鞏躍龍

(山西省晉城高速公路有限責(zé)任公司,山西晉城 048000)

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動(dòng)力排水固結(jié)法在淤泥質(zhì)黏土地基中的應(yīng)用研究

鞏躍龍

(山西省晉城高速公路有限責(zé)任公司,山西晉城 048000)

摘要:結(jié)合某高速公路深厚淤泥質(zhì)黏土地基處理工程,探討動(dòng)力排水固結(jié)法對(duì)飽和軟土地基的處理效果。通過分析加固過程中地基土孔隙水壓力和土體變形量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出設(shè)計(jì)參數(shù)選取合理的情況下動(dòng)力排水固結(jié)法可較好地處理淤泥質(zhì)黏土地基。

關(guān)鍵詞:公路;動(dòng)力排水固結(jié)法;淤泥質(zhì)黏土;孔隙水壓力;土體變形

軟土地基因其天然孔隙率大、滲透性差等特點(diǎn),成為高速公路建設(shè)中的一大難題。傳統(tǒng)強(qiáng)夯法在處理飽和軟土地基時(shí),夯擊動(dòng)力在土中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力,由于飽和軟土層含水量高、滲透性差,超靜孔隙水壓力無法快速消散,使得土體有效應(yīng)力降低、抗剪強(qiáng)度喪失,不僅無法有效加固土體,甚至?xí)l(fā)生“橡皮土”現(xiàn)象,處理效果較差;排水固結(jié)法作為處理軟土地基的常用方法,存在工期較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。動(dòng)力排水固結(jié)法是將動(dòng)力強(qiáng)夯法和靜力排水法相結(jié)合,利用強(qiáng)夯動(dòng)力和人工設(shè)置的排水體系處理飽和軟黏土地基。該方法首先根據(jù)場(chǎng)地條件、工程狀況進(jìn)行排水體系設(shè)計(jì),通過鋪設(shè)砂墊層和埋設(shè)排水盲溝等方式構(gòu)成水平向排水體,通過打插塑料排水板、砂袋或砂井組成豎向排水體,水平和豎向排水系統(tǒng)結(jié)合強(qiáng)夯動(dòng)力荷載下土體產(chǎn)生的裂隙通道組成空間排水體系,在強(qiáng)夯動(dòng)力荷載及填土堆載靜荷載作用下促使軟土加速排水固結(jié),改善了動(dòng)力強(qiáng)夯和排水固結(jié)法的不足,在軟土地基處理中逐漸得到應(yīng)用。

但由于強(qiáng)夯加固機(jī)理較復(fù)雜,并且軟土在動(dòng)力荷載下的變形特性仍需進(jìn)一步研究,動(dòng)力排水固結(jié)法處理飽和軟黏土地基仍然處于經(jīng)驗(yàn)積累階段。該文結(jié)合某高速公路淤泥質(zhì)黏土地基加固工程,對(duì)施工過程中飽和軟土地基孔隙水壓力和土體豎向、側(cè)向變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析超靜孔隙水壓力與土體變形的變化規(guī)律,為動(dòng)力排水固結(jié)法加固機(jī)理研究及工程設(shè)計(jì)參數(shù)選取提供借鑒。

1 工程概況

根據(jù)場(chǎng)地勘察結(jié)果,該高速公路地基土自上往下土層為:1)吹填砂,以中粗砂粒為主,稍密,厚度約4 m;2)淤泥質(zhì)黏土,主要以軟塑為主,具有高孔隙比、高壓縮性,層厚約5.5 m,是地基處理的主要對(duì)象;3)粉質(zhì)黏土,可塑～硬塑狀,干強(qiáng)度和韌性高,局部含碎石及砂顆粒;4)碎石粉土,以碎石混粉質(zhì)黏土為主,含大量砂顆粒,顆粒不均勻。

2 淤泥質(zhì)黏土地基處理方案設(shè)計(jì)

該高速公路地基淤泥質(zhì)黏土具有高孔隙比、低滲透性、高壓縮性、高敏感性等特點(diǎn),經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比分析,選擇動(dòng)力排水固結(jié)法處理方案。地基吹填砂層可作為天然排水層,在砂層內(nèi)設(shè)盲溝、集水井;豎向打插塑料排水板,插板按1.5 m×1.5 m的間距布置,排水板插設(shè)至淤泥質(zhì)黏土層下,打插深度為10 m。以高能級(jí)強(qiáng)夯作為動(dòng)力荷載對(duì)軟土地基進(jìn)行夯擊,第1遍夯擊能量為1 000 k N·m,擊數(shù)為3擊。第2遍夯擊能量為2 000 k N·m,擊數(shù)為4擊。第1和第2遍夯距均為4 m,夯點(diǎn)錯(cuò)開設(shè)置使夯擊能均勻分布。第3遍為普夯,夯擊能量為900 k N·m。各遍夯擊的間隔時(shí)間根據(jù)土體超靜孔隙水壓力的消散情況選取。

3 孔隙水壓力和變形規(guī)律

3.1 測(cè)試手段與方法

(1)孔隙水壓力觀測(cè)?？紫端畨毫τ?jì)沿淤泥質(zhì)黏土層自上而下布置,間隔為3.0 m,要求每個(gè)鉆孔埋設(shè)一個(gè)孔壓測(cè)頭。采用608A型孔隙水壓力接收儀進(jìn)行觀測(cè)。

(2)土體分層沉降。分層沉降儀同樣沿淤泥質(zhì)黏土層自上而下布置,淤泥質(zhì)黏土層底面和頂面即埋深為4和7 m處各布置一個(gè),淤泥質(zhì)黏土層中間部位布置一個(gè)。采用CY-82型深層分層沉降接收儀觀測(cè)地基中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降變形。

(3)土體側(cè)向位移。鉆孔埋設(shè)測(cè)斜管。測(cè)斜管布置在預(yù)壓土坡腳,要求測(cè)斜管插入淤泥質(zhì)黏土下臥層2.0 m以上深度,在插板完成后設(shè)置。采用CX-01數(shù)顯測(cè)斜儀,通過測(cè)量相對(duì)于底端垂線偏斜量觀測(cè)地表以下不同深度土層的側(cè)向變形。

(4)水位觀測(cè)。對(duì)施工處理區(qū)域邊界外的地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。沿地基改良邊界線每50～100 m設(shè)置一個(gè)地下水位觀測(cè)孔,鉆孔成孔后使用管箍將水位管連接至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度,水位管內(nèi)灌清水至與鉆孔中水面一致,封閉水位管并拔出套管。水位管埋設(shè)后,采用SWJ-8090型水位儀觀測(cè)地下水位的變化,結(jié)合孔隙水壓力,分析地基土的固結(jié)情況。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

該高速公路深厚淤泥質(zhì)黏土地基處治范圍為78 500 m2,形狀近似方形。處治過程中地基土孔隙水壓力和土體變形量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 孔隙水壓力和土體變形量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.3 孔隙水壓力變化規(guī)律

在夯擊過程中,同一位置不同深度處孔隙水壓力增量隨時(shí)間的變化如圖2所示,同一深度不同位置處孔隙水壓力增量隨時(shí)間的變化如圖3所示。

圖2 同一位置不同深度處孔隙水壓力增量-時(shí)間曲線

由圖2可見:8.0 m深度處土體在第1、2、3遍夯擊時(shí)孔壓分別增長(zhǎng)9、4和2 k Pa,說明同一夯擊能量下后一遍夯擊造成的土體孔壓增幅比前一遍夯擊的小;5.0 m深度土體在第一次夯擊時(shí)孔隙水壓力增量明顯,而后2次夯擊孔隙水壓力變化不明顯,說明5 m深度處為砂層和淤泥質(zhì)黏土的交互層,土體靠近排水邊界,發(fā)生更快的排水固結(jié)。在第1遍夯擊結(jié)束后7 d,夯擊產(chǎn)生的超靜孔壓基本消散完成,同樣在7 d左右第2遍夯擊后產(chǎn)生的超靜孔壓消散完成,故可將2遍夯擊之間的時(shí)間間隔設(shè)置為1周。

圖3 同一深度不同位置處孔隙水壓力增量-時(shí)間曲線

由圖3可以看出:同一深度不同位置土體孔壓變化基本一致,并且在同一能量下后期夯擊與前期夯擊相比孔壓增幅小?？紫端畨毫υ隽康淖兓f明動(dòng)力排水固結(jié)法下淤泥質(zhì)黏土層的超靜孔壓能較快消散,從而加速土體的固結(jié)。

3.4 土體豎向變形

土體表層沉降曲線如圖4所示,地基土體的分層沉降如圖5所示。

圖4 不同位置處土體表層沉降曲線

圖5 同一位置土體分層沉降曲線

由圖4可見:不同位置土體的表層沉降曲線呈一致形狀,隨著孔壓的消散,最后累計(jì)沉降趨于350 mm;前期沉降速度快,后期沉降速度逐漸緩慢,趨于平坦。

土體分層沉降監(jiān)測(cè)與孔隙水壓力監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行。從圖5可知:不同深度處土體沉降量大小不同,4 m深度處淤泥質(zhì)黏土靠近砂層排水邊界,固結(jié)速度較快,故沉降增長(zhǎng)速度最快;7.0 m處次之,說明淤泥質(zhì)黏土層中間部位也發(fā)生了較為明顯的沉降; 11 m深度處土體達(dá)到粉質(zhì)黏土層,排水條件差,導(dǎo)致土體沉降量不明顯,沉降量變化最慢。通過預(yù)設(shè)合理的排水體系,每遍夯擊后淤泥質(zhì)黏土層的超孔隙水壓力能較快消散,土體排水固結(jié),土層發(fā)生明顯沉降,得到有效加固。同時(shí)雖然打插了豎向排水體系,但隨著深度的增加,土體沉降量逐漸減小,說明土層排水邊界對(duì)淤泥質(zhì)黏土層的排水仍有重要影響,在設(shè)計(jì)過程中,若飽和軟土層較厚,需適當(dāng)加大排水板的打插密度,以達(dá)到設(shè)計(jì)的排水效果。

3.5 土體側(cè)向變形

土體在豎向沉降的同時(shí)伴隨有側(cè)向擠出,結(jié)合側(cè)向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可分析判斷飽和軟土在強(qiáng)夯荷載下是否會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。采用測(cè)斜儀測(cè)量深層土體的水平位移,土體的側(cè)向變形如圖6所示。

圖6 土體水平位移-深度關(guān)系曲線

由圖6可見:土體的最大側(cè)向位移發(fā)生在地表以下2～3 m處,并且隨著夯擊次數(shù)的增加土體側(cè)向變形量增加。在3 m深度以下,土體的側(cè)向位移明顯減小,說明淤泥質(zhì)黏土層沒有明顯側(cè)向擠出;并且隨著夯擊的進(jìn)行,淤泥質(zhì)黏土層的側(cè)向位移基本一致,說明隨著夯擊遍數(shù)的增加,淤泥質(zhì)黏土層側(cè)向變形開展很小,排水體系設(shè)置有效防止了“橡皮土”現(xiàn)象的發(fā)生。

3.6 水位變化

同一深度不同位置處地下水位隨時(shí)間的變化如

圖7 同一深度不同位置處地下水位-時(shí)間關(guān)系曲線

由圖7可見:在同一夯擊下,不同位置處地下水位隨時(shí)間的變化曲線呈一致走向,并且與土體孔隙水壓力的漲消呈現(xiàn)一定相關(guān)性。

4 結(jié)論

該文在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上,綜合分析了強(qiáng)夯和排水固結(jié)法的加固效果,檢測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明強(qiáng)夯排水固結(jié)法處理淤泥質(zhì)黏土地基是可行的,具有快速、高效的特點(diǎn)。

動(dòng)力排水法處理飽和軟土的關(guān)鍵在于嚴(yán)格控制夯擊能和間歇時(shí)間。合理的設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方案,既能避免強(qiáng)夯對(duì)飽和軟土結(jié)構(gòu)性的破壞,即“橡皮土”現(xiàn)象的出現(xiàn);又能使高孔隙水壓迅速消散,達(dá)到快速排水固結(jié)的目的,充分發(fā)揮強(qiáng)夯動(dòng)力荷載的加固作用。夯擊能和夯擊間隔時(shí)間的控制可通過土體孔隙水壓力的變化確定,進(jìn)而判斷土體的固結(jié)程度和結(jié)構(gòu)破壞程度,為指導(dǎo)施工提供依據(jù)。

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收稿日期:2015-09-29

中圖分類號(hào):U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-2668(2016)02-0123-03