)測,一直到抽真空完畢,歷時179 d。用頻率儀在早上7∶00～ 10∶00對場地內(nèi)部的孔壓計進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,初始兩個月是每天采集數(shù)據(jù)一次,后期是兩天采集一次。采集好的數(shù)據(jù)通過公式 P=K(fi2-f02)(其中P為壓力值,fi為讀取的頻率值,f0為初始頻率值)。計算出當(dāng)日的實(shí)際孔壓值,繪制成圖見圖4。在抽真空開始階段,孔壓都成降低趨勢,也就是意味著抽真空的區(qū)域中出現(xiàn)了負(fù)的超靜孔隙水壓力,在開始的7 d內(nèi),孔壓下降不大,因?yàn)楫?dāng)時場地處于試抽階段,真空泵并未完全開啟,真空壓力尚未完全達(dá)到設(shè)計要求。在一周以后,孔壓出現(xiàn)較明顯的下降趨勢,并且不同深度的超靜孔壓出現(xiàn)的時間差不多。論證了趙維炳先生提出的深層土體中真空度是影響真空壓力的主要原因。由于場地的初始水位在自然地面下0.5 m左右,而從圖4中可以看出,在深達(dá)22 m處也產(chǎn)生了孔壓的降低,即也產(chǎn)生了相應(yīng)的固結(jié),這與龔曉南先生[5]提出的滲流場理論即真空預(yù)壓對地下水位以下的區(qū)域無效有出入。由于工程施工的客觀原因,在一個月以后才逐漸開始進(jìn)行堆土作業(yè),可以看到在迅速堆土階段的孔壓變化很明顯,整體的孔隙水壓力值為升高趨勢,但是堆載完畢之后,孔壓開始消散,并且6 m處和15 m處的孔壓的消散速度大于22 m處的孔壓。在110 d的時候,22 m處的孔壓開始變成負(fù)值,也就說證明了在22 m深度的土體中,存在著負(fù)超靜孔隙水壓力,也就說明真空預(yù)壓可以影響到排水板底部[10]。

圖4 孔壓～時間曲線

3.3.2 深層水平位移與真空預(yù)壓影響深度的關(guān)系

測斜管埋設(shè)到地表下30 m,這樣可以是測斜管底部保持固定,上部土體產(chǎn)生水平向位移的時候就會帶動測斜管一起偏移。測斜管主要功能是能體現(xiàn)出來抽真空區(qū)域的側(cè)向位移,也就是在受到負(fù)的真空圍壓的情況下,處理區(qū)域邊界向著處理區(qū)移動。如圖5在未抽真空階段,也就是在2010-06-30的時候,測斜管基本上是一條直線,在進(jìn)行抽真空過程中,測斜管開始向處理區(qū)域偏移,上部偏移較大,下部偏移較小,在30 d左右的時候,開始堆載,之后在6 m～8 m的位置出現(xiàn)了向處理區(qū)域外移動趨勢,在這個位置可能是出現(xiàn)滑裂面的危險區(qū)域。在抽真空的過程中,隨著深度的增加,偏移量開始減小,但是在25 m的位置以上,都有較明顯的水平位移。如圖5中,排水板深度打到20 m,但是在25 m左右依然有明顯的位移,表明在排水板打設(shè)深度以下一定范圍內(nèi)依然有真空壓力的影響。結(jié)合圖4和圖5進(jìn)行縱向比較,發(fā)現(xiàn)在22 m深度的孔壓消散和水平位移的變化有著同步性,即在堆載完成之后,孔壓開始消散,同時深層水平位移也開始向著處理區(qū)域發(fā)展,表明除了豎向的真空壓差產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力,側(cè)向的壓差也會對負(fù)孔隙水壓力產(chǎn)生影響,也會對真空預(yù)壓的有效深度有影響。

圖5 深層水平位移～深度曲線圖

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù),隨著深度的增加,負(fù)超靜孔隙水壓力是呈遞減的趨勢的,同時越深的位置的孔壓消散會越慢。

(2)驗(yàn)證了趙維炳提出的負(fù)壓固結(jié)理論,真空預(yù)壓過程中,預(yù)壓過程并不是從上至下依次開始,而是基本上同時開始。并且可以得到真空預(yù)壓的影響深度能夠達(dá)到排水板的底部。

(3)結(jié)合測斜的數(shù)據(jù)分析得到,由于有著圍壓壓差的存在,土體會出現(xiàn)向處理區(qū)域偏移的情況,偏移量隨著深度的增加而減小,能夠影響到排水板打設(shè)深度以下深度。表明圍壓差的存在會對預(yù)壓區(qū)域內(nèi)部的孔壓產(chǎn)生影響,并且會對有效深度產(chǎn)生影響。

(4)孔壓消散和水平位移的變化有著同步性,表明除了豎向的真空壓差產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力,側(cè)向的壓差也會對負(fù)孔隙水壓力產(chǎn)生影響,說明真空預(yù)壓主要是一個三維的固結(jié),而不是傳統(tǒng)意義上的一維固結(jié)。

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