真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓下軟土地基工程特性研究

劉 斌 金培陽(yáng)

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城地院，湖北 武漢 430063； 2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓下軟土地基工程特性研究

劉 斌1金培陽(yáng)2*

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城地院，湖北 武漢 430063； 2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

通過(guò)真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了預(yù)壓過(guò)程中地基土的工程性能，監(jiān)測(cè)了地表沉降和孔隙水壓力消散規(guī)律，依據(jù)平均固結(jié)度理論，計(jì)算了預(yù)壓完成時(shí)場(chǎng)地的平均固結(jié)度，采用基于應(yīng)變形式和應(yīng)力形式定義的場(chǎng)地平均固結(jié)度均在90%以上，表明真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓下地基土已完成了大部分的沉降，明顯地減少了工后沉降，取得了滿(mǎn)意的處理效果。

真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，軟土地基，平均固結(jié)度

0 引言

真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓是在真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上，為滿(mǎn)足某些工程使用荷載大、承載力高、工后沉降小等要求而發(fā)展的軟基處理方法[1]。它兼具真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的雙重效果，具有工期短、成本低、工后沉降和不均勻沉降小等優(yōu)點(diǎn)[2]。近年來(lái)，真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓已在碼頭堆場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、發(fā)電廠、高速公路等諸多工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[3，4]。

本文依托某軟基處理工程開(kāi)展了真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)了地表沉降和孔隙水壓力的變化規(guī)律，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，推算了真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓下地基的最終沉降量。研究成果對(duì)類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工具有借鑒價(jià)值。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

1.1 工程地質(zhì)條件

表1 土層基本物理力學(xué)參數(shù)

1.2 地基處理方案

軟基處理后要求工后沉降小于20 cm，地基承載力大于120 kPa。加固區(qū)大致呈矩形狀，長(zhǎng)約185 m，寬約100 m。場(chǎng)地整平后，首先在地表鋪設(shè)0.5 m厚中粗砂墊層，作為水平向排水體；接著打設(shè)塑料排水板，塑料排水板采用SPB-IB型(厚4.5 mm，寬100 mm)，間距1.0 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度9 m～13 m；然后安裝真空預(yù)壓裝置，密封膜采用三層聚乙烯膜，真空泵每1 000 m2布置一臺(tái)，在密封膜上鋪設(shè)0.5 m厚細(xì)砂作為密封保護(hù)層，然后填黏土至高程為3.5 m，真空預(yù)壓施加時(shí)，要求預(yù)抽真空7 d～10 d，當(dāng)膜下真空度維持在80 kPa后開(kāi)始計(jì)算真空預(yù)壓時(shí)間，要求連續(xù)抽真空時(shí)間為150 d；最后，進(jìn)行堆載預(yù)壓，堆載體采用干重度不小于16.5 kN/m3的黏土，堆載高度為3.7 m，分兩級(jí)加載，第一級(jí)為2 m，第二級(jí)為1.7 m，堆載的過(guò)程中進(jìn)行逐層壓實(shí)。加載歷程如圖1所示。為控制堆載速率，要求場(chǎng)地沉降速率小于30 mm/d，單級(jí)加載孔壓系數(shù)B≤0.6。真空卸載標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)5 d實(shí)測(cè)沉降速率不大于2 mm/d。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)加固區(qū)域膜下真空度、地表沉降、孔隙水壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖2所示。膜下真空度、淺層沉降板各布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，孔壓共布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)。淺層沉降板布置在砂墊層與淤泥層的交界面，以監(jiān)測(cè)淤泥層頂面下總沉降量的變化情況；孔壓于每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置3個(gè)探頭，分別位于淤泥層頂面下1.0 m、淤泥層中部、淤泥層底面上1.0 m處。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地表沉降量

各測(cè)點(diǎn)預(yù)壓完成后地表沉降量監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示，表中斷面1～4如圖2所示。由表可見(jiàn)，場(chǎng)地最大沉降出現(xiàn)在場(chǎng)地中心(Zb-8)，為1 360 mm；對(duì)任意橫斷面，中心沉降均大于邊緣沉降，各斷面不均勻沉降最大值為123 mm，均值為89 mm，且兩側(cè)斷面不均勻沉降較大。由此可見(jiàn)，真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓作用下場(chǎng)地沉降仍呈現(xiàn)加固區(qū)中心大、四周小的鍋底形態(tài)。

表2 地表沉降量

2.2 超孔隙水壓力

圖3為Wb-1測(cè)點(diǎn)不同深度地基中超孔壓歷時(shí)曲線。從圖中可以看出，在真空荷載預(yù)壓過(guò)程中超孔隙水壓力均為負(fù)值，且隨著深度的增加超孔隙水壓力的絕對(duì)值在減小，表現(xiàn)出真空度隨著深度的增加逐漸衰減。在堆載階段，在地基土中逐漸產(chǎn)生正的超孔隙水壓力，在第二次填土階段(由標(biāo)高5.5 m堆至7.2 m)，超孔隙水壓力增長(zhǎng)較快。雖然真空預(yù)壓不需要考慮地基的穩(wěn)定性問(wèn)題，但進(jìn)行真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓時(shí)，如果堆載速率過(guò)快，仍需要對(duì)地基的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3 平均固結(jié)度推算

1)固結(jié)理論推算的平均固結(jié)度。JTS 147—2—2009真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程[5]中對(duì)分級(jí)加荷條件下地基在某時(shí)間的平均總應(yīng)力固結(jié)度的計(jì)算采用改進(jìn)太沙基法，計(jì)算公式如下：

(1)

瞬時(shí)加荷條件下地基的平均固結(jié)度按下式計(jì)算：

(2)

(3)

Urz=1-(1-Uz)(1-Ur)

(4)

其中，Uz為地基豎向平均應(yīng)力固結(jié)度；Ur為地基徑向平均應(yīng)力固結(jié)度；Urz為地基平均總應(yīng)力固結(jié)度；ch為地基水平向固結(jié)系數(shù)；cv為地基豎向固結(jié)系數(shù)；Fn為井徑比因子；de為豎井有效排水直徑；H為排水面至不透水面的垂直距離；t為固結(jié)時(shí)間。

根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果及淤泥層相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)，采用上述方法計(jì)算了基于應(yīng)力形式定義的場(chǎng)地平均固結(jié)度。預(yù)壓完成時(shí)地基平均固結(jié)度達(dá)到了91.3%。

2)以實(shí)測(cè)沉降推算的平均固結(jié)度。JTS 147—2—2009真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程[5]中指出可根據(jù)實(shí)測(cè)沉降推算地基的應(yīng)變固結(jié)度，計(jì)算公式如下：

(5)

其中，Uε為地基應(yīng)變固結(jié)度；st為t時(shí)間的實(shí)測(cè)沉降量；s∞為最終沉降量。

采用雙曲線法推算地基最終沉降量，計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

其中,s0為滿(mǎn)載開(kāi)始時(shí)的實(shí)測(cè)沉降量；t為滿(mǎn)載預(yù)壓時(shí)間，從滿(mǎn)載時(shí)刻算起；α，β均為待定系數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)沉降資料確定。

選取場(chǎng)地中心沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，工程滿(mǎn)載時(shí)間點(diǎn)為2011年12月16日，即聯(lián)合預(yù)壓的第133天，s0=1 246 mm，依據(jù)上述方法可得，α=0.238，β=0.008，s∞=1 371 mm，工后沉降Δs=1 371-1 304=67 mm<200 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)式(5)可計(jì)算出卸載前，地基平均固結(jié)度達(dá)到了95.2%。

采用基于應(yīng)變形式和應(yīng)力形式定義的場(chǎng)地平均固結(jié)度均在90%以上，表明真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓下地基土已完成了大部分的沉降，明顯地減少了工后沉降，取得了滿(mǎn)意的處理效果。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓下，地表沉降呈現(xiàn)出“中心大、周?chē)　钡腻伒谞睢?/p>

2)真空度隨深度的增加逐漸減??；在堆載預(yù)壓期間，超孔隙水壓力增長(zhǎng)較快。在進(jìn)行真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓時(shí)，如果堆載速率過(guò)快，仍需要考慮地基的穩(wěn)定性問(wèn)題。

3)采用基于應(yīng)變形式和應(yīng)力形式定義的場(chǎng)地平均固結(jié)度均在90%以上，表明真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓下地基土已完成了大部分的沉降，明顯地減少了工后沉降，取得了滿(mǎn)意的處理效果。

[1] 葉觀寶,高彥斌.地基處理[M].第3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[2] 彭 劼,劉漢龍,陳永輝.真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法軟基加固對(duì)周?chē)h(huán)境的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002(5):656-659.

[3] 吳躍東,殷宗澤,郭紀(jì)中.真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固水工建筑物軟基效果檢驗(yàn)[J].巖土力學(xué),2007(4):738-742.

[4] 童 中,汪建斌.軟土路基真空聯(lián)合堆載預(yù)壓位移監(jiān)測(cè)與分析[J].巖土力學(xué),2002(5):661-666.

[5] JTS 147—2—2009,真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程[S].

Research on performance of soft soil improved bya combined method with vacuum and surcharge preloading

Liu Bin1Jin Peiyang2*

(1.ChengdiInstitute,ChinaRailwayFourthSurveyandDesignInstituteGroupLimitedCompany,Wuhan430063,China;2.GeotechnicalandUndergroundEngineeringKeyLaboratoryofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Through the field test of vacuum and surcharge preloading researched the engineering properties of foundation soil in preloading process, according to average consolidation theory, calculated the site average consolidation degree after preloading finish, using the site average consolidation degree was more than 90% based on the strain and stress definition, showed that the foundation soil had completed most of the settlement of vacuum and surcharge preloading, significantly reduced the settlement after construction, achieved satisfactory treatment effect.

vacuum and surcharge preloading, field test, soft soil foundation, average consolidation degree

2015-02-01

劉 斌(1979- )，男，工程師

金培陽(yáng)(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)11-0054-03

TU471.8

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