不同超載比真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理吹填土效果及對(duì)周?chē)h(huán)境的影響

曾芳金，王 碧，符洪濤，周玉霜

(1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西省巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，贛州 341000；2.溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省海涂圍墾及其生態(tài)保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心，溫州 325035)

真空預(yù)壓法的概念從20世紀(jì)60年代引入中國(guó)以來(lái)，學(xué)術(shù)界就對(duì)此方法就進(jìn)行了不斷的探索和研究[1-3]，同時(shí)，在工程建設(shè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)軟基處理的評(píng)價(jià)指標(biāo)一般以力學(xué)性質(zhì)[4-5]來(lái)衡量，而對(duì)地基處理的變形特征研究的較少，如劉曉敏等[6]根據(jù)某道路軟基處理的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用分層總和法計(jì)算沉降、有限元數(shù)值分析法對(duì)沉降分析提出較適合該地區(qū)特點(diǎn)的沉降修正系數(shù)。加固后的地表沉降呈鍋底形的不均勻沉降，當(dāng)這種不均勻性沉降比較大時(shí)對(duì)日后的建筑是不利的，尤其是軟土地基。

對(duì)于大面積軟土地基加固，沉降不均勻的情況時(shí)有發(fā)生，當(dāng)這種不均勻性沉降比較大時(shí)對(duì)日后的建筑是不利的。除了不均勻沉降，側(cè)向位移也應(yīng)予以重視[7]，當(dāng)側(cè)向位移過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)周?chē)慕ㄖa(chǎn)生不利影響，如上海景苑小區(qū)某樓由于一側(cè)堆土過(guò)高導(dǎo)致壓力差過(guò)大，過(guò)大的水平力超過(guò)了樁基的抗側(cè)能力，由此而產(chǎn)生水平位移,導(dǎo)致大樓整體傾覆[8]，因此,在真空預(yù)壓聯(lián)合堆載處理吹填土地基時(shí)，土體側(cè)向位移的大小和變化規(guī)律對(duì)周?chē)h(huán)境的影響不容忽視。

真空預(yù)壓法在處理軟土?xí)r由于不會(huì)因側(cè)向擠出變形而破壞得到廣泛應(yīng)用[9-10]；而真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法憑借其加固效果更多的應(yīng)用于吹填土加固中。然而，在加固過(guò)程中，影響土體水平位移的因素有很多，其中最主要的因素就是分級(jí)加載和加荷速率，尹敬澤等[11-12]對(duì)加荷速率進(jìn)行了一系列的研究，得出合適的堆載速率既可以保證處理效果和施工進(jìn)度，又可以對(duì)周?chē)h(huán)境造成較小的影響。

真空壓力為各向同性的吸力，土體由于吸力而產(chǎn)生向內(nèi)的水平位移，堆載壓力會(huì)造成土體向外的水平位移，當(dāng)真空堆載聯(lián)合處理軟土?xí)r，二者產(chǎn)生的水平位移互相抵消，從而減少了土體的側(cè)向位移。對(duì)于土體的側(cè)向位移，兩種方式的變形機(jī)理的綜合，決定了土體的側(cè)向變形。專(zhuān)家提出堆載、真空荷載的配合比[13]，決定了土體的側(cè)向變形方式。主要設(shè)計(jì)了三種不同超載比下真空聯(lián)合堆載的室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)真空-堆載聯(lián)合作用下土體側(cè)向收縮變形特性進(jìn)行研究，探求最合適的超載比方案。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自溫州洞頭區(qū)灘涂淤泥現(xiàn)場(chǎng)，其具體的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表 1試驗(yàn)土樣基本物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯善矫驿摪?、角鋼、鋼筋焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)，該箱體尺寸為2 m×2 m×1 m，箱體兩側(cè)面為安裝土體水平位移裝置而預(yù)留有不同高度的孔洞，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

如圖2所示為試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的平面圖和立面圖，該模型由真空系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、堆載系統(tǒng)及水平測(cè)量系統(tǒng)組成?？芍緦?shí)驗(yàn)處理區(qū)域?yàn)槟Ｐ拖渲行? m×1 m×1 m區(qū)域，因此密封范圍、抽真空范圍及堆載作用面均為中央土體；在密封區(qū)域外則布置水平測(cè)量裝置，由六個(gè)不同高度的橫向管插入預(yù)留孔洞作為測(cè)點(diǎn)組成。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖浣Y(jié)構(gòu)

1.3 試驗(yàn)方案

主要對(duì)真空-堆載聯(lián)合作用下土體側(cè)向收縮變形特性進(jìn)行研究，設(shè)置了三組模型箱進(jìn)行對(duì)比分析(表2)。保持真空度為80 kPa的條件下，從堆載方式著手，分別設(shè)計(jì)超載比(堆載壓力和真空壓力之比)為0.25、0.375、0.5的三組堆載方案，試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為80 d，堆載速率為5 kPa·d-1。加固效果的監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖3所示，均勻布置在處理區(qū)內(nèi)直角邊(90°)和對(duì)邊(45°)方向距排水板每10 cm處，每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿深度方向每15 cm處取樣。

表2 試驗(yàn)方案

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土體表層沉降的分析

試驗(yàn)組T1、T2、T3處理區(qū)內(nèi)土體的沉降-時(shí)間曲線如圖4所示。由曲線可知各模型箱處理區(qū)內(nèi)、外土體沉降大致經(jīng)歷了快速變形、變形趨穩(wěn)、卸荷回彈三個(gè)階段。

圖4 土體沉降與時(shí)間的關(guān)系

(1)抽真空初期為土體的快速變形階段，此時(shí)期土體以大概1 cm·d-1的速率持續(xù)沉降，這是由于抽真空促使土體顆粒內(nèi)的水、氣迅速排出，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生“被動(dòng)”調(diào)整組合；同時(shí)，土體還發(fā)生自重沉降，在600 h時(shí)開(kāi)始堆載，由于在真空與堆載的聯(lián)合作用下，土體有效應(yīng)力相互疊加，土體維持快速沉降，此階段三組試驗(yàn)的平均累計(jì)沉降占卸載時(shí)刻變形量的75%左右。

(2)隨著土體的主固結(jié)的完成，變形曲線開(kāi)始趨于平緩，土顆粒之間在受到真空、堆載聯(lián)合的作用下的更加密實(shí)，三組模型箱土體的最終沉降分別為22.3、24.5、26.2 cm，可見(jiàn)最終沉降量隨著超載比的增大而增加，由T1到T2再到T3增大的幅度分別為9%、7%。

(3)到試驗(yàn)進(jìn)行70 d后開(kāi)始停泵卸載，卸載后持續(xù)觀測(cè)并記錄回彈值，隨著超載比的增大，T1、T2、T3回彈量分別為0.16、0.23、0.35 cm，可見(jiàn)隨著超載比的增大回彈量呈增大的趨勢(shì)。

對(duì)于處理區(qū)外土體，由于在試驗(yàn)過(guò)程中僅只受到真空吸力和堆載產(chǎn)生的側(cè)向擠出的水平作用以及微小的自重沉降，因此處理區(qū)外土體沉降整體上要低于處理區(qū)內(nèi)土體沉降，T1、T2、T3三組試驗(yàn)的最終沉降量分別為12.7、11.8、8.2 cm?？梢?jiàn)超載比的增大有利于減少處理區(qū)外土體的沉降，降低對(duì)周?chē)馏w的環(huán)境影響。

2.2 真空度分析

采用的真空泵為聚丙烯臥式水噴射真空機(jī)組，可以為土體提供較好的真空度，由圖5曲線可以看出，三組試驗(yàn)的密封性比較好；在排水板的豎直方向真空度隨著深度的增加而降低，而三組試驗(yàn)土體的相同深度處真空度大小相差不多，這也保證了在各模型箱真空吸力相同的前提下對(duì)堆載產(chǎn)生的效果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 真空度與時(shí)間的關(guān)系

2.3 孔壓分析

孔壓計(jì)布置在排水板內(nèi)30、60 cm深度處，通過(guò)孔壓讀數(shù)儀測(cè)定，并繪制如圖6所示曲線。由圖可知，各模型箱土體在純真空階段孔隙水壓力消散較快，此時(shí)的土體內(nèi)游離著大量的自由水，真空泵開(kāi)啟后，自由水在滲流場(chǎng)的作用下易排出，在30 cm處的消散速率為2 kPa·d-1，在60 cm深度處的消散速率為1.5 kPa·d-1；在進(jìn)行堆載后，孔隙水壓力消散形式成波浪形下降，每級(jí)堆載施加都伴隨一定的孔壓回彈，回彈幅度也隨著土體的固結(jié)而減小，30 cm深度處土體在前期堆載孔壓回彈量在2～5 kPa，后期回彈量在1～3 kPa，堆載結(jié)束后各模型箱孔壓均緩慢下降直至平穩(wěn)。整個(gè)過(guò)程中30 cm處孔壓消散值多于60 cm處，因此淺層土體有效應(yīng)力提高較多。由圖6可知T3孔壓消散最多，土體處理效果較好。

圖6 孔隙水壓力與時(shí)間關(guān)系

2.4 側(cè)向位移的分析

在抽真空階段，加固區(qū)邊緣外20 cm處出現(xiàn)如圖7所示若干條10～20 mm斷續(xù)的可見(jiàn)裂縫，這說(shuō)明了真空預(yù)壓處理軟土地基的效果較明顯，同時(shí)，真空吸力引起處理區(qū)外土體產(chǎn)生向內(nèi)的水平位移也是不可忽略的。

通過(guò)水平位移測(cè)量裝置測(cè)定不同時(shí)期處理區(qū)外土體不同深度處的側(cè)向位移并繪制得到如圖8所示反S形曲線，上層的土體向處理區(qū)內(nèi)移動(dòng)，下層的土體向處理區(qū)外移動(dòng)。

圖7 處理區(qū)外裂縫

圖8 土體水平隨時(shí)間變化

(1)抽真空初期，三組試驗(yàn)處理區(qū)外上層土體的位移趨勢(shì)是一致向內(nèi)的，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期的真空吸力是向內(nèi)的，土體的總應(yīng)力保持不變，附加應(yīng)力隨著孔隙水壓力的消散而增大，土體收縮；受處理區(qū)內(nèi)土體的影響，處理區(qū)外土體由上至下發(fā)生相應(yīng)的向加固區(qū)的側(cè)向位移，位移隨著深度的增加而逐漸減小甚至變?yōu)樨?fù)值，即在某一深度以下，土體產(chǎn)生向外的側(cè)向移動(dòng)，這是由于上層土體的自重沉降導(dǎo)致同一豎直方向的下層土體被向外擠壓產(chǎn)生向處理區(qū)外的錯(cuò)動(dòng)滑移；在抽真空20 d，三組試驗(yàn)20 cm深度處土體的水平位移，分別為13、10、15 mm，向外水平位移最大處均發(fā)生在距表層約56 cm處，向外位移為2 mm。

(2)堆載之后，向內(nèi)的水平位移速度減緩，在堆載第五天即試驗(yàn)進(jìn)行25 d，土體開(kāi)始有向外的位移，隨著堆載量的增加，向外的水平位移逐漸增大，土體水平位移平衡點(diǎn)開(kāi)始不斷上移，當(dāng)一號(hào)箱堆載完成后，土體水平位移再次向內(nèi)回彈，一直到80 d停泵后，其向內(nèi)水平位移超出真空預(yù)壓階段位移量，且整體位移向內(nèi)，說(shuō)明一號(hào)箱真空預(yù)壓對(duì)水平位移起到主宰作用。二號(hào)箱在堆載結(jié)束即55 d后也發(fā)生向內(nèi)回彈，但回彈幅度較一號(hào)箱較小，這是因?yàn)槎?hào)箱超載比較大，固結(jié)度大于一號(hào)箱，最終向內(nèi)水平位移量和純抽真空階段位移基本一致，達(dá)到15 mm。

(3)三組試驗(yàn)在堆載結(jié)束后即65 d，土體幾乎不再向內(nèi)移動(dòng)，結(jié)合沉降數(shù)據(jù)可知此時(shí)固結(jié)基本完成。三組試驗(yàn)20 cm處水平位移分別為18、10.8、9.8 mm，最終水平位移平衡點(diǎn)發(fā)生在0、50、29 cm 處。

圖9 三組超載比土體水平位移擬合曲線

(4)對(duì)三組不同超載比試驗(yàn)結(jié)束后(80 d)20、30、40 cm深度處的水平位移進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，確定最佳超載比，可以得到如圖9所示的函數(shù)曲線，可以看出，水平位移隨著超載比增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，因此最小值對(duì)應(yīng)最佳超載比，對(duì)于三組函數(shù)曲線通過(guò)計(jì)算求得最超載比分別為0.45、0.43、0.44。故從水平位移考慮，最佳超載比范圍為 0.4～0.5。

2.5 加固效果分析

如圖10、圖11所示分別為含水率、十字板剪切強(qiáng)度與測(cè)定點(diǎn)位置以及深度的關(guān)系曲線。

圖10 排水板不同方向土體每15 cm深度處含水率

圖11 排水板不同方向土體每15 cm深度處十字板剪切強(qiáng)度

T1、T2、T3整體的平均含水率分別為46.3%、41.8%、36%，平均十字板剪切強(qiáng)度分別為44、50、59 kPa，由此可見(jiàn)，在真空度相同的條件下，含水率隨著堆載量的增大而降低幅度增大，十字板剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)更多，本試驗(yàn)中T3土體加固效果較好，T2次之，T1加固效果欠佳。

十字板剪切強(qiáng)度隨著深度的增加而降低，因?yàn)檎婵斩仍谂潘逯袀鬟f有損失以及排水板受堆載的作用產(chǎn)生一定的彎曲變形，因此土體上層處理效果較好。

從橫向來(lái)看，可知,距離排水板越近含水率越低，十字板剪切強(qiáng)度越高，而同一距離的不同方向上(90°方向和45°方向)土體的含水率和剪切強(qiáng)度相差不大，因此進(jìn)一步說(shuō)明排水板的作用范圍是等效圓。

3 結(jié)論

通過(guò)設(shè)置不同的超載比(堆載荷載和真空荷載的比值)進(jìn)行試驗(yàn)，研究結(jié)果表明。

(1)堆載對(duì)真空度影響不大，三組試驗(yàn)箱真空度都可以保持很好的維持，由于井阻的作用，真空度在排水板豎直方向隨深度的增加而減低；排水板加固吹填土的影響范圍是等效圓，因此，實(shí)際工程中的排水板應(yīng)呈正方形布置；最終三組試驗(yàn)的沉降分別為22.3、24.5、26.2 cm，因此，超載比越大，土體沉降越大。

(2)真空吸力對(duì)土體產(chǎn)生向內(nèi)的側(cè)向位移，堆載對(duì)土體產(chǎn)生向外的擠出變形，變形曲線沿深度方向呈反S形狀，超載比決定了側(cè)向變形的方式，最終停泵后，T1、T2、T3表層土體向內(nèi)水平位移分別為18.07、10.8、9.9 mm，水平位移平衡點(diǎn)(即水平位移為0)位置分別在0、50、29 cm處，T3試驗(yàn)組對(duì)周?chē)馏w環(huán)境影響最小。

(3)試驗(yàn)結(jié)果顯示在不影響其穩(wěn)定性的前提下，超載比越大，處理效果越好，且對(duì)水平位移的影響越少，因此本實(shí)驗(yàn)中最佳超載比為0.5；通過(guò)對(duì)三組不同超載比試驗(yàn)結(jié)束后，20、30、40 cm處土體水平位移進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,得出對(duì)土體水平位移影響最小的最佳超載比范圍為0.4～0.5。