砂墊層在真空預(yù)壓軟土地基處理中的作用

1、砂墊層在真空預(yù)壓軟土地基處理中的作用2011年 5 月 第 5 期總第 453 期 水運(yùn)工程Port&WaterwayEngineeringMay.2011No.5SerialNo.453 砂墊層在真空預(yù)壓軟土地基處理中的作用 顧勇 ,蔡建 .一,朱治(1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 ,上海 200120; 2.上海航源港口 3-程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 ,上海 200120) 摘要 :分析吹填疏浚淤泥在真空預(yù)壓軟土地基處理中排水及荷栽變化的過(guò)程,根據(jù)土的卸載抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法從理論上分析了無(wú)砂墊層真空預(yù)壓 ,有砂墊層真空預(yù)壓 ,無(wú)砂墊層真空預(yù)壓后再設(shè)置砂墊 層 3 種情況在地基處理

2、后沿深度方向地基土抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律 ,發(fā)現(xiàn)砂墊層在真空預(yù)壓軟土地基處理中具有難以替代的 重要作用 .關(guān)鍵詞:砂墊層;真空預(yù)壓 ;土的卸載抗剪強(qiáng)度 中圖分類號(hào) :Tu447 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :A 文章編號(hào) :10024972(2011)05012705GUYong,CAIJian._ZHUZhi. (1.ChinaSTrafficShanghaiWaterwayEngineeringDesignandConsultingCo.,Ltd.,Shang hai200120,China;2.ShanghaiHangyuanHarborEngineeringQualityandTestCo.,Ltd.,S

3、hanghai200092,Chi na)Abstract:Thispaperanalyzestheprocessofdrainageandloadvariationofdredgedmuddurin gsoftground treatmentbythevacuumpreloading,discussestheoreticallythevariationlawofgroundSshe arstrengthalongthe depthdirectionaftergroundtreatmentunderthethreeconditions:vacuumpreloadingwithno sandcu

4、shion;vacuumpreloadingwithsandcushion;layingsandcushionaftervacuumpreloadingwithnos andcushion.Itis foundthatthesandcushionplaysanimportantroleintheprocessofsoftsoilgroundtreatmentw ithvacuumpreloadingmethod. Keywords:sandcushion;vacuumpreloading;soilunloadinganti shearingstrength目前圍海吹填成陸 T 程不斷增多 ,許

5、多 T 程 常采用吹填砂成陸 ,然而由于地質(zhì)土層的不均勻 分布 ,在我國(guó)部分沿海地區(qū)缺少砂源 ,只能采用 吹填疏浚淤泥成陸 ,吹填淤泥含水量大 ,壓縮性 高,承載力低 ,不能直接作為建筑物或堆場(chǎng)等場(chǎng) 地使用 ,需采用真空預(yù)壓等方法進(jìn)行軟土地基處 理.傳統(tǒng)的真空預(yù)壓方法是在軟土層表面鋪設(shè)砂 墊層,由于砂源緊張 ,部分科研 ,設(shè)計(jì),施_丁單 位進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā) ,考慮采用無(wú)砂墊層的方法進(jìn)行真空預(yù)壓地基處理 .筆者根據(jù)土體經(jīng)加載固結(jié)再 卸載后土的卸載抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法1,從理論上 分析了無(wú)砂墊層真空預(yù)壓 ,有砂墊層真空預(yù)壓 , 無(wú)砂墊層真空預(yù)壓地基處理后再設(shè)置砂墊層 3 種 情況處理后沿深度方向地基抗剪

6、強(qiáng)度的變化規(guī)律 , 最后結(jié)合丁程實(shí)例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證 .1 有砂墊層與無(wú)砂墊層真空預(yù)壓排水及荷載變化 過(guò)程真空預(yù)壓法加同地基最早是南瑞典皇家地質(zhì) 學(xué)院 w.Kjellman 教授在 1 952年提出的 2 1 .真空預(yù) 壓法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是在加同的地基中打設(shè)垂直排水通 道如砂井 ,地面鋪設(shè)砂墊層 ,其上覆蓋不透氣的 密封膜并將四周埋設(shè)至地下水位以下 ,然后經(jīng)真 空泵以及濾管進(jìn)行捕真空 ,隨著土巾氣和水的排 出，地基被加固pl,這就是常用的有砂墊層真空預(yù) 壓法地基處理方法 .收稿日期 :201 0 1 1 一 l9作者簡(jiǎn)介 :顧勇（ 1 969 一）,男,高級(jí)工程師 ,從事港航工程專業(yè)設(shè)計(jì)研究工作128.

7、第 5 期顧勇,等:砂墊層在真空預(yù)壓軟土地基處理中的作用 ?129?系數(shù)統(tǒng)計(jì)平均值為0.64得出的，如果土的黏粒含量較高 ,土性系數(shù)大于 0.64,該拐點(diǎn)上移 ）. 抗剪強(qiáng)度圖 2 無(wú)砂墊層卸載后土的抗剪強(qiáng)度線圖 2 中 0DD 線是理論上固結(jié)完成后土的卸載 抗剪強(qiáng)度線 ,隨著深度增大強(qiáng)度增大 .但是真空 預(yù)壓期間也可能由于表層排水路徑短 ,排水條件 好固結(jié)速度快 ;其下部土層由于排水路徑長(zhǎng) ,排 水條件差同結(jié)速度慢 ,出現(xiàn)上部強(qiáng)度大下部強(qiáng)度 小的情況 .3.2 有砂墊層地基處理后土的抗剪強(qiáng)度 假設(shè)在土層表面先鋪設(shè)一定厚度的砂墊層作 為真空預(yù)壓的水平通道 ,由于砂墊層自身具有一 定的質(zhì)量 ,真

8、空預(yù)壓過(guò)程中的固結(jié)應(yīng)力與無(wú)砂墊 層相比增加了砂墊層的自重荷載 ,雖然砂墊層自 身質(zhì)量部分荷載并不大 ,但對(duì)地基處理效果的影 響相差較大 ,卸載后軟土層表面應(yīng)力不是圖 2 中 ODD 曲線上的 0 點(diǎn),而是由砂墊層引起自重應(yīng)力 對(duì)應(yīng)于 ODD 曲線上的某一點(diǎn) ,因砂墊層自重應(yīng)力 的大小,這一點(diǎn)相對(duì)于 D 點(diǎn)來(lái)說(shuō)有 3種可能,位 于 D 點(diǎn)之上 （ 圖 3）,位于 D 點(diǎn) （圖 4）和位于 D 點(diǎn)之下（圖5）,圖35中OA表示砂墊層的厚度 或砂墊層的自重應(yīng)力 .圖 3 有砂墊層卸載后土的抗剪強(qiáng)度線 （:<圖 3 表示砂墊層的自重應(yīng)力小于強(qiáng)度線上 拐點(diǎn) D 應(yīng)力時(shí)土層在真空預(yù)壓地基處理后軟土

9、層的正應(yīng)力與強(qiáng)度的關(guān)系 .此時(shí)如果砂層厚度過(guò) 小,WD段抗剪強(qiáng)度較小，對(duì)表層土的地基承載力 不利.圖 4 表示砂墊層的自重應(yīng)力等于強(qiáng)度線上 拐點(diǎn) D 應(yīng)力時(shí)土層在真空預(yù)壓地基處理后軟土 層的正應(yīng)力與強(qiáng)度的關(guān)系 .此時(shí)不出現(xiàn)圖 2中拐 點(diǎn) D 以內(nèi)的抗剪強(qiáng)度較小段 .圖 4 有砂墊層卸載后土的抗剪強(qiáng)度線 （o-i=o-;） 圖 5 表示砂墊層的自重應(yīng)力大于強(qiáng)度線上拐點(diǎn) D 應(yīng)力時(shí)土層在真空預(yù)壓地基處理后軟土 層的正應(yīng)力與強(qiáng)度的關(guān)系 .雖然砂墊層越厚自重 應(yīng)力越大 ,因軟土層中的固結(jié)應(yīng)力越大同結(jié)效果 越好 ,抗剪強(qiáng)度越大 ,但是在砂源緊缺的情況下 增加砂墊層厚度對(duì)工程的造價(jià)影響較大 . 圖 5 有

10、砂墊層卸載后土的抗剪強(qiáng)度線 (o-:>o-5)3.3 無(wú)砂墊層地基處理后再鋪設(shè)砂墊層時(shí)的強(qiáng)度 在無(wú)砂墊層地基處理后土的抗剪強(qiáng)度線與圖 2 相同 ,然后再鋪設(shè)砂墊層 ,因砂墊層是大面積均 勻增加的 ,在軟土層中增加豎向應(yīng)力的同時(shí)也增 加水平向的側(cè)向應(yīng)力，效果與圖35相似，不同 的是抗剪強(qiáng)度曲線數(shù)值比圖35的數(shù)值略小. DG 一隧 S 叫一較?130?水運(yùn)工程3.4 地基處理后土的抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律 假設(shè)土的密度為1.7t/m,真空預(yù)壓的大氣壓 力為80kPa砂墊層的荷載為20kPa采用式 和(2)自泥面起相同深度 3種不同地基處理方法 后的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 6.10203O 凸_405O6

11、O _A_ 1C 1 卜 D_c圖 6 相同深度 3 種不 l 司地基處理方法后的強(qiáng)度A 線表示隨深度增大土體在自重應(yīng)力作用下 固結(jié)后的抗剪強(qiáng)度變化線 ,B 線表示隨深度增大 土體在自重應(yīng)力和大氣壓力作用下同結(jié)后再卸除 大氣壓力后的抗剪強(qiáng)度變化線 ,C 線表示隨深度 增大土體在自重應(yīng)力和大氣壓力作用下同結(jié)后再 卸除大氣壓力后增加砂墊層的抗剪強(qiáng)度變化線 ,D 線表示隨深度增大土體在自重應(yīng)力 ,大氣壓力和 砂墊層共同作用下固結(jié)后再卸除大氣壓力后的抗 剪強(qiáng)度變化線 ,E 線表示隨深度增大土體在自重 應(yīng)力,大氣壓力和砂墊層共同作用下固結(jié)后再卸 除大氣壓力和砂墊層后的抗剪強(qiáng)度變化線 .南圖6可以看出在線

12、,C線和J線中，相 同深度無(wú)砂墊層真空預(yù)壓的 B 線抗剪強(qiáng)度最小 , 有砂墊層真空預(yù)壓的 D 線抗剪強(qiáng)度最大 ,無(wú)砂墊 層真空預(yù)壓后再設(shè)置砂墊層的 C 線抗剪強(qiáng)度處于 兩者之間 .4抗剪強(qiáng)度對(duì)地基承載力的影響 通常采用平板載荷試驗(yàn)確定地基的承載力 , 典型的地基破壞滑動(dòng)面彤狀見(jiàn)圖 7.圖 7 地基破壞時(shí)的滑動(dòng)面形狀圖7中的P為作用的荷載,D為土的內(nèi)摩擦 角,1為主動(dòng)區(qū)為過(guò)渡區(qū)，川為被動(dòng)區(qū)，曲 線bed或bed為地基破壞滑動(dòng)面，這種加荷方式 與吹填土表層鋪設(shè)砂墊層性質(zhì)不同 ,在載荷板下 局部范圍內(nèi)增加豎向應(yīng)力同時(shí)沒(méi)有增加相應(yīng)的側(cè) 向應(yīng)力 ,相當(dāng)于增加剪應(yīng)力使地基破壞 .地基的 承載力主要取決于表

13、層土的抗剪強(qiáng)度 ,在不考慮 軟弱下臥層影響的情況下主要與 2 倍載荷板寬度 的深度范圍的土層的抗剪強(qiáng)度有關(guān) .5 工程實(shí)例 某工程為大面積吹填疏浚淤泥地基 ,吹填土層 厚度 3.5m 左右,真空預(yù)壓地基處理前天然狀態(tài)土 的基本物理指標(biāo)見(jiàn)表I, 土層密度1.471.56t/m, 土的含水量70.4%101.3%土的顆粒以粉粒和黏 粒為主 .因土樣為流動(dòng)狀無(wú)法進(jìn)行剪切試驗(yàn) ,在 直剪儀的 4 個(gè)剪力盒內(nèi)放人土樣 ,分別逐級(jí)施加 不同的正應(yīng)力固結(jié) ,然后進(jìn)行同結(jié)快剪試驗(yàn) ,試 驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8,土的粘聚力為0kPa，土的內(nèi)摩擦 角為 22.57.另外采用無(wú)砂墊層和有砂墊層 1-3m 兩種真空預(yù)壓方法進(jìn)行

14、地基處理 ,真空預(yù)壓時(shí)問(wèn) 均約為 4.5個(gè)月,地基土層在真空預(yù)壓的大氣壓力 下基本完成同結(jié) .表 1 土的基本物理指標(biāo) 土樣編號(hào)取土深度 /密度p/（【.m含水量不同直徑粗粒 （砂粒）含量,%荔堡塑翌魚(yú)苧不均勻系數(shù)0.050mm0.050W/%O.250-0.100mm0.1000.075mm0.075 0.005mwI&It;0.005mmcI|第 5 期顧勇,等:砂墊層在真空預(yù)壓軟土地基處理中的作用 ?131.KPa圖 8 土的抗剪強(qiáng)度線真空預(yù)壓結(jié)束后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn) ,土的含水量為 45%55%,土的密度為 1.671.74t/m.假設(shè)取真空預(yù)壓的大氣壓力為 80kPa 土的重度為

15、1.7t/m,試驗(yàn)時(shí)載荷板尺寸為70.7cmx70.7cm, 根據(jù)式f2)計(jì)算無(wú)砂墊層真空預(yù)壓后1.5m深度 土抗剪強(qiáng)度為 =29.7kPa.地表下1.5m深度范圍內(nèi)土的平均強(qiáng)度為14.9kPa真空預(yù)壓的過(guò)程為土體的固結(jié)過(guò)程，飽 和軟黏土在載荷板試驗(yàn)時(shí)由于加載速率快 ,土體 破壞過(guò)程類似快剪試驗(yàn) ,整個(gè)過(guò)程為同結(jié)快剪過(guò) 程,飽和軟黏土快剪時(shí)土的內(nèi)摩擦角為0.,真空預(yù)壓期間同結(jié)具有的強(qiáng)度值相當(dāng)于快剪時(shí)土樣的黏 聚力值I,對(duì)于飽和軟黏土采用普朗特爾fPrandt1) 和太沙基 (Terzaghi1 極限承載力公式計(jì)算極限 承載力 .普朗特爾(Prandtl)條形基礎(chǔ))極限承載力：Z=cN+pogd

16、N,(3)式中:為極限承載力(kPa);c為地基土的粘聚 力(kPa);P為基礎(chǔ)底面以上土的平均密度(t/m3); d為基礎(chǔ)埋置深度f(wàn)ll1);Nc,Nq為承載力系數(shù)埋 置深度d=0m,承載力系數(shù)=5.14.極限承載力 為 5.14x14.9kPa=76.59kPa太沙基(Terzaghi)(條形基礎(chǔ))極限承載力：1SowogdXq+cX,(4)厶式中:P為基礎(chǔ)底面處土的密度(t/m3);b為基礎(chǔ) 的寬度(m);No為承載力系數(shù).承載力系數(shù)XT0, 埋置深度d=0m,承載力系數(shù):5.71.極限承載 力為 5.7l x 14.9kPa=85.1kPa.對(duì)于飽和軟黏土采用斯肯普頓 fSkempte

17、n)f 矩形基礎(chǔ) ) 極限承載力公式 61 計(jì)算極限承載力為 :/Vfc+q(5)均布超荷q=0，承載力系數(shù)y=5(1+0.2孚),b和Z分別為矩形基礎(chǔ)的寬度和長(zhǎng)度.極限承載力為:6.00x14.9kPa=89.4kPa2010年 5月 26日一 2010年 6月 3日對(duì)兩組 無(wú)砂墊層真空預(yù)壓后地基進(jìn)行靜載試驗(yàn) ,現(xiàn)場(chǎng)試 驗(yàn)荷載Q 一沉降S關(guān)系曲線見(jiàn)圖9,第1組和第2 組地基極限承載力分別為70kPa和90kPa理論 分析計(jì)算與實(shí)測(cè)值基本一致 .荷載 Q/kPan,n4n60Rnl00l,n圖9無(wú)砂墊層真空預(yù)壓靜載荷載 Q一沉降s關(guān)系曲線 2010年 7月 13日一 2010年 7月 16日對(duì)

18、兩 組有 1.3m 厚砂墊層的真空預(yù)壓后地基進(jìn)行靜載 試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)荷載 Q 一沉降 5關(guān)系曲線見(jiàn)圖 10, 第 3 組靜載試驗(yàn)因試驗(yàn)時(shí)所堆荷載較小 ,加載到 206kPa時(shí)試驗(yàn)被迫中止.第4組靜載試驗(yàn)加載 到288kPa時(shí)終止，綜合判斷取有砂墊層真空預(yù) 壓后地基極限承載力為 256kPa.荷載 Pn1002n0300圖 l0 有砂墊層真空預(yù)壓靜載荷載 Q 一沉降 S 關(guān)系曲線 因缺少砂墊層材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù),無(wú)法進(jìn)行定量的地基極限承載力計(jì)算 ,只能進(jìn)行定 性分析.1)從圖 7 的地基破壞滑移線看 ,有砂墊 層真空預(yù)壓后地基極限承載力因地基破壞的滑移 線位于砂墊層內(nèi) ,砂墊層排水速度快 ,

19、砂墊層地 基極限承載力比無(wú)砂墊層真空預(yù)壓黏土地基極限 承載力大 .2)從下臥層的角度看 ,因砂墊層具有 自身重量 ,砂墊層下部的真空預(yù)壓黏土在利用式 (下轉(zhuǎn)第 140 頁(yè))Om如x如xgg,s 喀m 如如如如鯽帥帥g 魯謗進(jìn)幫?140?3 結(jié)語(yǔ)1) 吹填淤泥土樣在兩段不同固結(jié)壓力范同525kPa,25-200kPa內(nèi)近似滿足 Gibson方程簡(jiǎn) 化所需的3個(gè)假定條件，即孔隙比e與同結(jié)壓力 or及滲透系數(shù)k與(1+e)的線性關(guān)系,大變形固 結(jié)系數(shù)C,近似為常數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)雙 層軟基沉降過(guò)程預(yù)測(cè)的大變形同結(jié)簡(jiǎn)化計(jì)算方法2) 將筆者方法應(yīng)用于圍海造陸丁程吹填淤泥 與原狀淤泥雙層軟基沉降過(guò)程

20、預(yù)測(cè) ,相比于基于 經(jīng)典固結(jié)理論的高木俊介法 ,其預(yù)測(cè)結(jié)果更接近 于實(shí)測(cè)值 ,為軟基沉降預(yù)測(cè)提供了一種簡(jiǎn)潔實(shí)用 的方法 ,可推廣應(yīng)用于實(shí)際工程 .參考文獻(xiàn) :IJGJ792002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范fS】 (上接第 131頁(yè))(3),(4),(5)計(jì)算地基極限承載力時(shí)具有均布超載 的原因 ,有砂墊層真空預(yù)壓黏土地基極限承載力 比無(wú)砂墊層情況真空預(yù)壓黏土地基極限承載力大3) 因砂墊層的自重作用在圖 6 中線與線相 比能避免淺層黏土層抗剪強(qiáng)度隨深度減小而快速 降低的影響 .6 討論 砂墊層在真空預(yù)壓中不僅具有水平向的排水 通道作用 ,它自身還具有一定的重力 ,這一點(diǎn)是 無(wú)砂墊層真空預(yù)壓方法所無(wú)法做

21、到的 ,盡管自身 質(zhì)量較小 ,但它能在避免淺層土抗剪強(qiáng)度隨深度 減小而快速降低方面發(fā)揮較好的優(yōu)勢(shì)作用 . 無(wú)砂墊層真空預(yù)壓地基處理后地基極限承載 力只能達(dá)到 90kPa 左右.有砂墊層真空預(yù)壓地基 處理后地基極限承載力能達(dá)到 256kPa假設(shè)不考 慮砂墊層厚度和重力對(duì)承載力部分的貢獻(xiàn) ,僅從 處理后軟土層的強(qiáng)度為29.7kPa的角度考慮，按 普朗特爾 (條形基礎(chǔ) 1 極限承載力計(jì)算它的地基極 限承載力最小值也能達(dá) 153kPa.7 結(jié)論1) 砂源緊缺時(shí)能滿足砂層自重應(yīng)力達(dá)到抗剪 2】GibsonRE,EnglandGL,HusseyMJL.Thetheoryof one-dimensionalconsoidationofsaturatedclaysI:Finite non lin earc on solidati onofthin homoge neouslayerSH .Geotechnique,1967,17f3):261-273. 【3】LeeK,SillsGC.Theconsolidationofasoilstratum, includingself-weighteffectsandlargestrainsJ.IntJNumer AnalMethGeomech,1981(5J:405-428.【4】招商局蛇口業(yè)區(qū)有限公司 .吹填淤泥專項(xiàng)試驗(yàn)研究報(bào) 告 JR .深圳: