1、真空堆载联合预压法的研究现状及其在高速公路软基加固中的应用第 29 卷增刊2001 年 l2 月河海丈学JOURNALOFH(【AIlIvis_YVo129Su/:,plementDee.21真空堆载联合预压法的研究现状及其在高速公路软基加固中的应用刘汉龙,陈永辉,彭劫(河海太岩土工程研究所,江苏南京 210098)摘要:根据有效应力原理,分析了真空堆栽联合预压法处理软基的加固机理 ,并与真空预压法和堆载预压法进行了比较.总蛄了真空预压法及真空堆载联合预压法的研究现状.结合高速公路软基处理实际工程,进行了现场试验,试验结果表明该方法的加固效果是令人满意的.关键词:真空一堆载联合预压法;软基处理
2、;高速套路中图分类号:TU473 文献标识码:A我国东部沿海地区太部分土层为淤泥,淤泥质粘土,淤泥质亚粘土及淤泥混砂层.在这种含水量高,压缩性太,渗透性差,强度低,且土层厚,分布极不均匀的软土层上修建高等级公路,会遇到不稳定,太沉降和不均匀沉降等问题,对软土路基进行一定的处理措施是必然的.作为经济,质量可控制的软基加固方法之一的真空堆载联合预压处理方法,目前已在广东,浙江,上海等地的高速公路建设中逐渐被采用.由于真空堆载联合预压是通过抽真空和堆载(如路堤填土),在加固区内产生压力差,使软土中的水加速排出而达到加固软基的目的,在加固机理上有别于常规的堆载预压.本文对真空一堆载联台预压加固软基的机
3、理,研究现状及工程应用进行了探讨.1 真空一堆载联合预压法加固机理真空一堆载联合预压法加固软基是在真空预压法和堆载预压法基础上发展起来的,真空预压法和堆载预压法都是属于排水固结法,通过真空压力(负压)和堆载(正压)使土体中的孔隙水压力产生不平衡的水压力,孔隙水在这种不平衡力的作用下通过竖向排水体逐渐排出,从而使土体产生固结变形.堆载预压的加固机理是在堆载预压时,地基土由于荷载作用而产生的附加应力开始由孔隙水压力所承担,而有效应力不变,随着时间的推迟,孔压逐渐消散并转变为有效应力,如图 1 所示.从图 2 可知,加固后强度由 r 变为 r,且应力莫尔圆太小也改变了.卸载后被加固土体的强度沿超固结
4、包终线 OA 退到点,强度增加了-A.r真空预压的加固机理是在外荷不变的情况下,通过对加固区抽真空施加流体压力,它作用于砂垫层和砂井内孔隙流体,在短时间内砂垫层和砂井内的孔压迅速降低并排出水和气.由于土和砂井的渗透系数差别很大,土体内在刚开始抽气时仍保持抽气前孔压分布状态.这样,上体内与作为边界的砂井和砂垫层问形成孔压差孔隙水在孔压差的作用下,伴随着渗流使水排出并使孔压降低.孔压的不平衡逐渐由近及远地向距边界较远的点波及,形成土体内距砂井和砂垫层远点与近点间的孔压差.在总应力基本不变的情况下,孔压的降低值即为的增加值,从而使土体固结压密,直到土体内与边界上达到孔压新的平衡为止.从图 3 可知,
5、真空度越高,沿深度衰减越小,增加的有效应力越太,加固效果越好.由于孔压是球应力,所以真空预压时减少的孔压(增加的有效应力)是各向相等的,如图 4 所示,因而地基中土体单元的奠尔圆太小并没有改变,只是向右发生移动,加固后剪应力大小没有改变,强度由卸荷后,被加固土体由正常固结状收稿日期:200 卜 1026作者简介:刘汉龙(1964-),男,博士后,教授.博士生导师,事土动力学及地基基础工程等研究工作河海大学 2001 年 12 月0 尸力图 1 堆载预压时有效应力变化图ng.1Effeefistressundersatrel叫 0adil态变为超固结状态,地基土的强度沿超固结包络线 0A,退到点
6、,与加固前比较强度增加了r_l.真空一堆载联合预压法具有真空预压和堆载预压的双重效果,但不是两者的简单叠加.联台预压时的有效应力变化如图 5 所示.真空预压是通过降低土体中孔隙水压力,即加固区内形成负的超静孔隙水压力,加固区内外存在水头差,使之形成渗流需要的水力梯度;而堆载预压是由于堆载产生正的超静孔隙水压力,通过孔压的消散而使强度得到提高.两者联台作用,正负孔隙水压力的压差增大,也就是增加水头差,造成孔压消散更快,加固效果更好.图 4 空预压时摩尔园变化示意图Fig.4Mitrdrdeundlgprdoag图 2 堆载预压时摩尔圆变化示意图ng.2MolJtrdreleundersatrel
7、pId0amng真空度增加的降低后堪 3 真空预压时有效应力变化n3Etecllvestresstlalder 朔 a 卫皿 nd 响曲唱!静 l 水压力自重压力分布分布图 5 真空一堆载联合预压时有效应力变化图ng.5Effeeticestressundlwvaetltmlsatrelp 叫唱尸2 真空堆载联合预压法研究现状从 1952 年,W.Kie1brian 教授提出真空预压法的加固模型开始,瑞典,美国,日本,前苏联,英国,中国.等国家有不少专家学者和研究机构对真空预压法及真空一堆载联台顷压法进行了一系列的理论研究,室内试验研究及现场试验研究,但是由于该 7y;0n 固机理的复杂及现场
8、土性的千变万化,该方法的加固机理,设计方法仍有许多有待解决的问题.国内南京水科院等单位在 19601979 年问对真空预压法开展了机理研究,并未取得较大进展.80 年代后,天津大学,河海大学,南京水科院及交通部一,三,四航局科研所等单位相继开展了真空预压加固机理的研究,并取得了较大的研究成就 4.现有的对真空预压及真空一堆载联台预压法的研究成果可以从.下几个方面加以阐述.第 29 卷增刊捌汉龙,等真空一堆载联台预压法的研究现状及其在高速公路软基加固中的应用 232.1 加固机理真空预压法与堆载预压法都是排水固结法,都可用固结理论求解,只是边界条件不同,这一观点已得到普遍承认.软土在负压下的排水
9、和固结变形过程与正压条件下的固结过程是相似的,都是通过孔隙压力的变化将荷载传递给土体骨架的过程.但是,关于真空预压过程中是否存在连续的地下水面,如果存在,地下水位是否会下降,以及真空预压法的加固深度和有效加固范围等问题并不十分清楚,仍存在争议,缺乏统一认识.真空一堆载联合预压法的机理分析,目前仍然是在真空预压法的基础上,将堆载荷载叠加进行应力分析.由于真空预压法与堆载预压法在加荷过程,边界条件,初始条件,土体变形等方面存在不同之处,因此简单的叠加是不能反应其综合作用的.真空一堆载联合预压法的加固机理有待进一步研究.2.2 计算方法真空预压法与堆载预压法的固结计算方法,归纳起来有以下两类:一种是
10、以轴对称固结理论为基础的解析解法,如巴隆(Barton)解, 汉斯波解和曾国熙解等.另一种是以太沙基 (Terzagtfi)固结理论或比奥(Biot)固结理论作为基础的数值解法,如有限元法,边界元法和差分法等.解忻法最大的优点是计算简单,比较适合计算加固区比较大,地基情况,边界条件,初始条件比较简单的加固区中心的固结沉降.董志良推导了单井在负压及正,负压联合作用下的解析解 5.由于解析解一般假设固结过程中总应力不变,所以无法考虑固结过程中孔压与变形的耦合关系;此外,它还无法对整个地基特别是加固区边界的固结变形进行计算;因此解析解法的应用受到了很大的限制.数值解法可以弥补解析解的不足,适应于土体
11、的非线性,弹塑性和各向异性等特点.沈珠江首先用有限元法对某真空预压法处理的工程进行了计算,发现土体本构模型对计算结果影响较大 6,陈环等也用有限元和边界元进行了计算 j,余志顽等用有限元对某工程进行了空问固结计算.由于三维有限元分析工作量巨大,现有的有限元计算大都是考虑为平面应变情况,必须对砂井间距和砂井渗透系数进行等效调整,以便于简化计算.结台当前的研究现状,对真空预压法及真空一堆载联合预压法仍需要进一步的研究,包括更合理的计算方法,抽真空能量和渗流量的关系,地下水位的变化及影响等方面.3 真空堆载联合预压法在高速公路软基加固中的应用河海大学自 1997 年开始研究真空一堆载联台预压法在高速
12、公路软基加固中的应用研究,成果已经在广东,浙江,上海等高速公路中得到应用.本文将真空一堆载联合预压法在浙江杭金衢高速公路中的应用情况及效果介绍如下.3l 工程概况杭金衢高速公路娄下陈段位于浙江省萧山市境内.该地区分布着大量近代沉积的软粘土层,这种软牯土层具有含水量高,强度低,压缩性大,渗透性差等特点,其中 K5851/5+934 段为高速公路立交桥头所在.对工后沉降的要求更为严格.经过多种方案的分析,采用了真空一堆载联台预压法对该路段进行软基处理.该路基长约 83m,宽约 48m,加固面积约 4000ril2 地质条件第一层为填土,厚0.30.6m,为筑路砂砾.第二层为粉质粘土,厚 0.410
13、m,灰黄一黄色,软塑一可塑 ,饱和,含褐色铁锈斑.第三层为粉土,厚 3.75.0m,灰色,松散一稍密,饱和,局部夹薄层牯土.第四层为淤泥质粘土,荻色,流塑一软塑,饱和,夹有粉土,见贝壳碎屑及腐殖质.3.2 施工过程先将 25m 长的塑料排水板按照三角形排列,间距 16ril 打加固区内.在加固范围内先后铺设 40crll 砂砾层和 2()cm 细砂层,砂砾层和细砂层做为水平排水体,细砂层同时起保护密封膜不被砾石刺破的作用.将PVC 滤管埋人砂砾层中,PVC 管分为直径 55rnm 的支滤管和直径 82him 的主管.支滤管上打有直径 8nlnl,间距 4cm 的滤眼,并用土工布将其包裹,以防止
14、抽真空过程中细砂进入支滤管.真空压力由真空射流泵与主管相连后提供,如图 6 所示.真空压力保持在 80kPa 左右并持续作用 4 个月.在抽真空过程中,2.8ril 路基填土被填筑上去,起到堆载的作用.路基填筑完毕后,抽真空继续一段时间,真空荷载和堆载共同作用,直到地基的固结度和连续 10d 平均沉降速率满足要求为止加载过程如图 7 所示.河海大学 2001 年 12 月固 6 真空一堆载预压法剖面示意图FIg.6Seellmttinderam Mhrdm 曲 g3.3 加固效果为了研究真空一堆载联合预压法的处理效果,在该路段安排了两个观测断面.观测仪器的布置如图 8 所示.将表面沉降和分层沉
15、降的监测结果分析如下.3.3.1 表面沉降表面沉降的观测结果如图 9 所示.从图9 可以看出,加固区边缘(A1,A3,A4,A6 板)总沉降量相对稍小,分别为 701rnm,828mmI644rllln,719Im.加固区中心处(A2,A5 板) 总沉降量相对稍大,分别为 858-m,798lnm.总图 7 加载曲线ng.7 日 dil 噜r口 A3 口 A6分层沉降箐,广 1 厂重丹层沉降管,表降扳n/一u2,u口 A1 口 A4固 8 观测仪器埋设示意图rag.8AmIl 擘曲叫 0f 曲融 r 训皿 a|lp 叫 ah 碍的来看,真空一堆载联合预压法处理软土地基的效果是很好的,减少】:后
16、沉降且施工进度较块,沉降速率可大大高于堆载预压法规定的 10mm/d.时间,h 时间,h23.3.2 分层沉降(a1K5+870 断面2图 9 表面沉降随时间变化曲线Fig.9Surfzeselllennleatvs.time通过分层沉降的观测,可以了解地基不同层位的分层沉降量;根据分层沉降变化规律,进一步分析深层土的加固效果和加固影响深度.分层沉降过程线如图 l0 所示.它反映了不同深度土层在不同时间的沉降特征和压缩量,沉降沿深度递减,呈较好的规律性.从表 l 及图 l0 可以看出,土体的压缩量主要由深度 20m 以内的土层完成.而且从图 l0 中可看出,在抽真空早期,地面以下 27m 处就
17、已经有了沉降.这说明真空预压法及真空一堆载联合预压法的作用bK5+910 断面表 1 真空一堆载联台预压法各分层的压缩量Table1o商 0feachlayerV 啪吼硼 Mhr 窖 epld曲曙 tnm离地面距离观测断面/mK5+870K5+9】07o78120301431273306070瓣耀g,捌蛙024680 帅们g 盘蛙51第 29 卷增刊刘汉龙,等真空一堆载联台预压法的研究现状及其在高速公路软基加周中的应用 25皇鞋勰婶a1K5 斗 g70 断面围如分层沉降随时间变化曲线fb1K5+9】0 断面可以到达较深的软土层,其作用深度可以到达排水板深度以下 23m.3.3.3 土体水平位移
18、土体侧向位移速率大小是判别高速公路路堤地基稳定与否的控制指标之一,其变化规律可以监测地基各层土体的侧向变形发展情况,并可计算因侧向位移而引起的沉降量.根据不同时段侧向位移随深度变化的实测数据,可以了解真空一堆载联合预压法加固软基不同阶段土体的变化特点,从图 l1 测斜管水平位移随深度变化曲线看,开始抽真空后 ,各测斜管均有向加固区内的收缩变形,K5+870 断面 4d 水平位移达 40rnm 左右,K5+910 断面 4d 水平位移达 50ram 左右,导致沿加固区边缘外 4m 处出现长 15m,宽约 15mm 的可见裂缝.说明真空一堆载联合预压加固可避免土体发生剪切破坏,明显优于超载预压加固.从图 l1 看,开始堆载之后.每一次堆载过程加固区均有向外的挤出位移 ,一般在堆载后的一二天达到最大值,随后有一个较快的向内收缩位移,三四天后趋于稳定在堆载后期,K5+870 测斜管向外位移达190mm,日最大位移 20nn;K5+910 测斜管两天向外位移达 220mm,日最大位移在
