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【摘 要】 结合上海某工程实例,对真空预压法加固软土地基的机理进行了阐述,利用现场监测数据,对表面沉降、分层沉降、孔隙水压力、水平位移的变化展开分析,并得出一些有益结论。
【关键词】 真空预压法;加固机理;表面沉降;分层沉降;孔隙水压力;水平位移
【中图分类号】 TU753.63 【文献标识码】 A【文章编号】 1727-5123(2010)02-029-02
The Application and Result of Vacuum Preloading Method in Treating Soft Soil Foundation Engineering
【Abstract】 In this paper, the mechanism of vacuum preloading method in soft clay foundation consolidation were analyzed, based
on a municipal projects in shanghai dealing with the vacuum preloading method. Combination with site monitoring data, surface
subsidence, stratified settlement, pore water pressure horizontal displacement were analyzed and summarized some useful results.
【Key words】 Vacuum preloading method;Consolidation mechanism;Surface subsidence;Stratified settlement;Pore water pressure; horizontal displacement
1引言
软土性质软弱,强度很低,压缩性甚高,渗透性很小极易出现塑性流变。真空预压法[1、2]是属于排水加固软弱地基的一种方法,近年来在沿海软土地区使用日益广泛,但其加固机理至今尚有许多不太明确的地方,如抽真空时地下水位的变化情况,有效加固深度等。本文结合上海地区某工程现场试验孔压、沉降等实测数据,研究了该方法的宏观加固效果,并结合试验数据进行分析,对涉及真空预压加固机理的一些问题进行了探索。
2工程概况
2.1基本情况。本现场试验依托于某工程真空预压项目,总占地面积56万m2,位于上海市嘉定区,该工程场地条件和地质条件复杂,各种水塘、房舍、道路、码头密布其间,湖澡洼塘众多,大小水塘14处,水塘占地面积达13万m2。
2.2地质条件。加固区内地层均为第四系松散堆积层,总厚度在100m以上,以第四系全新统及上更新统海积、冲海积黏性土、粉性土及砂类土为主。依据成因时代、岩土力学性质,并参照上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》,各土层特性自上而下为:
①素(杂)填土:灰褐色,松散,稍湿,成份以碎石,砼及黏土。本层层面标高1.58～4.33m,层厚0.2～3.7m,平均厚度约1.31m。
②-1粉质黏土:褐黄色,软塑,局部含少量粉砂等。层面埋深0～3.5m,本层层面标高-1.42～2.87m。层厚0.6～4.0m,平均厚度约1.54m。
②-2粉质黏土:灰黄色,软塑,含铁锰质斑点、云母、粉砂等。层面埋深0～3.3m,本层层面标高-1.4～3.73m。层厚0.4～4.9m,平均厚度约2.18m。
②-3粉土:灰色,松散～稍密,饱和,含云母,夹薄层黏性土,土质不均匀。层面埋深1.9～5.0m,层面标高-3.03～1.22m,层厚0.7～4.8m,平均厚度约2.93m。
③淤泥质粉质黏土:灰色,流塑,含云母、有机质、夹薄层粉砂,局部夹有贝壳碎屑。层面埋深0.3～8.5m,层面标高-6.14～3.35m,土层厚度2.6～21.6m,平均厚度约9.54m,全段分布。
④淤泥质黏土:灰色,流塑,含云母、有机质,夹粉土、粉砂团块,偶夹贝壳碎屑,土质均匀,光滑。层面埋深6.25～19.9m,层面标高-16.78～-3.56m,土层厚度约3.1～19.8m,平均厚度约8.71m,全段分布。
⑤-1粉质黏土:灰色,软塑,含云母、腐殖质、钙质结核,夹薄层粉土。层面埋深9.4～29.0m,层面标高-26.84～-6.78m。土层厚度约2.4～23.9m,平均厚度约9.29m,全段分布。
⑤-2粉土:灰色,中密,饱和,局部夹薄层粉砂,厚约5mm左右。层面埋深16.4～36.1m,层面标高-33.74～-13.2m,层厚1.6～24.7m,平均厚度约9.08m,局部分布。
3真空预压法加固软基机理[3]
通过增强原有土体强度以提高地基承载力是地基处理的主要目的,真空预压法的过程是利用抽水真空泵在砂垫层中形成一定的真空度,通过竖向排水体逐渐向下传递,使整个加固内的孔隙水压力降低,形成负的超静孔隙水压力,使得地基土体产生排水固结,已达到最终加固地基的目的。
根据太沙基有效应力原理有:σ=σ'+u(1)
两边微分并移项得:dσ'=dσ-u (2)
即:dσ'=-du(3)
式中,σ是总应力,σ'是有效应力,u是孔隙水压力。
对于真空预压,土体的总应力不变,由于孔隙水压力不断减小而造成土体有效应力不断增大。土体在增大的有效应力作用下进一步发生固结沉降,同时土体的强度得到提高。在真空预压过程中,由于真空预压是一种球应力,三个方向的应力增量均相等,也就是说土体的有效主应力同步增大-du。同时,随着土体有效应力的增大,土体发生排水固结,最大剪应力与莫尔强度包络线对应点的距离增大,即逐渐远离破坏线,土体越来越安全。所以真空预压加固过程中不会出现地基失稳的现象[4]。同时,真空预压过程中土体不会产生剪应力,地基土也不会发生剪切破坏[5]。
4现场监测
在本次工程中,根据真空预压法加固软土地基的特点,并结合现场情况,在加固区内共布设了两个全断面和三个普通断面。全断面的监测项目主要包括表面沉降、分层沉降、水平位移和孔隙水压力四个方面。普通断面监测项目为表面沉降。以下分析中以HQGDK1+220全断面为例。
4.1表面沉降。地表沉降是地基处理效果的最直观指标。在本试验段中,从2009年4月9日开始抽真空,8月9日停止抽真空,加固区内该断面发生累计沉降量为411mm,最大沉降量为路中沉降标。在抽真空初期,其沉降速率较大,中期由于有上部堆载作用,沉降加速,到后期沉降曲线趋于平缓,但仍在持续沉降,说明用真空预压法处理深厚软土地基时,其主固结沉降速率渐趋收敛,而其次固结沉降亦不容忽视,尤其对工后沉降有较高要求的软基而言。
4.2分层沉降。通过分层沉降的观测可以了解地基不同层位的压缩情况及固结情况,分析固结度,及时根据分层沉降变化规律,可进一步分析不同深度土的加固效果和加固影响深度。HQGDK1+220断面共埋设分层沉降环14个,其分层沉降曲线如图所示。从图2可见,土体的沉降量主要发生在第7个沉降环(埋设深度为14m左右)以上的土体中,且沉降较均匀。这部分沉降占总沉降量的90%,从而可见真空预压法处理软基的深度较大。从断面的分层沉降的监测结果来看,分层沉降环的沉降量与表面沉降的监测结果吻合较好。 `
4.3水平位移。土体侧向位移速率大小是判别路堤地基稳定与否的控制指标之一,其变化规律可以监测地基各层土体的侧向变形发展情况。真空压力的作用下,加固区内土体会发生向内的水平位移。其观测结果表明抽真空阶段,加固区周围土体水平位移是向内的,这种向内的水平位移会约束竖向沉降的发展,并且提高堆载的稳定性。HQGDK1+220断面水平位移变化曲线如图3所示。从实测的数据来看,水平位移在接近地表处最大,从4月9日开始抽真空以来至8月9日,水平位移达57mm,从图中可见,随深度的增加,水平位移急剧减小,这是由于受井阻等的影响,真空度在接近地表处最大,随深度的增加而递减。
4.4孔隙水压力。在真空荷载的作用下,地基土体中的孔隙水压力不断减小。根据要求,在真空预压区HQGDK1+220断面布置了孔隙水压力计。该断面共五个孔隙水压力计(深度为3、6、9、12、15m),现场实测孔隙水压力时程曲线如图4所示。从孔隙水压力曲线来看,在抽真空阶段产生的超静孔隙水压力是负的,亦即孔隙水压力值随着抽真空时间的持续增加逐渐下降并趋于稳定;另一方面这种变化的趋势随深度的增加反而趋于不明显:6m处孔隙水压力变化明显,12、15m处孔隙水压力变化规律就不是很明显。这是因为真空度在砂井传递过程中会出现衰减。部分孔压计在施工过程中被破坏,后期数据无法采集。在卸载之后,孔隙水压力又回升至抽真空之前水平,此外,当上部进行堆载时,会造成孔压上升,然后再逐渐消散,随着深度的增加,孔压变化速度变缓。
5结语
5.1真空预压能使地基产生较大的沉降速率,与此同时,真空预压阶段产生向内的水平位移,能提高路堤填筑过程的稳定性,从而能有效地缩短工期。
5.2真空预压法的实质是在总应力基本不变的情况下,使孔隙水压力降低,有效应力增加,来达到加固的目的。
5.3真空预压加固深度较大,本次工程土体沉降主要发生在地表以下14m的土体中,且沉降均匀。
5.4机理分析表明,真空预压的直接作用范围可达到地表以下18m,抽真空导致的孔压降低从地表向下逐渐递减。
5.5真空荷载下,孔隙水压力不断减小,随着深度的增加减小的趋势变的不明显,堆载后,迅速增加,卸载后,孔隙水压力恢复到抽真空之前水平。
参考文献
1叶柏荣.综述真空预压法在我国的发展[J].地基处理,2000(3):49～57
2徐至钧.软土地基和预压法地基处理[M].北京:机械工业出版社,
2004
3钱家欢.土工原理与计算[M].北京:水利电力出版社,1979
4张志允,翟国民,张明晶.堆载预压法和真空预压法加固机理的比较
研究[J].岩土工程界,2002(5).
5陈小丹等.真空预压法加固软基的特性和机理探讨[J].路基工程,
2005(3):1~4
【关键词】 真空预压法;加固机理;表面沉降;分层沉降;孔隙水压力;水平位移
【中图分类号】 TU753.63 【文献标识码】 A【文章编号】 1727-5123(2010)02-029-02
The Application and Result of Vacuum Preloading Method in Treating Soft Soil Foundation Engineering
【Abstract】 In this paper, the mechanism of vacuum preloading method in soft clay foundation consolidation were analyzed, based
on a municipal projects in shanghai dealing with the vacuum preloading method. Combination with site monitoring data, surface
subsidence, stratified settlement, pore water pressure horizontal displacement were analyzed and summarized some useful results.
【Key words】 Vacuum preloading method;Consolidation mechanism;Surface subsidence;Stratified settlement;Pore water pressure; horizontal displacement
1引言
软土性质软弱,强度很低,压缩性甚高,渗透性很小极易出现塑性流变。真空预压法[1、2]是属于排水加固软弱地基的一种方法,近年来在沿海软土地区使用日益广泛,但其加固机理至今尚有许多不太明确的地方,如抽真空时地下水位的变化情况,有效加固深度等。本文结合上海地区某工程现场试验孔压、沉降等实测数据,研究了该方法的宏观加固效果,并结合试验数据进行分析,对涉及真空预压加固机理的一些问题进行了探索。
2工程概况
2.1基本情况。本现场试验依托于某工程真空预压项目,总占地面积56万m2,位于上海市嘉定区,该工程场地条件和地质条件复杂,各种水塘、房舍、道路、码头密布其间,湖澡洼塘众多,大小水塘14处,水塘占地面积达13万m2。
2.2地质条件。加固区内地层均为第四系松散堆积层,总厚度在100m以上,以第四系全新统及上更新统海积、冲海积黏性土、粉性土及砂类土为主。依据成因时代、岩土力学性质,并参照上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》,各土层特性自上而下为:
①素(杂)填土:灰褐色,松散,稍湿,成份以碎石,砼及黏土。本层层面标高1.58～4.33m,层厚0.2～3.7m,平均厚度约1.31m。
②-1粉质黏土:褐黄色,软塑,局部含少量粉砂等。层面埋深0～3.5m,本层层面标高-1.42～2.87m。层厚0.6～4.0m,平均厚度约1.54m。
②-2粉质黏土:灰黄色,软塑,含铁锰质斑点、云母、粉砂等。层面埋深0～3.3m,本层层面标高-1.4～3.73m。层厚0.4～4.9m,平均厚度约2.18m。
②-3粉土:灰色,松散～稍密,饱和,含云母,夹薄层黏性土,土质不均匀。层面埋深1.9～5.0m,层面标高-3.03～1.22m,层厚0.7～4.8m,平均厚度约2.93m。
③淤泥质粉质黏土:灰色,流塑,含云母、有机质、夹薄层粉砂,局部夹有贝壳碎屑。层面埋深0.3～8.5m,层面标高-6.14～3.35m,土层厚度2.6～21.6m,平均厚度约9.54m,全段分布。
④淤泥质黏土:灰色,流塑,含云母、有机质,夹粉土、粉砂团块,偶夹贝壳碎屑,土质均匀,光滑。层面埋深6.25～19.9m,层面标高-16.78～-3.56m,土层厚度约3.1～19.8m,平均厚度约8.71m,全段分布。
⑤-1粉质黏土:灰色,软塑,含云母、腐殖质、钙质结核,夹薄层粉土。层面埋深9.4～29.0m,层面标高-26.84～-6.78m。土层厚度约2.4～23.9m,平均厚度约9.29m,全段分布。
⑤-2粉土:灰色,中密,饱和,局部夹薄层粉砂,厚约5mm左右。层面埋深16.4～36.1m,层面标高-33.74～-13.2m,层厚1.6～24.7m,平均厚度约9.08m,局部分布。
3真空预压法加固软基机理[3]
通过增强原有土体强度以提高地基承载力是地基处理的主要目的,真空预压法的过程是利用抽水真空泵在砂垫层中形成一定的真空度,通过竖向排水体逐渐向下传递,使整个加固内的孔隙水压力降低,形成负的超静孔隙水压力,使得地基土体产生排水固结,已达到最终加固地基的目的。
根据太沙基有效应力原理有:σ=σ'+u(1)
两边微分并移项得:dσ'=dσ-u (2)
即:dσ'=-du(3)
式中,σ是总应力,σ'是有效应力,u是孔隙水压力。
对于真空预压,土体的总应力不变,由于孔隙水压力不断减小而造成土体有效应力不断增大。土体在增大的有效应力作用下进一步发生固结沉降,同时土体的强度得到提高。在真空预压过程中,由于真空预压是一种球应力,三个方向的应力增量均相等,也就是说土体的有效主应力同步增大-du。同时,随着土体有效应力的增大,土体发生排水固结,最大剪应力与莫尔强度包络线对应点的距离增大,即逐渐远离破坏线,土体越来越安全。所以真空预压加固过程中不会出现地基失稳的现象[4]。同时,真空预压过程中土体不会产生剪应力,地基土也不会发生剪切破坏[5]。
4现场监测
在本次工程中,根据真空预压法加固软土地基的特点,并结合现场情况,在加固区内共布设了两个全断面和三个普通断面。全断面的监测项目主要包括表面沉降、分层沉降、水平位移和孔隙水压力四个方面。普通断面监测项目为表面沉降。以下分析中以HQGDK1+220全断面为例。
4.1表面沉降。地表沉降是地基处理效果的最直观指标。在本试验段中,从2009年4月9日开始抽真空,8月9日停止抽真空,加固区内该断面发生累计沉降量为411mm,最大沉降量为路中沉降标。在抽真空初期,其沉降速率较大,中期由于有上部堆载作用,沉降加速,到后期沉降曲线趋于平缓,但仍在持续沉降,说明用真空预压法处理深厚软土地基时,其主固结沉降速率渐趋收敛,而其次固结沉降亦不容忽视,尤其对工后沉降有较高要求的软基而言。
4.2分层沉降。通过分层沉降的观测可以了解地基不同层位的压缩情况及固结情况,分析固结度,及时根据分层沉降变化规律,可进一步分析不同深度土的加固效果和加固影响深度。HQGDK1+220断面共埋设分层沉降环14个,其分层沉降曲线如图所示。从图2可见,土体的沉降量主要发生在第7个沉降环(埋设深度为14m左右)以上的土体中,且沉降较均匀。这部分沉降占总沉降量的90%,从而可见真空预压法处理软基的深度较大。从断面的分层沉降的监测结果来看,分层沉降环的沉降量与表面沉降的监测结果吻合较好。 `
4.3水平位移。土体侧向位移速率大小是判别路堤地基稳定与否的控制指标之一,其变化规律可以监测地基各层土体的侧向变形发展情况。真空压力的作用下,加固区内土体会发生向内的水平位移。其观测结果表明抽真空阶段,加固区周围土体水平位移是向内的,这种向内的水平位移会约束竖向沉降的发展,并且提高堆载的稳定性。HQGDK1+220断面水平位移变化曲线如图3所示。从实测的数据来看,水平位移在接近地表处最大,从4月9日开始抽真空以来至8月9日,水平位移达57mm,从图中可见,随深度的增加,水平位移急剧减小,这是由于受井阻等的影响,真空度在接近地表处最大,随深度的增加而递减。
4.4孔隙水压力。在真空荷载的作用下,地基土体中的孔隙水压力不断减小。根据要求,在真空预压区HQGDK1+220断面布置了孔隙水压力计。该断面共五个孔隙水压力计(深度为3、6、9、12、15m),现场实测孔隙水压力时程曲线如图4所示。从孔隙水压力曲线来看,在抽真空阶段产生的超静孔隙水压力是负的,亦即孔隙水压力值随着抽真空时间的持续增加逐渐下降并趋于稳定;另一方面这种变化的趋势随深度的增加反而趋于不明显:6m处孔隙水压力变化明显,12、15m处孔隙水压力变化规律就不是很明显。这是因为真空度在砂井传递过程中会出现衰减。部分孔压计在施工过程中被破坏,后期数据无法采集。在卸载之后,孔隙水压力又回升至抽真空之前水平,此外,当上部进行堆载时,会造成孔压上升,然后再逐渐消散,随着深度的增加,孔压变化速度变缓。
5结语
5.1真空预压能使地基产生较大的沉降速率,与此同时,真空预压阶段产生向内的水平位移,能提高路堤填筑过程的稳定性,从而能有效地缩短工期。
5.2真空预压法的实质是在总应力基本不变的情况下,使孔隙水压力降低,有效应力增加,来达到加固的目的。
5.3真空预压加固深度较大,本次工程土体沉降主要发生在地表以下14m的土体中,且沉降均匀。
5.4机理分析表明,真空预压的直接作用范围可达到地表以下18m,抽真空导致的孔压降低从地表向下逐渐递减。
5.5真空荷载下,孔隙水压力不断减小,随着深度的增加减小的趋势变的不明显,堆载后,迅速增加,卸载后,孔隙水压力恢复到抽真空之前水平。
参考文献
1叶柏荣.综述真空预压法在我国的发展[J].地基处理,2000(3):49～57
2徐至钧.软土地基和预压法地基处理[M].北京:机械工业出版社,
2004
3钱家欢.土工原理与计算[M].北京:水利电力出版社,1979
4张志允,翟国民,张明晶.堆载预压法和真空预压法加固机理的比较
研究[J].岩土工程界,2002(5).
5陈小丹等.真空预压法加固软基的特性和机理探讨[J].路基工程,
2005(3):1~4