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1、砂垫层在真空预压软土地基处理中的作用2011年5月第5期总第453期水运工程Port&WaterwayEngineeringMay.2011No.5SerialNo.453砂垫层在真空预压软土地基处理中的作用顾勇,蔡建.一,朱治(1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海200120;2.上海航源港口3-程质量检测有限公司,上海200120)摘要:分析吹填疏浚淤泥在真空预压软土地基处理中排水及荷栽变化的过程,根据土的卸载抗剪强度的计算方法从理论上分析了无砂垫层真空预压,有砂垫层真空预压,无砂垫层真空预压后再设置砂垫层3种情况在地基处理后沿深度方向地基土抗剪强度的变化规律,发现砂垫层在
2、真空预压软土地基处理中具有难以替代的重要作用.关键词:砂垫层;真空预压;土的卸载抗剪强度中图分类号:Tu447文献标志码:A文章编号:10024972(2011)05012705EffectofsandcushiononsoftsoilgroundtreatmentwithvacuumpreloadingmethodGUYong,CAIJian._ZHUZhi.(1.ChinaSTrafficShanghaiWaterwayEngineeringDesignandConsultingCo.,Ltd.,Shanghai200120,China;2.ShanghaiHangyuanHarborEn
3、gineeringQualityandTestCo.,Ltd.,Shanghai200092,China)Abstract:Thispaperanalyzestheprocessofdrainageandloadvariationofdredgedmudduringsoftgroundtreatmentbythevacuumpreloading,discussestheoreticallythevariationlawofgroundSshearstrengthalongthedepthdirectionaftergroundtreatmentunderthethreeconditions:v
4、acuumpreloadingwithnosandcushion;vacuumpreloadingwithsandcushion;layingsandcushionaftervacuumpreloadingwithnosandcushion.Itisfoundthatthesandcushionplaysanimportantroleintheprocessofsoftsoilgroundtreatmentwithvacuumpreloadingmethod.Keywords:sandcushion;vacuumpreloading;soilunloadingantishearingstren
5、gth目前围海吹填成陆T程不断增多,许多T程常采用吹填砂成陆,然而由于地质土层的不均匀分布,在我国部分沿海地区缺少砂源,只能采用吹填疏浚淤泥成陆,吹填淤泥含水量大,压缩性高,承载力低,不能直接作为建筑物或堆场等场地使用,需采用真空预压等方法进行软土地基处理.传统的真空预压方法是在软土层表面铺设砂垫层,由于砂源紧张,部分科研,设计,施_丁单位进行技术开发,考虑采用无砂垫层的方法进行真空预压地基处理.笔者根据土体经加载固结再卸载后土的卸载抗剪强度的计算方法_l1,从理论上分析了无砂垫层真空预压,有砂垫层真空预压,无砂垫层真空预压地基处理后再设置砂垫层3种情况处理后沿深度方向地基抗剪强度的变化规律,
6、最后结合丁程实例进行试验验证.1有砂垫层与无砂垫层真空预压排水及荷载变化过程真空预压法加同地基最早是南瑞典皇家地质学院w.Kjellman教授在1952年提出的21.真空预压法现场试验是在加同的地基中打设垂直排水通道如砂井,地面铺设砂垫层,其上覆盖不透气的密封膜并将四周埋设至地下水位以下,然后经真空泵以及滤管进行捕真空,随着土巾气和水的排出,地基被加固p1,这就是常用的有砂垫层真空预压法地基处理方法.收稿日期:201011一l9作者简介:顾勇(1969一),男,高级工程师,从事港航工程专业设计研究工作.?128.第5期顾勇,等:砂垫层在真空预压软土地基处理中的作用?129?系数统计平均值为O.
7、64得出的,如果土的黏粒含量较高,土性系数大于0.64,该拐点上移).抗剪强度图2无砂垫层卸载后土的抗剪强度线图2中ODD线是理论上固结完成后土的卸载抗剪强度线,随着深度增大强度增大.但是真空预压期间也可能由于表层排水路径短,排水条件好固结速度快;其下部土层由于排水路径长,排水条件差同结速度慢,出现上部强度大下部强度小的情况.3.2有砂垫层地基处理后土的抗剪强度假设在土层表面先铺设一定厚度的砂垫层作为真空预压的水平通道,由于砂垫层自身具有一定的质量,真空预压过程中的固结应力与无砂垫层相比增加了砂垫层的自重荷载,虽然砂垫层自身质量部分荷载并不大,但对地基处理效果的影响相差较大,卸载后软土层表面应
8、力不是图2中ODD曲线上的0点,而是由砂垫层引起自重应力对应于ODD曲线上的某一点,因砂垫层自重应力的大小,这一点相对于D点来说有3种可能,位于D点之上(图3),位于D点(图4)和位于D点之下(图5),图35中OA表示砂垫层的厚度或砂垫层的自重应力.图3有砂垫层卸载后土的抗剪强度线(:<图3表示砂垫层的自重应力小于强度线上拐点D应力时土层在真空预压地基处理后软土层的正应力与强度的关系.此时如果砂层厚度过小,WD段抗剪强度较小,对表层土的地基承载力不利.图4表示砂垫层的自重应力等于强度线上拐点D应力时土层在真空预压地基处理后软土层的正应力与强度的关系.此时不出现图2中拐点D以内的抗剪强度较
9、小段.图4有砂垫层卸载后土的抗剪强度线(o-i=o-;)图5表示砂垫层的自重应力大于强度线上拐点D应力时土层在真空预压地基处理后软土层的正应力与强度的关系.虽然砂垫层越厚自重应力越大,因软土层中的固结应力越大同结效果越好,抗剪强度越大,但是在砂源紧缺的情况下增加砂垫层厚度对工程的造价影响较大.图5有砂垫层卸载后土的抗剪强度线(o-:>o-5)3.3无砂垫层地基处理后再铺设砂垫层时的强度在无砂垫层地基处理后土的抗剪强度线与图2相同,然后再铺设砂垫层,因砂垫层是大面积均匀增加的,在软土层中增加竖向应力的同时也增加水平向的侧向应力,效果与图35相似,不同的是抗剪强度曲线数值比图35的数值略小.
10、DG一隧S叫一较?130?水运工程3.4地基处理后土的抗剪强度的变化规律假设土的密度为1.7t/m,真空预压的大气压力为80kPa,砂垫层的荷载为20kPa,采用式(1)和(2)自泥面起相同深度3种不同地基处理方法后的强度计算结果见图6.10203O凸_405O6O70_A_1C1卜D_c图6相同深度3种不l司地基处理方法后的强度A线表示随深度增大土体在自重应力作用下固结后的抗剪强度变化线,B线表示随深度增大土体在自重应力和大气压力作用下同结后再卸除大气压力后的抗剪强度变化线,C线表示随深度增大土体在自重应力和大气压力作用下同结后再卸除大气压力后增加砂垫层的抗剪强度变化线,D线表示随深度增大土
11、体在自重应力,大气压力和砂垫层共同作用下固结后再卸除大气压力后的抗剪强度变化线,E线表示随深度增大土体在自重应力,大气压力和砂垫层共同作用下固结后再卸除大气压力和砂垫层后的抗剪强度变化线.南图6可以看出在线,C线和,J线中,相同深度无砂垫层真空预压的B线抗剪强度最小,有砂垫层真空预压的D线抗剪强度最大,无砂垫层真空预压后再设置砂垫层的C线抗剪强度处于两者之间.4抗剪强度对地基承载力的影响通常采用平板载荷试验确定地基的承载力,典型的地基破坏滑动面彤状见图7.图7地基破坏时的滑动面形状图7中的P为作用的荷载,D为土的内摩擦角,I为主动区,为过渡区,为被动区,曲线bed或bcd为地基破坏滑动面,这种
12、加荷方式与吹填土表层铺设砂垫层性质不同,在载荷板下局部范围内增加竖向应力同时没有增加相应的侧向应力,相当于增加剪应力使地基破坏.地基的承载力主要取决于表层土的抗剪强度,在不考虑软弱下卧层影响的情况下主要与2倍载荷板宽度的深度范围的土层的抗剪强度有关.5工程实例某工程为大面积吹填疏浚淤泥地基,吹填土层厚度3.5m左右,真空预压地基处理前天然状态土的基本物理指标见表l,土层密度1.471.56t/m,土的含水量70.4%101.3%,土的颗粒以粉粒和黏粒为主.因土样为流动状无法进行剪切试验,在直剪仪的4个剪力盒内放人土样,分别逐级施加不同的正应力固结,然后进行同结快剪试验,试验结果见图8,土的粘聚
13、力为0kPa,土的内摩擦角为22.57.另外采用无砂垫层和有砂垫层1-3m两种真空预压方法进行地基处理,真空预压时问均约为4.5个月,地基土层在真空预压的大气压力下基本完成同结.表1土的基本物理指标土样编号取土深度/密度p/(【.m含水量不同直径粗粒(砂粒)含量,%荔堡塑翌鱼苎不均匀系数W/%O.250-0.100mm0.1000.075mm0.0750.050mm0.0500.005mwl<0.005mmcI|第5期顾勇,等:砂垫层在真空预压软土地基处理中的作用?131.KPa图8土的抗剪强度线真空预压结束后经现场取土进行室内试验,土的含水量为45%55%,土的密度为1.671.74t
14、/m.假设取真空预压的大气压力为80kPa,土的重度为1.7t/m,试验时载荷板尺寸为70.7cmx70.7cm,根据式f2)计算无砂垫层真空预压后1.5m深度土抗剪强度为=29.7kPa.地表下1.5m深度范围内土的平均强度为14.9kPa,真空预压的过程为土体的固结过程,饱和软黏土在载荷板试验时由于加载速率快,土体破坏过程类似快剪试验,整个过程为同结快剪过程,饱和软黏土快剪时土的内摩擦角为0.,真空预压期间同结具有的强度值相当于快剪时土样的黏聚力值I,对于饱和软黏土采用普朗特尔fPrandt1)和太沙基(Terzaghi1极限承载力公式计算极限承载力.普朗特尔(Prandt1)(条形基础)
15、极限承载力:Z=cN+pogdN,(3)式中:为极限承载力(kPa);c为地基土的粘聚力(kPa);P.为基础底面以上土的平均密度(t/m3);d为基础埋置深度fIl1);Nc,Nq为承载力系数.埋置深度d=0m,承载力系数=5.14.极限承载力为5.14x14.9kPa=76.59kPa太沙基(Terzaghi)(条形基础)极限承载力:1=SowogdXq+cX,(4)厶式中:P为基础底面处土的密度(t/m3);b为基础的宽度(m);No为承载力系数.承载力系数XT0,埋置深度d=0m,承载力系数:5.71.极限承载力为5.7l14.9kPa=85.1kPa.对于饱和软黏土采用斯肯普顿fSk
16、empten)f矩形基础)极限承载力公式61计算极限承载力为:=/Vfc+q(5)均布超荷q=0,承载力系数y=5(1+0.2孚),b和Z分别为矩形基础的宽度和长度.极限承载力为:6.00x14.9kPa=89.4kPa2010年5月26日一2010年6月3日对两组无砂垫层真空预压后地基进行静载试验,现场试验荷载Q一沉降S关系曲线见图9,第1组和第2组地基极限承载力分别为70kPa和90kPa,理论分析计算与实测值基本一致.荷载Q/kPan,n4n60Rnl00l,n图9无砂垫层真空预压静载荷载Q一沉降s关系曲线2010年7月13日一2010年7月16日对两组有1.3m厚砂垫层的真空预压后地基
17、进行静载试验,现场试验荷载Q一沉降5关系曲线见图10,第3组静载试验因试验时所堆荷载较小,加载到206kPa时试验被迫中止.第4组静载试验加载到288kPa时终止,综合判断取有砂垫层真空预压后地基极限承载力为256kPa.荷载Pn1002n0300图l0有砂垫层真空预压静载荷载Q一沉降S关系曲线因缺少砂垫层材料的抗剪强度指标参数,无法进行定量的地基极限承载力计算,只能进行定性分析.1)从图7的地基破坏滑移线看,有砂垫层真空预压后地基极限承载力因地基破坏的滑移线位于砂垫层内,砂垫层排水速度快,砂垫层地基极限承载力比无砂垫层真空预压黏土地基极限承载力大.2)从下卧层的角度看,因砂垫层具有自身重量,
18、砂垫层下部的真空预压黏土在利用式(下转第140页)Om如如gg,s喀m如如如如鲫帅帅g鲁谤进帮?140?3结语1)吹填淤泥土样在两段不同固结压力范同525kPa,25200kPa内近似满足Gibson方程简化所需的3个假定条件,即孔隙比e与同结压力or及渗透系数k与(1+e)的线性关系,大变形固结系数C,近似为常数,在此基础上提出了针对双层软基沉降过程预测的大变形同结简化计算方法.2)将笔者方法应用于围海造陆丁程吹填淤泥与原状淤泥双层软基沉降过程预测,相比于基于经典固结理论的高木俊介法,其预测结果更接近于实测值,为软基沉降预测提供了一种简洁实用的方法,可推广应用于实际工程.参考文献:IJGJ7
19、92002建筑地基处理技术规范fS】(上接第131页)(3),(4),(5)计算地基极限承载力时具有均布超载的原因,有砂垫层真空预压黏土地基极限承载力比无砂垫层情况真空预压黏土地基极限承载力大.3)因砂垫层的自重作用在图6中线与线相比能避免浅层黏土层抗剪强度随深度减小而快速降低的影响.6讨论砂垫层在真空预压中不仅具有水平向的排水通道作用,它自身还具有一定的重力,这一点是无砂垫层真空预压方法所无法做到的,尽管自身质量较小,但它能在避免浅层土抗剪强度随深度减小而快速降低方面发挥较好的优势作用.无砂垫层真空预压地基处理后地基极限承载力只能达到90kPa左右.有砂垫层真空预压地基处理后地基极限承载力能
20、达到256kPa,假设不考虑砂垫层厚度和重力对承载力部分的贡献,仅从处理后软土层的强度为29.7kPa的角度考虑,按普朗特尔(条形基础1极限承载力计算它的地基极限承载力最小值也能达153kPa.7结论1)砂源紧缺时能满足砂层自重应力达到抗剪2】GibsonRE,EnglandGL,HusseyMJL.Thetheoryofone-dimensionalconsoidationofsaturatedclaysI:Finitenonlinearconsolidationofthinhomogeneouslayers.Geotechnique,1967,17f3):261-273.【3】LeeK,S
21、illsGC.Theconsolidationofasoilstratum,includingself-weighteffectsandlargestrainsJ.IntJNumerAnalMethGeomech,1981(5J:405-428.【4】招商局蛇口业区有限公司.吹填淤泥专项试验研究报告JR.深圳:招商局蛇口_T业区有限公司,2008.【5】江辉煌,赵有明,刘国楠.深圳湾海底淤泥大变形同结试验研究【J1.中国铁道科学,2008,29(6):18-21.6】BoMW.CompressibilityofultrasoftsoilM.Singapore:WorldScientificPu
22、blishingCompany,2008.【7王丙乾.吹填淤泥土性指标分布规律及占1结沉降的概率捕述【D】.北京:中国铁道科学研究院,2009.(本文编辑武亚庆)强度线的拐点处正应力的砂垫层厚度为最佳厚度.2)3种方法中无砂垫层真空预压效果最差,有砂垫层真空预压效果最好,无砂垫层真空预压后再设置砂垫层处于两者之问.3)砂垫层在真空预压软土地基处理中具有难以替代的重要作用.参考文献:【1蔡建,周健.土的卸载抗剪强度【J】.岩土丁程,2006f5,:606-610.2KjellmanW.ConsolidationofclaYsoilsbymeansofatmosphericpressureGVPro.ConferenceonSoilStabilization.USABoston:MassachusefesInstituteofTechnology,1952:258263.31高志义.真空预压法的机理分析【J.岩士丁程,1989f41:45-56.4】钱家欢,殷宗泽.土原理与计算M1.2版.北京:中围水利水电出版社1996:271.5】胡中雄.土力学与环境土T学M】.上海:同济大学出版社,1997:361.6卢廷浩.土力学.南京:河海大学版社,2005:274281(本文编辑武亚庆)