真空预压强度增长计算方法研究

史 鹏 程

(宁波交通投资控股有限公司，浙江 宁波 315042)



真空预压强度增长计算方法研究

史 鹏 程

(宁波交通投资控股有限公司，浙江 宁波 315042)

介绍了真空预压下土体强度的付天宇公式中的不足及修正方法，并对麦远俭公式进行了修正，添加了一个修正系数ξ来综合考虑各方面的因素，同时结合工程实例进行分析，得出考虑各种因素影响的修正系数ξ平均为1.047，而按规范计算后的修正系数η平均为1.298。

真空预压，土体强度，修正系数

0 引言

现行的规范[5，6]中一般都使用有效固结应力法计算真空预压下的土体强度增长量，如《港口工程地基规范》[5]先是堆载预压下土体强度增长计算方法，然后间接地指出真空预压的膜下真空荷载可以等效为相同荷载下的堆载预压，计算公式可采用堆载预压下的强度增长计算公式。虽然堆载预压和相同荷载下的真空预压处理软土地基的效果相似，但是，堆载预压毕竟是K0固结，堆载过程中会发生剪切蠕变，而真空预压和堆载预压加固机理有本质区别，真空预压加固地基是各向等压固结，也就是说真空预压加固过程中不会发生剪切破坏。所以如果不结合它们各自的机理进行分析，找出它们的异同，而把真空预压用简单的荷载等效的方法来计算土体强度增长是不太合理的，其计算的结果往往与实际工程发生不可避免的偏差，当然理论上计算结果是偏小的，大量的实际工程中的实测数据也显示真空预压下的土体强度增长值的计算结果是偏小的。

饱和软粘土中存在有效应力—含水量—剪切强度之间的唯一关系，Henkel[7]对威尔特和伦敦两种重塑粘土的试验研究成果证实饱和软粘土中存在这种关系。也就是说不管通过什么样的方式施加荷载，只要软土被预压固结到同一含水量的状态，它们的剪切强度是一致的，剪切破坏势莫尔应力圆也是一样的。而等量的真空荷载和堆载荷载加固同一土体引起的土的含水率的变化明显是不可能一样的，进而它们的抗剪强度也是不一样的，所以要分别对其进行分析。

综上所述，简单的套用规范计算真空预压下土的抗剪强度是不尽合理的，所以本文从以下两种方法着手，找出更为合理的强度增长计算方法。

1 真空预压下土体强度的付天宇计算公式修正

付天宇[8]对真空预压与堆载预压法的应力进行图解，得出两种方法加固土体强度的增长差值，再利用已有的堆载预压下的土体强度增长公式，间接推算出真空预压法下土体的强度增长公式。分析简图见图1。

(1)

利用已有的堆载预压强度增长公式和两种方法的强度差值，可计算出真空预压后的抗剪强度公式：

τft=τf0+Δτft+Δτ差=

(2)

其中，K0在0.3～0.4范围内选取。

此种方法有不妥之处：1)莫尔圆中抗剪强度用与强度包线相互垂直的半径和强度包线的交点的纵坐标表示更为合理；2)把φ′等同于φcu，从而使公式合并简化不尽合理；3)没考虑堆载预压的蠕变效应，即没有对堆载预压强度公式进行折减。

本文针对以上不足，稍作改进，莫尔应力圆图解如下：

由图2可以看出，当堆载预压的土体达到剪切破坏时，真空预压下的土体由于处在等向荷载的条件下，不发生剪切变形和破坏。在卸载之后，两种预压后的土体都处于超固结状态，真空预压加固的土体达到剪切破坏状态依然比堆载预压要困难。用图中τf堆表示堆载预压加固的土体抗剪强度，τf真近似的表示真空预压加固的土体强度。由图中几何关系可以得到两种预压土体强度增长的差值：

Δτ差=τf真-τf堆=

(3)

按照此种方法推导土体强度增长差值比较接近真实情况的原因在于，当对加固后的土体进行三轴固结不排水试验时，堆载预压下加固后的土体达到图2中所示的B圆的应力状态后破坏，其剪切强度为图2中所示的τf堆。而真空预压下加固后的土体达到B圆应力状态后还未破坏，需要继续增加竖向应力，直到土体破坏，此破坏时的应力圆在B圆的右边，其抗剪强度很接近于图2中的τf真。因此，抗剪强度的差值比较接近真实情况。

又根据有效固结应力法：

Δτft=Δσ1Uttanφcu

(4)

利用已有的堆载预压工程，考虑它们之间的差值，得出真空预压后的土体强度公式：

τft=η(τf0+Δτft)+Δτ差=

(5)

其中，τf0为天然地基强度；Ut为土体固结度；φcu为三轴不排水试验下的土的内摩擦角。其中K0在0.5～0.8范围内选取。

2 真空预压下土体强度的麦远俭计算公式修正

麦远俭[9]从Henkel[7]的含水率—抗剪强度对应关系出发，并用等效固结应力计算两种排水预压法下的土的抗剪强度增长值，这样就把真空预压的等向固结和堆载预压K0固结应力联系在一起，使得两种排水预压方法的固结应力可以在相同含水率—抗剪强度的条件下通过某种特定关系进行转换。麦远俭利用前人的研究成果和对真空预压应力深刻的理论阐释，通过对两种方法不排水强度的等效转换关系图解分析得出抗剪强度计算式如下：

(6)

由于各个地区地质环境的不同以及施工过程中真空排水系统，密封系统等不可避免的缺陷，再考虑到数据采集仪器误差和人为误差，建议采取一个修正系数ξ来综合考虑真空预压地基处理实际工程中各种因素的影响。

τfv=ξ(τf0+Δτcv)=ξ[τf0+(1+sinφcu)ΔσcUttanφcu]

(7)

由上可见，麦远俭的修正式中用的土的力学参数只有固结不排水内摩擦角φcu，而后付天宇的修正式除了要用到φcu，还需要土的有效内摩擦角，显然麦远俭的修正式计算方法更为简便。本文主要对麦远俭修正式进行工程实例分析。

3 工程实例

青岛河东路东延长线地基处理工程，西起自红岛连接线与河东路交叉点，往东设羊毛沟大桥跨越羊毛沟，继续向东展线，设墨水河大桥跨越墨水河，与空港工业区西环路平交后，接入金刚山路，到达路线终点，全长2.463 km。路线整体由西向东，呈西东走势。

本工程沿线通过淤泥质软土区域，由于淤泥质粘土的工程性质，无法满足工后沉降要求，要对地基进行处理，同时为确保工程质量和安全，评价地基加固效果，在施工过程中还应对加固区域进行现场监测。

3.1 工程地质条件

选取本工程真空预压处理地段一区K0+442～K0+865和二区K0+865～K1+295进行分析研究。

根据现场勘察，河东路东延长线各区地质情况如下：

一区：0 m～7.3 m，①淤泥质亚粘土：灰色，流～软塑，韧性差，含腐殖质，钻孔有缩颈现象，干缩性强，有臭味，底部夹淤泥质粉砂薄层。7.3 m～8.1 m，②亚粘土：灰黄色，可塑。

二区：0 m～8.0 m，①淤泥质亚粘土：灰色，流～软塑，韧性差，含腐殖质，钻孔有缩颈现象，干缩性强，有臭味，底部夹淤泥质粉砂薄层。8.0 m～10.0 m，②亚粘土：灰黄色，可塑。

各软土层主要物理力学性质指标如表1所示。

表1 软土层主要物理力学性质指标

3.2 土体抗剪强度增长计算

利用本文对麦远俭土体抗剪强度增长计算公式的修正式，各加固区土体强度增长计算结果如表2所示。

表2 各加固区真空预压土体强度增长计算结果

4 结语

1)真空预压和堆载预压虽说加固效果类似，但是盲目地去套规范会使计算值比实际值小。把真空荷载进行等效转换，使其更符合实际情况，找出真空预压和堆载预压土的抗剪强度之间的差值，然后利用现有的堆载预压的强度公式，推算出真空预压的强度公式，这样就可以很好的预估真空预压后的土体强度增长，使得推算的土体强度更加接近于土体的实测强度，本文在此基础上对付天宇公式和麦远俭公式进行修正，修正式更合理。

2)考虑各种因素影响的修正系数ξ平均为1.047，而按规范计算后的修正系数η平均为1.298，并且后者的变化幅度比较大。当然对于不同区域不同工程，该系数还需进一步总结分析。

3)麦远俭提出的强度增长公式简单易用，且通过实验获取土的三轴固结不排水强度指标即可。后付天宇方法还需获取有效应力指标，且公式略显繁琐，如果数据量足够，建议用两种方法分别计算出相应的土的抗剪强度，并进行比较，这样估计的结果才更为可靠。

[1] 曾国熙.φ=0分析法——一种对于饱和粘性土值得推广应用的方法[J].地基处理,2001,12(3):9-11.

[2] 赵令炜,沈珠江.排水砂井预压法的理论和实践研究报告[R].南京：南京水利科学研究所,1963.

[3] 沈珠江.软土工程特性和软土地基设计[J].岩土工程学报，1998,20(1)：108-110.

[4] 沈珠江.基于有效固结应力理论的粘土土压力公式[J].岩土工程学报,2002,22(3):353-356.

[5] JTS 147—1—2010，港口工程地基规范[S].

[6] JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规范[S].

[7] D.J.Henkel.the Shear Strength of Saturated Remolded Clays,Proc.,Research Conference on Shear Strength of Cohesive Soils,Colorado,1960.

[8] 付天宇.真空预压下地基抗剪强度计算的研究[J].岩土工程界，2006(1)：3-5.

[9] 麦远俭.真空预压加固中软粘土不排水剪切强度的增长[J].水运工程,1998(12):53-57.

Research on growth calculation method of vacuum preloading strength

Shi Pengcheng

(NingboTrafficInvestmentHoldingLimitedCompany,Ningbo315042,China)

This paper introduced the deficiency and correction method of vacuum preloading soil strength of Fu Tianyu formula, and revised the Mai Yuanjian formula, add a correction factorξto consider various factors, at the same time combining with the engineering example made analysis, gained the average correction coefficientξwas 1.047 considering various influence factors, and the average correction coefficientηwas 1.298 in accordance with the specification after calculation.

vacuum preloading, soil strength, correction coefficient

1009-6825(2016)20-0065-03

2016-05-04

史鹏程(1983- )，男，硕士，工程师

TU432

A