真空預壓和堆載預壓加固機場軟基效果對比

白喬木 劉海洋 滿 立

(1.上海機場(集團)有限公司上海機場建設指揮部 上海 201207;2.同濟大學民航飛行區設施耐久與運行安全重點實驗室 上海 201804)

在我國東南沿海地區,地基土層分布有厚度較大的軟黏土層。軟土地基具有含水量高、壓縮性高和承載力低、抗剪強度低等工程特性,因此,在該類地基上進行工程建設時必須對軟土進行處治加固,以提高承載力并減少沉降。在適用于軟土的各種地基改良技術中,堆載預壓和真空預壓是實踐中最受歡迎和最具成本效益的軟基加固技術,尤其是對于機場、公路和儲罐等大面積的土壤改良[1-2]。

真空預壓法和堆載預壓法都屬于排水固結法,堆載預壓法的加固機理是通過堆載增加地基總應力而使地基中產生超靜孔隙水壓力,超靜孔隙水壓力消散固結后再轉化為有效應力,從而使地基強度增長;而真空預壓法則是在總應力保持不變的條件下,通過降低孔隙水壓力,增加有效應力而使地基強度增長,真空預壓與堆載預壓機理有明顯不同[3]。學者們針對堆載預壓處理軟土技術進行了大量的理論研究和工程實踐探索并積累了豐富的經驗[4]。同時,也發現一方面大面積堆載預壓所需土體量巨大,往往難以滿足,而且易導致周邊土體較大的側向變形進而存在地基失穩風險[5]。針對上述問題,樓曉明、沙玲[6-7]等分別結合工程實踐和數值仿真,對比分析了真空預壓加固地基效果,發現真空預壓相對于堆載預壓具有更快的加固速度和更高的強度。丁海龍等[8]采用新型塑料排水板,提出采用增壓式真空預壓法對軟土地基進行加固,得到了更好的地基處理效果。近年來,一些新型的排水板技術被引入真空預壓技術中。例如,Fu等[9]和王柳江等[10]通過試驗證明,真空預壓結合電滲排水比傳統的真空預壓具有更好的改善效果。上述研究表明,堆載預壓和真空預壓在地基加固方面各有優勢和局限性。因此,在真空預壓和堆載預壓對軟土地基的加固效果方面,有必要進一步展開研究。

基于此,本文在相同的軟土地基上分別進行了等面積堆載預壓和真空預壓現場試驗,研究大面積深厚軟土在真空壓力和堆載壓力下的性能差異。基于表面沉降、分層沉降、側向位移,以及孔隙水壓力的變化規律,比較真空預壓和堆載預壓對軟土的影響,以評價真空預壓與堆載預壓應用于大面積深厚軟基的處理效果。

1 工程概況

試驗區域位于上海浦東機場新老大堤之間,試驗目的是為機場四期擴建地基處治提供技術支撐。根據巖土工程勘察報告,各土層物理力學參數如表1。地下潛水穩定水位埋深在地面以下0.20～1.45 m之間。地基土自上而下包括:雜填土、淤泥質粉質黏土、砂質粉土、淤泥質黏土、黏土和粉砂。其中淤泥質粉質黏土和黏土層厚度較大,無法滿足機場道基沉降要求。因此,采用堆載預壓和真空預壓對地基深層軟土進行加固。

表1 土層物理力學參數

1.1 工程方案

真空預壓(Z1)和堆載預壓(D1)試驗區域相鄰,面積均為50 m×50 m,斷面圖和平面圖分別見圖1、圖2。

圖1 真空預壓區(Z1)(單位:m)

圖2 堆載預壓區(D1)(單位:m)

試驗區域內均設有寬度10 cm、厚度不小于4.5 mm的C型塑料排水板,縱向通水量不低于40 cm3/s,滲透系數不小于5×10-4cm/s。排水板間距1 m,采用正方形布置,其中堆載區入土深度為9 m,穿透攤面淤泥層,真空區入土深度為23 m,穿透淤泥質黏土層。排水墊層采用厚度為50 cm中粗砂,墊層中部埋置有間距5 m的水平濾水管,并形成回路。為保證真空預壓區密封效果,采取水泥攪拌樁作為密封帷幕,攪拌樁樁長15 m,單樁徑65 cm,搭接20 cm。密封膜采用防滲不透氣材料,鋪設3層,搭接寬度大于15 mm。區域周邊采用挖溝埋膜、平鋪并用黏土覆蓋壓邊的方法進行密封。

1.2 測點布設

真空預壓區和堆載預壓區測點布置分別如圖1和圖2所示。考慮到試驗區地基土層分布存在差異,在區域內不同方位各布設1個沉降板,編號為S1、S2、S3和S4,間距20 m。為分析真空或堆載對周邊土體的影響,在區域側邊距離分別為5 m和10 m位置各布置1個沉降板,編號為S5和S6。為分析不同深度和不同土層的沉降和孔隙水變化,結合具體的土層分布和試驗影響深度,在區域內采用一孔多點埋設方式布設分層沉降計和孔隙水壓力計各2個,沿測孔埋深每5 m設置1個測點,每孔共設6個點,第1個點設置于埋深2 m處。此外,為監測試驗區不同方位、不同深度土體水平位移,在試驗區每邊等間距布置地表水平位移計各2個,間距20 m,在距離側邊中心點1.5 m的位置布設深層水平位移測斜管各1個,測斜管深度為40.0 m,大于試驗影響深度。

1.3 加載過程

在真空預壓試驗中,依據真空預壓加固軟土地基技術規程,對邊界密封良好的黏土地基,真空預壓荷載設計值不宜小于85 kPa。因此,本試驗將膜下的真空壓力控制為85 kPa。此外,考慮到輔助密封和增加上覆壓力作用,將排出的孔隙水反壓在真空膜上,高度達1.5 m。根據不同方位壓力表測量結果,膜下真空壓力分布均勻,約為100 kPa。結合相關工程經驗,加載和固結總時間設為210 d。

在堆載預壓試驗中,采用工程棄土作為堆載材料,土體容重為18 kN/m3由于設計堆載荷載為100 kPa左右,因此取堆載高度為6 m。依據地基處理技術規范,堆載采用分層逐級加載,分層厚度為0.3 m,加載速率為3 d不超過0.9 m。同時,加載過程中監測地基沉降和水平位移變形速率,通過變形速率動態調控加載速率。最終確定本試驗堆載施工時間為30 d,預壓期為300 d。

2 結果分析

2.1 地表沉降

圖3、圖4分別為真空預壓區和堆載預壓區地表沉降隨時間發展規律。

圖3 試驗區域內地表沉降量

圖4 試驗區域外地表沉降量

由圖3、圖4可知,在真空預壓試驗中,隨著真空壓力逐漸增加,試驗區域內和區域外的地表沉降均逐漸增加,真空預壓210 d后,區域內原地表累計沉降量為637～1 016 mm,區域外累計沉降量為212.26 mm,約為區域內沉降的20%～30%,表明真空預壓對周邊地表沉降影響較大。此外,地表沉降速率與抽真空過程相關,抽真空初期,沉降速率較大,達到30～40 mm/d,沉降迅速增大;真空度穩定期間,隨著孔隙水的排出,地表沉降逐漸變緩并趨于穩定。受試驗區地基土體分布和真空吸力分布差異影響,試驗區域內差異沉降較大,因此,真空預壓對試驗區域大小、真空吸力保持和分布等施工要求較高。

在堆載預壓試驗中,隨著堆載高度增加,試驗區域內地表沉降逐漸增加,而區域外地表卻發生了一定的隆起變形,尤其是距離堆載體坡腳較近測點S5,隆起變形更加明顯,隆起量達到136 mm。這是因為堆載荷載作用下,地基深層土體內產生的水平推力引起土體發生剪切變形,當堆載速率較快時,土體剪切導致周邊土體隆起。因此,控制堆載速率是防止堆載區外土體隆起的有效手段。隨著地基土體逐漸排水固結,區域外地表隆起量逐漸減小。堆載預壓300 d后,試驗區域內的原地表累計沉降量為938～1 066 mm,區域外沉降量為109 mm。此外,地表沉降隨時間發展規律與堆載過程密切相關。堆載開始前,地表沉降隨時間發展緩慢,沉降速率較小。堆載開始后,隨著填土荷載增加,原地表沉降隨時間迅速發展,沉降速率達到40～60 mm/d。預壓階段,地表沉降逐漸變緩并趨于穩定。總體而言,沉降隨時間變化呈現“緩慢發展-快速增長-緩慢增長-逐漸穩定”的反“S”形發展趨勢。各測點沉降發展規律相同,曲線基本重合,表明堆載預壓區內原地表沉降均勻,未發生不均勻沉降。

2.2 分層沉降

圖5所示分別為真空預壓區和堆載預壓區區域內土層分層沉降隨時間發展規律。

圖5 分層沉降量

由圖5可見,各層土體隨時間發展規律與地表沉降規律基本相同,也表現出由快到慢并逐漸趨于穩定的發展趨勢。其中真空預壓區各層土體沉降快速發展時間對應于開始抽真空到真空達到設計值階段,堆載預壓區各層土體表現出“緩慢發展-快速增長-緩慢增長-逐漸穩定”的反“S”形發展趨勢,其中各層土體沉降快速發展時間對應于堆載土體填筑時間。

對比同一點位不同土層可看出,淤泥質黏土、黏土和淤泥質粉質黏土層沉降較大,尤其是淤泥質黏土層沉降值達到30 cm左右,雜填土和砂質粉土層沉降較小,導致不同土層沉降差異的原因是不同土質的含水量和壓縮系數不同,而且黏土和淤泥質粉質黏土層厚度較大,因此產生的相對沉降較大。此外,在真空預壓區域,導致不同土層沉降差異的原因與真空度的有效傳遞深度和散失也有關。

2.3 孔隙水壓力

當荷載作用于地基土體時,土體內孔隙水壓力首先發生變化,隨后土體顆粒固結變形,因此,孔隙水壓力變化是土體運動的前兆。圖6所示為真空預壓和堆載預壓試驗過程中孔隙水壓力隨時間的變化規律。由圖6可見,在真空預壓區域,由于抽真空期間孔隙水排出較快,孔隙水壓力下降明顯;真空穩定階段,隨著孔隙水不斷排出,孔隙水壓力變化逐漸變緩并保持穩定。堆載預壓區域,隨著填土荷載增加,地基土體內孔隙水壓力逐漸增大,其中,深度15～20 m位置處孔隙水壓力變化最明顯,深度30～35 m處變化相對較小。進入預壓階段后,各點孔隙水壓力隨時間逐漸緩慢消散。

圖6 孔隙水壓力

對比不同深度土層孔隙水壓力變化可發現,深度15 m處孔隙水壓力變化較大,深度30 m以下土層孔隙水壓力基本無變化。孔隙水壓力變化呈現上述規律的原因是試驗區域內地基土體接近飽和,當荷載施加瞬間,作用于地基土體的壓力全部由孔隙水承擔,進而使孔隙水壓力增加,由于15～20 m范圍內為淤泥質黏土和黏土,其滲透系數較小,因此孔隙水壓力變化最明顯。隨著地基深度的增加,堆載區堆載體產生的附加應力影響逐漸減小,真空區真空度逐漸減弱,因此深度30～35 m處孔隙水壓力變化較小。進入預壓階段后,外荷載不再增加,滲透作用下地基土孔隙水壓力逐漸消散,但同樣由于土質原因,消散速率有所差異,因此,在15～25 m的范圍內存在超孔隙水壓力殘留,需要更長時間消散。

2.4 坡腳水平位移

圖7所示為真空預壓和堆載預壓試驗中坡腳水平位移隨時間的變化。由圖7可見,由于真空預壓的作用原理為通過抽真空使孔隙水壓力減小,有效應力增加進而使土顆粒發生固結沉降,這個過程中對土體產生向中心的球形作用力,因此,真空預壓區域坡腳水平位移向真空區內。同樣,隨時間變化呈現先快后慢,然后逐漸穩定的發展趨勢,水平位移快速發展階段對應于開始抽真空到真空達到設計值階段,也就是沉降快速發展階段。截止2022年1月18日,各測點水平位移全部達到穩定,坡腳水平位移最大值約37.3 cm,占地表沉降的40%。

圖7 坡腳水平位移

堆載預壓區域坡腳水平位移向堆載區外,隨時間變化呈現先快后慢,然后逐漸穩定的趨勢,水平位移快速發展階段對應堆載土體填筑時期沉降快速發展階段,這是因為當填土荷載增加時,地基土體受壓并向周圍土體產生水平推力。截止2022年6月19日,各測點水平位移全部達到穩定,坡腳水平位移最大值約21 cm,位于西側測點WY5。對比不同測點的水平位移可發現,位于區域同一邊上的兩測點水平位移基本相同,西邊測點水平位移較大,南邊測點次之,這與沉降最大值發生位置相對應。

2.5 土體深層水平位移

圖8為真空預壓和堆載預壓區土體深層水平位移隨時間變化曲線。

圖8 土體深層累計水平位移

由圖8可知,真空預壓區水平位移最大值發生在原地表,達到382 mm。隨著深度增加,水平位移逐漸減小,這是因為真空度在向地基內部傳遞過程中存在散失。地表以下10 m位置處水平位移小于上、下2層土,同樣是因為該層為砂質粉土層,滲透系數相對較大,因此水平位移相對較小。真空預壓區深度20～35 m范圍內仍有較小水平位移,表明真空預壓的影響深度可以達到塑料排水板底部下一定范圍以下土體,35 m以下水平位移基本為0,表明真空預壓對該深度范圍內的土體沒有作用。堆載預壓區土體深層水平位移最大變形發生在原地表下深度12.5 m位置,即攤面淤泥層,達到269.1 mm。這是因為該層土含水率高,透水性差,在荷載作用下極易發生較大水平位移。地表以下10 m位置處水平位移小于上、下2層土,這是因為該層為砂質粉土層,滲透系數相對較大,因此水平位移相對較小。堆載區深度40 m范圍內地基土體均產生不同大小的水平位移,表明堆載預壓對該深度范圍內的土體均有作用,地基處理深度較大。

3 結論

1) 真空預壓和堆載預壓加固機場深厚軟土地基效果均較好,預壓期間累計沉降量可達到1 000 mm左右。沉降發展與施工過程密切相關,堆載與抽真空期間沉降發展較快,堆載區外土體易發生隆起變形。因此,需嚴格控制堆載速率,防止土體發生剪切破壞。

2) 真空預壓和堆載預壓對淤泥質黏土、黏土和淤泥質粉質黏土層加固效果明顯,尤其是淤泥質黏土層沉降值可達到30 cm左右。各土層沉降量與土質含水量、壓縮系數、排水板入土深度,以及真空度的有效傳遞深度和散失有關。

3) 抽真空和堆載期間孔隙水壓力變化明顯,進入預壓階段后,孔隙水壓力隨時間逐漸緩慢消散。但由于土質滲透系數原因,黏土層存在超孔隙水壓力殘留,需要更長的時間消散。

4) 真空預壓區域水平位移向真空區內,且地表水平位移較大,約占沉降40%左右。堆載預壓區域水平位移向堆載區外,土體水平位移最大值位于淤泥質黏土層。真空預壓和堆載預壓處理軟基深度均較大,可到達30 m以上。