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顧勇 1,蔡建 1,2,朱治 1(1.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司,上海 200120;2.上海航源港口工程質(zhì)量檢測有限公司,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載變化的過程,根據(jù)土的卸載抗剪強度的計算方法從理論上分析了無砂墊層真空預(yù)壓、有砂墊層真空預(yù)壓、無砂墊層真空預(yù)壓后再設(shè)置砂墊層 3種情況在地基處理后沿深度方向地基土抗剪強度的變化規(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;土的卸載抗剪強度中圖分類號:TU 447文獻標志碼:A文章編號:1002-4972(20110

2、5-0127-05Effect of sand cushion on soft soil ground treatment with vacuum preloading methodGU Yong 1,CAI Jian 1,2,ZHU Zhi 1(1.China s Traffic Shanghai Waterway Engineering Design and ConsultingCo.,Ltd.,Shanghai 200120,China;2.Shanghai Hangyuan Harbor Engineering Quality and Test Co.,Ltd.,Shanghai200

3、092,ChinaAbstract:This paper analyzes the process of drainage and load variation of dredgedmud during soft groundtreatment by the vacuum preloading,discusses theoretically the variation law ofground s shear strength along the depth direction after ground treatment under the threeconditions:vacuum pr

4、eloading with no sand cushion;vacuum preloading with sandcushion;laying sand cushion after vacuum preloading with no sand cushion.It is foundthat the sand cushion plays an important role in the process of soft soil ground treatmentwith vacuum preloading method.Key words:sand cushion;vacuum preloadin

5、g;soil unloading anti-shearing strength2011年 5 月第 5期總第 453 期 May.2011No.5Serial No.453水運工程Port &Waterway Engineering 收稿日期:2010-11-19作者簡介:顧勇(1969,男,高級工程師,從事港航工程專業(yè)設(shè)計研究工作。目前圍海吹填成陸工程不斷增多,許多工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等場地使用,需采用真空預(yù)壓等方法進行軟土地基處理。傳統(tǒng)

6、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、施工單位進行技術(shù)開發(fā),考慮采用無砂墊層的方法進行真空預(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度的計算方法1,從理論上分析了無砂墊層真空預(yù)壓、有砂墊層真空預(yù)壓、無砂墊層真空預(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強度的變化規(guī)律,最后結(jié)合工程實例進行試驗驗證。1有砂墊層與無砂墊層真空預(yù)壓排水及荷載變化過程真空預(yù)壓法加固地基最早是由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院 W.Kjellman 教授在 1952年提出的2。真空預(yù)壓法現(xiàn)場試驗是在加固的地基中打設(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

7、并將四周埋設(shè)至地下水位以下,然后經(jīng)真空泵以及濾管進行抽真空,隨著土中氣和水的排出,地基被加固3,這就是常用的有砂墊層真空預(yù)壓法地基處理方法。水運工程 2011年無砂墊層真空預(yù)壓法與有砂墊層真空預(yù)壓法原理基本相似,不同的是將表層的砂墊層用一層透水的土工材料,如無紡布、土工格柵等代替。真空預(yù)壓期間土體在總應(yīng)力基本不變的條件下,孔隙水壓力降低,有效應(yīng)力增加。軟土地基在大氣壓力作用下產(chǎn)生排水固結(jié),土體的受力固結(jié)過程與土體加載固結(jié)過程類似,施工結(jié)束后停止抽真空,土體的受力過程類似于荷載卸載到零。2土的抗剪強度2.1土的固結(jié)抗剪強度線假設(shè)土體為正常固結(jié)土,是從未受到過周圍固結(jié)壓力的飽和正常固結(jié)試樣,不具有

8、強度4?？辜魪姸染€為通過坐標原點的直線,土的粘聚力為 0,土的初始內(nèi)摩擦角為0,加載固結(jié)時土的抗剪強度為:=tan 0(1式中:為土的抗剪強度;為土的有效應(yīng)力;0為土的初始內(nèi)摩擦角(土體在初始固結(jié)時抗剪強度線的傾角。吹填后泥漿流動狀土樣不具有強度,真空預(yù)壓期間土體固結(jié)的抗剪強度按式(1的規(guī)律變化。2.2卸載后不同深度各點土的卸載抗剪強度線在真空預(yù)壓過程中,沿不同深度的土樣在自重應(yīng)力和真空預(yù)壓的大氣壓力共同作用下固結(jié),固結(jié)完成后卸除真空預(yù)壓的大氣壓力,卸載后不同深度各點土體的正應(yīng)力為土體的自重應(yīng)力,固結(jié)期間的自重應(yīng)力與真空預(yù)壓的大氣壓力之和對卸載后土樣來說相當于土體的前期固結(jié)應(yīng)力。文獻1根據(jù)土的

9、 e -lg 壓縮曲線的變化規(guī)律及正常固結(jié)土和超固結(jié)土的應(yīng)力關(guān)系,通過詳細推導(dǎo)得出卸載后不同深度各點土的抗剪強度的計算方法。取 c 0=0 將文獻1中的式(20 改寫成用式(2 表示,若用正應(yīng)力表示,從卸載后地面開始不同深度各點的抗剪強度線(即圖 1中 ODD 1線為:=k 100.25g h(2式中:k 1為 OD 直線斜率;c 為 DD 1抗剪強度線粘聚力;gh 為真空預(yù)壓結(jié)束后的卸載值,即真空預(yù)壓的大氣壓力。OD 抗剪強度線粘聚力、內(nèi)摩擦角(或斜率為:c =0k 1=2.8tan 準(2-aDD 1抗剪強度線粘聚力、內(nèi)摩擦角(或斜率為:c =0.45gh tan 準 0準=準(2-b圖

10、1中抗剪強度 OE 1 線上 D 2可理解為真空預(yù)壓前正應(yīng)力為土樣的自重應(yīng)力H 2 點所對應(yīng)的抗剪強度。真空預(yù)壓的壓力為 H 1和 H 2兩點間的壓力差值,固結(jié)完成后在正應(yīng)力為 E 1點開始卸載,卸載時抗剪強度隨正應(yīng)力的減小沿 E 1D 1PDO 曲線變化,真空預(yù)壓結(jié)束后因卸除大氣壓力,正應(yīng)力仍為 H 2點的正應(yīng)力,此時的抗剪強度為 D 1點對應(yīng)的抗剪強度值。3真空預(yù)壓軟土地基處理后土的抗剪強度 3.1無砂真空預(yù)壓軟土地基處理前后土的抗剪強度表層無砂墊層荷載作用時,由于吹填疏浚淤泥成陸形成時間短,在真空預(yù)壓前泥漿流動狀土體在自重作用下沒有完成自重固結(jié),當真空預(yù)壓軟土地基處理時類似于圖 1 中土

11、體沿圖 2 中 OF 線變化,真空預(yù)壓的荷載一般可達 80kPa 左右,地基處理結(jié)束后卸除該荷載,根據(jù)圖 1卸載后不同深度土的抗剪強度為圖 2中的 ODD 1線。從圖 2可以看出無砂墊層真空預(yù)壓后土的抗剪強度沿深度方向逐漸增大,D 點為拐點,表層 OA 深度內(nèi)的強度線為 OD 線,強度值較低。文獻1中通過分析得到拐點 D 的正應(yīng)力為最大前期固結(jié)應(yīng)力的 0.2倍,或為卸除應(yīng)力值的 0.25倍。當真空預(yù)壓的大氣壓力為 80kPa 時,拐點 D 的正應(yīng)力約為 20kPa (該結(jié)果是文獻1取黏性土的土性圖 1卸載后不同深度各點土的抗剪強度128第 5期系數(shù)統(tǒng)計平均值為 0.64得出的,如果土的黏粒含量

12、較高,土性系數(shù)大于 0.64,該拐點上移。圖 2中 ODD 1線是理論上固結(jié)完成后土的卸載抗剪強度線,隨著深度增大強度增大。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、排水條件差固結(jié)速度慢,出現(xiàn)上部強度大下部強度小的情況。3.2有砂墊層地基處理后土的抗剪強度假設(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,真空預(yù)壓過程中的固結(jié)應(yīng)力與無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 1曲線上的 O 點,而是由砂墊層引起

13、自重應(yīng)力對應(yīng)于 ODD 1 曲線上的某一點,因砂墊層自重應(yīng)力的大小,這一點相對于 D點來說有 3種可能,位于 D 點之上(圖 3,位于 D 點(圖 4和位于 D 點之下(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表示砂墊層的自重應(yīng)力s 小于強度線上拐點 D 應(yīng)力D 時土層在真空預(yù)壓地基處理后軟土層的正應(yīng)力與強度的關(guān)系。此時如果砂層厚度過小,CD 段抗剪強度較小,對表層土的地基承載力不利。圖 4表示砂墊層的自重應(yīng)力s 等于強度線上拐點 D 應(yīng)力D 時土層在真空預(yù)壓地基處理后軟土層的正應(yīng)力與強度的關(guān)系。此時不出現(xiàn)圖 2中拐點 D 以內(nèi)的抗剪強度較小段。圖 5表示砂墊層的

14、自重應(yīng)力s 大于強度線上拐點 D 應(yīng)力D 時土層在真空預(yù)壓地基處理后軟土層的正應(yīng)力與強度的關(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)力越大固結(jié)效果越好,抗剪強度越大,但是在砂源緊缺的情況下增加砂墊層厚度對工程的造價影響較大。3.3無砂墊層地基處理后再鋪設(shè)砂墊層時的強度在無砂墊層地基處理后土的抗剪強度線與圖 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,不同的是抗剪強度曲線數(shù)值比圖 35 的數(shù)值略小。圖 2無砂墊層卸載后土的抗剪強度線圖 3有砂墊層卸載后土的抗剪強度線(s D顧勇,等:砂墊層在真空預(yù)壓軟土

15、地基處理中的作用129水運工程 2011年圖 6相同深度 3 種不同地基處理方法后的強度3.4地基處理后土的抗剪強度的變化規(guī)律假設(shè)土的密度為 1.7t/m 3,真空預(yù)壓的大氣壓力為 80kPa ,砂墊層的荷載為 20kPa ,采用式(1和(2 自泥面起相同深度 3種不同地基處理方法后的強度計算結(jié)果見圖 6。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固結(jié)后再卸除大氣壓力后的抗剪強度變化線,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固結(jié)后再卸除大氣壓力后增加砂墊層的抗剪強度變化線,D 線表示隨深度增大土體在自重應(yīng)力、大

16、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度變化線。由圖 6可以看出在 B 線、C 線和 D 線中,相同深度無砂墊層真空預(yù)壓的 B 線抗剪強度最小,有砂墊層真空預(yù)壓的 D 線抗剪強度最大,無砂墊層真空預(yù)壓后再設(shè)置砂墊層的 C 線抗剪強度處于兩者之間。4抗剪強度對地基承載力的影響通常采用平板載荷試驗確定地基的承載力,典型的地基破壞滑動面形狀見圖 7。圖 7中的 P 為作用的荷載,為土的內(nèi)摩擦角,為主動區(qū)、為過渡區(qū)、為被動區(qū),曲線 bcd 或 bc d 為地基破壞滑動面,這種加

17、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)力同時沒有增加相應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力,相當于增加剪應(yīng)力使地基破壞。地基的承載力主要取決于表層土的抗剪強度,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度有關(guān)。5工程實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)土的基本物理指標見表 1,土層密度 1.471.56t/m 3,土的含水量70.4%101.3%,土的顆粒以粉粒和黏粒為主。因土樣為流動狀無法進行剪切試驗,在直剪儀的 4個剪力盒內(nèi)放入土樣,分別逐級施加不同的正應(yīng)力固結(jié),然后進行固結(jié)快剪試驗,試驗結(jié)果見

18、圖 8,土的粘聚力為 0kPa ,土的內(nèi)摩擦角為 22.57。另外采用無砂墊層和有砂墊層 1.3m 兩種真空預(yù)壓方法進行地基處理,真空預(yù)壓時間均約為 4.5 個月,地基土層在真空預(yù)壓的大氣壓力下基本完成固結(jié)。圖 7地基破壞時的滑動面形狀表 1土的基本物理指標土樣編號取土深度/m含水量不同直徑粗粒(砂粒含量/%不同直徑細粒含量不均勻系數(shù)粉粒/%黏粒/%W /%0.2500.100mm 0.1000.075mm 0.0750.050mm0.0500.005mm 0.005mmC u 2-2-2.75-3.00 1.5670.40.090.150.7355.7743.257.872-6-1.75-2

19、.001.5077.20.990.84 2.0256.6239.53 6.472-10-0.75-1.001.47101.31.230.882.1759.5737.156.43密度/(t m -3130第 5期圖 8土的抗剪強度線真空預(yù)壓結(jié)束后經(jīng)現(xiàn)場取土進行室內(nèi)試驗,土的含水量為 45%55%,土的密度為1.671.74t/m 3。假設(shè)取真空預(yù)壓的大氣壓力為 80kPa ,土的重度為 1.7t/m 3,試驗時載荷板尺寸為 70.7cm 70.7cm ,根據(jù)式(2 計算無砂墊層真空預(yù)壓后 1.5m 深度土抗剪強度為=29.7kPa 。地表下 1.5m 深度范圍內(nèi)土的平均強度為 14.9kPa ,

20、真空預(yù)壓的過程為土體的固結(jié)過程,飽和軟黏土在載荷板試驗時由于加載速率快,土體破壞過程類似快剪試驗,整個過程為固結(jié)快剪過程,飽和軟黏土快剪時土的內(nèi)摩擦角為 0,真空預(yù)壓期間固結(jié)具有的強度值相當于快剪時土樣的黏聚力值4,對于飽和軟黏土采用普朗特爾(Prandtl和太沙基(Terzaghi 極限承載力公式5-6計算極限承載力。普朗特爾(Prandtl(條形基礎(chǔ)極限承載力:f u =cN c +0gdN q(3式中:f u 為極限承載力(kPa;c 為地基土的粘聚力(kPa;0 為基礎(chǔ)底面以上土的平均密度(t/m 3;d 為基礎(chǔ)埋置深度(m;N c ,N q 為承載力系數(shù)。埋置深度 d =0m ,承載

21、力系數(shù) N c =5.14。極限承載力為 5.1414.9kPa=76.59kPa太沙基(Terzaghi(條形基礎(chǔ)極限承載力:f u =12gbN +0gdN q +cN c(4式中:為基礎(chǔ)底面處土的密度(t/m 3;b 為基礎(chǔ)的寬度(m;N 為承載力系數(shù)。承載力系數(shù) N =0,埋置深度 d =0m ,承載力系數(shù) N c =5.71。極限承載力為5.7114.9kPa=85.1kPa 。對于飽和軟黏土采用斯肯普頓(Skempten(矩形基礎(chǔ)極限承載力公式6計算極限承載力為:f u =N c c u +q(5均布超荷 q =0、承載力系數(shù) N c =5(1+0.2b l ,b 和 l 分別為矩

22、形基礎(chǔ)的寬度和長度。極限承載力為:6.0014.9kPa=89.4kPa2010年 5 月 26日2010 年 6月 3日對兩組無砂墊層真空預(yù)壓后地基進行靜載試驗,現(xiàn)場試驗荷載 Q -沉降 S 關(guān)系曲線見圖 9,第 1組和第 2組地基極限承載力分別為 70kPa 和 90kPa ,理論分析計算與實測值基本一致。2010年 7 月 13日2010 年 7月 16日對兩組有 1.3m 厚砂墊層的真空預(yù)壓后地基進行靜載試驗,現(xiàn)場試驗荷載 Q -沉降 S 關(guān)系曲線見圖 10,第 3組靜載試驗因試驗時所堆荷載較小,加載到 206kPa 時試驗被迫中止。第 4組靜載試驗加載到 288kPa時終止,綜合判斷

23、取有砂墊層真空預(yù)壓后地基極限承載力為 256kPa 。因缺少砂墊層材料的抗剪強度指標參數(shù),無法進行定量的地基極限承載力計算,只能進行定性分析。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,砂墊層地基極限承載力比無砂墊層真空預(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)壓黏土在利用式圖 9無砂墊層真空預(yù)壓靜載荷載 Q -沉降 S 關(guān)系曲線圖 10有砂墊層真空預(yù)壓靜載荷載 Q -沉降 S關(guān)系曲線(下轉(zhuǎn)第 140頁顧勇,等:砂墊層在真空預(yù)壓軟土地基處理中的作用131 140 水 運 工 程 20

24、11 年 3 結(jié)語 1 吹填淤泥土樣在兩段不同固結(jié)壓力范圍 ）2 Gibson R E, England G L, Hussey M J L. The theory of one-dimensionalconsolidation of saturated clays I: Finite non -linear consolidation of thin homogeneouslayers J. Geotechnique, 1967, 17(3: 261-273. 525 kPa，25200 kPa 內(nèi)近似滿足Gibson 方程簡 化所需的 3 個假定條件，即孔隙比 e 與固結(jié)壓力 及滲透系數(shù)

25、k 與(1+e 的線性關(guān)系，大變形固 結(jié)系數(shù) CF 近似為常數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出了針對雙 層軟基沉降過程預(yù)測的大變形固結(jié)簡化計算方法。 2 將筆者方法應(yīng)用于圍海造陸工程吹填淤泥 ） 與原狀淤泥雙層軟基沉降過程預(yù)測，相比于基于 經(jīng)典固結(jié)理論的高木俊介法，其預(yù)測結(jié)果更接近 于實測值，為軟基沉降預(yù)測提供了一種簡潔實用 的方法，可推廣應(yīng)用于實際工程。 參考文獻: 1 JGJ 792002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范S. 6 5 3 Lee K, Sills G C. The consolidation of a soil stratum, including self-weight effects and l

26、arge strainsJ. Int J Numer Anal Meth Geomech, 1981(5: 405-428. 4招商局蛇口工業(yè)區(qū)有限公司. 吹填淤泥專項試驗研究報 告R. 深圳: 招商局蛇口工業(yè)區(qū)有限公司, 2008. 江輝煌, 趙有明, 劉國楠. 深圳灣海底淤泥大變形固結(jié) 試驗研究J. 中國鐵道科學(xué), 2008, 29(6: 18-21. Bo M W. Compressibility of ultra-soft soilM.Singapore: World Scientific Publishing Company, 2008. 7 王丙乾. 吹填淤泥土性指標分布規(guī)律及固結(jié)沉降的概率 描述D. 北京: 中國鐵道科學(xué)研究院, 2009. （ 本文編輯武亞慶 ） ! （ 上接第 131 頁 ） （3 ， ）（5 計算地基極限承載力時具有均布超載 ）（4 ， ） 的原因，有砂墊層真空預(yù)壓黏土地基極限承載力 比無砂墊層情況真空預(yù)壓黏土地基極限承載力大。 3 因砂墊層的自重作用在圖