真空預壓軟土地基處理的黏彈性研究

舒紅波 陳智軍 李之達

(武漢理工大學產(chǎn)業(yè)集團 武漢 430063)

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真空預壓軟土地基處理的黏彈性研究

舒紅波 陳智軍 李之達

(武漢理工大學產(chǎn)業(yè)集團 武漢 430063)

采用數(shù)值計算與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，對某真空預壓地基處理工程中基礎(chǔ)沉降、孔隙水壓力和土層特性的時間相關(guān)性進行了探討.利用黏彈性理論對真空預壓地基處理工程中基礎(chǔ)沉降、孔隙水壓力和土層特性的時間相關(guān)性進行描述，并利用終值定理對地表最終沉降進行估計.利用現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，對土體固結(jié)及土的特性進行探討.結(jié)果表明，二次真空預壓可以使沉降隨時間變化更快，孔隙水壓力消散更快，加速土體固結(jié).

黏彈性；真空預壓；固結(jié)

0 引 言

軟土地基處理其設(shè)計和施工過程中要解決的關(guān)鍵問題是地基沉降.文獻[1]最早提出用于加固軟土地基的真空預壓法.隨后，研究表明，堆載預壓是將孔隙水擠壓出來降低孔隙壓，抽真空是將孔隙水引出來降低孔隙壓，可利用Terzaghi有效應力來解釋真空預壓軟土地基處理的機理.文獻[2]以Biot固結(jié)理論為基礎(chǔ)，考慮土的流變性，采用黏彈塑性本構(gòu)關(guān)系，分析了真空預壓法對周圍環(huán)境的影響.王劍平等[3]介紹了在表層為很厚的硬殼層且地下水位又很低的特殊地基條件下，在南寧機場采用真空預壓加固軟土地基的工程實例.2001年浙江臺州地區(qū)的黃巖、椒江、路橋污水處理廠采用真空預壓法加固深厚軟土地基并取得成功，加固深度達30 m.

關(guān)于真空預壓法軟土地基處理的時間相關(guān)問題，有大量學者對地基黏彈性理論進行了研究.劉興旺等[4]分別考慮自由應變和等應變，給出了豎井地基黏彈性解；王瑞春等[5]就半透水邊界和變荷載條件進行了推導；劉加才等[6]分別針對均質(zhì)深厚軟土地基豎井未打穿情況，層狀黏彈性地基得到了相應的解答.

文中結(jié)合某真空預壓地基處理工程，采用數(shù)值計算與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，利用黏彈性理論對地基處理工程中基礎(chǔ)沉降、孔隙水壓力和土層特性的時間相關(guān)性進行探討.

1 土體固結(jié)的黏彈性基礎(chǔ)

土的固結(jié)是一個時間相關(guān)過程.假定土體為均勻各向同性材料，并且假定研究土體是處于完全飽和狀態(tài)，則所研究的土體中應力為

(1)

由平衡方程，土體總應力滿足(按土力學習慣，應力和應變壓為正)

(2)

(3)

進一步假設(shè)土體為均勻各向同性黏彈性體，其本構(gòu)關(guān)系為

(4)

或用偏量表示

(5)

式中：G為剪切模量；K為體積模量，且K=2G+3λ.

由幾何方程

(6)

代入本構(gòu)方程，然后代入平衡方程，得到

(7)

又由質(zhì)量守恒定律，單位時間dt內(nèi)流出和流進單元體的水量之和等于單位時間dt內(nèi)單元體土體的體積改變，即

(8)

假設(shè)土體中滲流服從Darcy定律，即

(9)

式中：kij為滲透張量；γg為水的浮力.從而，質(zhì)量守恒方程化為如下連續(xù)性方程

(10)

由本構(gòu)關(guān)系，式(10)可以改寫成

(11)

式中：K-1為體變?nèi)崃?

在下列定解條件下，通過數(shù)值方法，聯(lián)立求解上述平衡方程和連續(xù)性方程，可以獲得(可測)地表沉降和孔隙水壓.

(12)

式中：p0為初始孔隙水壓；H為土層深度；re為沙井影響區(qū)半徑.

求解上述邊值問題是相當困難的，只得采用數(shù)值方法求解.但是，當固結(jié)過程中總應力之第一不變量與時間無關(guān)時，就退化為Terzaghi固結(jié)理論，可以(解耦)分別獲得地表沉降和孔隙水壓.

2 沉降、孔隙水壓力和抗剪切強度的時間相關(guān)性

2.1 工程概況

文中研究的真空預壓地基處理項目位于某海邊吹填區(qū)內(nèi)，寬30 m、長3 414 m.加固過程中，將加固區(qū)域分為19個小塊加固區(qū)域，采用二次真空預壓加固.淺層地基處理時，滿載超過15 d，對被處理地基進行吹填操作，吹填厚度為0.8 m，土質(zhì)為砂性土，吹填時分2層吹填.工序完成后，必須要待到處理后地基的卸載要求滿足后才能進行深層處理.真空預壓地基處理平面分區(qū)，見圖1.

圖1 真空預壓地基處理平面分區(qū)圖

2.2 淺層真空預壓地基處理

2.2.1 沉降的時間相關(guān)性

沉降是一個時間相關(guān)性過程.下面以2區(qū)為例，在區(qū)域內(nèi)某點處豎向選取5個測點，淺層真空預壓期，對其地表沉降進行觀測，地表沉降與時間的關(guān)系見圖2.由圖2可見，不同深度測點的沉降隨時間增加.

圖2 2區(qū)沉降-時間曲線

2.2.2 孔隙水壓力的時間相關(guān)性

每4個排水板圍成的中心位置埋設(shè)1個孔隙水探測頭，探測頭的埋設(shè)深度為1，3 m，獲取加固過程中孔隙水壓力的時間相關(guān)性，孔隙水壓力與時間的關(guān)系見圖3.

圖3 2區(qū)孔隙水壓力-時間曲線

由圖3可見，淺層真空預壓時，區(qū)域內(nèi)孔隙水壓力與時間關(guān)系變化不明顯.

2.2.3 抗剪切強度的時間相關(guān)性

加固處理之前以及加固處理之后，進行十字板剪切試驗，比較加固效果.2區(qū)主要加固土層十字板抗剪強度由加固前0.6～5.7 kPa增加到加固后1.9～7.5 kPa見圖4.

圖4 Q2區(qū)剪切強度變化曲線

加固前后土層其他特性在此不一一列舉.

2.3 深層真空預壓地基處理

地基經(jīng)淺層處理后，區(qū)域地基土層為欠固結(jié)土.滿足要求后，進行深層處理.

2.3.1 沉降的時間相關(guān)性

進行深層處理時，2區(qū)插板沉降量為336 mm，監(jiān)測實測預壓期地表沉降量為1 824 mm， 2區(qū)總沉降為2 160 mm.實測數(shù)據(jù)見圖5.

圖5 2區(qū)沉降-時間關(guān)系曲線

由圖5可見，比較淺層真空預壓，深層真空預壓沉降隨時間變化更快，變化趨勢更加明顯.

2.3.2 孔隙水壓力的時間相關(guān)性

在真空預壓區(qū)中心點附近埋設(shè)1組孔隙水測頭，獲取加固過程中孔隙水壓力的時間相關(guān)性，孔隙水壓力與時間的關(guān)系見圖6.

圖6 2區(qū)孔隙水壓力變化曲線

由圖6可見，比較淺層真空預壓，深層真空預壓的孔隙水壓力消散更快.

2.3.3 抗剪切強度的時間相關(guān)性

2區(qū)主要加固土層十字板抗剪強度由加固前2.3～42.4 kPa增加到加固后19.4～58.2 kPa.加固前后十字板試驗結(jié)果見圖7.

圖7 2區(qū)加固前后十字板試驗成果

3 土體固結(jié)與地表沉降

土體的平均固結(jié)度是指在某一時刻t的土體固結(jié)沉降wct與土體最終的固結(jié)沉降wc的比值,通常用U表示.即

(13)

其中，任一時刻t的地基固結(jié)沉降wct可以求解邊值問題，獲得理論解，同時，可以進行現(xiàn)場測試，獲得試驗數(shù)據(jù)，進而，可以計算土體的理論平均固結(jié)度；另一方面，可以在實驗室進行土體固結(jié)系數(shù)的測定，并將二者進行比較.那么，土體固結(jié)計算就成為地表沉降wct與wc的獲取，任一時刻t的地基固結(jié)沉降wct可以是理論計算，也可以是且更傾向于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，而最終地表沉降wc可按下面分析獲取.

當固結(jié)完成后，孔隙水壓力消失，依終值定理，最終地表沉降可按彈性理論估計.

取地平面為oxy平面，z軸垂直向下，那么土體所受外力為向下的重力ρg和向上的浮力γg作用，還有作用在地表面堆載q作用，并假定較深z=H處完全約束.

假設(shè)堆載q作用是均勻分布的.對于大面積軟土的處理，可以假設(shè)

u=0,v=0,w=f(z)

從而，平衡方程簡化為

(14)

對z積分，有

代入本構(gòu)關(guān)系，

由(地表面)邊界條件

得到A，從而

又由深層(z=H處)邊界條件

得到B，從而有

則，豎向位移

取z=0，便可得到最終地表沉降

(15)

根據(jù)勘察資料，任選現(xiàn)場2，7，14幾個觀測區(qū)域，理論計算最終地表沉降wc，現(xiàn)場實測某一時刻t的地基固結(jié)沉降wct，進而計算土體的固結(jié)度.詳見表1.

可見，計算沉降與實測沉降基本吻合，而且，此時的土體并沒有完全固結(jié)，但可以進行地面施工了，此時的地基基礎(chǔ)已經(jīng)具備較大承載力.

表1 地表沉降與固結(jié)度計算

4 結(jié) 論

1) 適當選取土的計算參數(shù)，黏彈性理論可以很好地描述真空預壓地基處理工程中基礎(chǔ)沉降、孔隙水壓力和土層特性的時間相關(guān)性;

2) 理論分析和現(xiàn)場測試表明，二次真空預壓可以使沉降隨時間變化更快，孔隙水壓力消散更快，加速土體固結(jié);

3) 利用現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)計算土體固結(jié)及土體特性，更加接近工程實際.

[1]KJELLMAN W. Consolidtion of clay soil by means of atmospheric pressure[C]. Proc. Conference on Soil Stabilization, MIT, Boston,1952.

[2]陳遠洪,洪寶寧,龔道勇.真空預壓法對周圍環(huán)境影響的數(shù)值分析[J].巖土力學,2002,23(3):382-386.

[3]王劍平,夏玉斌.真空排水預壓法處理臺州路橋污水處理廠大型剛性混凝土構(gòu)筑物軟土地基[C].地基處理理論與實踐—第七屆全國地基處理學術(shù)討論會論文集,2002：38-44.

[4]劉興旺,謝康和,潘秋元,等.豎向排水井地基黏彈性固結(jié)解析理論[J].土木工程學報,1998(2):55-58.

[5]王瑞春,謝康和.半透水邊界的豎向排水井地基黏彈性固結(jié)分析[J].長江科學院院報,2001,18(6):33-36.

[6]劉加才,馬強.層狀黏彈性地基一維固結(jié)特性[J].土木建筑與環(huán)境工程,2012,34(3):34-38.

Viscoelistic Properties Research on Vacuum Preloading in Soft Soil Foundation Treatment

SHU Hongbo CHEN Zhijun LI Zhida

(WUTHigh-techCo.,LTD,Wuhan430063,China)

The foundation settlement, pore water pressure and soil characteristics of the vacuum preloading foundation treatment project have been discussed in this paper by means of the numerical calculation and field test. Firstly, the time correlation among the foundation settlement, pore water pressure and the soil characteristics in the vacuum preloading foundation treatment project has been described by using the theory of viscoelasticity, and the final settlement of the soil surface is estimated by using the final value theorem. Secondly, using the field testing data, the soil consolidation and the soil characteristics are discussed, the analyzed result shows that the secondary vacuum preloading can make the settlement changing faster over the time, the pore water pressure dissipates faster too, accelerating the soil consolidation.

viscoelasticity; vacuum preloading; consolidation

2016-09-12

TU433 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.033

舒紅波(1971- )：男，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域為高速公路監(jiān)理、檢測和科研