舒紅波 陳智軍 李之達(dá)

(武漢理工大學(xué)產(chǎn)業(yè)集團(tuán) 武漢 430063)

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真空預(yù)壓軟土地基處理的黏彈性研究

舒紅波 陳智軍 李之達(dá)

(武漢理工大學(xué)產(chǎn)業(yè)集團(tuán) 武漢 430063)

采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)某真空預(yù)壓地基處理工程中基礎(chǔ)沉降、孔隙水壓力和土層特性的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行了探討.利用黏彈性理論對(duì)真空預(yù)壓地基處理工程中基礎(chǔ)沉降、孔隙水壓力和土層特性的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行描述，并利用終值定理對(duì)地表最終沉降進(jìn)行估計(jì).利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)土體固結(jié)及土的特性進(jìn)行探討.結(jié)果表明，二次真空預(yù)壓可以使沉降隨時(shí)間變化更快，孔隙水壓力消散更快，加速土體固結(jié).

黏彈性；真空預(yù)壓；固結(jié)

0 引 言

軟土地基處理其設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是地基沉降.文獻(xiàn)[1]最早提出用于加固軟土地基的真空預(yù)壓法.隨后，研究表明，堆載預(yù)壓是將孔隙水?dāng)D壓出來(lái)降低孔隙壓，抽真空是將孔隙水引出來(lái)降低孔隙壓，可利用Terzaghi有效應(yīng)力來(lái)解釋真空預(yù)壓軟土地基處理的機(jī)理.文獻(xiàn)[2]以Biot固結(jié)理論為基礎(chǔ)，考慮土的流變性，采用黏彈塑性本構(gòu)關(guān)系，分析了真空預(yù)壓法對(duì)周圍環(huán)境的影響.王劍平等[3]介紹了在表層為很厚的硬殼層且地下水位又很低的特殊地基條件下，在南寧機(jī)場(chǎng)采用真空預(yù)壓加固軟土地基的工程實(shí)例.2001年浙江臺(tái)州地區(qū)的黃巖、椒江、路橋污水處理廠采用真空預(yù)壓法加固深厚軟土地基并取得成功，加固深度達(dá)30 m.

關(guān)于真空預(yù)壓法軟土地基處理的時(shí)間相關(guān)問(wèn)題，有大量學(xué)者對(duì)地基黏彈性理論進(jìn)行了研究.劉興旺等[4]分別考慮自由應(yīng)變和等應(yīng)變，給出了豎井地基黏彈性解；王瑞春等[5]就半透水邊界和變荷載條件進(jìn)行了推導(dǎo)；劉加才等[6]分別針對(duì)均質(zhì)深厚軟土地基豎井未打穿情況，層狀黏彈性地基得到了相應(yīng)的解答.

文中結(jié)合某真空預(yù)壓地基處理工程，采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，利用黏彈性理論對(duì)地基處理工程中基礎(chǔ)沉降、孔隙水壓力和土層特性的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行探討.

1 土體固結(jié)的黏彈性基礎(chǔ)

土的固結(jié)是一個(gè)時(shí)間相關(guān)過(guò)程.假定土體為均勻各向同性材料，并且假定研究土體是處于完全飽和狀態(tài)，則所研究的土體中應(yīng)力為

(1)

由平衡方程，土體總應(yīng)力滿足(按土力學(xué)習(xí)慣，應(yīng)力和應(yīng)變壓為正)

(2)

(3)

進(jìn)一步假設(shè)土體為均勻各向同性黏彈性體，其本構(gòu)關(guān)系為

(4)

或用偏量表示

(5)

式中：G為剪切模量；K為體積模量，且K=2G+3λ.

由幾何方程

(6)

代入本構(gòu)方程，然后代入平衡方程，得到

(7)

又由質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間dt內(nèi)流出和流進(jìn)單元體的水量之和等于單位時(shí)間dt內(nèi)單元體土體的體積改變，即

(8)

假設(shè)土體中滲流服從Darcy定律，即

(9)

式中：kij為滲透張量；γg為水的浮力.從而，質(zhì)量守恒方程化為如下連續(xù)性方程

(10)

由本構(gòu)關(guān)系，式(10)可以改寫成

(11)

式中：K-1為體變?nèi)崃?

在下列定解條件下，通過(guò)數(shù)值方法，聯(lián)立求解上述平衡方程和連續(xù)性方程，可以獲得(可測(cè))地表沉降和孔隙水壓.

(12)

式中：p0為初始孔隙水壓；H為土層深度；re為沙井影響區(qū)半徑.

求解上述邊值問(wèn)題是相當(dāng)困難的，只得采用數(shù)值方法求解.但是，當(dāng)固結(jié)過(guò)程中總應(yīng)力之第一不變量與時(shí)間無(wú)關(guān)時(shí)，就退化為Terzaghi固結(jié)理論，可以(解耦)分別獲得地表沉降和孔隙水壓.

2 沉降、孔隙水壓力和抗剪切強(qiáng)度的時(shí)間相關(guān)性

2.1 工程概況

文中研究的真空預(yù)壓地基處理項(xiàng)目位于某海邊吹填區(qū)內(nèi)，寬30 m、長(zhǎng)3 414 m.加固過(guò)程中，將加固區(qū)域分為19個(gè)小塊加固區(qū)域，采用二次真空預(yù)壓加固.淺層地基處理時(shí)，滿載超過(guò)15 d，對(duì)被處理地基進(jìn)行吹填操作，吹填厚度為0.8 m，土質(zhì)為砂性土，吹填時(shí)分2層吹填.工序完成后，必須要待到處理后地基的卸載要求滿足后才能進(jìn)行深層處理.真空預(yù)壓地基處理平面分區(qū)，見(jiàn)圖1.

圖1 真空預(yù)壓地基處理平面分區(qū)圖

2.2 淺層真空預(yù)壓地基處理

2.2.1 沉降的時(shí)間相關(guān)性

沉降是一個(gè)時(shí)間相關(guān)性過(guò)程.下面以2區(qū)為例，在區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)處豎向選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，淺層真空預(yù)壓期，對(duì)其地表沉降進(jìn)行觀測(cè)，地表沉降與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖2.由圖2可見(jiàn)，不同深度測(cè)點(diǎn)的沉降隨時(shí)間增加.

圖2 2區(qū)沉降-時(shí)間曲線

2.2.2 孔隙水壓力的時(shí)間相關(guān)性

每4個(gè)排水板圍成的中心位置埋設(shè)1個(gè)孔隙水探測(cè)頭，探測(cè)頭的埋設(shè)深度為1，3 m，獲取加固過(guò)程中孔隙水壓力的時(shí)間相關(guān)性，孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3.

圖3 2區(qū)孔隙水壓力-時(shí)間曲線

由圖3可見(jiàn)，淺層真空預(yù)壓時(shí)，區(qū)域內(nèi)孔隙水壓力與時(shí)間關(guān)系變化不明顯.

2.2.3 抗剪切強(qiáng)度的時(shí)間相關(guān)性

加固處理之前以及加固處理之后，進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)，比較加固效果.2區(qū)主要加固土層十字板抗剪強(qiáng)度由加固前0.6～5.7 kPa增加到加固后1.9～7.5 kPa見(jiàn)圖4.

圖4 Q2區(qū)剪切強(qiáng)度變化曲線

加固前后土層其他特性在此不一一列舉.

2.3 深層真空預(yù)壓地基處理

地基經(jīng)淺層處理后，區(qū)域地基土層為欠固結(jié)土.滿足要求后，進(jìn)行深層處理.

2.3.1 沉降的時(shí)間相關(guān)性

進(jìn)行深層處理時(shí)，2區(qū)插板沉降量為336 mm，監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)預(yù)壓期地表沉降量為1 824 mm， 2區(qū)總沉降為2 160 mm.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5.

圖5 2區(qū)沉降-時(shí)間關(guān)系曲線

由圖5可見(jiàn)，比較淺層真空預(yù)壓，深層真空預(yù)壓沉降隨時(shí)間變化更快，變化趨勢(shì)更加明顯.

2.3.2 孔隙水壓力的時(shí)間相關(guān)性

在真空預(yù)壓區(qū)中心點(diǎn)附近埋設(shè)1組孔隙水測(cè)頭，獲取加固過(guò)程中孔隙水壓力的時(shí)間相關(guān)性，孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖6.

圖6 2區(qū)孔隙水壓力變化曲線

由圖6可見(jiàn)，比較淺層真空預(yù)壓，深層真空預(yù)壓的孔隙水壓力消散更快.

2.3.3 抗剪切強(qiáng)度的時(shí)間相關(guān)性

2區(qū)主要加固土層十字板抗剪強(qiáng)度由加固前2.3～42.4 kPa增加到加固后19.4～58.2 kPa.加固前后十字板試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7.

圖7 2區(qū)加固前后十字板試驗(yàn)成果

3 土體固結(jié)與地表沉降

土體的平均固結(jié)度是指在某一時(shí)刻t的土體固結(jié)沉降wct與土體最終的固結(jié)沉降wc的比值,通常用U表示.即

(13)

其中，任一時(shí)刻t的地基固結(jié)沉降wct可以求解邊值問(wèn)題，獲得理論解，同時(shí)，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而，可以計(jì)算土體的理論平均固結(jié)度；另一方面，可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土體固結(jié)系數(shù)的測(cè)定，并將二者進(jìn)行比較.那么，土體固結(jié)計(jì)算就成為地表沉降wct與wc的獲取，任一時(shí)刻t的地基固結(jié)沉降wct可以是理論計(jì)算，也可以是且更傾向于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而最終地表沉降wc可按下面分析獲取.

當(dāng)固結(jié)完成后，孔隙水壓力消失，依終值定理，最終地表沉降可按彈性理論估計(jì).

取地平面為oxy平面，z軸垂直向下，那么土體所受外力為向下的重力ρg和向上的浮力γg作用，還有作用在地表面堆載q作用，并假定較深z=H處完全約束.

假設(shè)堆載q作用是均勻分布的.對(duì)于大面積軟土的處理，可以假設(shè)

u=0,v=0,w=f(z)

從而，平衡方程簡(jiǎn)化為

(14)

對(duì)z積分，有

代入本構(gòu)關(guān)系，

由(地表面)邊界條件

得到A，從而

又由深層(z=H處)邊界條件

得到B，從而有

則，豎向位移

取z=0，便可得到最終地表沉降

(15)

根據(jù)勘察資料，任選現(xiàn)場(chǎng)2，7，14幾個(gè)觀測(cè)區(qū)域，理論計(jì)算最終地表沉降wc，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)某一時(shí)刻t的地基固結(jié)沉降wct，進(jìn)而計(jì)算土體的固結(jié)度.詳見(jiàn)表1.

可見(jiàn)，計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)沉降基本吻合，而且，此時(shí)的土體并沒(méi)有完全固結(jié)，但可以進(jìn)行地面施工了，此時(shí)的地基基礎(chǔ)已經(jīng)具備較大承載力.

表1 地表沉降與固結(jié)度計(jì)算

4 結(jié) 論

1) 適當(dāng)選取土的計(jì)算參數(shù)，黏彈性理論可以很好地描述真空預(yù)壓地基處理工程中基礎(chǔ)沉降、孔隙水壓力和土層特性的時(shí)間相關(guān)性;

2) 理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，二次真空預(yù)壓可以使沉降隨時(shí)間變化更快，孔隙水壓力消散更快，加速土體固結(jié);

3) 利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算土體固結(jié)及土體特性，更加接近工程實(shí)際.

[1]KJELLMAN W. Consolidtion of clay soil by means of atmospheric pressure[C]. Proc. Conference on Soil Stabilization, MIT, Boston,1952.

[2]陳遠(yuǎn)洪,洪寶寧,龔道勇.真空預(yù)壓法對(duì)周圍環(huán)境影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2002,23(3):382-386.

[3]王劍平,夏玉斌.真空排水預(yù)壓法處理臺(tái)州路橋污水處理廠大型剛性混凝土構(gòu)筑物軟土地基[C].地基處理理論與實(shí)踐—第七屆全國(guó)地基處理學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集,2002：38-44.

[4]劉興旺,謝康和,潘秋元,等.豎向排水井地基黏彈性固結(jié)解析理論[J].土木工程學(xué)報(bào),1998(2):55-58.

[5]王瑞春,謝康和.半透水邊界的豎向排水井地基黏彈性固結(jié)分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2001,18(6):33-36.

[6]劉加才,馬強(qiáng).層狀黏彈性地基一維固結(jié)特性[J].土木建筑與環(huán)境工程,2012,34(3):34-38.

Viscoelistic Properties Research on Vacuum Preloading in Soft Soil Foundation Treatment

SHU Hongbo CHEN Zhijun LI Zhida

(WUTHigh-techCo.,LTD,Wuhan430063,China)

The foundation settlement, pore water pressure and soil characteristics of the vacuum preloading foundation treatment project have been discussed in this paper by means of the numerical calculation and field test. Firstly, the time correlation among the foundation settlement, pore water pressure and the soil characteristics in the vacuum preloading foundation treatment project has been described by using the theory of viscoelasticity, and the final settlement of the soil surface is estimated by using the final value theorem. Secondly, using the field testing data, the soil consolidation and the soil characteristics are discussed, the analyzed result shows that the secondary vacuum preloading can make the settlement changing faster over the time, the pore water pressure dissipates faster too, accelerating the soil consolidation.

viscoelasticity; vacuum preloading; consolidation

2016-09-12

TU433 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.033

舒紅波(1971- )：男，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)楦咚俟繁O(jiān)理、檢測(cè)和科研