軟土堆載預壓處理離心模型試驗研究

李從保，李從安

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心 安徽 合肥 230088；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

0 引言

近年來，我國在東南沿海地區基礎設施建設的規模不斷擴大，但由于沿海地質形成的特殊性，多分布著壓縮性高、強度低淤泥或淤泥質軟土，在建設中經常遇到軟土。為了滿足道路和場地對強度和變形要求，需要對軟土地基進行處理，沿海地區深厚軟土地基處理多采用塑料排水板加堆載預壓處理軟弱地基，而排水板處理的深度有限，對于深厚軟土地基中排水板未處理土層后期沉降還有待研究[1-3]。

土工離心機試驗通過離心力模擬重力，按相似準則將原型的幾何尺寸按比例縮小，并用相同物理性狀土體制成模型，以研究相似工程性狀。在軟土固結沉降離心機試驗研究中，將原型縮小N倍制成相關模型，其模型應變為原型的1/N倍，模型的固結時間為原型的1/N2倍[4]。本文以某沿海吹填造陸工程為背景，根據現場軟土地基沉降觀測數據為基礎[5-6]，開展深厚軟土地基堆載固結沉降離心模型試驗研究[7-8]。通過離心模型試驗來預測未來3～5年，甚至更長時間內經預壓處理后的軟土地基工后總沉降，對地基處理效果進行評價，并為下部未處理范圍內軟土的長期工后沉降提供設計參考。離心模型結果可以為進一步三維數值分析提供設計參數，同時也為同類工程的設計、施工提供參考。

1 模型設計和試驗模擬方法

1.1 原型概況

該填海造陸工程總用地面積約450萬m2。場地原為近海灘涂和水下淺灘，現經圍海、集淤、吹砂成陸，分層吹填砂至1985國家高程+2.0 m，然后打設塑料排水板，回填開山石至+8.0m～+10.0 m進行堆載預壓地基處理，約半年后滿足卸載條件卸載整平至+4.8 m形成最終陸域。

工程場地主要分布Ⅲ2層淤泥質粉質粘土和Ⅳ1粉質黏土，均屬于含水率和壓縮性較高的天然軟土，軟土發育深厚，底標高約從-30 m～-60 m不等。地基處理所采用的塑料排水板+堆載的處理方法中塑料排水板未能穿透整個軟土層(排水板處理深度約-28 m高程)，處理層下部存在最深約30 m左右的軟弱土層。由于深厚軟弱下臥層的存在，工后沉降易在樁側產生下拉荷載作用，降低樁基承載力，給上部構筑物帶來安全隱患。因此，本試驗對軟土地區對于堆載預壓工后沉降進行研究。

1.2 試驗設備

本次試驗是在長江科學院CKY-200型巖土離心試驗機(見圖1)上進行的。模型箱尺寸為1.0 m×0.8 m×0.4 m(長×寬×高)其最大容量為200 g·t，最大離心加速度為200 g，有效半徑為3.7 m。

圖1 CKY‐200巖土離心機

1.3 模擬對象及模型尺寸

根據現場勘查結果，現場土層主要為3類，現場勘查測得土樣參數如表1所示。設計模型試驗模型尺寸如圖2所示。模型經預固結完成后插入塑料排水板，后進行40 mm填沙層和60 mm堆石料進行堆載預壓，離心率N=100 g。原型與模型比例為1：100，即將原型尺寸縮小100倍，置于離心機模型箱中，通過離心機高速旋轉至100倍重力加速度，使模型達到與原型相同的應力場，實現模型與原型應力應變相等的目的。

孔隙水壓力消散是土體固結過程中的關鍵問題，因此通過對水壓力消散過程進行量綱分析，可以獲得相應的固結問題的相似比。衡量超靜孔隙水壓力消散程度的指標是固結度，而固結度與固結時間因子直接相關。固結時間因子定義為：

式中，Cv是固結系數，t是固結時間，H為排水路徑長度。Tv是無量綱數，因而模型和原型具有相同的數值，即

通常情況下，模型與原型采用相同的土體，即具有相同的固結系數，因此固結時間相似比為1：N2(模型：原型)[9]。這樣，實際工程中需要一年完成的固結，如果在離心機中采用100 g的離心加速度，只需要52 min就可以完成。

表1 原型底層參數表

圖2 模型材料及制備(單位：cm)

1.4 填筑材料的模擬

為了真實模擬現場Ⅲ2淤泥質粉質黏土的性質，本次試驗土樣為促淤圍涂工程現場取樣，模型試驗Ⅲ2淤泥質粉質黏土土性參數如表2所示。

1.5 塑料排水板模擬方法

原型現場采用塑料排水板加速軟土地基固結排水，故模型試驗中采取對應措施加速軟土固結排水。由于模型縮尺后難以找到與排水板尺寸相一致的模擬材料，將塑料排水板按等周長換算為圓截面排水體，根據公式(1)換算得到排水板當量直徑Dp：

圖3 模型排水體施工圖

式中：b為塑料排水板寬度，現場試驗b=100 mm；δ為排水板厚度，原型為4.5 mm；α為換算系數，取值0.902。換算得到當量直徑為60 mm，若按模型率N=100進行縮尺模型排水體直徑為0.6 mm。現場排水板間距為1.3 m，等邊三角形布置，則原型有效排水直徑為1.365 m，根據離心模型模型排水體與原型排水板井徑比等效原則(λp＝λm)，λp=22.75，模型試驗中為便于施工，選取模型排水板間距為20 mm×20 mm，正方形排列，有效排水直徑de=1.13l=22.6 mm，排水體直徑為為1 mm，模型試驗采用兩根透水濾芯捻為一根，模型試驗中在側向土壓力作用下，實際排水通道可達到1 mm的理論設計值。模型預固結完成后，將模型表層放樣為20 mm×20 mm的方格網，將細合金管在長度為300 mm處刻畫標記，再采用合金管將透水濾芯緩緩插入粉細砂層下的淤泥層中，再將合金管緩緩提起。塑料排水板處理的地基長度為260 mm，模型箱寬度為400 mm，共需要約1000根排水體。圖3為模型塑料排水體施工圖。

1.6 模型監測

模型試驗制作過程中Ⅳ-2層和Ⅲ層頂面預埋沉降監測管，采用激光位移傳感器監測Ⅳ-2層和Ⅲ層和地表沉降，同時沿Ⅱ-1層底面，垂直間距100 mm位置放置三個孔壓傳感器，監測固結過程中孔隙壓力變化。模型監測點布置如圖4所示。

1.7 試驗過程

(1)對原型土樣進行晾曬破碎后過5mm篩，②1層土樣含水率為50%，③層土樣含水率為30%，④2層含水率為24%備樣，對Ⅲ、Ⅳ-2倒入模型箱中分層擊實，②1層按設計含水率靜置后攪拌均勻倒入模型箱中，預埋孔壓傳感器。

表2 模型III2淤泥質粉質黏土參數表

圖4 模型傳感器監測布置圖

(2)將模型吊入離心機中運行約25 min，完成模型的初始固結，停機吊出模型箱，稱量模型排水質量，同時選取專用套管沿深度對模型進行取樣，測量模型不同深度含水，采用微型十字板沿深度測量模型的不排水抗剪強度。

(3)稱量40 mm厚所需吹填砂質量，采用砂雨法均勻散落在淤泥層頂面，按設計間距采用細合金管將裁定好的毛線緩慢插入淤泥層中，淤泥成毛線長度為26 cm，后在吹填砂層添加6 cm厚的堆石料，表面整平；

(4)將模型箱吊入離心機中，架設位移傳感器，傳感器調試完成后，開機進行模型試驗加載，按20 g為一級，逐級加載至100 g，穩定運行4.35 h，如圖5所示，模擬工后5年地基沉降變形。

(5)穩定運行完成后，停機，采用微型十字板測量試驗后模型不同深度不排水強度，并進行環刀取樣，測量不同深度淤泥密度及函水率。

2 成果分析

2.1 現場實測結果分析

根據現場實測沉降觀測曲線如圖6，采用雙曲線法對沉降數據進行線性回歸分析，雙曲線法是利用實測沉降數據推算滿載穩定情況下地基最終沉降量的常用方法。如式(5)所示。

圖5 離心加速度‐時間的關系

式中，S0為t=0時刻對應初期沉降量，St為任意t時刻對應沉降量，t0為所選取初始沉降對應時間，α和β均為與沉降時間和沉降量有關的經驗系數。經過沉降公式變換與實測數據圓滑處理，以沉降量計算數據曲線圖為基礎，繪制(t-t0)(St-S0)與t-t0關系曲線圖，如圖7、圖8所示。通過離心機試驗得出，超軟土地基土體A3-7和A3-8的堆載預壓322天沉降量分別為1738 mm和1655 mm，根據雙曲線擬合后，得到最終沉降量分別為2101 mm和2026 mm，堆載322天地基固結度分別為82.7%和81.7%

2.2 離心機試驗結果分析

2.2.1 地層沉降

圖6 地表沉降監測圖

圖7 編號A3‐7線性回歸曲線

圖8 編號A3‐8線性回歸曲線

離心模型試驗測量得到沉降隨時間的變化關系，換算成原型比尺如圖9。試驗得到堆載322天，地基沉降量為1728 mm，地基固結度約為82%，與現場實測結果一致。其中④2層、③層和②1層沉降量分別為244 mm、407 mm和1077 mm。堆載5年后工后地表沉降量為320 mm，其中④2層、③層和②1層沉降量分別為30 mm、75 mm和215 mm。

圖9 離心機模擬試驗豎向位移圖

2.2.2 孔壓

試驗開始前在Ⅲ層頂面及以上100 mm、200 mm位置布置孔壓傳感器KY-1、KY-2和KY-3，監測運行過程中孔壓變化如圖10，以開始堆載后一年為工后沉降起點，試驗得到工后5年內孔壓消減 12～20 kPa。

圖10 離心機模擬試驗孔壓圖

2.2.3 含水率及強度

試驗將按給定密度與含水率的土樣制備成樣，分層裝入模型箱中，100 g工況下穩定運行25 min完成預固結過程，預固結完成后停機，測量土樣分層含水率，采用微型十字板測量土體初始強度，如圖11，初始固結完成后進行模型表面堆載，100 g穩定運行4.35 h后停機，測定模型含水率、密度及土體強度如圖12所示，從圖中可以看出，打入排水板預壓排水后，Ⅱ-1層含水率分布隨深度增加逐漸增大，表層含水率降低達11.6%，而排水板以下未處理部分含水率變化不明顯；Ⅱ-1層土體不排水強度隨深度增加亦逐漸增大，土體強度較未排水前提高2倍以上，排水板處理范圍內土體強度提高明顯。試驗結結束后對Ⅱ-1層進行環刀取樣，測得土體平均干密度為1.28 g/cm3。

圖11 預固結完成模型不排水強度及含水率(單位：cm)

圖12 試驗完成后土體強度、密度含水率分布圖

3 結論

通過離心模型試驗研究軟土地基堆載預壓固結過程中土體沉降量，并與現場實測數據進行對比驗證，離心試驗結果與現場實測數據基本一致，試驗結果得到以下結論：

(1)堆載預壓地基最終沉降量約為2080 mm，堆載322天地基固結度達82%，工后5年地表沉降量為32 mm，其中④2層、③層和②1層沉降量分別為30 mm、75 mm和215 mm，分布占地基總沉降量的9.3%、23.4%和67.2%。

(2)塑料排水板+堆載預壓處理地基可以有效提高地基強度。采用排水板處理后，Ⅱ層土體不排水強度隨深度增加逐漸減小，含水率隨深度增加逐漸增大。Ⅱ層表層土體含水率降低達11.6%左右，土體不排水強度提高5倍，底層土體強度提高約2倍，排水板以下未處理部分含水率未發生明顯變化。

(3)通過離心機試驗分析，該工程采用塑料排水板+堆載預壓一年后軟土固結度可達80%以上，工后沉降較小，滿足后期項目建設。同時堆載預壓處理工程造價相對較低，施工難度小，該處理方案在類似項目中值得推廣。