淤泥地基處理中真空度和孔壓變化規律研究

馬 杰,王劍波,王偉強

(河海大學 土木與交通學院,江蘇南京210098)

0 前 言

對軟土地基進行加固常用的方法是真空預壓法和堆載預壓法,他們在理論上有相似的地方,都是屬于排水預壓法。不同的是[1-2],堆載預壓法是通過堆載增加地基中的總應力,并形成正的超靜孔隙水壓力,然后通過超孔隙水壓力的消散來達到增加土體中有效應力的目的;而真空預壓法則是在總應力基本不改變的情況下,通過抽真空實現排水,并使地基中形成負的超靜孔隙水壓力,依靠其轉化形成的有效應力來達到增加土體抗剪強度,提高地基的承載力。通過室內實驗和現場試驗證明,真空排水預壓法與堆載排水預壓法的效果是可以疊加的[3]。

在真空堆載聯合預壓法加固軟土地基的工程中,由于淤泥中土體的物理和力學性質比較復雜,許多學者對其真空度的傳遞規律和超靜孔隙水壓力的變化規律進行了分析和研究,也得出了很多的結論[4-7],但是在真空預壓處理淤泥地基過程中,對于真空度和超靜孔隙水壓力兩者之間關系的分析,并沒有得出明確一致的結論。根據目前對真空預壓機理的研究成果和相關結論,以太倉某物流倉庫的真空堆載聯合預壓工程為實例,通過對現場監測數據的分析,對淤泥中真空度的傳遞特性,孔隙水壓力消散規律及二者之間的相關性作進一步的探究。

1 工程概況及地質條件

太倉屬長江三角洲沖積平原,全境地勢平坦,自東北向西南略呈傾斜。東部為沿江平原,西部為低洼圩區。擬建物流倉庫位于太倉市申江路以東,通港路以北,地貌類型屬長江三角洲沖積平原。場區內分布原有河道、池塘現已填埋整平,自然地面標高一般在2.42 m～3.21 m之間,平均約2.8 m,地下水位埋深在1.7 m左右。

經地質勘察,擬建場地地基土分布自上而下分布為:①素填土,上部為近期人工填土,以粘性土為主,夾植物根莖等細小雜物。平均厚度約1.7 m;②粉質粘土,局部夾粘土,土質自上而下逐漸變軟,呈可塑～軟塑狀,中等～高等壓縮性,平均厚度約1.2 m;③淤泥質粉質粘土,含云母、有機質,局部夾少量淤泥質粘土,呈流塑狀,高等壓縮性,平均厚度約4.3 m;④淤泥質粘土,含云母、有機質、貝殼碎屑,局部夾粘土,呈流塑狀,高等壓縮性,平均厚度約7.7 m;⑤粉質粘土,呈流塑～軟塑狀,高等壓縮性,以下幾十米都是該土層。各土層物理力學指標見表1。

表1 各土層的物理力學性質

該倉庫地基淺部主要以淤泥質粘土和淤泥質粉質粘土為主,屬于典型的軟土地基,土體成流塑狀態,具有含水率高、孔隙比大、壓縮性高等特點,采用傳統的軟基處理方法較難達到預期效果或者成本較大,故采用真空排水預壓法來進行處理。

2 現場監測方案

經過多種方法對比,本工程采用真空-堆載聯合預壓處理方法,處理范圍為305 m×240 m,即73 200 m2,分為兩塊區域進行處理,每塊面積分別為36 600 m2。區域之間密封膜不斷開,在分區的情況下,整個場地仍然為一個處理整體,有助于減小工后差異沉降。

以塑料排水板作為豎向排水體,采用正方形布置,間距1.0 m,打設深度約15 m。以真空堆載聯合作為預壓荷載,設計加載方式為抽真空達到80 kPa后,再堆載20 kPa。A區和B區從8月16日抽真空至11月30日結束,抽真空時間都在3個月以上。場地內設孔隙水壓力計2組,深層真空度4組,每組埋設深度分別為:3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。監測儀器平面布置圖見圖1。本文選取B區的真空度和孔隙水壓力監測結果進行研究分析。

圖1 監測儀器平面布置圖

3 試驗數據分析

3.1 淤泥中真空度

在抽真空的開始階段,膜下真空度上升迅速,抽真空10 d左右,膜下真空度就達到了80 kPa,而且其值保持在80 kPa以上的時間大致有3個月(見圖2)。圖2中10月15日的真空度急劇下降,這主要是由于停泵造成的,開泵后真空度很快又恢復正常。而淤泥中真空度開始則沒有讀數,它需要一個啟動過程,淺層3 m的土體啟動時間比較短,而深層6 m土體的啟動時間則較長。在抽真空的初始階段,只有3 m處的土體有讀數,穩定時真空度數值為50 kPa,隨著抽真空的進行,真空度能量逐漸向土體深處傳遞擴散,沿深度土體阻力不斷增加,真空度衰減是很明顯的,衰減平均值達到了10 kPa/m。按照此衰減速率,9 m及其以下的土體真空度基本就測不到了,這也說明了真空度的有效傳遞深度在9 m左右,真空度的加固效果不僅對地下水位面以上的土體有效,而且對地下水位面以下的土體及深度更大的土體的加固也是有效果的。

圖2 B區淤泥中真空度過程線

從圖2中看出,3 m處土中的真空度隨著膜下真空度的增加開始迅速上升,經過15 d達到最高水平60 kPa,之后隨著抽氣時間的增加真空度逐漸下降,最后趨于一個相對穩定的真空度值。6 m處淤泥中的真空度增長緩慢,穩定后其真空度值只有20 kPa左右,其真空度下降速率略緩于淺層土體。這主要是由于當淺層土體發生固結壓縮變形后,土層的密實度提高,土體的孔隙比減小,真空能量向下傳遞的阻力增大,導致真空度開始下降。

在堆載階段,每級堆載會引起土體中的水位升高[8],使得真空能量向下傳遞阻力增大,土體中的真空度降低,但是下降幅度不大,當每級堆載結束后,隨著水位的下降,真空度緩慢回升至原來水平。在卸除真空荷載后,膜下真空度迅速衰減為0,并且逐漸向深層發展,土體中的真空度經過2 d也全部衰減為0。

3.2 淤泥中超靜孔隙水壓力

圖3為B區超靜孔隙水壓力隨時間的變化曲線圖。

圖3 B區超孔隙水壓力過程線

從圖3中看出,抽真空對孔隙水壓力的影響是非常明顯的,在抽真空之前現場進行插設塑料排水板,鋪設水平砂墊層,鋪真空膜等施工工序時,測得的孔壓值基本保持不變。8月16日開始抽真空以后,土體形成負的超靜孔隙水壓力,負孔壓值隨真空度的增大急劇降低,隨著抽真空時間的延長,孔隙水壓力下降速率逐漸變小,曲線也逐漸變緩。但是15 m處的負孔壓數值比其他深度的孔壓值小很多,這主要是由于該孔壓計位于排水板底部的淤泥中,在真空滲流場的作用下,周圍土體逐漸固結壓縮,使該處土體的滲透性變差,因此孔壓消散速度變慢,曲線趨于平緩。

膜下真空負壓對孔隙水壓力的消散影響是比較明顯的,同一深度處土體的超靜孔隙水壓力與真空度具有類似的變化規律,尤其是3 m土體更為明顯,受真空度的影響也更大。10月15日停泵造成3 m處真空度急劇下降了30 kPa,對應位置的孔壓回升迅速,回升值達到5 kPa,但隨深度的增加孔壓的反應逐漸減小。表明了若膜下真空度大幅度變化的時間較短,則對深度較大處土體的孔隙水壓力的影響是很小的。

在真空預壓階段,當膜下真空度基本維持在80kPa左右時,3 m到12 m各測點的超靜孔隙水壓力數值基本保持一致,由于各埋設點處土體的滲透性有差異,得出在單獨抽真空階段由真空度引起的孔隙水壓力消散值沿深度分布基本相同,其值都在50 kPa左右,這與文獻[5]的觀點是一致的。

在抽真空一個月后開始堆載,由填土引起不同深度處超孔壓數值變化是不一樣的,可以看出地基淺處的超孔壓上升幅度比較大,而深部上升幅度則很小,這是由于堆載產生的附加應力沿深度方向遞減引起的。在堆載過程中,超靜孔隙水壓力呈波浪形的變化,這主要是因為由堆載產生的附加應力開始全部由孔隙水承擔,導致孔隙水壓力上升,隨著孔壓的逐漸消散,附加應力逐漸轉化為了土體的有效應力,之后土體在有效應力的作用下發生相互的擠壓和挪動,對孔隙中的水產生擠壓作用,負的超靜孔隙水壓力又開始上升。上述的相互作用過程不斷的循環,便反應出了孔壓消散曲線的波浪形變化。

在真空堆載聯合預壓工程中,負壓滲流場是引起孔隙水壓力消散的主要方式,所以真空度的大小對孔壓的最終消散值有著直接的決定作用。而堆載產生的附加應力使土體產生正的超靜孔隙水壓力,使土體滲流場中的壓力差變大,促使孔隙水的滲流速度加快,進而加快了孔隙水壓力的消散速率,使附加應力更快更有效的轉化為有效應力,達到土固結的目的。可見,在真空堆載聯合預壓中孔隙水壓力的消散速度要比單獨堆載作用下孔壓消散速度快得多,在開始堆載后,從孔壓上升并達到穩定狀態經過的時間很短,就能反映這一點。

3.3 真空度與超靜孔壓的相關性分析

根據文獻[9],地基中的孔隙水壓力消散值可以分為兩個部分:一是抽真空引起地下水位線下降進而引起的孔隙水壓力消散值;二是真空負壓滲流場中的“真空負壓能”的傳遞導致的孔隙水壓力下降值,而“真空負壓能”的大小又與土體中的真空度值及其沿深度的傳遞效果有關系。所以,孔隙水壓力的變化與真空度的變化二者是相關聯的。圖4和圖5分別是B區淤泥中3 m和6 m處真空表與孔壓計在抽真空階段的實測結果對比圖。

從圖4中可發現,3 m處的真空度值和超孔壓值兩者是很吻合的,此時測得地下水位下降了3 m,則該真空表和孔壓計位于地下水位線以上,也就是說,在地下水位線以上的淤泥中,真空表和孔壓計的數值基本是一致的,孔隙水壓力值實質上反映了該處土體的大氣壓力值,二者基本都為50 kPa。表明了在淤泥中地下水位線以上的土體中,孔隙水壓力的消散主要是由真空度的傳遞所引起的。

圖4 膜下3 m處真空表與孔壓計測試結果對比圖

圖5 膜下6 m處真空表與孔壓計測試結果對比圖

而6 m處的土體位于地下水位線以下(見圖5),該處真空表與孔壓計兩者的結果不一致,孔壓值比真空度值大的多,其實測最大值相差了28 kPa,與該處孔隙水壓力因地下水位下降的30 kPa在數值上比較接近。說明了在淤泥中地下水位線以下的土體,孔隙水壓力的消散主要是由地下水位的下降所引起的,真空度直接引起的孔隙水壓力消散值相對較小。

4 結 論

結合真空堆載聯合預壓現場試驗,對淤泥中的超孔隙水壓力和真空度進行了分析,得出了以下結論:

(1)淤泥中真空度的出現有一個啟動的過程,深度較大土體的啟動時間明顯大于埋深較淺的土體,只有經過這樣的過程淤泥中的真空度才會上升,而且淤泥中真空度沿深度的衰減平均值達到10 kPa/m。

(2)隨著抽真空時間的延長,膜下真空度基本保持穩定,而淤泥中的真空度則因土體的固結壓縮逐漸下降并趨于一個相對穩定的值。

(3)加固區內超靜孔隙水壓力變化受真空負壓、土體滲透性和堆載的影響,在真空預壓階段,孔隙水壓力沿深度方向的最大消散值基本上是相同的。在整個預壓處理過程中,孔壓的消散曲線呈現出具有波浪形。

(4)淤泥地基中孔隙水壓力的消散主要是由于地下水位線的下降所引起的,地下水位線以上土體的超孔隙水壓力值與真空度在數值上一致,地下水位線以下的真空度值小于超孔壓值,此時孔隙水壓力消散主要是由抽真空導致的地下水位下降引起的,真空度直接引起的孔隙水壓力消散值相對較小。

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