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1、全困超软土地基排水同结与加固技术研讨会论文集 1 6 9 真空联合堆载预压在超载状态下的卸载时机分析 李明英，尹长权 ( 中交天津港湾T 程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室， 天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津3 0 0 2 2 2 ) 摘要：为了合理解决超载状态下真空联合堆载预压法的卸载时机问题，本文通过对超载状态下沉降速率法、工后 沉降值法和应力周结度法的计算分析，结合深圳某真空联合堆载预压实验区的现场实测观测资料，分析了不同方法 在超载状态下卸载时机判定的可行性及存在问题，通过综合分析，能够合理准确地判定卸载时机。 关键词：超载预压；沉降速率；工后沉降；应力固结度
2、1 引言 港口地基处理工程中根据规范在等载预压情况下常采用以下卸载标准。 真空预压法和真空联合堆载预压法：连续5 1 0d 平均沉降量小于或等于2m r n d 作为沉降的稳定标 准，实测沉降曲线推算的固结度大于8 5 的要求，以及工后沉降量要满足允许沉降量，允许工后沉降量 根据T 程需要来确定，常见的是根据实测曲线预测的残余沉降量小于5 0e m 或小于3 0e m 。 堆载预压法处理地基卸载标准一般采用连续5 1 0d 平均沉降量小于或等于1 5m m d 作为沉降的稳定 标准，实测沉降曲线推算的固结度大于8 5 或大于9 0 的要求，以及工后沉降量要满足允许沉降量，允 许工后沉降量根据T
3、 程需要来确定，常见的是根据实测曲线预测的残余沉降量小于5 0c m 或小于3 0e m 。 然而规范却没有给m 在超载条件下的卸载控制标准，工程实践证明，当加固效果能够满足工程需求的 时候，以上卸载稳定标准很难达到，因此十分有必要讨论超载情况下的卸载控制标准问题。 在填土施T 完成以后，进入预压阶段，确定合理的预压期限是预压阶段的主要工作。在施工设计阶 段，已经对填土预压规定了预压期，但这个预压期只能作为一个控制指标，实际施工中不能用它来作为预 压结束的天数，必须通过对现场实测观测资料来分析确定超载条件下的卸载时间。 现以深圳某真空联合堆载预压实验区的现场实测观测资料进行不同方法的分析，以分
4、析准确的卸载时机。 2 工后沉降值法 真空联合堆载预压常用于大型软土地基、公路路基的处理，为缩短丁期则常采用超载预压法，其工后 沉降的预测是检验处理效果的一个重要指标。对于超载预压，预压期内地基完成的沉降量不能小于设计使 用期限内的沉降量与容许工后沉降之差I t I 。常采用的工后沉降分析式为1 2 1 ： S = 【S 。k 一【S 】P 脚S 。 ( 1 ) 式中：S 为工后沉降量； S 4 为设计使用荷载的最终沉降量；【S 】P 诤为超载到t 时刻完成的沉降量；为容 许工后沉降量。 工程实践经验表明，对于同一工程地点，路中线处的填土厚度与其对应的最终沉降基本呈直线关系。 对此，刘吉福通过
5、对路中线处的附加应力与填土厚度的关系以及压缩实验的软土的割线模量与填土厚度的 关系的研究，得出以下结论：路中线处不同深度处的附加应力均与填土厚度基本成正比关系，软土压缩实 验的割线模量基本不随填土厚度变化，从而得出路基的沉降与填土厚度基本成正比的结论1 3 J 。 可知： 鲁= 鲁 ( 2 ) 矿一万 u 7 1 7 0 全国超软土地基排水固结与加固技术研讨会论文集 式中：皿为等效填土高度；& 为对应等效填土高度时的沉降量；H 。为预压荷载下沉降完成后的填土高 度；S 。为实际曲线推算的最终沉降量。 对于超载预压状态时，矾，s 。( 如图1 ) 分别为预压荷载下沉降完成后的填土高度( 如不是均
6、质土， 则换算成均质土) 和实际曲线推算的最终沉 降量。H 。可按下式计算： H 。= 凰一( S 。一S )( 3 ) 设计使用荷载可换算为填土等效填土高 度也，对于真空联合堆载区的真空荷载可换 算为填土等效填土高度也，可知剩余沉降量s ， 为： S = & 一S( 4 ) 当剩余沉降S 小于允许工后沉降时， _ - _ H 。 j 嘭 日H 。 逛纱一 S 。S 一 图1 超载时填土高度与沉降的变化示意图 可以卸载；当S 大于& 时，需要延长预压期，预测尚需要的预压时间时，可以由上式计算出S ，根据所 采用的沉降预测方法反算t ，即可得到需要延长的预压时间，如采用双曲线法推算时可根据下式计
7、算： s = & 一& = S o + 丢影 ( 5 ) 现以试验区为例，以工后沉降法简要计算如下： 设计使用荷载为4 0k P a ； 设计使用荷载转化为填土高度皿= 4 0 1 7 5 = 2 3m ； 真空荷载8 0k P a 换算为填土高度也= 8 0 1 7 5 = 4 5 7m ； 堆载荷载填土高度h d = 1 7m ( 0 5m 中粗砂，1 2m 碎石土，y 1 7 5k N e m 3 ) ； 在堆载的t = 第1 6 2 天，s I = 3 4 2 0 一1 5 = 1 9 2m ( 其中1 5m 为吹填土层产生欠固结的最终沉降量，本 文用三点法根据实测资料推算得出，3 4
8、 2 01 1 1 为第1 6 2 天实际测量得的沉降量，下文引用的4 0 4 8m 为已 知1 6 2 天的数据通过三点法推算的最终沉降量) ； 此时的填土高度鼠= 4 5 7 + 1 7 一1 9 2 = 4 3 5m 。 在预压荷载下，根据实测数据推算的最终沉降量 S 。= 4 0 4 8 一1 5 = 2 9 0 8 m 根据式( 3 ) 得出： H 。= 鼠一( S 。一S ) = 4 3 5 2 9 0 8 + 1 9 2 = 3 3 6 2r n 根据式( 2 ) 得出：鲁2 昔 = ( 2 3X2 9 0 8 ) 1 3 3 6 2 = 1 9 8 9m 由式( 4 ) 得出：
9、 S = & 一S = 1 9 8 9 一1 9 2 = 0 0 7 m = 7c m 5 0e m 3 沉降速率法 速率法指的是当荷载施加完成以后，沉降速率连续一定时间观测值小于某一个限值时，即可卸载。 杨涛等人又考虑了土的固结性质、各荷载增量的加荷速率和加荷的起讫时间的影响，给出了超载 状态沉降速率控制标准下，t 时刻的剩余沉降s r 与沉降速率仇存在以下关系，给出了超载状态计算影响系 数A Z l 。 P + 却 A ：L( 6 ) 釜 式中：舅母为超载阶段沉降速率；舅为等载时的沉降速率。 李明英，等：真空联合堆载预压在超载状态下的卸载时机分析 。1 7 1 一一一 根据固结度定义，等载
10、与超载阶段任一时刻的沉降为 S ：= U ：s ? ( 7 ) s ：幽：u ：+ 却g 坤 ( 8 ) 式中：U ：为等载阶段任一时刻的固结度；up ，+ 却为超载阶段任时刻固结度；彰为等载的最终沉降量； s ? 脚为超载阶段的最终沉降量。 多级等荷加荷时的固结度由高木俊介公式1 4 计算，即 以= 妻 分【( t t 1 ) 一号e 枷( e 融一e 比) 】 ( 9 ) 式中：i 为第i 级荷载增量的加荷速率；p 为各级荷载增量累计值；L t ，t 。分别为第i 级荷载增量起 始时间和终止时间；r f 为总的荷载级数；d ，卢为参数。 由( 9 ) 可获得各级荷载施加后固结度关于时间的导
11、数，即 掣：= 安洳矾一e 融。) ( 1 0 ) 丁一面鲁叭w 一7 若等载阶段对应的荷载级为n ，则超载阶段对应的荷载等级为n + m 。对于超载预压期内的任意时刻， 由式( 8 ) 、( 9 ) 、( 1 0 ) ，有 式中：g 为超载荷载增量级数。 将式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 代入( 6 ) 有 彭：彰荽羔西i ( 乒一产) 卢p 剖 舅脚：彰脚箬兰一羔百i ( e 以一。腱一1 ) p p 斟 q P 由 A2 等。 够 羔p 兰i j ( 一1 ) 生! 苎L 一 n + m p 羔弧砚一，。) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 理论分析和工程现场观测表明，路基中心地表最终
12、沉降与填土总厚度近似成线形关系I S l , 则有 芷。垒丛( 1 4 ) s ； h 将式( 1 4 ) 代入式( 1 3 ) ，有 芝i i ( 一e 儿) ，、 A = 1 4 - 芑生一 【1 5 ， 讯融e 破1 ) 在港口地基处理规范中，真空预压法和真空联合堆载预压法采用连续5 - 1 0d 平均沉降量小于或等于 l 2m m d 作为沉降的稳定标准。为与规范相协调一致，在超载状态时，考虑等载与超载条件下沉降速率 的比值关系，进行卸载沉降速率的修正，因此，在超载状态下的控制速率应为下式： S 。，= A S 。 ( 1 6 ) 式中：S 衄，为等载状态下，设计或规范要求的沉降速率。
13、 依据试验区的监测资料，可知实际的超载荷载为4 0 5 0k P a ，现在上部堆载为超载量( 约3 0k P a ) t 1 7 2 全国超软土地基排水固结与加固技术研讨会论文集 算： 根据三点法，求得届= 0 0 1 7 ； 根据式( 1 5 ) 计算得出：A = 2 1 2 ； 等载状态下设计沉降稳定标准为2n u n d ； 因此，S 趣= A S 。2 1 2 2 = 4 2 4 m n d d 。 在真空联合堆载过程中，存在超载情况下的卸载标准可以依据沉降速率法作为标准，它以规范为依 据，可作为卸载的评判标准之一。 4 应力固结度分析法 工程中可以孔隙水压力的消散情况来判断土体固结
14、情况，一般是将孔隙水压力计埋设在排水板布置的 中心处，理论上说，此点的固结情况最差，可直接通过下式来换算使用荷载下应力固结度： 以= 瓦- 可A u 蕊+ A P d 1 0 0 ( 1 7 ) 式中：地为t 时刻超静孔隙水压力( 实测孔隙水压力与实测静水压力之差) ；魄为真空荷载值；岛为堆 载荷载；只为相对使用荷载的超载量。 根据公式对试验区进行使用荷载下应力固结度分析，如表1 所示。 表1 使用荷载下应力固结度分析 埋设深度超静孑L 隙水压力值真空荷载堆载荷载超载荷载量超载荷载下固结度使用荷载下固结度 编号 ( m )( k P h ) ( k P a )( k P a )( k P a
15、)( )( ) k y t 2 6 4 0 18 03 0 4 0 6 3 71 0 0 f l k y 2 4 65 1 88 03 0 4 0 7 4 6“6 9 k y 3 6 6- 3 4 58 03 04 05 8 69 2 1 k y 4 8 6- 3 4 18 03 04 05 8 3 9 1 6 k y 5 1 0 65 18 03 04 07 3 6 1 1 5 7 k y 6 1 2 O一6 3 28 0 3 04 0 8 4 71 3 3 1 各土层分布情况大致如下：盼1 6m 为人下填砂，1 6 6 2m 为吹填淤泥，6 2 1 3 0m 为淤泥。假定超 载量为4 0k
16、 P a 时，由表1 可以看出，在使用荷载下，k y 3 、k y 4 两点的固结度达到9 0 以上，其他3 点的 固结度超过了1 0 0 ，处于超固结状态。土体的固结情况很好，残余的沉降主要来自k y 3 、k y 4 代表的土 层。 5 各种方法存在的问题 运用工后沉降值法进行卸载控制的关键是对最终沉降进行预测，利用各种不同的方法对最终沉降的预 测结果往往不一样，这就要对多种方法进行综合评判，选择与实际接近的预测结果。但即便是综合评判比 选的最终沉降预测结果也与实际偏离较大，这是由于各种沉降预测方法主要利用加载期间( 真空联合堆载 预压法的加载时间不会超过半年) 的沉降观测资料进行沉降预测
17、，在此期间软土主要产生瞬时沉降和主固 结沉降，预测的最终沉降量主要是软土的瞬时沉降和主固结沉降之和，而忽略了次固结沉降。而且当软土 的次固结沉降量较大，不能忽略时，预测的最终沉降量精度不足，误差较大，难以准确地判定卸载时机。 特别是本文试验区中含有吹填土层，地基土在加固前属于欠固结土体，本身的自重固结变形就难以准确评 估，预测的工后沉降值的误差较大，更加难以准确地判定卸载时机。 沉降速率法进行卸载控制，是使用超载状态下的沉降速率控制卸载，它不仅取决于允许的工后沉降， 而且与土的固结性质、各荷载增量的加荷速率和加荷的起迄时间有关。显然它与等载情况下使用的指标有 所不同，由于影响因素复杂，会存在一
18、定的误差，应结合相关的工程经验和其它试验进行综合判断。 应力固结度法由于超孔隙水压力测试也存在一定的问题，孔隙水压力测试仪器距离排水板的距离很难 准确定位，距离不同则反映的结果有一定的区别，且不能反应工后沉降问题，因此，此种方法适合其它方 李明英，等：真空联合堆载预压在超载状态下的卸载时机分析 1 7 3 法的参考分析。 6 卸载标准的确定 本文工程实例中采用试验区验证的方法进行，当沉降速率满足小于4m m d 后，将真空荷载降至 5 0 k P a 左右，此时沉降数率呈现的规律为：卸载初期沉降略有回弹，最大回弹量小于5m m ，后期平均沉 降数率小于1m m I 为验证地基土强度增长情况，又
19、进行了十字板试验，检验结果为加固效果满足设计 要求。因此其它加【 I I 天卸载方案定为，连续1 0 d 实测沉降数率不大于4m n d d ，并且十字板试验强度满足 设计要求。 通过对上述方法的比较，对于塑料排水板加固的地基，沉降速率法较直观，预测的效果也较好，但影 响因素相对复杂，会存在一定的误差，应结合相关的工程经验和其它试验进行综合判断。工后沉降值法， 需要对沉降进行修正，对正常固结土结果较为理想，对欠固结土体结果偏差较大，而且最终沉降量预测不 准的话对结果影响很多。可利用孔隙水压力同结度的概念对加固土体进行分析。对加固过程中十字板剪切 强度的比较，可以直观地看出土体强度增长情况，可作
20、为卸载条件的硬性指标，但测试点应尽量在排水板 的中心处，实验孔数不宜少于3 个点。在这里我们可以首先结合超载沉降速率法和十字板剪切强度法进行 卸载时机的判定，再运用工后沉降值法和孔隙水压力固结情况法予以检验，以保证确定合理的卸载时机。 7 结论 ( 1 ) 推算了沉降速率法公式：s o , = A s 眦；沉降速率法较直观，预测的效果也较好，但影响因素相对 复杂，会存在一定的误差，应结合相关的工程经验和其它试验进行综合判断。 ( 2 ) 给出了超载状态下的工后沉降值的计算方法，工后沉降值法需要对沉降进行修正，对正常固结土 结果较为理想，对欠固结土体结果偏差较大，而且最终沉降量预测不准的话对结果
21、影响很多。 ( 3 ) 推算了超载状态下的孔隙水压力固结度计算公式，运用孔隙水压力固结度的概念对加固土体进行 分析，是很好的检验方法。 ( 4 ) 通过十字板剪切试验对原状土与加固后土体的强度进行对比分析。可以直观看出土体强度增长情 况。 ( 5 ) 建议首先结合超载沉降速率法和十字板剪切强度法进行卸载时机的判定，再运用工后沉降值法和 孔隙水压力固结情况法予以检验，以保证确定合理的卸载时机。 参考文献： 【l 】李广信高等土力学【M 】北京：清华大学出版社，2 0 0 4 【2 】林代锐，蔡业青，李国维高等级公路软土路基填筑施工控制【J 】中外公路。2 0 0 2 ，2 2 ( 3 ) f 3 】刘吉福，陈新华应用沉降速率法计算软土路堤剩余沉降【J 】岩土工程学报，2 0 0 2 ，2 5 ( 2 ) ：2 3 3 2 3 5 【4 】龚晓南地基处理手册【M 】第二版，北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 0 【5 】杨涛，李国维公路软基超载预压卸荷时间确定的沉降数率法研究【J 】岩土工程学报，2 0 0 6 ，1 1 ( 2 8 )