真空預壓處理吹填土的壓縮率計算方法研究

張云冬，程 瑾

（中交（天津）生態(tài)環(huán)保設(shè)計研究院有限公司，天津 300461）

引言

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展和對外開放的進一步深入，沿海各港口對土地的需求日益增加，因此吹填造地工程便大規(guī)模的開展起來。真空預壓地基處理技術(shù)作為一種相對經(jīng)濟的大面積處理軟基的方法，在吹填造地工程中得到了廣泛的應用，也積累了大量的工程經(jīng)驗[1]。但與真空預壓技術(shù)取得廣泛應用并積累大量實踐經(jīng)驗形成鮮明對比的是，目前真空預壓技術(shù)的理論研究相對滯后，實踐中遇到的很多問題還停留在靠經(jīng)驗解決的階段[2-3]，如吹填土在真空預壓荷載下的沉降計算，還只能靠估計其壓縮率的方式計算沉降量，一般設(shè)計中采用的吹填土的壓縮率取值范圍是20 %～40 %[4-5]。

由于吹填土在吹填過程中形成的橫向不均勻、成層性較差、欠固結(jié)的特點，導致吹填土在真空預壓荷載下的沉降難以采用如分層總和法、規(guī)范法等比較適宜成層性較好的土的沉降計算方法，而目前吹填土沉降計算又沒有成熟的理論方法，因此吹填土的沉降量大多數(shù)時候主要是靠經(jīng)驗估計，因而計算結(jié)果不嚴謹[6-8]，說服力較差。

對于特定的土而言，塑性指數(shù)是一個相對穩(wěn)定的參數(shù)，能否找出真空預壓后土的物理性質(zhì)參數(shù)與塑形指數(shù)的關(guān)系，從而根據(jù)土的塑性指數(shù)預測真空預壓后的物性參數(shù)如含水率、孔隙比和密度，進而結(jié)合真空預壓前土的物性參數(shù)如含水率、孔隙比和密度預測吹填土的壓縮率，從而為吹填土壓縮率的估算提供依據(jù)，提高吹填土沉降計算的準確性和結(jié)果的嚴謹性。

1 理論方法研究

1）通過對真空預壓前后各土樣物理性質(zhì)參數(shù)的深入研究并進行篩選后，選擇了真空預壓前后的含水率ω1，ω2，密度ρ1，ρ2，和土顆粒比重G共5個指標作為吹填土壓縮率計算的關(guān)鍵指標。

2）通過一系列的公式推導，得到了采用以上五個土的物理性質(zhì)指標計算吹填土壓縮率的計算公式，見以下三個公式：

式中：

ω1，ω2為處理前后土的含水率（%）；

ρ1，ρ2為處理前后土的密度（g/cm3）；

G為土顆粒的比重。

3）通過勘察取樣和土工試驗的方式得到真空預壓前土的含水率ω1、密度ρ1和土顆粒比重G。

4）通過真空預壓后土的含水率、密度與土的塑性指數(shù)的關(guān)系預測真空預壓后土的含水率ω2和密度2ρ。

該方法的前三步，目前都能得到較好的解決，但對于方法的第四步，如何確定真空預壓后土的含水率、密度與塑性指數(shù)的關(guān)系，由于缺少相應的試驗和統(tǒng)計資料，因此難以確定各指標之間的相關(guān)關(guān)系，更無法運用這種關(guān)系預測相關(guān)指標。因而確定真空預壓后土的含水率、密度和塑性指數(shù)的關(guān)系，確定其預測公式，就成為本文研究的重點內(nèi)容。

2 試驗方案

2.1 試驗設(shè)計

為研究分析真空預壓后土樣的含水率、密度、孔隙比等物理性質(zhì)參數(shù)與塑性指數(shù)的關(guān)系，共取得了三地、四種不同性質(zhì)的土樣，分三次進行真空預壓模型試驗，從而為研究提供依據(jù)。匯總的歷次試驗土樣的物理性質(zhì)參數(shù)及顆粒分析見表1。

表1 各土樣物性參數(shù)

累計共進行了三次真空預壓模型試驗，第一次為連云港土樣（兩個模型，編號分別為1-1#，1-2#）和馬來檳城1 土樣（兩個模型，編號分別為2-1#，2-2#），第二次為馬來檳城2 土樣（三個模型，編號分別為3-1#，3-2#，3-3#），第四次為濱州土樣（三個模型，編號分別為4-1#，4-2#，4-3#）。每次試驗均基本遵循相同的試驗思路，主要試驗步驟如下：

1）將取得的土樣攪拌均勻，并從每個土樣中取得少量的土樣進行土工試驗，以確定試驗前土樣的物理力學性質(zhì)。

2）將試驗模型土樣放入抽真空密封裝置中，裝置為單體正方柱體，正方柱底邊長為20 cm，柱高為30 cm，塑料排水板寬度為5 cm，采用同一真空氣源，按現(xiàn)場真空預壓地基處理的密封形式、加載流程等要求進行抽真空試驗。試驗裝置如圖1。

圖1 試驗裝置示意

3）試驗監(jiān)測：按真空預壓，巖土工程監(jiān)測的技術(shù)要求進行膜下真空度、膜頂沉降等指標進行觀測，直至土樣變形穩(wěn)定為止。

4）試驗結(jié)果檢測：達到卸載標準后，進行土的物理、力學指標試驗，并測定土樣的微型十字板抗剪強度。

2.2 試驗監(jiān)測及卸載

初期抽真空時，為防止排水板淤堵，每次試驗均將真空壓力分三級加載，分別為20 kPa、40 kPa和85 kPa。每次真空預壓試驗抽氣時間約12 天，并按照真空預壓巖土工程監(jiān)測的變形觀測要求，待土樣變形基本穩(wěn)定時，即停止抽真空，各土樣沉降觀測曲線見圖2。

圖2 時間～沉降曲線

3 試驗結(jié)果分析

3.1 土樣試驗前后物理力學參數(shù)的對比

將抽真空試驗前后變化比較大的物理性質(zhì)參數(shù)如含水率、孔隙比、濕密度、液性指數(shù)，以及力學參數(shù)如微型十字板抗剪強度等進行對比，見表2。

表2 試驗成果對比

從歷次試驗各土樣的物性參數(shù)和力學參數(shù)的變化可以看出，試驗前后土樣的物理力學性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化，含水率均不同程度的明顯降低、孔隙比明顯減小、濕密度明顯增大、液性指數(shù)明顯減小；十字板抗剪強度則明顯增大。對比結(jié)果表明，真空預壓試驗對改善各土樣的物理力學性質(zhì)起到了明顯的效果，試驗達到了預期的效果。

3.2 試驗后土樣物性參數(shù)與塑性指數(shù)的關(guān)系分析

此外通過搜集天津臨港、南港、黃驊、濱州、青島等地的真空預壓地基處理檢測資料，結(jié)合以上試驗成果，得到真空預壓后土體的含水率、孔隙比、濕密度、與塑性指數(shù)的函數(shù)關(guān)系，具體見圖3～圖5。

圖3 含水率與塑性指數(shù)的關(guān)系

圖4 密度與塑性指數(shù)的關(guān)系

圖5 孔隙比與塑性指數(shù)的關(guān)系

從圖3 真空預壓試驗后土體的含水率與塑性指數(shù)的關(guān)系可看出，兩者有良好的正線性關(guān)系，且兩者的相關(guān)性較好，屬于中～高度相關(guān)，其所顯示的規(guī)律是隨著塑性指數(shù)的增大，真空預壓試驗后土體的含水率升高。結(jié)合各組土樣試驗前后的力學性質(zhì)可知，雖然塑性指數(shù)大的土試驗后的含水率也高，但其強度卻不比塑性指數(shù)相對低的土的強度低，甚至其抗剪強度還明顯比塑性指數(shù)低的土大。

圖4 真空預壓試驗后土體的密度和塑性指數(shù)的關(guān)系可看出，兩者有良好的負線性相關(guān)關(guān)系，且兩者的相關(guān)性較好，屬于中～高度負相關(guān)，其所顯示的規(guī)律是隨著塑性指數(shù)的增大，真空預壓試驗后土體的密度減小。

圖5 真空預壓試驗后土體的孔隙比和塑性指數(shù)的關(guān)系可看出，試驗后土樣的孔隙比與塑性指數(shù)有良好的正線性關(guān)系，且相關(guān)性較好，屬于中～高度相關(guān)，其所顯示的規(guī)律是隨著塑性指數(shù)的增大，真空預壓試驗后土體的孔隙比增大。

由以上含水率、濕密度、孔隙比與塑性指數(shù)的擬合優(yōu)度R2可以看出，三個指標與塑性指數(shù)的相關(guān)性大小類似，主要是由于這三個指標存在一定的相關(guān)性，密度和孔隙比均是含水率的函數(shù)，因而各擬合優(yōu)度基本大小類似，若僅通過含水率與孔隙比和密度的函數(shù)關(guān)系計算這兩個指標，則這兩個指標的準確性就完全依賴于含水率的準確性了。但通過三個指標的分別預測，可減小單個指標誤差的連鎖影響，進而提高目標指標預測結(jié)果的可靠性。

4 工程應用

4.1 工程地質(zhì)

將以上研究成果應用于天津臨港北港池北側(cè)施工區(qū)地基處理項目，地基為吹填土地基，采用真空預壓法進行地基處理。場地擬處理的軟土層主要是上部的吹填土層和下部原位淤泥土層，各土層詳見表3。

表3 土層及參數(shù)

4.2 吹填土層壓縮率分析

以場地A2 區(qū)（直排式真空預壓工藝，總面積約11 萬m2）某小分區(qū)和B 區(qū)（直排式真空預壓工藝，總面積為35 萬m2）某小分區(qū)為研究區(qū)域，以0～6 m 深度內(nèi)的吹填土為主要分析對象，結(jié)合地基處理前后的鉆探取樣資料，以及地基處理期間的分層沉降監(jiān)測資料，綜合分析場地吹填土的壓縮率，主要成果見表4。

表4 分析成果

表4 中土層的壓縮率為處理前后土層體積的變化量與其初始體積的比值；從表4 的綜合分析成果表可看出，采用塑性指數(shù)預測的含水率、密度計算得到的吹填土預測壓縮率比地基處理后鉆探取樣得到的含水率、密度計算得到的實際壓縮率小，比分層監(jiān)測資料計算的監(jiān)測壓縮率也小。預測壓縮率與實際縮率的誤差平均為21.2 %，而監(jiān)測壓縮率與實際壓縮率的誤差平均為12.1 %。

預測壓縮率與實際壓縮率的誤差較大主要原因可能是由于采用以上公式預測的含水率偏大、密度偏小，最終導致預測的壓縮率偏小。表4 中，A2區(qū)的預測含水率比實際含水率高2.8 %，預測密度比實際密度小0.02，而B 區(qū)預測含水率比實際含水率高5.3 %，預測密度比實際密度小0.04。因此，為減小預測的誤差，若將含水率預測值再減小3 %～5 %，將密度的預測值再減小0.02～0.04，則可將預測的壓縮率誤差減小至5 %以下。

5 結(jié)語

1）以土的物性指標為基礎(chǔ)，推導出了真空預壓土體的壓縮率計算公式。經(jīng)試驗數(shù)據(jù)驗證，三個公式計算得到的各土樣壓縮率與土樣的實際壓縮率誤差較小，有較好的一致性。

2）真空預壓后土的含水率、孔隙比和密度與土的塑性指數(shù)均有中～高的相關(guān)性，并據(jù)此建立了三個指標與塑性指數(shù)的相關(guān)函數(shù)關(guān)系。

3）以真空預壓試驗前后土的物性指標計算的各土樣的壓縮率與實際壓縮率的誤差一般為±5%之間，平均為-0.74 %，誤差較小。

4）以真空預壓試驗前土樣的物性指標和塑性指數(shù)預測得到的真空預壓后物性指標計算得到的各土樣壓縮率與實際壓縮率的誤差一般在±20%之間，平均為-5.26 %。