真空預(yù)壓強度增長計算方法研究

史 鵬 程

(寧波交通投資控股有限公司，浙江 寧波 315042)

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真空預(yù)壓強度增長計算方法研究

史 鵬 程

(寧波交通投資控股有限公司，浙江 寧波 315042)

介紹了真空預(yù)壓下土體強度的付天宇公式中的不足及修正方法，并對麥遠(yuǎn)儉公式進行了修正，添加了一個修正系數(shù)ξ來綜合考慮各方面的因素，同時結(jié)合工程實例進行分析，得出考慮各種因素影響的修正系數(shù)ξ平均為1.047，而按規(guī)范計算后的修正系數(shù)η平均為1.298。

真空預(yù)壓，土體強度，修正系數(shù)

0 引言

現(xiàn)行的規(guī)范[5，6]中一般都使用有效固結(jié)應(yīng)力法計算真空預(yù)壓下的土體強度增長量，如《港口工程地基規(guī)范》[5]先是堆載預(yù)壓下土體強度增長計算方法，然后間接地指出真空預(yù)壓的膜下真空荷載可以等效為相同荷載下的堆載預(yù)壓，計算公式可采用堆載預(yù)壓下的強度增長計算公式。雖然堆載預(yù)壓和相同荷載下的真空預(yù)壓處理軟土地基的效果相似，但是，堆載預(yù)壓畢竟是K0固結(jié)，堆載過程中會發(fā)生剪切蠕變，而真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓加固機理有本質(zhì)區(qū)別，真空預(yù)壓加固地基是各向等壓固結(jié)，也就是說真空預(yù)壓加固過程中不會發(fā)生剪切破壞。所以如果不結(jié)合它們各自的機理進行分析，找出它們的異同，而把真空預(yù)壓用簡單的荷載等效的方法來計算土體強度增長是不太合理的，其計算的結(jié)果往往與實際工程發(fā)生不可避免的偏差，當(dāng)然理論上計算結(jié)果是偏小的，大量的實際工程中的實測數(shù)據(jù)也顯示真空預(yù)壓下的土體強度增長值的計算結(jié)果是偏小的。

飽和軟粘土中存在有效應(yīng)力—含水量—剪切強度之間的唯一關(guān)系，Henkel[7]對威爾特和倫敦兩種重塑粘土的試驗研究成果證實飽和軟粘土中存在這種關(guān)系。也就是說不管通過什么樣的方式施加荷載，只要軟土被預(yù)壓固結(jié)到同一含水量的狀態(tài)，它們的剪切強度是一致的，剪切破壞勢莫爾應(yīng)力圓也是一樣的。而等量的真空荷載和堆載荷載加固同一土體引起的土的含水率的變化明顯是不可能一樣的，進而它們的抗剪強度也是不一樣的，所以要分別對其進行分析。

綜上所述，簡單的套用規(guī)范計算真空預(yù)壓下土的抗剪強度是不盡合理的，所以本文從以下兩種方法著手，找出更為合理的強度增長計算方法。

1 真空預(yù)壓下土體強度的付天宇計算公式修正

付天宇[8]對真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓法的應(yīng)力進行圖解，得出兩種方法加固土體強度的增長差值，再利用已有的堆載預(yù)壓下的土體強度增長公式，間接推算出真空預(yù)壓法下土體的強度增長公式。分析簡圖見圖1。

(1)

利用已有的堆載預(yù)壓強度增長公式和兩種方法的強度差值，可計算出真空預(yù)壓后的抗剪強度公式：

τft=τf0+Δτft+Δτ差=

(2)

其中，K0在0.3～0.4范圍內(nèi)選取。

此種方法有不妥之處：1)莫爾圓中抗剪強度用與強度包線相互垂直的半徑和強度包線的交點的縱坐標(biāo)表示更為合理；2)把φ′等同于φcu，從而使公式合并簡化不盡合理；3)沒考慮堆載預(yù)壓的蠕變效應(yīng)，即沒有對堆載預(yù)壓強度公式進行折減。

本文針對以上不足，稍作改進，莫爾應(yīng)力圓圖解如下：

由圖2可以看出，當(dāng)堆載預(yù)壓的土體達到剪切破壞時，真空預(yù)壓下的土體由于處在等向荷載的條件下，不發(fā)生剪切變形和破壞。在卸載之后，兩種預(yù)壓后的土體都處于超固結(jié)狀態(tài)，真空預(yù)壓加固的土體達到剪切破壞狀態(tài)依然比堆載預(yù)壓要困難。用圖中τf堆表示堆載預(yù)壓加固的土體抗剪強度，τf真近似的表示真空預(yù)壓加固的土體強度。由圖中幾何關(guān)系可以得到兩種預(yù)壓土體強度增長的差值：

Δτ差=τf真-τf堆=

(3)

按照此種方法推導(dǎo)土體強度增長差值比較接近真實情況的原因在于，當(dāng)對加固后的土體進行三軸固結(jié)不排水試驗時，堆載預(yù)壓下加固后的土體達到圖2中所示的B圓的應(yīng)力狀態(tài)后破壞，其剪切強度為圖2中所示的τf堆。而真空預(yù)壓下加固后的土體達到B圓應(yīng)力狀態(tài)后還未破壞，需要繼續(xù)增加豎向應(yīng)力，直到土體破壞，此破壞時的應(yīng)力圓在B圓的右邊，其抗剪強度很接近于圖2中的τf真。因此，抗剪強度的差值比較接近真實情況。

又根據(jù)有效固結(jié)應(yīng)力法：

Δτft=Δσ1Uttanφcu

(4)

利用已有的堆載預(yù)壓工程，考慮它們之間的差值，得出真空預(yù)壓后的土體強度公式：

τft=η(τf0+Δτft)+Δτ差=

(5)

其中，τf0為天然地基強度；Ut為土體固結(jié)度；φcu為三軸不排水試驗下的土的內(nèi)摩擦角。其中K0在0.5～0.8范圍內(nèi)選取。

2 真空預(yù)壓下土體強度的麥遠(yuǎn)儉計算公式修正

麥遠(yuǎn)儉[9]從Henkel[7]的含水率—抗剪強度對應(yīng)關(guān)系出發(fā)，并用等效固結(jié)應(yīng)力計算兩種排水預(yù)壓法下的土的抗剪強度增長值，這樣就把真空預(yù)壓的等向固結(jié)和堆載預(yù)壓K0固結(jié)應(yīng)力聯(lián)系在一起，使得兩種排水預(yù)壓方法的固結(jié)應(yīng)力可以在相同含水率—抗剪強度的條件下通過某種特定關(guān)系進行轉(zhuǎn)換。麥遠(yuǎn)儉利用前人的研究成果和對真空預(yù)壓應(yīng)力深刻的理論闡釋，通過對兩種方法不排水強度的等效轉(zhuǎn)換關(guān)系圖解分析得出抗剪強度計算式如下：

(6)

由于各個地區(qū)地質(zhì)環(huán)境的不同以及施工過程中真空排水系統(tǒng)，密封系統(tǒng)等不可避免的缺陷，再考慮到數(shù)據(jù)采集儀器誤差和人為誤差，建議采取一個修正系數(shù)ξ來綜合考慮真空預(yù)壓地基處理實際工程中各種因素的影響。

τfv=ξ(τf0+Δτcv)=ξ[τf0+(1+sinφcu)ΔσcUttanφcu]

(7)

由上可見，麥遠(yuǎn)儉的修正式中用的土的力學(xué)參數(shù)只有固結(jié)不排水內(nèi)摩擦角φcu，而后付天宇的修正式除了要用到φcu，還需要土的有效內(nèi)摩擦角，顯然麥遠(yuǎn)儉的修正式計算方法更為簡便。本文主要對麥遠(yuǎn)儉修正式進行工程實例分析。

3 工程實例

青島河?xùn)|路東延長線地基處理工程，西起自紅島連接線與河?xùn)|路交叉點，往東設(shè)羊毛溝大橋跨越羊毛溝，繼續(xù)向東展線，設(shè)墨水河大橋跨越墨水河，與空港工業(yè)區(qū)西環(huán)路平交后，接入金剛山路，到達路線終點，全長2.463 km。路線整體由西向東，呈西東走勢。

本工程沿線通過淤泥質(zhì)軟土區(qū)域，由于淤泥質(zhì)粘土的工程性質(zhì)，無法滿足工后沉降要求，要對地基進行處理，同時為確保工程質(zhì)量和安全，評價地基加固效果，在施工過程中還應(yīng)對加固區(qū)域進行現(xiàn)場監(jiān)測。

3.1 工程地質(zhì)條件

選取本工程真空預(yù)壓處理地段一區(qū)K0+442～K0+865和二區(qū)K0+865～K1+295進行分析研究。

根據(jù)現(xiàn)場勘察，河?xùn)|路東延長線各區(qū)地質(zhì)情況如下：

一區(qū)：0 m～7.3 m，①淤泥質(zhì)亞粘土：灰色，流～軟塑，韌性差，含腐殖質(zhì)，鉆孔有縮頸現(xiàn)象，干縮性強，有臭味，底部夾淤泥質(zhì)粉砂薄層。7.3 m～8.1 m，②亞粘土：灰黃色，可塑。

二區(qū)：0 m～8.0 m，①淤泥質(zhì)亞粘土：灰色，流～軟塑，韌性差，含腐殖質(zhì)，鉆孔有縮頸現(xiàn)象，干縮性強，有臭味，底部夾淤泥質(zhì)粉砂薄層。8.0 m～10.0 m，②亞粘土：灰黃色，可塑。

各軟土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 軟土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.2 土體抗剪強度增長計算

利用本文對麥遠(yuǎn)儉土體抗剪強度增長計算公式的修正式，各加固區(qū)土體強度增長計算結(jié)果如表2所示。

表2 各加固區(qū)真空預(yù)壓土體強度增長計算結(jié)果

4 結(jié)語

1)真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓雖說加固效果類似，但是盲目地去套規(guī)范會使計算值比實際值小。把真空荷載進行等效轉(zhuǎn)換，使其更符合實際情況，找出真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓土的抗剪強度之間的差值，然后利用現(xiàn)有的堆載預(yù)壓的強度公式，推算出真空預(yù)壓的強度公式，這樣就可以很好的預(yù)估真空預(yù)壓后的土體強度增長，使得推算的土體強度更加接近于土體的實測強度，本文在此基礎(chǔ)上對付天宇公式和麥遠(yuǎn)儉公式進行修正，修正式更合理。

2)考慮各種因素影響的修正系數(shù)ξ平均為1.047，而按規(guī)范計算后的修正系數(shù)η平均為1.298，并且后者的變化幅度比較大。當(dāng)然對于不同區(qū)域不同工程，該系數(shù)還需進一步總結(jié)分析。

3)麥遠(yuǎn)儉提出的強度增長公式簡單易用，且通過實驗獲取土的三軸固結(jié)不排水強度指標(biāo)即可。后付天宇方法還需獲取有效應(yīng)力指標(biāo)，且公式略顯繁瑣，如果數(shù)據(jù)量足夠，建議用兩種方法分別計算出相應(yīng)的土的抗剪強度，并進行比較，這樣估計的結(jié)果才更為可靠。

[1] 曾國熙.φ=0分析法——一種對于飽和粘性土值得推廣應(yīng)用的方法[J].地基處理,2001,12(3):9-11.

[2] 趙令煒,沈珠江.排水砂井預(yù)壓法的理論和實踐研究報告[R].南京：南京水利科學(xué)研究所,1963.

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[4] 沈珠江.基于有效固結(jié)應(yīng)力理論的粘土土壓力公式[J].巖土工程學(xué)報,2002,22(3):353-356.

[5] JTS 147—1—2010，港口工程地基規(guī)范[S].

[6] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[7] D.J.Henkel.the Shear Strength of Saturated Remolded Clays,Proc.,Research Conference on Shear Strength of Cohesive Soils,Colorado,1960.

[8] 付天宇.真空預(yù)壓下地基抗剪強度計算的研究[J].巖土工程界，2006(1)：3-5.

[9] 麥遠(yuǎn)儉.真空預(yù)壓加固中軟粘土不排水剪切強度的增長[J].水運工程,1998(12):53-57.

Research on growth calculation method of vacuum preloading strength

Shi Pengcheng

(NingboTrafficInvestmentHoldingLimitedCompany,Ningbo315042,China)

This paper introduced the deficiency and correction method of vacuum preloading soil strength of Fu Tianyu formula, and revised the Mai Yuanjian formula, add a correction factorξto consider various factors, at the same time combining with the engineering example made analysis, gained the average correction coefficientξwas 1.047 considering various influence factors, and the average correction coefficientηwas 1.298 in accordance with the specification after calculation.

vacuum preloading, soil strength, correction coefficient

1009-6825(2016)20-0065-03

2016-05-04

史鵬程(1983- )，男，碩士，工程師

TU432

A