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1、真空井点降水联合等载预压在桥坡路基加固中的对比试验研究第23卷第15期2004年8月岩石力学与工程ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering23(15):25792584Aug.,2004真空井点降水联合等载预压在桥坡路基加固中的对比试验研究汪中卫宰金璋(同济大学地下建筑与工程系上海200092)摘要通过对真空井点降水联合等载预压这种加固新方法在加固过程中土体应力路径特征,加固影响深度及加固后的土体固结变形机理的分析,揭示了在该加固方法条件下地基土中应力变化及其相应的变形规律,并与注浆加固进行土体物理力学指标和工后沉降对比,从而闸明了该方法在桥坡路基
2、加固中较传统注浆加固方法更具有合理性与经济性.关键词土力学,真空井点降水,有效应力,应力路径,影响深度,固结沉降分类号U443.1文献标识码A文章编号1000?6915(2004)15-2579?06RESEARCHoNCoMPARATIVETESTSoFREINFoRCEMENTFoRBRIDGE.SLoPESUBGRADEBYVACI【MWELLP0TDELTERGCoMBINEDWITHEQUALPRELOADWangZhongwei,ZaiJinzhang(DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongiUniversity,Shanghai20009
3、2China)AbstractBasedontheanalysisofstresspathcharacteristics,influencedepthofreinforcementandmechanismofconsolidationdeformation.thispaperrevealsthecharacteristicsofstressanddeformationinthebridge?slopesubgradereinforcedbyvacuumwell?pointdewateringcombinedwithequalpreload.Bycomparisonofthesettlement
4、sdeterminedbyconventionalgroutingmethodandbyproposedmethod,itisprovedthattheproposedmethodiSreasonableandeconomica1.Keywordssoilmechanics.vacuumwell?pointdewatering,effectivestress,stresspath,influencedepth,consolidationsettlement1前言软土地区修筑高速公路,一方面由于路堤填土较高,软土地基压缩性大,渗透性小,固结速度慢,其沉降稳定需要很长时间;另一方面由于经济发展的需
5、要,道路建设工期一般较短,以至在运营过程中,道路的工后沉降常常大于规范允许值,尤其在桥头接坡处,跳车现象普遍存在.上海地区从1988年建成我国第一条高速公路以来,已陆续建成了许多条高等级公路,但桥坡沉降问题,至今尚未完满解决.龙东大道是浦东国际机场的市政配套工程,做好桥坡路基加固,消除跳车现象,对保障将龙东大道建成与浦东国际机场相称的高水准工程具有重要意义.在龙东大道已全面开工的现实条件下,为探索有效,可行的桥坡路基加固技术,经专家论证,2002年11月7目收到初稿,2003年1月15目收到修改稿.作者汪中卫简介:男,3O岁,现为博士研究生.主要从事地基处理,深基坑工程等方面的理论与应用研究工
6、作?E-maihwzw_ernailsohu.corn.?2580?岩石力学与工程2004证选定龙东一远东立交桥B匝道与G匝道进行桥坡路基加固方法的初步对比试验研究.2加固试验段施工方法简介试验段选在龙东一远东立交桥匝道口,其地基土的物理力学性质指标见表1.立交桥桥坡填土高度约3.3m,纵向坡度为2%,路面宽度约13m.各试验段平面位置如图1所示.图l试验段平面位置Fig.1Planoftestarea在立交桥B匝道的龙东段桥坡(BK0+223BK0+235)和远东段桥坡(BK0+506BK0+522)采用压密注浆技术对路基进行加固.其中,龙东段注浆深度为12m,远东段注浆深度为1O.85m,
7、由于注浆时桥坡填土两侧均已建成挡墙和防撞墙,为防止注浆使挡墙和防撞墙发生平移和转动,注浆从挡墙底板下5m以下开始压密注浆,5m以上无压密注浆.注浆从1997年8月31日开始,至1997年9月17日结束.在立交桥G匝道的龙东段桥坡采用真空井点降水联合等载预压技术进行桥坡路基加固,该技术系运用通过泥水分离器与降水井点相连的机械真空泵于降水的同时在土中形成稳定的真空负压,再利用路堤自身堆载实现联合等载预压加固桥坡地基.试验中沿桥坡(GK0+724-*GK0+735)的南北两侧各布置一排轻型真空井点管,井点管深度为7.5m,间距为1.5m,配置一台W-4机械真空泵.桥坡南侧轻型真空井点于1997年9月
8、8日埋设完毕,9月9日开始抽水;桥坡北侧轻型真空井点于1997年9月18日埋设完毕,9月19日开始抽水.真空度经过初期一段波动后,逐渐稳定在一710Pa(负压),由于工期紧,故抽水只持续了38d,至1O月15日结束,水位下降约3.3m.在试验段施工期间,布置测点进行了相应的长期沉降观测.测点平面位置如图2所示.图中LF5为分层沉降标点,其他点为地表沉降测点.55408900709024图2真空降水试验段测点平面位置Fig.2Planofmonitoringpointinvacuumdewateringtestarea3加固机理分析压密注浆技术加固的原理就是通过对有效压缩层的一定深度范围内注入水
9、泥浆,使水泥与水,土发生物理化学反应,以改善该位置土体物理力学性质,使其压缩性减小,从而达到减小沉降的目的.而真空井点降水联合等载预压是在真空预压,降水裹1地基土物理力学性质指标Table1Physieo-meehaniealindexofsubgradesoil?2582?岩石力学与工程2004在图4真空降水加固附加应力沿深度变化规律Fig.4Distributionregularityofadditionalstressalongdepthwithreinforcementbyvacuumdewatering从地面等载作用来看,由于是分布在地表的面积荷载,其所引起的附加应力沿深度方向呈指数
10、形式衰减,其变化规律如图4(a)所示:由真空引起的负压,根据目前相关的研究【11,其向下吸气的影响深度可由提水高度确定,真空度沿井点管周围变化近似呈线性变化,如图4Co)所示;而降水作用在总荷载基本不变的条件下,由于静水压力的变化,沿深度方向各位置的土体最终有效应力均会增加到h,如图4(c)所示.总的来看,对道路建成使用后,其最终有效附加应力就是如图4(a)所示为cr2,其地基最终竖向应力为cr0+,对地基土主要压缩层0-20m范围内某点,在加固期间,其有效附加应力为U2+【厂2(,h+),有效应力为cro+U2+【厂2(,h+),在真空降水停止以后,自地下水位以下的土体就处于超固结状态.从图
11、中可以看出,在有效压缩厚度范围内随着深度的加大,(+o-,)/o-:的比值基本没有衰减,这说明在等效荷载相等的条件下,采用真空降水联合等载预压加固软基的方法,其加固影响深度要明显大于堆载预压.真空井点降水区分层沉降变化曲线如图5所示.从图5可以看出,在不同时间所测得的分层曲线大体上平行,没有太明显的偏离.这表明,在工后期内一20m以上土体所发生的沉降占总沉降的比重不是占绝大部分,一20m以下土体沉降占了所发生量的相当一部分.从分层曲线上可以看出,在1997年11月2O日(道路竣工日为1997年12日初)到1998年7月12日期间,O一20m总沉降约9mm,一20m以下沉降约8mm.可以看出,桥
12、坡填土所引起的附加荷载在一20m以下部位已经有很大衰减的情况下,一20m以下部位土体的沉降变形仍占了工后期土体变形的近一半左右,从这个角度也验证了一20m以上的土体得到了有效加固.沉降量/mm!00E-5趣聪一l0-15201.2024l】l2图5真空井点降水区分层沉降变化曲线Fig.5Curvesoflaminarsettlementinthereinforcedareabyvacuumdewatering3.3真空井点降水后土体的固结变形分析对上海地区软土而言,桥坡路基的工后沉降可分为固结沉降与次固结沉降.PlgP曲线如图6所示.从图6可以看出:加荷后土中有效应力由点增加到点,在加固完毕后
13、,其应力又返回到点:在工后期内由路基荷载引起的附加应力全部固结后,其应力由点增加至点.可见,经加固后,使路基下土发生明显的超固结作用,当其应力由点增加至点时,其相应的孔隙比改变量为,如土体未经加固,其对比的孔隙比改变量为Ae,显然Ae,<Ae.因此,经加固后在路堤荷载作用下的工后沉降明显变小.FFlFFlgp图6P?lgp变化曲线Fig.6Curveofe-lgp第23卷第l5期汪中卫等.真空井点降水联合等载预压在桥坡路基加固中的对比试验研究?2583?由于淤泥质粘土及淤泥质粉质粘土具有典型的蠕变性,因而在超孔隙水压力消散后,在有效应力基本不变的情况下,仍然存在着相当数量的次固结沉降.一
14、般而言,土体的次固结变形沉降与加荷的荷重等级和土体的超固结比OCR有关,一般规律是:荷重量级与OCR愈大【51,其次固结沉降愈小.由于前期的真空降水作用,使得土体在真空降水施工结束后处于超固结状态,从图4,5可以看出,真空降水预压可以有效地使O一20m位置土体处于超固结状态.同时,由于真空降水作用使得桥坡路基土在加固期间的荷重量级比在正常使用期间要大,从这两方面分析可知,真空井点降水作用可以减小使用期间的该部位土体的次固结沉降.4桥坡路基加固效果评价4.1加固后土工指标评价立交桥B匝道的桥坡试验段经压密注浆加固后,使桥坡路基土的性质得到改善:(1)土的孔隙比e:砂质粉土从0.9减小为0-8,减
15、小约11%;淤泥质粘土从1.171.4O减小为1.O1.2,减小了17%12%.(2)土的压缩模量E.:砂质粉土从11MPa提高到13MPa,提高了18.2%:淤泥质粘土从2.43.1Maa提高到2.73.6MPa,提高了12.5%16%.(3)标准贯入击数6,:砂质粉土从6增加到14,增加了133%;淤泥质粘土从13增加到27,增加了1o0%133%.立交桥G匝道的龙东端桥坡经真空降水预压加固后,也使桥坡路基土的性质得到改善:(1)土的孔隙比e:砂质粉土从O.92减小为O.85,减小约6%,淤泥质粘土从1.11.15减小为1.O1.05,减小了10%.(2)土的压缩模量最:砂质粉土从5.7M
16、Pa提高到6.7MPa,提高了17%;淤泥质粘土从2.O2.3MPa提高到3.O3.1MPa,提高了35%.(3)标准贯入击数6,:砂质粉土从5增加到9,增加了80%;淤泥质粘土从12增加到24,增加了100%.为便于对比,两试验段经加固后各项对比指标如表2所示.从图7,8可以看出:在真空井点降水区,加固后的孔隙比与压缩模量变化曲线大体上与加固前的变化曲线平行,这说明真空井点降水联合等载预压的加固效果比较均匀,而且影响深度比较大,主要孔隙比P孔隙比P0246乓8磺l0l2l4l6(a)真空井点降水区(b)注浆加固区图7土孔隙比变化对比曲线Fig.7Comparisonforvoidratioc
17、urve压缩模量E,IPa024680rrrr1246E遗8聪l012l4l60一lc一3一5聪一,一9一l1一l3一l5压缩模量E,IPa5l0l5(a)真空井点降水区(b)注浆加固区图8土压缩模量变化对比曲线Fig.8Comparisonforcompressionmoduluscurve表2加固试验区各项指标加固前后对比Table2Comparisonofindexesbeforeantiafterreinforcementattestarea?2584?岩石力学与工程2004包压缩区0一20m范围内都得到有效加固;而有注浆加固区,加固后的孔隙比与压缩模量得到明显提高,而在0一5m以及一
18、15m以下范围内均没有明显变化.4.2工后沉降评价对路基土的工后沉降,可通过规范公式推算其最终工后沉降,推算数据,可以取各试验段大体相同位置处的沉降观测数据进行工后沉降比较,各区沉降测点变化时程曲线见图9(观测时间是1997年9月5日至l998年7月l2日).重世斌050l00l502002503oo350时间,d(a)真空井点降水区(b)注浆加固区图9各区沉降测点变化时程曲线Fig.9Time?settlementcurvesformonitoringpointineachalea对B匝道压密注浆加固区,观测点BH4的平均实测工后沉降为22IfLITI,平均推算工后沉降为30.3mm.199
19、7年l2初(道路竣工日)时的平均沉降速率为0.32mm/d,l998年7月l2日时,其平均沉降速率为0.03mm/d.对G匝道真空井点降水区,试验段与B匝道基本相应位置观测点GH5的平均实测工后沉降为l7.2mm,推算平均工后沉降为22.1mm.1997年l2月初(道路竣工日)的平均沉降速率为0.07mm/d,到l998年7月l2日,其平均沉降速率已接近于0mm/d.而根据同期未加固桥坡的观测点GA13沉降观测资料,其1997年l2月初(道路竣工日)的平均沉降速率为0.6mrn/d,到l998年7月l2日,其平均沉降速率为0.1mm/d.可见,经加固后,桥坡的工后沉降显着减小,通过2种加固方法
20、的对比,发现2种加固方法加固效果基本相当,真空井点降水联合等载预压试验段工后沉降略小.但由于工期紧的原因,真空降水只维持了一个多月,未能充分发挥降水效果,如果适当加长其降水时间,其效果显然优于压密注浆.另外,从工程造价角度考虑,一套真空井点每月运行成本约4万元,而压密注浆lITI.造价约为80元,二者相比,真空降水费用明显要比压密注浆费用低,经济效益更显着.5结论通过对立交桥桥坡路基加固的对比试验,可以得出如下结论:真空井点降水联合等载预压加固软土地基,能够有效加固有效压缩层厚度范围内的软弱土体,并且加固效果比较均匀,能够有效消除由于地基沉降所引起的桥头跳车现象.如果施工工期能维持在23个月,
21、其加固效果将远远好于压密注浆,同时能大幅度降低软土地基的加固费用.参考文献l侯钊,陈环,钱征等天津软土地基【M】天津:天津科学技术出版社.1978陈环.鲍秀清.负压条件下土的固结有效应力【J岩土工程学报,1984.6(5):39473娄炎真空排水预压法的加固机理及其特征的应力路径分析【J】l水利水运科学研究,1990,(3):991064沈珠江,陆舜英.软土地基真空排水预压的固结变形分析【J】.岩土工程,1986,8(3):7l55赵维炳,施健勇.软土固结与流变【M】.南京:河海大学出版社,l9966IndraratnaB?RedanaI,Numericalmodelingofvertical
22、drain,vittIsmearandwellresistanceinstalledinsoRclayJCanadianGeotechnicalJournal,2000,37(2):l32l457LeeSL,AsceF,KarunaratneGP.etalLayeredclay-sandschemeoflandreclamationJ.JournalofGeotechnicalEngineering,1987,l13(9):9849958涂平晖.杜文山,张弥.深厚层软土路堤涵基真空联合堆载预压试验研究【J】l中国公路,2000.13(4):29329付光奇,艾英钵,李震.真空.堆载联合预压加固高速公路软基的实用设计【J】.重庆交通学院,2002,21(1):4145lO吴跃东,赵维炳.真空-堆载联合预压加固高速公路软基的研究J.河海大学,1999,27(6):7781l1潘秋元,朱向荣,谢康和.关于砂井地基超载预压的若干问题J.岩土工程,1991,l3(2):ll212朱向荣,潘秋元,卞守中等超载预压加固宁波机场场道软基叨.岩土工程,1992,14(增):3038