預(yù)壓固結(jié)法加固地基機(jī)理的模擬實(shí)驗(yàn)研究

閆澍旺，陶琳*，紀(jì)玉誠(chéng)

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津　300072）

預(yù)壓固結(jié)法加固地基機(jī)理的模擬實(shí)驗(yàn)研究

閆澍旺1，2，陶琳1，2*，紀(jì)玉誠(chéng)1，2

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072）

真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓和降水預(yù)壓是加固飽和軟土地基的常用方法。研制了一套模擬各種固結(jié)預(yù)壓方法機(jī)理的模型實(shí)驗(yàn)裝置，可以直觀地觀察各種預(yù)壓法加固過程中孔隙水應(yīng)力與地基土骨架應(yīng)力的相互轉(zhuǎn)換和傳遞過程，從而可以明確3種預(yù)壓方法的加固機(jī)理。該裝置還可以模擬這3種預(yù)壓法聯(lián)合作用的過程和效果，通過孔隙水應(yīng)力與地基土骨架應(yīng)力的轉(zhuǎn)化過程，可以明確預(yù)壓法聯(lián)合作用的機(jī)理。

預(yù)壓演示模型；堆載預(yù)壓；真空預(yù)壓；降水預(yù)壓；聯(lián)合預(yù)壓

0　引言

預(yù)壓固結(jié)法是提高飽和軟土地基承載力、減小工后變形的常用方法。預(yù)壓荷載可采用堆載、抽真空或降水等，相應(yīng)的固結(jié)方法分別稱為堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法和井點(diǎn)降水法。這些方法對(duì)各類軟弱土地基均有效。因其施工工藝簡(jiǎn)單，加固效果較好，所以預(yù)壓法是軟基加固最常采用的方法。

吳桂花等[1]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法加固不同深度的土體，認(rèn)為兩種方法均能使土體的物理力學(xué)性質(zhì)得到改善。周顯貴等[2]通過對(duì)井點(diǎn)排水方法的總結(jié)，闡明井點(diǎn)降水系統(tǒng)的布置、計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的選擇。王緒民等[3]根據(jù)有效應(yīng)力原理，從土體應(yīng)力路徑的角度研究堆載預(yù)壓與真空預(yù)壓加固軟土地基的機(jī)理。賈向新等[4]基于某真空井點(diǎn)降水綜合試驗(yàn)，提出了真空井點(diǎn)周圍真空及重力場(chǎng)耦合區(qū)、耦合場(chǎng)與重力場(chǎng)過渡區(qū)和重力場(chǎng)區(qū)3個(gè)區(qū)的概念。吉隨旺等[5]通過上海浦東某工程降水預(yù)壓試驗(yàn)的孔壓測(cè)試，分析降水預(yù)壓加固軟土地基原理及孔隙水壓力效應(yīng)。

本文研制了一套模擬不同固結(jié)加固飽和軟土地基方法的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置可對(duì)真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓以及井點(diǎn)降水的過程進(jìn)行演示，直觀地看到3種預(yù)壓法在加固土體過程中孔隙水壓力、土骨架應(yīng)力和土骨架變形三者的耦合關(guān)系。還可以對(duì)3種預(yù)壓法的聯(lián)合作用進(jìn)行模擬。本文通過實(shí)驗(yàn)，闡明3種不同預(yù)壓法的加固機(jī)理，并對(duì)3種預(yù)壓方法聯(lián)合作用的機(jī)理及加固效果進(jìn)行討論。

1　實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置

1）主體模型

模型原理圖如圖1所示。

圖1 模型原理圖Fig.1　The principle diagram of themodel

主體模型由6部分組成：①由有機(jī)玻璃制成的容器，內(nèi)徑30 cm，高100 cm，壁厚為1 cm，內(nèi)壁打磨光滑；②用來模擬土骨架受力和變形特性的彈簧，用不銹鋼鋼絲特制；③用來模擬土層的隔板，共分4層，由有機(jī)玻璃制成，厚1 cm，直徑30 cm，隔板側(cè)壁與容器側(cè)壁緊密接觸，但可以上下自由運(yùn)動(dòng)，類似于工作活塞，最上面的一層隔板起密封作用，中間引出抽氣管路，抽氣管為直徑10 mm的硬塑料管，其余3層隔板上均有若干直徑2 mm的小孔，用以模擬土層的滲透特性；④用蒸餾水將容器充滿，用來模擬土體中的孔隙水；⑤測(cè)壓管，用于測(cè)量各層的孔隙水壓力變化；⑥截水閥門，用于從裝置底部排水。

2） 附加裝置

①真空泵。模擬真空預(yù)壓時(shí)，用于向儲(chǔ)壓罐提供真空壓力。②儲(chǔ)壓罐。模擬真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)中，用于向模型提供穩(wěn)定的、大小可控的真空壓力，并收集由固結(jié)模型排出的水。罐內(nèi)壓力由點(diǎn)結(jié)點(diǎn)控制的真空表控制，當(dāng)罐內(nèi)真空壓力低于設(shè)定值時(shí)，點(diǎn)結(jié)點(diǎn)啟動(dòng)真空泵，補(bǔ)充罐內(nèi)壓力損失，以保證罐內(nèi)壓力穩(wěn)定于某一設(shè)定值范圍。在模擬堆載預(yù)壓實(shí)驗(yàn)中，用于抽出堆載過程中排出的水。③砝碼。在模擬堆載預(yù)壓實(shí)驗(yàn)中，用于向固結(jié)模型提供預(yù)壓荷載。

主體模型及附加裝置如圖2所示。

圖2　主體模型及附加裝置Fig.2　Them ainmodeland additional devices

2　實(shí)驗(yàn)方法及步驟

2.1堆載預(yù)壓實(shí)驗(yàn)

堆載預(yù)壓實(shí)驗(yàn)中，采用三層圓板-彈簧系統(tǒng)，以2 kg砝碼作為外加預(yù)壓荷載，以圓板上的透水孔為排水通道，排出的水從上部抽出，采用一次性加荷方式，當(dāng)圓板-彈簧系統(tǒng)沉降穩(wěn)定后即停止實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）在模型容器中注滿水，使隔板、彈簧和孔隙水處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，記錄各個(gè)隔板的初始位置和測(cè)壓管水頭（簡(jiǎn)稱注水）；2）在頂層圓板中間放置砝碼，使外加荷載壓力傳遞到模型中；3）打開儲(chǔ)壓罐閥門，將裝置頂部排出的水抽出；4）記錄不同時(shí)刻各個(gè)隔板位置以及測(cè)壓管的讀數(shù)（簡(jiǎn)稱記錄）。

2.2真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)

真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)中，采用三層圓板-彈簧系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)過程中需要1臺(tái)真空泵以及1個(gè)儲(chǔ)壓罐，用軟管將真空泵和儲(chǔ)壓罐一側(cè)閥門連接，同時(shí)使儲(chǔ)壓罐的另一側(cè)閥門與模型頂層圓板上的抽氣管路相連接。實(shí)驗(yàn)過程中，使真空壓力保持為-50 kPa，當(dāng)頂層圓板與水面分離時(shí)，即結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）開啟真空泵，使儲(chǔ)壓罐內(nèi)的真空壓力保持在設(shè)定值；2）注水；3）打開模型與儲(chǔ)壓罐連接管路的閥門，使真空壓力傳遞到模型中，并且將排出的孔隙水輸送到儲(chǔ)壓罐中；4）記錄。

2.3井點(diǎn)降水實(shí)驗(yàn)

井點(diǎn)降水實(shí)驗(yàn)中，采用三層圓板-彈簧系統(tǒng)，以模型底部的閥門為排水通道，以外界大氣模擬不斷抽水的降水井，以閥門開度模擬土體的滲透性。實(shí)驗(yàn)過程中，閥門開度始終保持為30°，當(dāng)頂層圓板與水面分離時(shí)即停止實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）注水；2）打開模型底部閥門開始降水，閥門開度為30°；3）記錄。

2.4堆載-井點(diǎn)聯(lián)合預(yù)壓實(shí)驗(yàn)

堆載-井點(diǎn)聯(lián)合預(yù)壓實(shí)驗(yàn)中，采用下部三層圓板-彈簧系統(tǒng)，以2 kg砝碼作為外加預(yù)壓荷載，以圓板上的透水孔為排水通道，排出的水從上部抽出，采用一次性加荷方式，同時(shí)以模型底部的閥門為降水預(yù)壓的排水通道，以外界大氣模擬不斷抽水的降水井，以閥門開度模擬土體的滲透性。閥門開度保持為30°，當(dāng)頂層圓板與水面分離時(shí)即停止實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）注水；2）在頂層圓板中間放置砝碼，使外加荷載壓力傳遞到模型中，與此同時(shí)打開模型底部閥門，進(jìn)行降水，閥門開度為30°；3）使儲(chǔ)壓罐內(nèi)保持一定負(fù)壓，實(shí)驗(yàn)過程中打開儲(chǔ)壓罐閥門，將裝置頂部排出的水抽出；4）記錄。

2.5真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓實(shí)驗(yàn)

真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓實(shí)驗(yàn)中，采用三層圓板-彈簧系統(tǒng)，以2 kg砝碼作為堆載預(yù)壓荷載，以圓板上的透水孔為排水通道，采用一次性加荷方式，同時(shí)在裝置頂部抽負(fù)壓，使真空壓力保持在-50 kPa。當(dāng)頂層圓板與水面分離時(shí)即停止實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）開啟真空泵，使儲(chǔ)壓罐內(nèi)真空壓力保持在設(shè)定值；2）注水；3）打開模型與儲(chǔ)壓罐連接管路的閥門，使真空壓力傳遞到模型中，并將排出的孔隙水輸送到儲(chǔ)壓罐中，與此同時(shí)在頂層圓板頂部加放砝碼；4）記錄。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1堆載預(yù)壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

堆載預(yù)壓實(shí)驗(yàn)過程中，每隔5 s對(duì)測(cè)壓管的讀數(shù)進(jìn)行1次記錄，根據(jù)所得數(shù)據(jù)可以繪制出3支測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線即圖3，測(cè)壓管編號(hào)從左到右依次為1、2、3，1號(hào)測(cè)壓管對(duì)應(yīng)裝置最底層孔隙水壓力，3號(hào)測(cè)壓管對(duì)應(yīng)裝置的最上層的孔隙水壓力。

圖3　堆載預(yù)壓情況下測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.3　In the case of stack preloading,the curve ofpiezometric tube readings changewith time

由圖3可以看出，在加載瞬間3支測(cè)壓管讀數(shù)會(huì)瞬時(shí)增加，達(dá)到同一峰值，隨后測(cè)壓管讀數(shù)開始逐漸減小，3號(hào)測(cè)壓管減小的速率最快，2號(hào)測(cè)壓管次之，而1號(hào)測(cè)壓管讀數(shù)下降最為緩慢。這說明在加載瞬間，模型中的彈簧來不及變形，外界壓力全部由孔隙水承擔(dān)，產(chǎn)生超孔隙水壓力，且不同深度的超孔隙水壓力大小相等。而隨著孔隙水從圓板上的透水孔逐漸排出，超孔隙水壓力逐漸消散，外界壓力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓮椈珊涂紫端餐袚?dān)。3號(hào)測(cè)壓管讀數(shù)下降最快，1號(hào)測(cè)壓管讀數(shù)下降最慢，這是由于排水通道位于模型頂部，使得上層超孔隙水壓力最先消散，底層超孔隙水壓力最后消散。根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，堆載預(yù)壓過程中，在總應(yīng)力不變的情況下，隨著孔隙水壓力的消散，有效應(yīng)力會(huì)逐漸增加，使土體達(dá)到加固的效果。因?yàn)樯蠈涌紫端畨毫ψ钕认ⅲ陨蠈油習(xí)钕缺患庸獭?/p>

3.2真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)開始后每隔10 s記錄1次測(cè)壓管讀數(shù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)可以繪制出測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線，如圖4所示。

圖4為3只測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，由圖可以看出，實(shí)驗(yàn)開始后，隨著模型中的水被抽出，各個(gè)測(cè)壓管的讀數(shù)不斷下降，而3號(hào)測(cè)壓管的讀數(shù)下降的較快，且一直低于其他測(cè)壓管，2號(hào)測(cè)壓管次之，1號(hào)測(cè)壓管讀數(shù)下降相對(duì)比較緩慢。這說明裝置最上層的真空壓力最大，在向下傳遞的過程中依次遞減。由于測(cè)壓管讀數(shù)代表孔隙水壓力的大小，可知裝置上層的孔隙水壓力減小的速率大于裝置下層的孔隙水應(yīng)力減小的速率，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，在真空預(yù)壓的情況下，在總應(yīng)力不變的情況下，上層土體的孔隙水應(yīng)力減小的最快，有效應(yīng)力增加的最快，即上層土體最先被加固。

圖4　真空預(yù)壓情況下測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.4　In the case of vacuum p reloading,the curve of piezometric tube readings changew ith time

3.3降水預(yù)壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

降水預(yù)壓實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)開始后每隔10 s記錄1次測(cè)壓管讀數(shù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，可以繪制出測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。

圖5　降水預(yù)壓情況下測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.5　In the case of p recip itation preloading,the curveof piezometric tube readingschangew ith time

由曲線可以看出，當(dāng)?shù)撞块y門打開后，3支測(cè)壓管的讀數(shù)都開始下降，且1號(hào)測(cè)壓管的讀數(shù)下降最快，2號(hào)次之，3號(hào)測(cè)壓管讀數(shù)下降的最慢。測(cè)壓管的這種變化趨勢(shì)恰好與真空預(yù)壓相反。這說明裝置底部產(chǎn)生了真空壓力，且真空壓力隨著高度的增加而逐漸減小。在真空壓力作用下，裝置底部孔隙水應(yīng)力減小的最快，裝置頂部孔隙水應(yīng)力減小的最慢。根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，裝置底部的有效應(yīng)力增加的最快，越往上有效應(yīng)力增加的越慢。此理論不考慮由于地下水位下降使得上部土體重度由浮重度變?yōu)樘烊恢囟?，從而?dǎo)致下部土體有效壓力增大得到加固這一部分機(jī)理。

3.4堆載-井點(diǎn)聯(lián)合預(yù)壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

堆載-井點(diǎn)聯(lián)合預(yù)壓實(shí)驗(yàn)過程中，每隔10 s對(duì)測(cè)壓管讀數(shù)進(jìn)行1次記錄，根據(jù)所得數(shù)據(jù)可以繪制出測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線，如圖6所示。

圖6　堆載-井點(diǎn)聯(lián)合預(yù)壓測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.6　In the case of stack-precipitation preloading,the curve of piezometric tube readings change with tim e

由圖6可以看出，在開始實(shí)驗(yàn)后，3支測(cè)壓管讀數(shù)達(dá)到同一峰值隨后開始下降，最初3號(hào)測(cè)壓管讀數(shù)下降最快，1號(hào)次之，2號(hào)最慢，而隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行3號(hào)測(cè)壓管的下降速率開始變緩，逐漸小于1、2號(hào)測(cè)壓管，且與1、2號(hào)測(cè)壓管分別產(chǎn)生一個(gè)交點(diǎn)。測(cè)壓管的這種變化趨勢(shì)說明，在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，堆載的作用大于井點(diǎn)降水的作用，使得上層的孔隙水壓力最先消散，所以3號(hào)測(cè)壓管讀數(shù)最先下降，而隨著上層孔隙水應(yīng)力的消散，3號(hào)測(cè)壓管的下降速率逐漸減小，井點(diǎn)降水的作用占據(jù)了主導(dǎo)地位，使得1、2號(hào)測(cè)壓管的讀數(shù)持續(xù)下降，逐漸超越了3號(hào)測(cè)壓管，也即下層的孔隙水應(yīng)力不斷降低，逐漸小于上層的孔隙水應(yīng)力。所以在堆載-井點(diǎn)降水聯(lián)合作用的情況下，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，開始時(shí)堆載預(yù)壓起主要作用，隨著時(shí)間的推移井點(diǎn)降水開始占據(jù)主導(dǎo)作用，使得下層的孔隙水應(yīng)力持續(xù)下降，從而增加了有效應(yīng)力，這就是堆載-井點(diǎn)降水聯(lián)合作用的機(jī)理。聯(lián)合作用使得上下層土體的孔隙水應(yīng)力同時(shí)消散，大大縮短了加固的時(shí)間。

3.5真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓實(shí)驗(yàn)過程中，每隔20 s對(duì)測(cè)壓管讀數(shù)進(jìn)行1次記錄，根據(jù)所得數(shù)據(jù)可以繪制出測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線，如圖7所示。

圖7為3支測(cè)壓管讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線，由圖可以看出，在開始實(shí)驗(yàn)后，3支測(cè)壓管讀數(shù)達(dá)到同一峰值隨后開始下降，最初3號(hào)測(cè)壓管讀數(shù)下降最快，2號(hào)次之，1號(hào)最慢，在60 s左右時(shí)，3號(hào)測(cè)壓管讀數(shù)的下降趨勢(shì)開始變緩，在80 s左右時(shí)，1、2號(hào)測(cè)壓管讀數(shù)的下降趨勢(shì)開始變緩，3支測(cè)壓管讀數(shù)幾乎要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這一階段測(cè)壓管讀數(shù)的變化趨勢(shì)類似于堆載預(yù)壓。此后3支測(cè)壓管的讀數(shù)變化趨勢(shì)與真空預(yù)壓相同。測(cè)壓管讀數(shù)的這種變化趨勢(shì)說明，在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，堆載預(yù)壓起主要作用，使得3支測(cè)壓管讀數(shù)的變化趨勢(shì)與堆載預(yù)壓相似，當(dāng)3支測(cè)壓管讀數(shù)快要達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，表明堆載預(yù)壓引起的超孔隙水壓力已經(jīng)消散完成，此后真空預(yù)壓起主要作用，所以測(cè)壓管讀數(shù)的變化趨勢(shì)與真空預(yù)壓一樣。

4　結(jié)語(yǔ)

1）此套模型能夠模擬各種固結(jié)預(yù)壓方法機(jī)理，且模型實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性、實(shí)驗(yàn)條件易于控制和改變等優(yōu)點(diǎn)。

2）堆載預(yù)壓實(shí)驗(yàn)闡明了堆載預(yù)壓加固地基的機(jī)理，即外加荷載施加瞬間會(huì)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，隨著超孔隙水壓力的消散，有效應(yīng)力逐漸增加，使得土體被加固。

3）真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)解釋了真空預(yù)壓加固地基的機(jī)理，即隨著抽真空的進(jìn)行，真空壓力逐漸作用在裝置頂部并逐漸向下傳遞，隨著真空壓力的增加孔隙水應(yīng)力逐漸減小，使得有效應(yīng)力逐漸增加，從而達(dá)到加固土體的效果。

4）降水預(yù)壓實(shí)驗(yàn)解釋了降水預(yù)壓加固地基的機(jī)理，即隨著孔隙水的排出，在裝置底部逐漸產(chǎn)生負(fù)壓，并逐漸向上層土體傳遞。隨著負(fù)壓的不斷增加孔隙水應(yīng)力逐漸減小，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，有效應(yīng)力會(huì)漸逐增加，使得土體被加固。

5）堆載-井點(diǎn)聯(lián)合預(yù)壓法的機(jī)理結(jié)合了堆載預(yù)壓和降水預(yù)壓的機(jī)理，即堆載預(yù)壓和降水預(yù)壓同時(shí)起作用，加快了土體的固結(jié)。

6）真空-堆載聯(lián)合作用的機(jī)理為，開始時(shí)遵循堆載預(yù)壓的加固機(jī)理，在堆載預(yù)壓引起的超孔隙水壓力消散后，開始遵循真空預(yù)壓的加固機(jī)理。

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Simulation experiment on themechanism of preloading consolidation m ethod to reinforce foundation

YANShu-wang1,2,TAO Lin1,2*,JIYu-cheng1,2
（1.State Key Laboratory ofHydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Schoolof CivilEngineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

The vacuum preloading,stack preloading and precipitation preloading are the commonly used methods to reinforce saturated soft soil foundation.We developed a set of test apparatus for simulating various consolidation preloadingmethods' mechanism,which can intuitively observe the mutual conversion and transfer process of pore water and the foundation soil skeleton stress,consequently can clear the reinforced mechanism of three kinds of preloadingmethod.The device also can simulate the process and effects of the combined action of three preloadingmethods.Through the transformation of the pore water stressand the soil skeleton stress,we clearly defined themechanism of the combined action of the preloadingmethods.

preloading demonstrationmodel;stack preloading;vacuum preloading;precipitation preloading;joint preloading

U655.544.4

A

2095-7874（2016）10-0031-05

10.7640/zggw js201610007

2016-06-14

2016-08-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41272323）

閆澍旺（1950— ），男，天津市人，教授，博士生導(dǎo)師，主

要從事軟弱地基處理方面研究。

陶琳，E-mail：851597751@qq.com