真空預(yù)壓加固夾薄弱透水層軟土固結(jié)特性分析

嚴(yán)紅霞，韓文君，呂偉華

(1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州市軌道交通發(fā)展有限公司，江蘇 常州 213022；3.南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037)

圖1 真空預(yù)壓加固夾薄弱透水層軟土模型試驗(yàn)裝置Fig. 1 Schematic diagram of vacuum preloading model test

隨著我國工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，地基處理技術(shù)得到了日新月異的發(fā)展。真空預(yù)壓法憑借其經(jīng)濟(jì)性、綠色環(huán)保性和可靠性，在東南沿海地區(qū)公路、港口、機(jī)場等軟土地基加固工程中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。近些年，真空預(yù)壓法逐漸被擴(kuò)展應(yīng)用到吹填地基加固、含承壓水軟基加固等領(lǐng)域，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[5]。在真空預(yù)壓法發(fā)展早期，很多學(xué)者借鑒砂井固結(jié)理論研究真空預(yù)壓加固地基的固結(jié)過程[6]。隨著研究的深入，越來越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)排水體中真空荷載沿深度衰減，Indraratna等[7]建立了基于真空荷載沿深度線性衰減的固結(jié)解析解。在此基礎(chǔ)上，黃朝煊等[8]提出了排水體滲透系數(shù)沿深度變化的真空預(yù)壓固結(jié)解。郭霄等[9]提出了考慮非線性和真空度沿深度衰減的直排式真空預(yù)壓法下豎井地基固結(jié)解。上述研究都假定地基土為均質(zhì)、單一土層，但是在實(shí)際工程中，由于沉積歷史原因，地基土通常由多層土構(gòu)成。謝康和[10]、Tang等[11]、劉加才等[12]較早對雙層砂井地基固結(jié)性狀進(jìn)行了研究，考慮了排水邊界、加載條件等因素的影響。Walker等[13]采用譜分析法分析了真空預(yù)壓法加固多層地基時的固結(jié)性狀。胡亞元[14]建立了半透水邊界的真空預(yù)壓固結(jié)解。成層地基中，真空預(yù)壓加固地基固結(jié)理論已取得了一些成果，但是對于厚度較薄、透水性較好的土層在真空預(yù)壓固結(jié)過程中的作用還未有系統(tǒng)的研究成果。

本課題組在前人研究的基礎(chǔ)上，開展真空預(yù)壓法加固夾薄弱透水層軟土室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析薄弱透水層對于軟土固結(jié)速率的影響。同時，借鑒文獻(xiàn)[13]有關(guān)真空預(yù)壓多層砂井地基固結(jié)解答，分析薄弱透水層透水性能對于真空預(yù)壓固結(jié)性狀的影響，為真空預(yù)壓加固吹填土地基設(shè)置水平向排水體提供參考。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)材料

真空預(yù)壓加固夾薄弱透水層軟土模型試驗(yàn)裝置如圖1所示。模型試驗(yàn)由真空加載裝置、靜壓加載裝置、密封桶等部分組成。密封桶為直徑50 cm的透明圓柱形桶，底座和頂蓋采用2 cm厚的PVC塑料板，與側(cè)壁玻璃焊接，保證密封性。靜壓加載裝置高度為2 m，加載原理類似固結(jié)儀，杠桿比為1∶20。真空荷載加載系統(tǒng)包括真空泵、氣水分離器、塑料排水板、水平排水體、密封膜等組成。

模型試驗(yàn)選用連云港地區(qū)海相軟土，進(jìn)行重塑、靜壓制樣。對試驗(yàn)土樣進(jìn)行天然含水率、界限含水率和密度等常規(guī)土工試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，表中強(qiáng)度為微型十字板剪切試驗(yàn)強(qiáng)度。

表1 模型試驗(yàn)軟土物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of soft soil

塑料排水板為整體式C型，模型試驗(yàn)中正三角形布置，距圓桶中心12 cm。土體頂部和底部采用10 cm厚的砂層和5 cm厚的碎石層作為水平向排水體。土體深度中部分別設(shè)置厚度2和10 cm粉砂層。

1.2 模型試驗(yàn)方案與試驗(yàn)步驟

為了分析真空預(yù)壓法加固軟土過程中薄弱透水層的作用，分別進(jìn)行了3組真空預(yù)壓加固軟土試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表2，監(jiān)測儀器埋設(shè)如圖1所示。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme

模型試驗(yàn)首先制取工程中常遇的軟土。將現(xiàn)場軟土?xí)窀?、粉碎，?.3倍液限配置成淤泥；將淤泥放入埋設(shè)好儀器、排水系統(tǒng)的模型桶中；利用靜壓加載裝置預(yù)壓制樣，預(yù)壓荷載為20 kPa，待土樣變形接近穩(wěn)定后，即土體實(shí)測變形量與雙曲線法預(yù)測變形量比值大于90%，開展真空預(yù)壓加固夾薄弱透水層軟土試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

真空預(yù)壓加固軟土模型試驗(yàn)薄透水層超靜孔隙水壓力和土體變形隨時間變化如圖2、圖3所示。由圖2可知，土體中部深度處的孔隙水壓力計(PPT2)測得超靜孔隙水壓力隨真空荷載增大而降低，當(dāng)透水層厚度較大時(d=10 cm)，超靜孔隙水壓力變化速率最大，快速增長并穩(wěn)定在-80 kPa，比膜下真空度值略小。這主要是因?yàn)檎婵蘸奢d沿深度有衰減，且制樣過程中透水層中夾雜了軟土，但是透水層的特征已經(jīng)接近砂層等強(qiáng)透水性。當(dāng)透水層較薄時(d=2 cm)，超靜孔隙水壓力的變化趨勢與軟土中的相似，但是由于土體透水性質(zhì)的不同，超靜孔隙水壓力的增長速率比軟土中要快。

圖2 超靜孔隙水壓力變化規(guī)律Fig. 2 Variation of excess pore water pressure

圖3 沉降變化規(guī)律Fig. 3 Variation of settlement

由圖3可知，在真空荷載施加初期，3組模型試驗(yàn)中土體沉降變形快速增長，第3組模型試驗(yàn)(d=10 cm)沉降速率最大，其次是第2組(d=2 cm)、第1組(d=0 cm)。隨著真空預(yù)壓時間的增長，土體的變形逐步趨于穩(wěn)定，當(dāng)加固時間達(dá)到900 h時，1～3組的土體變形量分別為102.9，104和109 mm。利用分層壓縮法估算得到土體的最終沉降量為120 mm，第3組加固試驗(yàn)土體固結(jié)度達(dá)到90.8%，明顯高于第2組的86.7%和第1組的85.7%。這主要是因?yàn)榧庸掏馏w中部設(shè)置了透水層，增加了豎向排水路徑，當(dāng)透水層厚度增大時，透水邊界接近完全透水，透水層加快土體固結(jié)的速率接近穩(wěn)定。

2 固結(jié)特性分析

2.1 固結(jié)模型及驗(yàn)證

(1-a)

(1-b)

式(1)的運(yùn)算通過計算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。為驗(yàn)證固結(jié)分析模型的可靠性，利用第3組模型試驗(yàn)結(jié)果對式(1)的計算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，土體高60 cm，排水板長度l=60 cm，透水層厚度10 cm。透水層的滲透系數(shù)在加固完取樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，取樣時發(fā)現(xiàn)土層中夾雜著黏土。這主要是在制樣過程所致，這也符合實(shí)際的工程現(xiàn)場地質(zhì)。滲透試驗(yàn)測得透水層土體滲透系數(shù)約為7×10-5cm/s，其他計算參數(shù)如表3所示，表中kh為軟土滲透系數(shù)。

表3 計算參數(shù)Table 3 Calculation parameters

模型試驗(yàn)土體變形實(shí)測值與計算值的對比曲線如圖4所示。由圖4可知，在固結(jié)初期，理論計算的沉降與實(shí)測值有一定的差別。這主要是因?yàn)橥馏w含水率較大，瞬時沉降較大，隨著固結(jié)時間的增長，計算結(jié)果與實(shí)測值趨于一致。模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論計算方法的可靠性。

圖4 模型試驗(yàn)土體變形實(shí)測值與計算值Fig. 4 Comparison between measured and calculated values of soil settlement

2.2 透水層透水特性對軟土固結(jié)影響分析

模型試驗(yàn)結(jié)果表明，透水層的存在能夠加快土體的固結(jié)，影響程度與透層在土體中位置、透層厚度、透水層滲透性密切相關(guān)。由砂井固結(jié)理論可知，當(dāng)透水層為強(qiáng)排水邊界時，透水層位于土體厚度2/3的位置時，固結(jié)速率最快。下面將采用理論解答分析透水層透水特性和土層厚度對于軟土固結(jié)影響。計算參數(shù)如表4所示。

表4 固結(jié)性狀分析計算參數(shù)Table 4 Calculation parameters of the consolidation analysis

透水層的排水能力與土層厚度和土體滲透性密切相關(guān)，定義的無量綱參數(shù)K[15]：

K=kfhf/(khhc)

(2)

式中：K為反映透水層排水能力的綜合參數(shù)；kf為透水層土體滲透系數(shù)；hf為透水層厚度；kh為加固軟土滲透系數(shù)；hc為2H/3，如圖5所示。

圖5 計算單元Fig. 5 Calculation element of the factor analysis

取K值變化范圍為0.01～1 000，若透水層厚度為0.02 m，則透水層滲透系數(shù)為1.0×10-7～1.0×10-4cm/s。不同K情況下地基固結(jié)度隨時間因數(shù)變化規(guī)律如圖6所示，徑向固結(jié)時間因數(shù)隨參數(shù)K變化如圖7所示。圖中Th為徑向固結(jié)時間因數(shù)，T50、T90分別為地基固結(jié)度達(dá)到50%和90%時的時間因數(shù)值。

圖6 不同滲透性時地基平均固結(jié)度變化規(guī)律Fig. 6 Variation of average consolidation degree with different permeability

由圖6可知，K值的增大可以顯著的加快土體固結(jié)速率；當(dāng)K小于0.1時，透水層的存在對于加快土體固結(jié)影響很??；K在0.1～100之間，透水層的作用發(fā)生強(qiáng)烈的變化，土體固結(jié)速率加快顯著；當(dāng)K大于100時，透水層排水性已為強(qiáng)透水邊界，對提高土體固結(jié)速率已不明顯。

由圖7為可知，當(dāng)K=0.01時，地基為均質(zhì)地基，固結(jié)由徑向固結(jié)和豎向固結(jié)組成；當(dāng)K=1 000 時，透水層為完全排水邊界，地基固結(jié)中徑向固結(jié)速率未改變，但是豎向固結(jié)排水距離變?yōu)镠/3，豎向固結(jié)的速率提高了9倍。由于徑向固結(jié)作用的存在，透水層完全排水時的固結(jié)時間因數(shù)約為均質(zhì)地基的1/5，這一比值與豎向、徑向固結(jié)因數(shù)有關(guān)。

圖7 固結(jié)時間因數(shù)隨透水層透水性變化規(guī)律Fig. 7 Variation of radial consolidation time factor with the permeability of thin permeable layer

2.3 土層厚度影響

透水層的存在改變了砂井地基豎向排水路徑，對于整個砂井地基而言，這種改變作用與加固土體的厚度密切相關(guān)。為了便于計算分析，定義無量綱參數(shù)L=hc/re。L取值為0.5，1，2，4和8，參數(shù)K值取值為0.01～1 000。不同L情況下固結(jié)因數(shù)T50、T90變化規(guī)律如圖8所示，圖中T50、T90分別為地基固結(jié)度達(dá)到50%和90%時的豎向固結(jié)時間因數(shù)。

由圖8可知，在參數(shù)K值相同的情況下，當(dāng)參數(shù)L增大時，即加固土層厚度增大時，地基固結(jié)因數(shù)增大，地基固結(jié)所需時間增大。在參數(shù)L相同的情況下(土層厚度固定)，隨著參數(shù)K的增大(透水層透水性加強(qiáng))，地基固結(jié)速率加快；但是隨著參數(shù)L的增大，參數(shù)K的增大對于提高土體固結(jié)速率變得不明顯，當(dāng)L>8.0時，T50、T90變化幅度很小，參數(shù)K值的提高對于加快地基固結(jié)已沒有作用，透水層對于縮短豎向排水路徑的效果已經(jīng)變得不明顯。由此可知，當(dāng)在采用真空預(yù)壓加固吹填淤泥時，如需要加快土體固結(jié)，透水層豎向間距不宜大于8倍的厚度。

圖8 不同L時豎向固結(jié)時間因數(shù)變化規(guī)律Fig. 8 Variation of vertical consolidation time factor with different L values

2.4 井徑比影響

在砂井法進(jìn)行地基處理效果評價的相關(guān)理論中，一般認(rèn)為井徑比n(re/rw)對砂井地基徑向固結(jié)具有顯著的影響。本研究分析了不同井徑比時水平透水層對砂井地基固結(jié)的影響，n取值為4，8，16，32和64，參數(shù)K值取值為0.01～1 000。不同井經(jīng)比情況下固結(jié)因數(shù)T50、T90變化規(guī)律如圖9所示。圖中T50、T90分別為地基固結(jié)度達(dá)到50%和90%時的豎向固結(jié)時間因數(shù)。

圖9 不同井徑比時豎向固結(jié)時間因數(shù)變化規(guī)律Fig. 9 Variation of vertical consolidation time factor with different n values

由圖9可知，在參數(shù)K值相同的情況下，井徑比增大時，砂井徑向固結(jié)速率降低，地基固結(jié)因數(shù)增大，地基固結(jié)所需時間增大。當(dāng)參數(shù)K值較小時，井徑比對地基固結(jié)影響較為顯著；隨著參數(shù)K的增大(透水層透水性加強(qiáng))，地基固結(jié)速率加快，井徑比的影響逐漸減小。參數(shù)K值在0.1～100時，T50、T90變化最為顯著；當(dāng)參數(shù)K大于100時，T50、T90值變化微小。由此可見，水平透水層的存在，改變了土體豎向固結(jié)路徑，對土體固結(jié)速率的加快變得明顯。

2.5 涂抹效應(yīng)影響

涂抹效應(yīng)是指豎向排水體施工過程中擾動周圍土體，使其滲透性降低。為了便于計算分析，定義反應(yīng)涂抹區(qū)范圍及滲透系數(shù)變化的參數(shù)J=(kh/ks-1)ln(s)。其中：kh為土體水平滲透系數(shù)；ks為涂抹區(qū)滲透系數(shù)；s為涂抹比，s=rs/rw(rw為排水板等效半徑，rs為涂抹區(qū)半徑)。涂抹比s取值為1，2，4，8和16，則J值為0，2.08，4.16，6.24和 8.32。不同J值時固結(jié)因數(shù)T50、T90變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 不同涂抹因子時豎向固結(jié)時間因數(shù)變化規(guī)律Fig. 10 Variation of vertical consolidation time factor with different J values

由圖10可知，在參數(shù)K值相同的情況下，涂抹因子J增大時，地基固結(jié)因數(shù)增大，地基固結(jié)所需時間增大；當(dāng)參數(shù)K值較小時，涂抹因子J對地基固結(jié)影響較為顯著，隨著參數(shù)K的增大(透水層透水性加強(qiáng))，地基固結(jié)速率加快，涂抹因子的影響逐漸減小；當(dāng)K>100時，不同的涂抹因子J情況下的T50、T90值趨于相同值。由此可見，涂抹因子越大，表明土體受擾動越嚴(yán)重，涂抹區(qū)范圍越大或涂抹區(qū)滲透系數(shù)越小。這嚴(yán)重阻礙了水平向的排水速率，徑向固結(jié)速率變緩，地基固結(jié)速率變慢。水平透水層的透水性逐漸增大時，涂抹效應(yīng)影響地基固結(jié)程度逐漸變小，當(dāng)K大于100時，涂抹效應(yīng)幾乎無影響。

3 結(jié) 論

本研究利用真空預(yù)壓法加固夾薄弱透水層軟土室內(nèi)模型試驗(yàn)，就薄弱透水層對加快固結(jié)速率的影響進(jìn)行了探討，采用砂井地基固結(jié)分析了透水層透水特性和土層厚度對于軟土固結(jié)的影響，得到如下結(jié)論：

1)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，透水層可以加快超靜孔隙水壓力的消散，消散速率與透水層的厚度密切相關(guān)；透水層可以加快軟土的固結(jié)速率。

2)透水層厚度及滲透系數(shù)與軟土厚度及滲透系數(shù)的比值顯示，該比值在0.1～100之間，透水層對土體加快固結(jié)最為顯著；當(dāng)比值達(dá)到100以上時，透水層已接近完全排水邊界。

3)軟土厚度與砂井半徑的比值與地基固結(jié)速率和透水層作用密切相關(guān)，隨著比值的增大，砂井地基固結(jié)時間增大，透水層加快軟土固結(jié)速率作用越來越不明顯，當(dāng)比值大于8時，透水層對地基固結(jié)速率基本影響很小。

4)隨著井徑比、涂抹效應(yīng)的增大，地基固結(jié)速率變緩，當(dāng)薄透水層透水性的增強(qiáng)，地基固結(jié)速率加快，透水層可以改善井徑比、涂抹效應(yīng)的影響。

5)對于采用真空預(yù)壓法加固吹填淤泥地基時，當(dāng)需要提高砂井地基固結(jié)速率，水平透水層間距不宜大于8倍的透水層厚度。