真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法在高速公路軟基加固中的應(yīng)用研究

許忠發(fā),何 鉅

(1.南京市長江河道管理處,江蘇南京210011;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京210098)

我國東部沿海地區(qū)大部分土層為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)亞粘土及淤泥混砂層,屬于飽和的正常壓密軟粘土。在這種含水率高、壓縮性大、滲透性差、強(qiáng)度低,且土層厚、分布極不均勻的軟土層上修建高等級(jí)公路,將會(huì)遇到穩(wěn)定性差、大沉降和不均勻沉降等問題,對(duì)軟土路基進(jìn)行一定的處理措施是必然的。本文對(duì)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟基的機(jī)理、研究現(xiàn)狀及工程應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法研究現(xiàn)狀

從1952年,W.Kjellman教授提出真空預(yù)壓法的加固模型開始[1],瑞典、美國、日本、前蘇聯(lián)、英國、中國[2]等國家有不少專家學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)真空預(yù)壓法及真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法進(jìn)行了一系列的理論研究、室內(nèi)試驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,但是由于該方法加固機(jī)理的復(fù)雜及現(xiàn)場(chǎng)土性的千變?nèi)f化,該方法的加固機(jī)理、設(shè)計(jì)方法仍有許多有待解決的問題。

國內(nèi)南京水科院等單位在1960—1979年間對(duì)真空預(yù)壓法開展了機(jī)理研究,并未取得較大進(jìn)展。20世紀(jì)80年代后,天津大學(xué)、河海大學(xué)、南京水科院及交通部一、三、四航局科研所等單位相繼開展了真空預(yù)壓加固機(jī)理的研究,并取得了較大的研究成就[3]。

2 真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固機(jī)理

真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固軟基是在真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,兩者都是屬于排水固結(jié)法,通過真空壓力(負(fù)壓)和堆載(正壓)使土體中的孔隙水產(chǎn)生不平衡的水壓力,孔隙水在這種不平衡力的作用下通過豎向排水體逐漸排出,從而使土體產(chǎn)生固結(jié)變形。

堆載預(yù)壓的加固機(jī)理是在堆載預(yù)壓時(shí),地基土由于荷載作用而產(chǎn)生的附加應(yīng)力開始由孔隙水壓力所承擔(dān),而有效應(yīng)力不變,隨著時(shí)間的推遲,孔壓逐漸消散并轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?yīng)力,如圖1、圖2所示。從圖2可知,加固后強(qiáng)度由τ0變?yōu)棣?且應(yīng)力莫爾圓大小也改變了。卸載后被加固土體的強(qiáng)度沿超固結(jié)包終線O′、A′、退到B點(diǎn),強(qiáng)度增加了 Δτ。

圖1 堆載預(yù)壓時(shí)有效應(yīng)力變化圖

圖2 堆載預(yù)壓時(shí)摩爾圓變化示意圖

真空預(yù)壓的加固機(jī)理是在外荷不變的情況下,通過抽真空對(duì)加固區(qū)施加流體壓力,它作用于砂墊層和砂井內(nèi)孔隙流體,在短時(shí)間內(nèi)砂墊層和砂井內(nèi)的孔壓迅速降低并排出水和氣。由于土和砂井的滲透系數(shù)差別很大,土體內(nèi)在剛開始抽氣時(shí)仍保持抽氣前孔壓分布狀態(tài)。這樣,土體內(nèi)與作為邊界的砂井和砂墊層間形成孔壓差?？紫端诳讐翰畹淖饔孟?伴隨著滲流使水排出并使孔壓降低?？讐旱牟黄胶庵饾u由近及遠(yuǎn)地向距邊界較遠(yuǎn)的點(diǎn)波及,形成土體內(nèi)距砂井和砂墊層遠(yuǎn)點(diǎn)與近點(diǎn)間的孔壓差。在總應(yīng)力σ基本不變的情況下,孔壓的降低值即為σ′的增加值,從而使土體固結(jié)壓密,直到土體內(nèi)與邊界上達(dá)到孔壓新的平衡為止。

從圖3可知,真空度越高,沿深度衰減越小,增加的有效應(yīng)力越大,加固效果越好。由于孔壓是球應(yīng)力,所以真空預(yù)壓時(shí)減少的孔壓(增加的有效應(yīng)力)是各向相等的。從圖4可知,地基中土體單元的莫爾圓大小并沒有改變,只是向右發(fā)生移動(dòng),加固后剪應(yīng)力大小沒有改變,強(qiáng)度由 τ0卸荷后,被加固土體由正常固結(jié)狀態(tài)變?yōu)槌探Y(jié)狀態(tài),地基土的強(qiáng)度沿超固結(jié)包絡(luò)線O′A′、退到B點(diǎn),與加固前比較強(qiáng)度增加了△τ[4]。

圖3 真空預(yù)壓時(shí)有效應(yīng)力變化圖

圖4 真空預(yù)壓時(shí)摩爾圓變化示意圖

真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法具有真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的雙重效果,但不是兩者的簡(jiǎn)單疊加。聯(lián)合預(yù)壓時(shí)的有效應(yīng)力變化如圖5所示。從滲透規(guī)律來進(jìn)一步分析其加固效果,根據(jù)達(dá)西滲透定律可得到

圖5 真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓時(shí)有效應(yīng)力變化圖

式中:v為孔隙水的滲透速度;k為土的滲透系數(shù);Δ h為水頭差;L為滲透距離。即土體中孔隙水的滲透速度與水力坡降(Δ h/L)成正比,增加水頭差 Δ h和減小排水距離L,均可加速土體排水固結(jié)。真空預(yù)壓的加固機(jī)理是通過降低土體中孔隙水壓力,即使加固區(qū)內(nèi)形成負(fù)的超靜孔隙水壓力,加固區(qū)內(nèi)外存在水頭差,使之形成滲流需要的水力梯度;而堆載預(yù)壓是由于堆載產(chǎn)生正的超靜孔隙水壓力,通過孔壓的消散而使強(qiáng)度得到提高。兩者聯(lián)合作用,正負(fù)孔隙水壓力的壓差增大,也就是增加水頭差 Δ h,造成孔壓消散更快,加固效果更好。

2.1 加固機(jī)理

真空預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法都是排水固結(jié)法,都可用固結(jié)理論求解,只是邊界條件不同,這一觀點(diǎn)已得到普遍承認(rèn)。軟土在負(fù)壓下的排水和固結(jié)變形過程與正壓條件下的固結(jié)過程是相似的,都是通過孔隙壓力的變化將荷載傳遞給土體骨架的過程。但是,關(guān)于真空預(yù)壓過程中是否存在連續(xù)的地下水面,如果存在,地下水位是否會(huì)下降,以及真空預(yù)壓法的加固深度和有效加固范圍等問題并不十分清楚,仍存在爭(zhēng)議,缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法的機(jī)理分析,目前仍然是在真空預(yù)壓法的基礎(chǔ)上,將堆載荷載疊加進(jìn)行應(yīng)力分析。由于真空預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法在加荷過程、邊界條件、初始條件、土體變形等方面存在不同之處,因此簡(jiǎn)單的疊加是不能反映其綜合作用的。真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法的加固機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

2.2 計(jì)算方法

真空預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法的固結(jié)計(jì)算方法,歸納起來有以下兩類:一種是以軸對(duì)稱固結(jié)理論為基礎(chǔ)的解析解法,如巴隆(Barron)解、漢斯波解和曾國熙解等。另一種是以太沙基(Terzaghi)固結(jié)理論或比奧(Biot)固結(jié)理論作為基礎(chǔ)的數(shù)值解法,如有限元法、邊界元法和差分法等。解析法最大的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單,比較適合計(jì)算加固區(qū)比較大,地基情況和邊界條件、初始條件比較簡(jiǎn)單的加固區(qū)中心的固結(jié)沉降。董志良推導(dǎo)了單井在負(fù)壓及正、負(fù)壓聯(lián)合作用下的解析解[5]。由于解析解一般假設(shè)固結(jié)過程中總應(yīng)力不變,所以無法考慮固結(jié)過程中孔壓與變形的耦合關(guān)系;此外,它還無法對(duì)整個(gè)地基特別是加固區(qū)邊界的固結(jié)變形進(jìn)行計(jì)算;因此解析解法的應(yīng)用受到了很大的限制。數(shù)值解法可以彌補(bǔ)解析解的不足,適應(yīng)于土體的非線性、彈塑性和各向異性等特點(diǎn)。沈珠江首先用有限元法對(duì)某真空預(yù)壓法處理的工程進(jìn)行了計(jì)算,發(fā)現(xiàn)土體本構(gòu)模型對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大[6],陳環(huán)等也用有限元和邊界元進(jìn)行了計(jì)算[3],余志頑等用有限元對(duì)某工程進(jìn)行了空間固結(jié)計(jì)算[7]。由于三維有限元分析工作量巨大,現(xiàn)有的有限元計(jì)算大都是考慮為平面應(yīng)變情況,必須對(duì)砂井間距和砂井滲透系數(shù)進(jìn)行等效調(diào)整,以便于簡(jiǎn)化計(jì)算。真空度在砂井中的分布假定為:(1)理想情況,即真空度隨深度沒有衰減;(2)把實(shí)測(cè)的衰減情況帶入計(jì)算中。理想情況顯然是不合理的,對(duì)于不同的地質(zhì)條件和砂井,真空度衰減情況也不盡相同,并且砂井中真空度的測(cè)量仍然沒有很好地解決。

結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀,對(duì)真空預(yù)壓法及真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法仍需要進(jìn)一步的研究,包括更合理的計(jì)算方法的研究、抽真空能量和滲流量的關(guān)系、地下水位的變化及影響等方面。

3 真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法在高速公路軟基加固中的工程應(yīng)用

本文將真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法在浙江甬臺(tái)溫高速公路中的應(yīng)用情況及效果介紹如下。

3.1 工程概況

甬臺(tái)溫高速公路K36段位于浙江省寧波市境內(nèi)。該地區(qū)分布著大量近代沉積的軟粘土層,這種軟粘土層具有含水率高、強(qiáng)度低、壓縮性大、滲透性差等特點(diǎn)。其中K36+521～K36+634段為高速公路立交橋頭所在,對(duì)工后沉降的要求更為嚴(yán)格。經(jīng)過多種方案的分析,采用了真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法對(duì)該路段進(jìn)行軟基處理。

該路基長約113 m,寬約48m,加固面積約5 400 m2。地質(zhì)條件第一層為填土,厚0.3m～0.6 m,為筑路砂礫。第二層為粉質(zhì)粘土,厚0.4m～1.0 m,灰黃～黃色,軟塑～可塑,飽和,含褐色鐵銹斑。第三層為粉土,厚3.7 m～5.0 m,灰色,松散～稍密,飽和,局部夾薄層粘土。第四層為淤泥質(zhì)粘土,灰色,流塑～軟塑,飽和,夾有粉土,見貝殼碎屑及腐殖質(zhì)。

3.2 施工過程

先將25 m長的塑料排水板按照三角形排列、間距1.6m打入加固區(qū)內(nèi)。在加固范圍內(nèi)先后鋪設(shè)40 cm砂礫層和20 cm細(xì)砂層,砂礫層和細(xì)砂層作為水平排水體,細(xì)砂層同時(shí)起保護(hù)密封膜不被礫石刺破的作用。將PVC濾管埋入砂礫層中,PVC管分為直徑55 mm的支濾管和直徑82 mm的主管。支濾管上打有直徑8 mm、間距4 cm的濾眼,并用土工布將其包裹,以防止抽真空過程中細(xì)砂進(jìn)入支濾管。真空壓力由真空射流泵與主管相連后提供。如圖6所示。

真空壓力保持在80 kPa左右并持續(xù)作用4個(gè)月。在抽真空過程中,2.8m路基填土被填筑上去,起到堆載的作用。

圖6 真空-堆載預(yù)壓法剖面示意圖

路基填筑完畢后,抽真空繼續(xù)一段時(shí)間,真空荷載和堆載共同作用,直到地基的固結(jié)度和連續(xù)10d平均沉降速率滿足要求為止。加載過程如圖7所示。

圖7 加載曲線

3.3 加固效果

為了研究真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法的處理效果,在該路段安排了兩個(gè)觀測(cè)斷面。觀測(cè)儀器的布置如圖8所示。下面將表面沉降和分層沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析如下。

圖8 觀測(cè)儀器埋設(shè)示意圖

3.3.1 表面沉降

表面沉降的觀測(cè)結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出,加固區(qū)邊緣(A1,A3,A4,A6板)總沉降量相對(duì)稍小,分別為701 mm,828 mm,644 mm,719 mm。加固區(qū)中心處(A2,A5板)總沉降量相對(duì)稍大,分別為858 mm,798 mm。總的來看,真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟土地基的效果是很好的,減少工后沉降且施工進(jìn)度較塊,沉降速率可大大高于堆載預(yù)壓法規(guī)定的10 mm/d。

圖9 表面沉降隨時(shí)間變化曲線

3.3.2 分層沉降

通過分層沉降的觀測(cè),可以了解地基不同層位的分層沉降量;根據(jù)分層沉降變化規(guī)律,進(jìn)一步分析深層土的加固效果和加固影響深度。分層沉降過程線如圖10所示。它反映了不同深度土層在不同時(shí)間的沉降特征和壓縮量,沉降沿深度遞減,呈較好的規(guī)律性。

從表1及圖10可以看出,土體的壓縮量主要由深度20 m以內(nèi)的土層完成。而且從圖10中可看出,在抽真空早期,地面以下27 m處就已經(jīng)有了沉降。這說明真空預(yù)壓法及真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法的作用可以到達(dá)較深的軟土層,其作用深度可以到達(dá)排水板深度以下2 m～3 m。

表1 真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法各分層的壓縮量

3.3.3 土體水平位移

土體側(cè)向位移速率大小是判別高速公路路堤地基穩(wěn)定與否的控制指標(biāo)之一,其變化規(guī)律可以監(jiān)測(cè)地基各層土體的側(cè)向變形發(fā)展情況,并可計(jì)算因側(cè)向位移而引起的沉降量。根據(jù)不同時(shí)段側(cè)向位移隨深度變化的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),可以了解真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固軟基不同階段土體的變化特點(diǎn)。

圖10 分層沉降隨時(shí)間變化曲線

從圖11測(cè)斜管水平位移隨深度變化曲線看,開始抽真空后,各測(cè)斜管均有向加固區(qū)內(nèi)的收縮變形,Ⅰ斷面4 d水平位移達(dá)40 mm左右,Ⅱ斷面4 d水平位移達(dá)50 mm左右,導(dǎo)致沿加固區(qū)邊緣外4 m處出現(xiàn)長15 m、寬約15 mm的可見裂縫。說明真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固可避免土體發(fā)生剪切破壞,明顯優(yōu)于超載預(yù)壓加固。從圖11看,開始堆載之后,每一次堆載過程加固區(qū)均有向外的擠出位移,一般在堆載后的一二天達(dá)到最大值,隨后有一個(gè)較快的向內(nèi)收縮位移,三四天后趨于穩(wěn)定。在堆載后期,Ⅰ測(cè)斜管向外位移達(dá)190 mm,日最大位移20mm;Ⅱ測(cè)斜管兩天向外位移達(dá)220mm,日最大位移在25mm。其原因初步認(rèn)為有兩方面,(1)真空預(yù)壓階段使加固區(qū)周圍約束條件減弱,導(dǎo)致初次堆載產(chǎn)生較大的向外擠出位移,(2)隨著沉降量的增加土體固結(jié)度增大強(qiáng)度提高,抵御變形的能力逐漸變強(qiáng),導(dǎo)致后兩次堆載過程向外擠出位移遞減。堆載結(jié)束后,在真空荷載作用下,各管的總體位移是向內(nèi)發(fā)生變化,這種變化隨著預(yù)壓時(shí)間的延長,速度逐漸趨于穩(wěn)定。Ⅰ測(cè)斜管總共向內(nèi)位移了13 mm;Ⅱ號(hào)測(cè)斜管總共向內(nèi)位移了28 mm。在這個(gè)階段,兩根測(cè)斜管向內(nèi)最大日位移量為2.5 mm(開始階段);最小日位移量為0.4 mm(結(jié)束階段)。各測(cè)斜管均發(fā)生向內(nèi)位移,說明真空荷載在此階段仍起著很大的作用,使土體向內(nèi)收縮變形。

圖11 測(cè)斜孔側(cè)向位移隨時(shí)間變化曲線圖

4 結(jié) 論

通過實(shí)際工程及分析,認(rèn)為真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟基方法具有以下特點(diǎn):

(1)在這些軟基地段,采用真空預(yù)壓措施后,保證了在快速堆載的情況下地基的穩(wěn)定性,保證了整個(gè)工程的順利完工。用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固高速公路軟基,加固效果明顯。沉降速率較快,最大速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過堆載預(yù)壓規(guī)范允許。

(2)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法具有真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓雙重加固效果,在加固軟基過程中,可以較好地解決路堤填筑過程中的穩(wěn)定性問題,由于真空荷載使土體產(chǎn)生向內(nèi)收縮變形,可部分平衡堆載預(yù)壓產(chǎn)生的側(cè)向擠出變形,對(duì)路基穩(wěn)定有利。

(3)側(cè)向位移量和位移速率與荷載大小有明顯的相關(guān)性,隨著荷載增加,位移量和位移速率增大,加載停止,位移量和位移速率顯著減小。與堆載預(yù)壓不同的是隨著加荷的停止,水平位移不是向外位移,因?yàn)槌檎婵詹粌H使土體固結(jié),而且使土體產(chǎn)生向內(nèi)收縮變形,另一方面真空荷載作用下地基土已發(fā)生固結(jié),強(qiáng)度有所增長,從而可以使堆載速度很快而不至于發(fā)生失穩(wěn)破壞,因此可以加快填土速率,縮短工期,帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)抽真空產(chǎn)生80 kPa的壓力,相當(dāng)于3 m～4 m的超載,并可一次施加,不僅可達(dá)到超載預(yù)壓的效果,有利于減少工程后期沉降,而且還可節(jié)省填土(超載)等施工。

(5)加固效果明顯。加固深度大,一般可達(dá)砂井下2 m～3 m,適合于加固深厚軟土地基。

(6)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法施工管理簡(jiǎn)便易行。

(7)相比較真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法,采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法是加固這些地段軟基最經(jīng)濟(jì)合理的方法。

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