真空灌漿加固軟土地基的試驗(yàn)研究

寧波高新區(qū)圍海工程技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司 浙江省 315040

摘要：通過(guò)模型試驗(yàn)方法，利用自主研制的模型試驗(yàn)裝置開(kāi)展真空預(yù)壓處理與滲透灌漿之間的相互作用機(jī)理研究，尋求兩者最佳工藝結(jié)合點(diǎn)，為下一步工藝試驗(yàn)及技術(shù)創(chuàng)新提供理論與試驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：軟土地基；模型試驗(yàn)；真空預(yù)壓；滲透灌漿

引 言

目前，真空預(yù)壓法已在港口工程、石油、化工、建筑、公用事業(yè)和機(jī)場(chǎng)等工程中得到實(shí)際應(yīng)用，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。真空預(yù)壓法作為一種排水固結(jié)法，在其總應(yīng)力保持不變的條件下，通過(guò)減小孔隙水壓力，增加有效應(yīng)力而提高地基承載能力。同時(shí)，在大致等效荷載作用下，真空預(yù)壓的加固效果并不差于堆載預(yù)壓法[1]，都在大量的軟土地基處理工程中得到應(yīng)用[2-5]。真空預(yù)壓法工期短、環(huán)保，故進(jìn)一步研究真空預(yù)壓法具有重要的工程意義。

滲透灌漿技術(shù)作為另外一種軟基處理方式，有著悠久歷史，并應(yīng)用廣泛，發(fā)揮巨大效用。滲透灌漿在不足以破壞土或巖層構(gòu)造的壓力下，水泥漿液滲入軟土的孔隙或巖石裂縫中去，排擠出孔隙和裂隙中的水和氣，達(dá)到加固軟基效果。幾十年以來(lái)，滲透注漿理論在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究下有了比較成熟的滲透理論，如球形擴(kuò)散理論、球形擴(kuò)散Raffle理論、柱形擴(kuò)散理論、袖套管法理論等[6，7]。然而這些理論都是對(duì)于砂層地基而言，尤其是球形擴(kuò)散理論和柱形擴(kuò)散理論已廣泛應(yīng)用于砂層地基，但對(duì)于粘土層而言至今仍是空白。

本文通過(guò)模型試驗(yàn)方法，將真空預(yù)壓法與滲透灌漿技術(shù)有機(jī)結(jié)合，研究其相互作用機(jī)理，尋求最佳工藝結(jié)合點(diǎn)，總結(jié)真空滲透灌漿技術(shù)。

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1.1 土樣簡(jiǎn)介

試驗(yàn)土樣來(lái)自于寧波奉化的吹填淤泥土，含水率和孔隙比很大，重度小；塑性指數(shù)大，一般在15以上；強(qiáng)度低，承載力低，且靈敏度很高；壓縮性高，滲透性低。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999），對(duì)標(biāo)準(zhǔn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)，如含水率、密度、比重、液塑限等進(jìn)行測(cè)定，見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

含水率/%濕密度/（g/cm3）比重液限/%塑限/%初始孔 隙比壓縮系數(shù)/MPa-1壓縮模量/MPa

72.01.6242.6949.027.81.9491.2652.252

1.2 模型設(shè)計(jì)

基于室內(nèi)試驗(yàn)研究便利性，為完成真空滲透灌漿試驗(yàn)研究，進(jìn)行試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作，自主研制的試驗(yàn)?zāi)M裝置尺寸確定為0.7m×0.7m×1.4m，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置大樣示意圖

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，第一組為真空灌漿模型試驗(yàn)，第二組為真空預(yù)壓模型試驗(yàn)，以便對(duì)比兩者對(duì)軟土地基的處理效果。

真空灌漿模型試驗(yàn)的具體方案如下：

（1）填土

向裝置內(nèi)填土，每隔0.3米布置孔隙水壓計(jì)，最終填土高度為1m，淤泥土表層鋪設(shè)2個(gè)編制袋，防止水平排水管外膜與淤泥土直接接觸。

（2）豎向排水板、水平排水管和灌漿管布置

首先，用自制的鏟子將豎向排水板插入淤泥土中，豎向排水板間距為35cm，距兩側(cè)鋼板各17.5cm，豎向排水板插入深度為90cm，豎向排水板寬度5cm；接著，用繩子將豎向排水板和水平排水管捆緊，有利于真空灌漿試驗(yàn)；最后，將灌漿管插入淤泥土中，灌漿管圓心位置距離每側(cè)鋼板的距離都為35cm，灌漿管長(zhǎng)度為90cm。灌漿管上開(kāi)若干小孔，孔間距為10cm，并用紗布纏繞，防止灌漿管插入淤泥土過(guò)程中淤泥進(jìn)入其中，灌漿管首個(gè)開(kāi)孔位置沒(méi)入淤泥土深度為30cm。

（3）試驗(yàn)裝置密封

等豎向排水板、水平排水管和灌漿管布置完畢后，鋪設(shè)30cm厚砂層，并在砂層上方放置鋼板，便于豎向位移計(jì)布置。隨后用四根壓條將0.6mm厚PE膜壓緊，初步保證整個(gè)試驗(yàn)裝置的密閉性。最后，在PE膜上鋪上淤泥，確保整個(gè)裝置處于密閉狀態(tài)。

（4）位移計(jì)布置

在整個(gè)試驗(yàn)裝置最上方，布置3個(gè)位移計(jì)來(lái)測(cè)定淤泥土沉降情況，3個(gè)位移計(jì)導(dǎo)線用半橋方式聯(lián)接在應(yīng)變儀上。同時(shí)將孔隙水壓力計(jì)引出的導(dǎo)線用全橋方式聯(lián)接在應(yīng)變儀上，隨后開(kāi)始抽真空。

（5）試驗(yàn)過(guò)程

整個(gè)試驗(yàn)裝置運(yùn)行以后，每隔2個(gè)小時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)過(guò)程中需測(cè)量和記錄的數(shù)據(jù)包括：位移計(jì)應(yīng)變以及真空表讀數(shù)等。當(dāng)上方真空表讀數(shù)維持在40kPa左右，且沉降變化量變化不大時(shí)，準(zhǔn)備滲透灌漿。采用配合比為1：1的白色硅酸鹽水泥漿液以保證其流動(dòng)性，便于漿液分布情況總結(jié)。灌漿原則：分多次并少量，直至灌漿管堵死，無(wú)法灌漿為止。停止灌漿后，繼續(xù)觀測(cè)孔隙水壓力和位移計(jì)應(yīng)變情況。當(dāng)每小時(shí)位移計(jì)應(yīng)變變化量小于50時(shí)，即每小時(shí)沉降小于0.25mm時(shí)，停止試驗(yàn)。

（6）試驗(yàn)后處理

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)加固后土層的軟硬程度進(jìn)行分層，用原狀土取樣器取每層土樣，測(cè)定每層土樣含水率、密度等物理指標(biāo)，并進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)、UU試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)得其力學(xué)參數(shù)。根據(jù)測(cè)得的物理力學(xué)指標(biāo)以及固結(jié)沉降值，計(jì)算加固后土體地基承載能力，總結(jié)沉降規(guī)律，分析軟土地基真空滲透灌漿的沉降計(jì)算方法。此外，對(duì)漿液的分布情況進(jìn)行分析，探討漿液擴(kuò)散半徑以及灌漿量的計(jì)算方法。

真空預(yù)壓模型試驗(yàn)的具體方案大致同上，只是取消了試驗(yàn)中的灌漿及相應(yīng)的量測(cè)設(shè)備。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

真空預(yù)壓試驗(yàn)結(jié)束后，將整個(gè)試驗(yàn)密閉裝置打開(kāi)，依次將鋼板、砂層、水平排水管以及豎向排水板取出，能觀察到處理后的土樣相對(duì)于處理前有了明顯改善，說(shuō)明本次試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案是可靠的。

真空滲透灌漿試驗(yàn)結(jié)束后，挖泥取樣過(guò)程中，可觀察到以下情況：首先，處理后的土體可以承受較大的荷載，處理效果較好；其次，白色硅酸鹽水泥分布于整個(gè)試驗(yàn)裝置橫截面（圖2），說(shuō)明灌漿是可行的。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著深度加深土體的水泥含量降低，其最大分布深度約為30cm。根據(jù)加固效果不同可將整個(gè)土體分為三層，上層最佳，其高度約為25至30cm；中層次之，其高度也約為25至30cm；底層最差。

圖2 白色硅酸鹽水泥分布圖

2.2 加固效果對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)束后，采集同一深度土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，分別測(cè)其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。通過(guò)其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)分析比較加固效果。將兩組土樣物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行匯總，如表2所示。