真空预压软土地基处理的黏弹性研究

舒红波 陈智军 李之达

(武汉理工大学产业集团 武汉 430063)



真空预压软土地基处理的黏弹性研究

舒红波 陈智军 李之达

(武汉理工大学产业集团 武汉 430063)

采用数值计算与现场测试相结合的方法，对某真空预压地基处理工程中基础沉降、孔隙水压力和土层特性的时间相关性进行了探讨.利用黏弹性理论对真空预压地基处理工程中基础沉降、孔隙水压力和土层特性的时间相关性进行描述，并利用终值定理对地表最终沉降进行估计.利用现场试验数据，对土体固结及土的特性进行探讨.结果表明，二次真空预压可以使沉降随时间变化更快，孔隙水压力消散更快，加速土体固结.

黏弹性；真空预压；固结

0 引 言

软土地基处理其设计和施工过程中要解决的关键问题是地基沉降.文献[1]最早提出用于加固软土地基的真空预压法.随后，研究表明，堆载预压是将孔隙水挤压出来降低孔隙压，抽真空是将孔隙水引出来降低孔隙压，可利用Terzaghi有效应力来解释真空预压软土地基处理的机理.文献[2]以Biot固结理论为基础，考虑土的流变性，采用黏弹塑性本构关系，分析了真空预压法对周围环境的影响.王剑平等[3]介绍了在表层为很厚的硬壳层且地下水位又很低的特殊地基条件下，在南宁机场采用真空预压加固软土地基的工程实例.2001年浙江台州地区的黄岩、椒江、路桥污水处理厂采用真空预压法加固深厚软土地基并取得成功，加固深度达30 m.

关于真空预压法软土地基处理的时间相关问题，有大量学者对地基黏弹性理论进行了研究.刘兴旺等[4]分别考虑自由应变和等应变，给出了竖井地基黏弹性解；王瑞春等[5]就半透水边界和变荷载条件进行了推导；刘加才等[6]分别针对均质深厚软土地基竖井未打穿情况，层状黏弹性地基得到了相应的解答.

文中结合某真空预压地基处理工程，采用数值计算与现场测试相结合的方法，利用黏弹性理论对地基处理工程中基础沉降、孔隙水压力和土层特性的时间相关性进行探讨.

1 土体固结的黏弹性基础

土的固结是一个时间相关过程.假定土体为均匀各向同性材料，并且假定研究土体是处于完全饱和状态，则所研究的土体中应力为

(1)

由平衡方程，土体总应力满足(按土力学习惯，应力和应变压为正)

(2)

(3)

进一步假设土体为均匀各向同性黏弹性体，其本构关系为

(4)

或用偏量表示

(5)

式中：G为剪切模量；K为体积模量，且K=2G+3λ.

由几何方程

(6)

代入本构方程，然后代入平衡方程，得到

(7)

又由质量守恒定律，单位时间dt内流出和流进单元体的水量之和等于单位时间dt内单元体土体的体积改变，即

(8)

假设土体中渗流服从Darcy定律，即

(9)

式中：kij为渗透张量；γg为水的浮力.从而，质量守恒方程化为如下连续性方程

(10)

由本构关系，式(10)可以改写成

(11)

式中：K-1为体变柔量.

在下列定解条件下，通过数值方法，联立求解上述平衡方程和连续性方程，可以获得(可测)地表沉降和孔隙水压.

(12)

式中：p0为初始孔隙水压；H为土层深度；re为沙井影响区半径.

求解上述边值问题是相当困难的，只得采用数值方法求解.但是，当固结过程中总应力之第一不变量与时间无关时，就退化为Terzaghi固结理论，可以(解耦)分别获得地表沉降和孔隙水压.

2 沉降、孔隙水压力和抗剪切强度的时间相关性

2.1 工程概况

文中研究的真空预压地基处理项目位于某海边吹填区内，宽30 m、长3 414 m.加固过程中，将加固区域分为19个小块加固区域，采用二次真空预压加固.浅层地基处理时，满载超过15 d，对被处理地基进行吹填操作，吹填厚度为0.8 m，土质为砂性土，吹填时分2层吹填.工序完成后，必须要待到处理后地基的卸载要求满足后才能进行深层处理.真空预压地基处理平面分区，见图1.

图1 真空预压地基处理平面分区图

2.2 浅层真空预压地基处理

2.2.1 沉降的时间相关性

沉降是一个时间相关性过程.下面以2区为例，在区域内某点处竖向选取5个测点，浅层真空预压期，对其地表沉降进行观测，地表沉降与时间的关系见图2.由图2可见，不同深度测点的沉降随时间增加.

图2 2区沉降-时间曲线

2.2.2 孔隙水压力的时间相关性

每4个排水板围成的中心位置埋设1个孔隙水探测头，探测头的埋设深度为1，3 m，获取加固过程中孔隙水压力的时间相关性，孔隙水压力与时间的关系见图3.

图3 2区孔隙水压力-时间曲线

由图3可见，浅层真空预压时，区域内孔隙水压力与时间关系变化不明显.

2.2.3 抗剪切强度的时间相关性

加固处理之前以及加固处理之后，进行十字板剪切试验，比较加固效果.2区主要加固土层十字板抗剪强度由加固前0.6～5.7 kPa增加到加固后1.9～7.5 kPa见图4.

图4 Q2区剪切强度变化曲线

加固前后土层其他特性在此不一一列举.

2.3 深层真空预压地基处理

地基经浅层处理后，区域地基土层为欠固结土.满足要求后，进行深层处理.

2.3.1 沉降的时间相关性

进行深层处理时，2区插板沉降量为336 mm，监测实测预压期地表沉降量为1 824 mm， 2区总沉降为2 160 mm.实测数据见图5.

图5 2区沉降-时间关系曲线

由图5可见，比较浅层真空预压，深层真空预压沉降随时间变化更快，变化趋势更加明显.

2.3.2 孔隙水压力的时间相关性

在真空预压区中心点附近埋设1组孔隙水测头，获取加固过程中孔隙水压力的时间相关性，孔隙水压力与时间的关系见图6.

图6 2区孔隙水压力变化曲线

由图6可见，比较浅层真空预压，深层真空预压的孔隙水压力消散更快.

2.3.3 抗剪切强度的时间相关性

2区主要加固土层十字板抗剪强度由加固前2.3～42.4 kPa增加到加固后19.4～58.2 kPa.加固前后十字板试验结果见图7.

图7 2区加固前后十字板试验成果

3 土体固结与地表沉降

土体的平均固结度是指在某一时刻t的土体固结沉降wct与土体最终的固结沉降wc的比值,通常用U表示.即

(13)

其中，任一时刻t的地基固结沉降wct可以求解边值问题，获得理论解，同时，可以进行现场测试，获得试验数据，进而，可以计算土体的理论平均固结度；另一方面，可以在实验室进行土体固结系数的测定，并将二者进行比较.那么，土体固结计算就成为地表沉降wct与wc的获取，任一时刻t的地基固结沉降wct可以是理论计算，也可以是且更倾向于现场试验数据，而最终地表沉降wc可按下面分析获取.

当固结完成后，孔隙水压力消失，依终值定理，最终地表沉降可按弹性理论估计.

取地平面为oxy平面，z轴垂直向下，那么土体所受外力为向下的重力ρg和向上的浮力γg作用，还有作用在地表面堆载q作用，并假定较深z=H处完全约束.

假设堆载q作用是均匀分布的.对于大面积软土的处理，可以假设

u=0,v=0,w=f(z)

从而，平衡方程简化为

(14)

对z积分，有

代入本构关系，

由(地表面)边界条件

得到A，从而

又由深层(z=H处)边界条件

得到B，从而有

则，竖向位移

取z=0，便可得到最终地表沉降

(15)

根据勘察资料，任选现场2，7，14几个观测区域，理论计算最终地表沉降wc，现场实测某一时刻t的地基固结沉降wct，进而计算土体的固结度.详见表1.

可见，计算沉降与实测沉降基本吻合，而且，此时的土体并没有完全固结，但可以进行地面施工了，此时的地基基础已经具备较大承载力.

表1 地表沉降与固结度计算

4 结 论

1) 适当选取土的计算参数，黏弹性理论可以很好地描述真空预压地基处理工程中基础沉降、孔隙水压力和土层特性的时间相关性;

2) 理论分析和现场测试表明，二次真空预压可以使沉降随时间变化更快，孔隙水压力消散更快，加速土体固结;

3) 利用现场试验数据计算土体固结及土体特性，更加接近工程实际.

[1]KJELLMAN W. Consolidtion of clay soil by means of atmospheric pressure[C]. Proc. Conference on Soil Stabilization, MIT, Boston,1952.

[2]陈远洪,洪宝宁,龚道勇.真空预压法对周围环境影响的数值分析[J].岩土力学,2002,23(3):382-386.

[3]王剑平,夏玉斌.真空排水预压法处理台州路桥污水处理厂大型刚性混凝土构筑物软土地基[C].地基处理理论与实践—第七届全国地基处理学术讨论会论文集,2002：38-44.

[4]刘兴旺,谢康和,潘秋元,等.竖向排水井地基黏弹性固结解析理论[J].土木工程学报,1998(2):55-58.

[5]王瑞春,谢康和.半透水边界的竖向排水井地基黏弹性固结分析[J].长江科学院院报,2001,18(6):33-36.

[6]刘加才,马强.层状黏弹性地基一维固结特性[J].土木建筑与环境工程,2012,34(3):34-38.

Viscoelistic Properties Research on Vacuum Preloading in Soft Soil Foundation Treatment

SHU Hongbo CHEN Zhijun LI Zhida

(WUTHigh-techCo.,LTD,Wuhan430063,China)

The foundation settlement, pore water pressure and soil characteristics of the vacuum preloading foundation treatment project have been discussed in this paper by means of the numerical calculation and field test. Firstly, the time correlation among the foundation settlement, pore water pressure and the soil characteristics in the vacuum preloading foundation treatment project has been described by using the theory of viscoelasticity, and the final settlement of the soil surface is estimated by using the final value theorem. Secondly, using the field testing data, the soil consolidation and the soil characteristics are discussed, the analyzed result shows that the secondary vacuum preloading can make the settlement changing faster over the time, the pore water pressure dissipates faster too, accelerating the soil consolidation.

viscoelasticity; vacuum preloading; consolidation

2016-09-12

TU433 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.033

舒红波(1971- )：男，硕士，工程师，主要研究领域为高速公路监理、检测和科研