真空预压土体强度增长计算方法

2012-07-16余湘娟倪小东

水利水电科技进展 2012年6期

刘锋，余湘娟，倪小东

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098;2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京 210098)

强度是土的重要力学性质之一，由于土的成因、应力历史及周围环境不同，受荷载以后的反应亦各不相同，且随着时间而改变［1］。对软土地基进行处理以提高土体强度的方法很多，最有效的办法就是通过加载预压使软土压密固结，提高地基的强度［2］。真空预压法在工程上应用广泛，技术经济合理，是行之有效的软土地基处理方法，尤其适用于深厚软弱地基［3］，加固后土体强度增长的计算方法很多。娄炎［4］提出了综合影响系数法，阐述了折减系数η 作为剪切变形因素对强度产生的影响，并考虑真空预压的特殊作用，研究真空预压中软黏土不排水剪切强度的增长。目前工程上常用有效应力法和有效固结压力法计算强度增长，但这两种方法的计算结果偏差较大。本文结合实际工程分别使用这两种方法计算折减系数η和强度增长率K，以评价土体强度变化规律。

1 土体强度增长计算方法

真空预压法加固时，考虑了由于剪切而引起的强度衰减后地基中某一时刻的抗剪强度τct:

式中:τ0为加固前的抗剪强度;Δτct为由于固结而增长的抗剪强度增量;η为考虑剪切变形及其他因素对强度影响的折减系数。

由固结引起的强度增量Δτct的计算方法很多，本文主要考虑两种方法。

a.有效应力法。计算公式为

将式(2)代入式(1)得

b.有效固结压力法。计算公式为

式中:Δσz为地基中某点的附加应力;Ut为地基中某点完工时刻的固结度;φcu为固结不排水三轴试验得到的内摩擦角。

将式(4)代入式(1)得

2 工程概况

某工程的拟建场地位于长江三角洲冲积平原，全境地势平坦，自东北向西南略呈倾斜，东部为沿江平原，西部为低洼圩区。经勘察该场地深度65.42 m范围内地基土属第四纪上更新世及全新世沉积物，主要由黏性土、粉性土和砂土组成。按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质的差异，该场地土层划分如表1 所示。

表1 各土层的物理力学性质

由于该区域软土层很厚，强度较低，如不进行基础处理，不能满足上部结构的荷载要求。经设计采用真空预压法加固该工程区域软土地基，预压荷载为80 kPa(即真空预压值)，以SPB100-C 型塑料排水板为排水通道，间距1 m，正方形布置，施打深度约为18 m。根据设计要求，工程预压时间为3个月，连续10 d的日平均沉降不大于2 mm 即可卸载，加固后淤泥及淤泥质土层的平均固结度达到85%以上，各土层承载力标准值不小于100 kPa。

3 现场监测成果分析

图1 是c1～c6 沉降板的累计沉降值随时间的变化，其中c3和c4 是施工区域的中间断面。在真空预压的第1个月，累计沉降值随时间下降幅度较大，这是由于土颗粒之间的直接有效作用增加，土体颗粒密实，从而产生较大的沉降［5］;随后沉降量变小，曲线变缓，此时真空荷载已不足以使软土地基产生更明显的沉降。为缩短工程的总工期，业主要求提前铺设30 cm 厚的中粗砂垫层，砂堆从工程区域的中部往两边推平。在砂堆荷载作用下地基土层产生新的沉降，沉降曲线出现台阶，其中中间断面的沉降板(c3，c4)沉降量最大，且明显大于其他沉降板。

图1 累积沉降与时间的关系

真空预压处理方法是将大气作为荷载，通过真空负压向深土层传递，本工程的深层真空度曲线如图2 所示。开始抽真空时，膜下真空度上升很快，1个月以后基本趋于稳定。深层真空度体现了竖向排水体中真空压力向深层传递，使加固区域形成网状真空度［6］，竖向排水体中的真空度通过土体的孔隙沿横向传递，使整个加固区域形成一定的真空度。从图2可看出，在抽真空的初期塑料排水板中的真空度迅速增加，沿深度递减［7］。预压期间因为天气或施工的因素造成了土工膜破坏，压力值急剧下降，通过及时修补后压力值迅速得以恢复。类比分层沉降数据可以发现，该区深层土体处在真空压力影响范围内。

图2 深层真空度与时间的关系

孔隙水压力变化可反映真空预压过程中地下水的渗流变化及有效应力的增加程度。从观测数据看，随着抽真空的进行，同一土体深度孔隙水压力逐渐减小，孔隙水压力消散后有效应力的提高量越大;不同土体深度，孔隙水压力由浅至深逐渐增大，增加趋势逐渐变缓［8］，由于真空压力影响由浅至深发生衰减。预压1个月后，孔隙水压力增加，是受到铺设砂垫层时砂堆的荷载作用影响，随后，孔隙水压力曲线趋于平缓，卸载后孔隙水压力迅速回升。

图3 孔隙水压力与时间的关系

4 两种方法比较

表2和表3为有效应力法和有效固结压力法计算的地基强度增长与工程区域软土地基加固后实测剪切强度的比较。采用式(1)计算η 值，表中天然强度为该地基加固前十字板剪切强度，实测强度是加固后十字板剪切强度;有效应力Δσ'1取各深度实测的负孔隙水压力增量值;附加应力Δσz取砂井中各深度实测的真空压力值;Ut为相应土层达到的固结度。由表2可以得出:Δσ'1和Δσz随着深度逐渐减小，两种方法所计算的土的抗剪强度Δτct随土体深度逐渐减小，η 随土体深度呈小幅增大趋势，其值在1.0～1.5 之间;在同一土体深度，用有效固结压力法计算的η 值略偏大，有效固结压力法计算的土体强度增长值接近于实测的土体强度变化。由于十字板实测强度值由拟合方程计算而得，结果偏小［9］，因此计算的η 也偏小。

由表2可看出:相同土体深度两种方法计算得到的强度增长率K 大小相接近，在0.4～0.6 之间，并且随土体深度增加呈增加趋势［10］，最大值出现在12 m 处。

地基加固后土层强度增长规律与土体本身的性质有关。由表3 各土层强度增长量可知该区域淤泥质黏土加固后土体强度增加幅度最大，其下伏土层为强度较高的粉质黏土，加固后土体强度增加幅度最小。