湖泊相軟土真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法的離心機(jī)試驗(yàn)研究

劉春原，朱 楠，趙獻(xiàn)輝，王文靜

（河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

1 引 言

針對湖泊相軟弱地基的加固處理一直是高速公路建設(shè)中的難題，采用適宜的軟基處理方法即可減小路基的工后沉降且技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理，對保證高速公路的正常使用具有重要意義。濕地湖泊相軟土由于其成因的特點(diǎn)，孔隙比較小、含水率高、壓縮性較大，且軟土顆粒以黏粒和粉粒為主，黏粒組成與沿海地區(qū)廣泛分布的濱海相軟土有很大不同，導(dǎo)致兩種軟土的物理力學(xué)性能和工程特性存在較大差異。在這種地區(qū)修建高速公路，對于路基是否加固處理及采用適宜的軟基處理方法一直是圍繞著工程建設(shè)的首要問題，例如大－廣(大慶至廣州)高速衡水段穿越古湖泊濕地地區(qū)，在施工階段按一般軟土地基未進(jìn)行加固處理，但在運(yùn)營期該路段出現(xiàn)大幅沉降。

國內(nèi)真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法的研究開始于 1983年，被廣泛用于東部沿海地區(qū)的軟土地基加固，取得了很好的效果。研究者們通過現(xiàn)場試驗(yàn)[1－2]和室內(nèi)試驗(yàn)[3－4]研究了真空堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟土地基的加固效果和作用機(jī)制，并通過理論推導(dǎo)提出新的有限元分析方法，對真空堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟土地基進(jìn)行計(jì)算分析[5－7]，但目前的研究大多針對沿海地區(qū)的淤泥質(zhì)軟土地基，對于平原湖泊地區(qū)的湖泊相軟土的研究較少，對于真空堆載聯(lián)合預(yù)壓的模型試驗(yàn)研究尚未有相關(guān)報(bào)道。本文依托邢－衡（邢臺至衡水）高速衡水段軟基處理工程，對真空堆載聯(lián)合預(yù)壓下的軟土地基沉降進(jìn)行離心機(jī)試驗(yàn)研究，將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行對比，研究真空堆載聯(lián)合預(yù)壓下軟土地基的沉降與時(shí)間規(guī)律，該方法可為處理湖泊相軟土的理論研究和工程應(yīng)用提供借鑒參考。

2 離心模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用中國水利水電科學(xué)研究院的土工離心機(jī)，離心機(jī)最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為5.03 m，最大加速度為300 g，最大負(fù)載量為1.5 t，最大負(fù)載容量為450 gt，試驗(yàn)中使用的模型箱尺寸為1 320 mm× 620 mm×1 200 mm，模型箱設(shè)計(jì)加速度為300 g。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國HP公司的安基侖數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集器。試驗(yàn)設(shè)備見圖1、2。

圖1 中國水利水電科學(xué)研究院離心機(jī)Fig.1 Centrifuge of the China Institute of Water Resources and Hydropower Research

2.2 離心模型設(shè)計(jì)

圖2 激光位移傳感器Fig.2 Laser displacement sensor

實(shí)際路基加固區(qū)寬度為42 m，路堤填土高度為4.8 m。模型設(shè)計(jì)加速度45 g，模型比例尺寸N = 45。由于模型箱尺寸的限制，決定對加固區(qū)的1/2進(jìn)行模擬，利用對稱性得到整個(gè)加固區(qū)域的沉降情況。為減小邊界效應(yīng)的影響，并考慮建模的可操作性，最終取全部加固區(qū)域?qū)挾鹊?/3來制作模型。模型增加部分為路基中心線另一側(cè)路基，增加部分路堤填土仍為矩形，不會(huì)對坡度造成影響；模型箱壁到路基中心存在一定距離，減小了邊界效應(yīng)的影響，比原設(shè)計(jì)更接近實(shí)際情況。在模型四周各5 cm范圍內(nèi)不設(shè)置排水板，工程實(shí)際排水板為平行排布，板間距為2.6 m，板徑為0.1 m，長度為10.5 m。按N = 45縮小后，排水板間距為57.8 mm，寬2.2 mm，埋深為233.3 mm。采用5個(gè)激光傳感器測量土體沉降。模型及激光傳感器布置如圖3、4所示。

圖3 模型俯視圖（單位：cm）Fig.3 Plan of centrifugal test model(unit: cm)

圖4 模型剖面圖（單位：cm）Fig.4 Cross-section of centrifugal test model(unit: cm)

2.3 離心模型的制作

模型土樣采用高速試驗(yàn)段 ZK4+720處的原狀土，取土深度為2.0、6.0、8.5、10.5 m，不同土層的土樣最終應(yīng)用于模型中相應(yīng)土層。按比例縮小后模型地基土分層情況：最上層為178 mm厚的粉土層（土層編號為1），中間層為厚38 mm的粉質(zhì)黏土層（土層編號為5），最下層為73 mm厚的粉土層（土層編號⑤1）。采用粉土制作地基表層的堆載荷載，厚107 mm，放坡為1:1.5。實(shí)際路基土層分層深度及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

模型排水板采用現(xiàn)場使用排水板制作，由于2.2 mm的排水板不論在制作還是施工上都不可能實(shí)現(xiàn)，故在本試驗(yàn)中加大了排水板的寬度，采用了8 mm寬排水板，模型排水板的排水效果和實(shí)際工程基本一致。將工程排水板內(nèi)部塑料骨架裁剪為 8 mm寬度，外部由原排水板上的無紡布包裹并用雙面膠固定，上下各預(yù)留部分無紡布以防止砂土進(jìn)入排水板。雙面膠的固定面積與土工織布表面積相比很小，可以近似認(rèn)為不影響排水板的排水效果。排水板采用人工打孔埋置，制作了簡易洛陽鏟進(jìn)行施工操作。為減少打孔對周圍土體的擠壓變形，每次打孔深度不超過5 cm，相鄰的排水板不同時(shí)打孔，且盡量按對角線的最遠(yuǎn)方向，同時(shí)打孔的排水板數(shù)不超過4個(gè)。采用施工現(xiàn)場的砂土填充孔洞并制作5 cm厚的砂墊層。在真空泵部分設(shè)置壓力計(jì)，以觀測抽水時(shí)造成的負(fù)壓狀況。整個(gè)離心模型箱用玻璃膠密封，在砂墊層上部鋪設(shè)密封膜，并打開真空泵尋找漏氣點(diǎn)完成模型密封，最終使模型中負(fù)壓超過65kPa。同時(shí)密封模型箱的底部，防止試驗(yàn)過程中土中水由模型箱底部流失。

2.4 試驗(yàn)過程

在離心機(jī)試驗(yàn)過程中無法進(jìn)行堆載施工，為接近工程實(shí)際，本試驗(yàn)采用在抽真空前將所有堆載直接添加的方式。實(shí)際工程采用7.5 kW滲流泵，空載負(fù)壓為0.096 MPa，負(fù)載負(fù)壓為0.08 MPa。由于試驗(yàn)所用的滲流泵功率較小，不能達(dá)到0.08 MPa的現(xiàn)場值，為接近實(shí)際情況，在實(shí)驗(yàn)過程中盡量使表面負(fù)壓達(dá)到本真空泵提供的最大負(fù)壓值。

試驗(yàn)時(shí)先開啟真空泵抽取密封膜中的空氣，當(dāng)壓力計(jì)中顯示壓力為 0.065 MPa以上時(shí)啟動(dòng)離心機(jī)，以保證高負(fù)壓抽水的時(shí)間。工程實(shí)際抽水時(shí)間為60 d，在試驗(yàn)中相應(yīng)于離心加速度達(dá)到45 g后的43 min時(shí)間。保持真空泵開啟，離心機(jī)到達(dá)45 g后，負(fù)壓基本穩(wěn)定在接近0.07 MPa，以完成施工期的排水固結(jié)，并測量相應(yīng)數(shù)據(jù)。在排水固結(jié)的43 min結(jié)束后關(guān)閉真空泵，離心機(jī)繼續(xù)保持45 g的離心加速度模擬實(shí)際工程兩年內(nèi)的沉降情況，各個(gè)傳感器的取值頻率均為 1個(gè)/秒，以保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。經(jīng)過8.67 h后停止工作。

2.5 沉降結(jié)果及分析

對模型在60 d前后的沉降分別進(jìn)行監(jiān)測，分別研究模型的工期沉降與工后沉降的變化規(guī)律。

2.5.1 加固區(qū)中心位置表面的沉降

圖5為加固區(qū)中心工期沉降發(fā)展趨勢。從圖中可以看出，在路基的施工階段加固區(qū)域中心位置 3個(gè)測點(diǎn)的沉降趨勢基本一致，3個(gè)測點(diǎn)的沉降差不超過10 cm，因此可認(rèn)為加固區(qū)域中心為均勻沉降。由表2可知，在真空負(fù)壓和堆載荷載作用下，土體孔隙中的水和空氣很快被排出，孔隙體積迅速縮小。施工階段土體的固結(jié)沉降發(fā)展迅速，前15 d的沉降值達(dá)到工期最終沉降的80%以上，30 d后達(dá)到90%以上，加固效果非常明顯。

圖5 加固區(qū)中心工期沉降發(fā)展趨勢Fig.5 Settlement development of the centre of reinforced area during construction

表2 加固區(qū)中心各階段工期和工后沉降Table 2 Settlements of centre of reinforced area and post-construction in different periods

圖6為加固區(qū)中心的工后沉降曲線，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)太多，曲線變?yōu)闊o規(guī)律的波浪狀。從圖中可以看出，3個(gè)測點(diǎn)的工后沉降差不超過4 mm，沉降基本一致。由表3可見，工后沉降在90 d前發(fā)展較快，占工后總沉降的60%以上，90 d后沉降發(fā)展趨于緩慢。第500 d的沉降值僅比第90 d增加3～4 mm，第720 d沉降增加不超過10 mm。

圖6 加固區(qū)中心工后沉降發(fā)展趨勢Fig.6 Settlement development in centre of reinforced area after construction

表3 路堤橫斷面各階段工期沉降Table 3 Settlements of cross-section and post-construction of embankment in different periods

2.5.2 路堤斷面的表面沉降

圖7為路堤橫斷面工期沉降發(fā)展趨勢。從圖中可以看出，抽真空的初期階段地基土在堆載荷載和真空負(fù)壓的作用下快速排水固結(jié)，沉降在這一階段發(fā)展迅速；在抽真空的中后期，由于土體已經(jīng)基本排水固結(jié)完成，此時(shí)真空負(fù)壓的效果逐漸減弱，沉降主要由于恒定堆載下土體結(jié)合水的排出、土顆粒重新排列及土體骨架蠕變等構(gòu)成的次固結(jié)沉降造成。受到堆載形狀的影響，出現(xiàn)了自加固區(qū)域中心向外沉降逐漸減小的現(xiàn)象。由表3可見，在施工開始15 d后土體沉降達(dá)到工期總沉降的70%，在第30 d達(dá)到了80%，說明真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟土地基的加固效果明顯。

圖7 路堤橫斷面工期沉降發(fā)展趨勢Fig.7 Settlement development of the cross-section of embankment during construction

路堤斷面的工后沉降趨勢基本相同，但各測點(diǎn)的沉降呈現(xiàn)出自加固區(qū)中心向外逐漸變小的趨勢，如圖8所示，這同工期沉降的沉降分布相一致。從表3可以看出，路堤斷面的工后沉降主要發(fā)生在90 d以前，占到工后總沉降的50%以上。到工后第500 d，沉降值與90 d相比僅增加4～5 mm。在施工完成兩年內(nèi)，路基的工后沉降值不超過30 mm，基本不會(huì)影響公路的正常使用。

圖8 路堤橫斷面工后沉降發(fā)展趨勢Fig.8 Post-construction settlement development of the cross-section of embankment during construction

在路基模型的整個(gè)沉降過程中，前60 d的工期沉降占全部沉降量的87%以上，說明路基在工期內(nèi)已經(jīng)完成大部分固結(jié)沉降，工后沉降量很小，能夠保證高速在運(yùn)營期的正常使用。

3 與實(shí)測沉降的對比分析

由于監(jiān)測施工原因，監(jiān)測數(shù)據(jù)只包括從施工開始25～120 d的土體沉降值。將離心模型試驗(yàn)的加固區(qū)中心沉降同 ZK4+720處的現(xiàn)場監(jiān)測沉降進(jìn)行對比。由圖9和表4可知，兩者沉降存在一定差距，但基本沉降趨勢相同。第30 d沉降的實(shí)測值與試驗(yàn)值分別占總沉降的 60.5%和 88.4%，第 60 d達(dá)到88.3%和94.2%，說明離心試驗(yàn)的固結(jié)沉降發(fā)展要快于實(shí)際工程，并且兩者在同一階段的沉降值也存在較大差距。分析誤差出現(xiàn)的原因：在離心模型試驗(yàn)中路堤的分級加載無法實(shí)現(xiàn)，只能通過在試驗(yàn)前施加全部堆載，并且試驗(yàn)施加的真空負(fù)壓值低于設(shè)計(jì)值，且在土中傳的過程中產(chǎn)生損耗，因而對土體的最終沉降量產(chǎn)生影響。在離心試驗(yàn)中，模型下部土中自由水在離心加速度的作用下重力增加向模型底部流動(dòng)，與抽真空作用相互抵消，影響了土體的排水固結(jié)過程。由于路基模型存在粒徑效應(yīng)和邊界效應(yīng)[8]，土顆粒間的摩擦和模型箱對周邊土體的摩擦都會(huì)影響土體的沉降值，使試驗(yàn)值小于實(shí)際沉降。

圖9 試驗(yàn)沉降與實(shí)測沉降發(fā)展趨勢Fig.9 Settlement trend of test results and measured results

表4 各階段試驗(yàn)沉降與實(shí)測沉降對比Table 4 Settlements comparison between experimental results and field observational results in different periods

4 結(jié) 論

（1）采用真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理湖泊相軟土地基，使土體在施工階段完成絕大部分固結(jié)沉降，前60 d內(nèi)的土體沉降占到總沉降的87%，對軟基的加固效果非常明顯。

（2）地基土的工后沉降發(fā)展非常緩慢，施工完成的兩年內(nèi)沉降值最多為2.5 cm，路堤斷面的沉降差不超過5 mm，不會(huì)影響公路的正常使用。

（3）離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測沉降趨勢基本相同，在60 d工期內(nèi)完成了絕大部分沉降，但現(xiàn)場試驗(yàn)條件和離心模型試驗(yàn)本身的問題，導(dǎo)致兩者沉降值產(chǎn)生差異。

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