豎向排水體法處理軟土地基及沉降影響因素分析

湖北宜昌三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李海濤

豎向排水體法處理軟土地基及沉降影響因素分析

湖北宜昌三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李海濤

地基處理的歷史可追溯到古代,許多現(xiàn)代的地基處理技術(shù)都可在古代找到它的雛形。根據(jù)歷史記載,早在兩千年前就己采用了軟土中夯入碎石等壓密土層的夯實(shí)法;灰土和三合土的換土墊層法也是我國(guó)傳統(tǒng)的建筑技術(shù)之一。

軟土路基豎向排水法沉降分析

一、軟基處理方法的國(guó)內(nèi)的發(fā)展概況[1][2]

我國(guó)建國(guó)五十年來,在軟土地基處理方面也做過大量工作,國(guó)際上一些新技術(shù)在我國(guó)得到了應(yīng)用,并積累了較多的經(jīng)驗(yàn)。就近年來召開的全國(guó)性專業(yè)會(huì)議有:1979年鐵道部召開了強(qiáng)夯加固會(huì)議,1980年建工部召開了樁基及軟土地基加固會(huì)議,交通部于1980年及1981年召開了以軟土基處理為中心的專門學(xué)術(shù)討論會(huì),第一、二、三屆地基處理學(xué)術(shù)討論會(huì)分別于1986年、1989年、1992年在上海寶鋼、山東煙臺(tái)、河北秦皇島召開,全國(guó)土工織物情報(bào)網(wǎng)分別在天津〔1986〕、沈陽(1986),儀征(1992)、上海(1996)、南京(2000)召開了五次學(xué)術(shù)討論會(huì)議等。在歷次會(huì)議上,均把軟土地基處理作為主要議題,這在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天,必將帶來更多新的課題。

二、豎向排水體法處理軟土地基及沉降影響因素分析

1.豎向排水體法(VerticalDrains)簡(jiǎn)介

1926年Moran獲得砂井專利,1934年美國(guó)第一次用砂井排水法加固了公路軟土路基[3]。僅幾年后, 1937年第一次使用了排水板,但所用的紙板透水性差,耐久性差[4]。20世紀(jì)60年代末發(fā)明了袋裝砂井,得到廣泛應(yīng)用;同時(shí)板式排水體的材料得到不斷改進(jìn),外包聚合物濾膜塑料板芯的塑料排水板與砂井相比具有多種優(yōu)點(diǎn),在工程中的應(yīng)用也越來越廣。

2.不同加載方式的比較分析

(1)堆載預(yù)壓法加固機(jī)理。施加在軟基上的外荷載開始全部由孔隙水壓力承擔(dān),有效應(yīng)力不變,在土體內(nèi)與邊界上孔隙水壓力u(勢(shì))不平衡作用下,孔隙水向排水邊界滲流,隨著時(shí)間的推移,孔隙水壓力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力。

(2)真空預(yù)壓法加固機(jī)理[5]。真空壓力作用于砂墊層和排水板內(nèi)孔隙流體,在短時(shí)間內(nèi)砂墊層和排水板內(nèi)的孔隙水壓力迅速降低,由于土的滲透系數(shù)小,土體在抽真空初始仍保持抽氣前孔隙水壓力分布狀態(tài),這樣土體內(nèi)與作為邊界的排水板和砂墊層間形成孔壓差,孔隙水在壓差的作用下滲流排出并使u(勢(shì))降低, u(勢(shì))的不平衡逐漸由近及遠(yuǎn)地向距離較遠(yuǎn)的波及。根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理,總應(yīng)力不變的情況下,孔壓的降低即為有效應(yīng)力的增加,從而使土體固結(jié)壓密,直到土體內(nèi)與邊界上的u(勢(shì))達(dá)到新的平衡為止。

3.影響沉降的主要因素

根據(jù)塑料板排水預(yù)壓加固軟基的工程實(shí)踐,沉降計(jì)算值和實(shí)測(cè)值往往有一定的差別,主要有以下幾個(gè)方面的原因:

(1)體應(yīng)力路徑和應(yīng)力歷史的影響。軟土地基通常由各種土層組成,其中一些土層可能處于超固結(jié)或欠固結(jié)狀態(tài),土體的應(yīng)力歷史不僅對(duì)地基沉降量產(chǎn)生影響,也影響土體的固結(jié)特性。如欠固結(jié)土,由于先期固結(jié)應(yīng)力小于現(xiàn)在的自重應(yīng)力,即在自重應(yīng)力作用下尚未完全固結(jié),當(dāng)?shù)鼗蠜]有外荷載時(shí),土中有效應(yīng)力也在增加,直到有效應(yīng)力增大到自重應(yīng)力時(shí),土體才完全固結(jié)。

(2)側(cè)向變形的影響。軟土變形中不僅包含彈性變形,也有塑性變形。塑料板排水堆載預(yù)壓過程中,隨加載的進(jìn)行,向場(chǎng)地外的擠出變形逐漸增大;而塑料板排水真空及真空一堆載聯(lián)合預(yù)壓過程中,往往發(fā)生向場(chǎng)地內(nèi)的收縮變形。地基的沉降不僅是主應(yīng)力引起的排水固結(jié)產(chǎn)生的,還包括土體側(cè)向變形的大小與土的性質(zhì)、軟土層位置、填土高度、加載方式等因素有關(guān)。

三、加載方式及加載速率的影響

實(shí)際施工中的加載方式變化很大,采用不同的加載方式和加載速率,地基的沉降一時(shí)間曲線會(huì)有顯著的不同.加荷速率較小時(shí),土中孔隙水能充分的排出,有充分的孔壓消散和應(yīng)力傳遞時(shí)間,加荷速率過大,土體不能得到充分固結(jié),地基往往產(chǎn)生較大的塑性變形量,使總沉降量增加。

四、施工擾動(dòng)引起的損傷對(duì)沉降的影響

塑料排水板是由直徑約130mm的鋼管通過激震力插入到地基中,施工機(jī)具的震動(dòng)、插板擴(kuò)孔操作會(huì)對(duì)靈敏度較高的軟土地基產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng),擾動(dòng)程度與排水板間距、插板方式以及土體性質(zhì)有關(guān),這種擾動(dòng)使土體產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)損傷,土體的強(qiáng)度降低、壓縮性增大、物理力學(xué)性質(zhì)變差,不但使主固結(jié)沉降量增大,還會(huì)影響到土體的次固結(jié)變形,加大工后沉降量。

五、硬殼層對(duì)沉降的影響[6]

軟土的表層由于長(zhǎng)期受氣候的影響,致使土體中的水分蒸發(fā),含水量減小,形成相對(duì)下部軟土層較硬的硬殼層?！坝矚印钡拇嬖?改變了軟土地基的受力性狀,使地基土變?yōu)殡p層體系的受力模式,應(yīng)力在硬殼層中得到了擴(kuò)散,從而減小了在軟土層上的應(yīng)力,使軟土層的壓縮量有所減小。

大部分研究成果說明的問題可歸結(jié)為硬殼的擴(kuò)散作用或支撐作用。盡管,目前對(duì)硬殼層的作用機(jī)理以及對(duì)沉降的影響尚未取得一致意見,但硬殼層具有以下方面的作用是可以肯定的:

(1)硬殼層可以提高地基極限承載力并具有擴(kuò)散應(yīng)力的作用;

(2)硬殼層可以明顯提高淤泥質(zhì)軟土的承載力,而對(duì)于硬殼層與軟土性質(zhì)相近的一般軟粘土其作用不很明顯;

(3)硬殼層具有限制側(cè)向變形的作用;

(4)硬殼層在前期具有減小沉降的作用,但隨著填土的高度的增加這種作用不斷減小。

因此,軟土地基施工應(yīng)充分重視硬殼層作用并采取有效的措施保護(hù)硬殼層,這一點(diǎn)在工程實(shí)踐中與保護(hù)軟土結(jié)構(gòu)的完整性一樣具有相當(dāng)重要的作用。

[1]地基處理手冊(cè)(第二版),中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2000.8

[2]謝康和,砂井地基:固結(jié)理論、數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計(jì),浙江大學(xué)博士論文,1987

[3]Wood,1.R,Preface,Geotechnique,1981,31(1),1

[4]高志義,真空預(yù)壓法的機(jī)理分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),1989.11(4).45～46

[5]婁炎,真空排水法預(yù)壓法的加固機(jī)理及其特征的應(yīng)力路徑分析[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究,1990.3

[6]王曉謀,袁懷宇,高等級(jí)公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù),北京:人民交通出版社,2001

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