黃 朝 煊

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

0 引 言

浙江沿海灘涂區(qū)分布有深厚海相淤泥，淤泥具有孔隙率大、壓縮模量大、抗剪強(qiáng)度低以及承載力低等特點(diǎn)，在淤泥灘涂上修建堤防建筑物，需對(duì)淤泥地基進(jìn)行排水固結(jié)加固處理，以提高其地基承載力，保證海堤等建筑物穩(wěn)定安全。

軟土地基加固法一般常用有堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓加固兩種方式，真空預(yù)壓加固軟土地基法由瑞典巖土專家W.Kjellman[1]于20世紀(jì)50年代首先提出，并在小范圍內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其加固效果較好；國內(nèi)最先于1957年由哈爾濱軍事工程學(xué)院進(jìn)行真空預(yù)壓加固地基試驗(yàn)性研究，岑仰潤[2]對(duì)真空預(yù)壓進(jìn)行了深入的試驗(yàn)和理論總結(jié)。由于軟土地基排水固結(jié)后，土體顆粒發(fā)生錯(cuò)位重新排列，從而使得土體顆粒之間更加密實(shí)，其土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有較大改善。

林孔錙[3]對(duì)海堤淤泥地基土排水固結(jié)后抗剪強(qiáng)度增長進(jìn)行了計(jì)算分析，并應(yīng)用于海堤整體滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算中；楊嶸昌[4]、汪洪星等[5]對(duì)飽和軟黏土固結(jié)后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了探討分析，認(rèn)為軟土固結(jié)后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的內(nèi)摩擦角隨固結(jié)度的增加而增加；齊永正等[6]、徐宏等[7]分別基于有效應(yīng)力理論對(duì)真空預(yù)壓加固軟土地基后抗剪強(qiáng)度增加進(jìn)行了驗(yàn)證分析；閆澍旺等[8]對(duì)淤泥軟土排水固結(jié)后地基承載力增長進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，浙江省灘涂淤泥土地基排水固結(jié)后，地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(凝聚力和內(nèi)摩擦角)一般均有較大提高，與楊嶸昌[4]、汪洪星等[5]中正常固結(jié)下飽和黏性土的研究結(jié)論之間存在一定差異，作者認(rèn)為這與浙江省沿海灘涂地區(qū)淤泥土的前期固結(jié)歷史有一定關(guān)系，因此，本文基于土力學(xué)理論，對(duì)超固結(jié)淤泥質(zhì)地基土固結(jié)后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響變化關(guān)系進(jìn)行了探討分析，并通過某工程地基加固處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析，為相關(guān)地基處理提供技術(shù)參考。

1 軟土地基排水固結(jié)處理案例

1.1 項(xiàng)目概況

某工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，近期防潮標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物西河堤及排澇閘均為3級(jí)建筑物，水閘圍堰設(shè)計(jì)擋潮標(biāo)準(zhǔn)為非汛期5 a一遇；其中軟基水閘閘外海側(cè)50 a一遇設(shè)計(jì)高潮位5.23 m，內(nèi)河側(cè)常水位2.50 m，閘室孔口凈寬42 m(7孔×6 m)，設(shè)計(jì)排澇流量498 m3/s，閘底坎高程為-2.0 m，水閘包括閘室箱涵、閘室兩側(cè)空箱、交通橋空箱、上下游空箱式翼墻結(jié)構(gòu)以及上下游消能結(jié)構(gòu)，其中除上下游消能結(jié)構(gòu)外，其余結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)均采用C30混凝土鉆孔灌注樁處理。

水閘地基土層主要為Ⅲ0層淤泥、Ⅲ1層淤泥夾砂、Ⅲsis層細(xì)砂、Ⅲ2層淤泥質(zhì)黏土、Ⅳ1層淤泥質(zhì)黏土粉土、Ⅳsis層粉砂和Ⅴ層黏土組成。閘基土層Ⅲ0層淤泥、Ⅲ1層淤泥夾砂、Ⅲ2層淤泥質(zhì)黏土、Ⅳ1層淤泥質(zhì)黏土夾粉土均為高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度的軟土，工程地質(zhì)條件差。具體土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

為了改善軟土地基承載力，優(yōu)化樁基布置，并減小水閘打樁后與兩側(cè)海堤之間差異沉降，對(duì)閘室范圍及前后左右結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理，其中真空預(yù)壓斷面見圖1所示。

表1 真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)區(qū)地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓布置簡圖

1.2 預(yù)壓加載方案

施工順序：地基處理前地基土鉆孔取樣分析檢測(cè)→ 分區(qū)地基處理→地基處理后鉆孔取樣分析檢測(cè)。真空預(yù)壓時(shí)間4個(gè)月，真空預(yù)壓1個(gè)月后左右岸開始聯(lián)合堆載預(yù)壓，第一層堆載控制為0.5 m，采用黏土或細(xì)粒土人工攤鋪，第二、三層堆載控制為1.5 m，采用拋石或山皮土，第一、二層堆荷加載間歇時(shí)間為0.5個(gè)月，第二、三層堆荷加載間歇時(shí)間為1個(gè)月。當(dāng)真空預(yù)壓恒載滿足下列標(biāo)準(zhǔn)后可停泵卸載： ①連續(xù)10天觀測(cè)的沉降速率小于1 mm/d； ②固結(jié)度大于80%。

1.3 孔隙水壓力

隨著膜下真空壓力的上升，孔隙水壓力均有一定程度的消散，當(dāng)膜下真空壓力下降時(shí)，孔隙水壓力出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，土層孔隙水壓力的消散程度與膜下真空度保持了較好的相關(guān)性；土層孔隙水壓力消散主要集中-15 m高程以上，最大累計(jì)消散值在40.2～57.8 kPa之間，且沿深度方向呈現(xiàn)明顯遞減趨勢(shì)。處理區(qū)孔隙水壓力消散過程線分別見圖2。

1.4 地表沉降

抽真空初期，由于膜下真空壓力較低，地基沉降發(fā)展緩慢；密封溝處理后隨著膜下真空壓力的上升，沉降速率也隨之增大，最大沉降速率達(dá)15 mm/d；之后受停泵密封墻施工影響，膜下真空壓力迅速下降，地表沉降出現(xiàn)反彈現(xiàn)象；隨著密封墻施工完成，膜下真空壓力增加，沉降速率隨之增大。處理區(qū)沉降速率在2.5～4.5 mm/d之間，累計(jì)沉降479 mm，處理區(qū)地表沉降過程線見圖3。

圖3 處理區(qū)地表沉降變化過程線

1.5 地基土處理前后物理力學(xué)檢測(cè)對(duì)比

在地基處理前后，分別鉆孔取芯、靜力觸探、十字板等檢測(cè)地基土物理力學(xué)指標(biāo)，土樣進(jìn)行常規(guī)土工試驗(yàn)及三軸試驗(yàn)，對(duì)比土體力學(xué)指標(biāo)的變化情況。預(yù)壓前后土體物理力學(xué)指標(biāo)前后變化情況見表2。

表2 真空預(yù)壓前后物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比表

通過表2可知，淤泥質(zhì)軟土經(jīng)過真空聯(lián)合堆載預(yù)壓，地基土的含水率、孔隙比等指標(biāo)均有所減小，淤泥質(zhì)土顆粒之間更加密實(shí)，土體壓縮模量得以提高，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有所增大，其中III1層淤泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ分別由固結(jié)前的c=2.0 kPa、φ=1.7°提高至固結(jié)后的c=10.0 kPa、φ=8.9°，提高了近4倍左右；Ⅲ2層淤泥質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ分別由固結(jié)前的c=5.5 kPa、φ=4.7°提高至固結(jié)后的c=6.3 kPa、φ=6.6°，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有增長。

此外，通過淺層載荷板試驗(yàn)檢測(cè)分析，地基承載力由處理區(qū)的23.3 kPa提高至處理后的76.7 kPa，地基承載力得到明顯提高。

圖4 固結(jié)前后現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果

2 淤泥質(zhì)土固結(jié)后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

2.1 現(xiàn)有抗剪強(qiáng)度增長計(jì)算理論

文獻(xiàn)[9]中對(duì)于飽和黏性土預(yù)壓后抗剪強(qiáng)度建議計(jì)算式為：

τft=η(τf0+Δτfc)

(1)

式中：τf0為前級(jí)荷載下淤泥質(zhì)地基土抗剪強(qiáng)度，kPa；Δτfc為本級(jí)荷載預(yù)壓后淤泥質(zhì)地基土抗剪強(qiáng)度增加值，kPa；η為淤泥質(zhì)地基土抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)，一般考慮到淤泥質(zhì)土的靈敏性，即擾動(dòng)后強(qiáng)度折減的影響，依據(jù)文獻(xiàn)[9]可知η取值為0.7～1.0。

其中預(yù)壓后地基土抗剪強(qiáng)度增量按以下公式計(jì)算：

正常固結(jié)土：

Δτfc=ΔσzUttanφcu

(2)

欠固結(jié)土：

Δτfc=(Δσz+u0)Uttanφcu

(3)

超固結(jié)土：

Δτfc=(Δσz-P0-σa)Uttanφcu

(4)

式中：Δσz為預(yù)壓荷載引起的該點(diǎn)處的豎向附加應(yīng)力，kPa；Ut為t時(shí)刻淤泥質(zhì)土的固結(jié)度；φcu為三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)推求的土體內(nèi)摩擦角，(°)；u0為淤泥質(zhì)土自重作用下計(jì)算點(diǎn)處的孔隙水壓力，kPa；P0為超固結(jié)土前期固結(jié)壓力，kpa；σa為超固結(jié)土現(xiàn)有自重應(yīng)力，kPa。

值得說明的是，文獻(xiàn)[9]雖然給出了正常固結(jié)土、欠固結(jié)土以及超固結(jié)土預(yù)壓后的抗剪強(qiáng)度增加計(jì)算式，但未給出預(yù)壓后土體相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ的計(jì)算式。

基于此，文獻(xiàn)[4] 楊嶸昌[4]基于應(yīng)力路徑法，推求出了正常固結(jié)黏土在任意固結(jié)度下黏性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨固結(jié)度之間關(guān)系式：

(5)

(6)

式中：σc為黏性土自然狀態(tài)固結(jié)時(shí)的圍壓；Ui為固結(jié)度，固結(jié)度可根據(jù)本文計(jì)算理論給出；ci、φi為相應(yīng)于固結(jié)度Ui時(shí)刻的黏性土不排水抗剪強(qiáng)度總應(yīng)力指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角；φcu為黏性土固結(jié)不排水剪有效內(nèi)摩擦角；ccu為黏性土固結(jié)不排水剪有效黏聚力。

同樣，值得說明的是：文獻(xiàn)[4]中推導(dǎo)僅適用于正常固結(jié)下黏性土，而工程實(shí)際中，不同區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件、固結(jié)歷史等均十分復(fù)雜，一般土為非正常固結(jié)土，因此文獻(xiàn)[4]中相應(yīng)計(jì)算式適用條件具有很大的局限性。

2.2 新推求的超固結(jié)淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算式

基于以上現(xiàn)有理論的不足，本文將參考文獻(xiàn)[10],對(duì)超固結(jié)淤泥質(zhì)土預(yù)壓后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化進(jìn)行深入研究。

一般正常固結(jié)土和超固結(jié)土的抗剪強(qiáng)度特性不一樣，對(duì)于正常固結(jié)土，剪切破壞時(shí)孔隙水壓力u為正值，其抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線總經(jīng)過原點(diǎn)[10]。對(duì)超固結(jié)土，當(dāng)試驗(yàn)固結(jié)壓力為零時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度并不等于零，其總應(yīng)力和有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度摩爾包絡(luò)線在縱坐標(biāo)上的截距分別為ccu和c′，強(qiáng)度包絡(luò)線交于水平軸負(fù)軸(見圖5)。

圖5 黏土固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)(CIU試驗(yàn))

根據(jù)摩爾應(yīng)力圓幾何關(guān)系可知，見圖6所示，當(dāng)超固結(jié)土固結(jié)度為Ui時(shí)，根據(jù)孔隙水壓消散關(guān)系有以下關(guān)系式：

(7)

(8)

式中：τ0為摩爾應(yīng)力圓半徑；其余參數(shù)同上文。

根據(jù)方程(7)、(8)，消去參數(shù)τ0，聯(lián)立求解方程可知，固結(jié)度為Ui時(shí)的總應(yīng)力指標(biāo)內(nèi)摩擦角為：

(9)

圖6 黏土固結(jié)度為Ui時(shí)抗剪指標(biāo)分析簡圖

同理，可給出固結(jié)度為Ui時(shí)的總應(yīng)力指標(biāo)黏聚力：

(10)

其中任意時(shí)刻固結(jié)度Ui根據(jù)后文相關(guān)計(jì)算理論給出。

為了對(duì)比分析本文新推求計(jì)算式(9)、(10)與楊嶸昌[4]中計(jì)算法的差異，以浙江省典型淤泥土為例：c1=5.0 kPa、φ1=4.5°，ccu=10 kPa、φcu=9.5°，σc=50 kPa，分別依據(jù)楊嶸昌[4]的計(jì)算式(5)、(6)以及本文新推薦計(jì)算式(9)、(10)計(jì)算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨固結(jié)度變化關(guān)系曲線，見圖7；可知，對(duì)于內(nèi)摩擦角，楊嶸昌[4]與本文新計(jì)算式(9)在固結(jié)度較大時(shí)變化趨勢(shì)基本一致，但在固結(jié)度較小時(shí)差異加大；對(duì)于凝聚力，楊嶸昌[4]計(jì)算值則隨固結(jié)度的增加反而減小，與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)不符，其原因主要為文獻(xiàn)[4]中推導(dǎo)僅適用于正常固結(jié)下黏性土，而對(duì)于工程實(shí)際中的一般土為非正常固結(jié)土，則文獻(xiàn)[4]中相應(yīng)計(jì)算式適用條件具有很大的局限性。而本文新推求凝聚力計(jì)算式(10)計(jì)算值則隨固結(jié)度的增加而增加，更符合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

圖7 新推薦抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算式與文獻(xiàn)[4]對(duì)比分析

圖8表示了工程實(shí)際應(yīng)用中幾種不同工況下的地基土抗剪強(qiáng)度計(jì)算形式，其中圖8(a)表示在軟土地基未進(jìn)行排水板加固處理情況下，直接堆載時(shí)的整體滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算中地基土抗剪強(qiáng)度計(jì)算，此時(shí)工程實(shí)際中地基土抗剪強(qiáng)度也可采用現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切強(qiáng)度。

圖8(b)表示在軟土地基進(jìn)行排水板處理后，堆載時(shí)的整體滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算中地基土抗剪強(qiáng)度計(jì)算，此時(shí)工程實(shí)際中地基土抗剪強(qiáng)度一般采用總應(yīng)力法計(jì)算，即需要考慮地基土排水固結(jié)后的強(qiáng)度增長，其中η可取1.0。

圖8(c)表示在軟土地基進(jìn)行排水板預(yù)加固處理情況后，再卸載，然后重新堆載修建新建筑物時(shí)的整體滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算中地基土抗剪強(qiáng)度計(jì)算，地基土為超固結(jié)土，此時(shí)工程實(shí)際中地基土抗剪強(qiáng)度一般采用新的現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切強(qiáng)度計(jì)算，若為作現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)，也可按考慮地基土強(qiáng)度增加后的新抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算，即ci、φi采用本文公式(9)、(10)計(jì)算。

圖8 不同條件下地基土抗剪強(qiáng)度計(jì)算簡圖

2.3 任意時(shí)刻固結(jié)度Ui計(jì)算

黃朝煊等[11,12,13,14,15,16]對(duì)帶狀排水板處理地基進(jìn)行了深入研究，其中[11,12]將帶狀塑料排水板等效為形狀接近的扁橢圓柱體，基于橢圓柱坐標(biāo)系理論給出了帶狀排水板的固結(jié)新理論，便于工程應(yīng)用。

在考慮帶狀排水板井阻(kw)、涂抹(ρs)影響下，可得帶狀塑料排水板處理地基總平均固結(jié)度計(jì)算式為：

(11)

其中參數(shù)：

(12)

(13)

式中：參數(shù)L為排水板計(jì)算長度；ρw為等效橢圓柱形排水體的徑長坐標(biāo)；ρs為同焦橢圓柱涂抹區(qū)徑長坐標(biāo)；ρe為排水板的同焦橢圓影響區(qū)徑長坐標(biāo)；kw為排水板的豎向滲透系數(shù)；kh為軟土水平滲透系數(shù)；ks為軟土涂抹區(qū)的水平滲透系數(shù)；參數(shù)Fh為無量綱參數(shù)，F(xiàn)h計(jì)算參考黃朝煊等[11,12,13]。無量綱參數(shù)Fh計(jì)可根據(jù)基本參數(shù)ρw、ρs、ρe、a、kh、ks求出。

對(duì)于經(jīng)典砂地基固結(jié)計(jì)算理論，F(xiàn)h計(jì)算公式為：

(14)

式中參數(shù)n=re/rw，s=rs/rw，為砂井地基圓柱坐標(biāo)系參數(shù)。

3 淤泥質(zhì)土固結(jié)后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

依托于前文介紹的工程案例，根據(jù)實(shí)測(cè)孔隙水壓資料推求相應(yīng)土層深度內(nèi)的固結(jié)度為U=88%，再分別根據(jù)楊嶸昌[4]抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增加計(jì)算式(5)、(6)以及新推導(dǎo)的計(jì)算式(9)、(10)對(duì)比分析，見表3；其中實(shí)測(cè)加固前后地基土十字板剪強(qiáng)度見圖4所示。

通過以上對(duì)比驗(yàn)證分析可知，主要固結(jié)壓縮軟土層為Ⅲ2層，采用楊嶸昌[4]抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算式(5)、(6)推求出預(yù)壓處理后Ⅲ2層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別為ci=7.66 kPa、φi=6.16°，采用本文新計(jì)算式(9)、(10)推求出預(yù)壓處理后Ⅲ2層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別為ci=5.94 kPa、φi=6.53°，而預(yù)壓后實(shí)際試驗(yàn)檢測(cè)值為ci=6.3 kPa、φi=6.6°，可見本文理論更接近于實(shí)測(cè)試驗(yàn)值，認(rèn)為本文新推導(dǎo)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算式更接近于工程實(shí)際，便于工程實(shí)際應(yīng)用。

表3 真空預(yù)壓前后物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比表

4 結(jié)論與建議

針對(duì)目前軟土地基排水固結(jié)后地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化復(fù)雜的問題，基于抗剪強(qiáng)度摩爾包絡(luò)線理論，對(duì)任意固結(jié)度下超固結(jié)淤泥質(zhì)地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了研究分析，主要結(jié)論如下：

(1) 依托于浙江沿海地區(qū)某淤泥質(zhì)軟土地基排水固結(jié)預(yù)加固處理工程案例，通過對(duì)淤泥質(zhì)土排水固結(jié)前、后物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比分析，認(rèn)為淤泥質(zhì)土加固后十字板剪切強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(快剪)等均有增長，地基承載力、地基土整體強(qiáng)度等均得以提高。

(2)根據(jù)依托工程相關(guān)檢測(cè)資料，對(duì)現(xiàn) 有飽和黏土地基固結(jié)后抗剪強(qiáng)度增長、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增長等理論進(jìn)行了總結(jié)分析，認(rèn)為受不同區(qū)域中地質(zhì)條件、固結(jié)歷史等均復(fù)雜因素影響，現(xiàn)有抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增長計(jì)算理論在工程實(shí)際應(yīng)用中具有一定局限性。

(3) 基于抗剪強(qiáng)度摩爾包絡(luò)線理論，推求了任意固結(jié)度下超固結(jié)淤泥質(zhì)地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)新的解析計(jì)算式，并通過依托工程試驗(yàn)檢測(cè)資料對(duì)比驗(yàn)證分析，認(rèn)為本文新推求公式計(jì)算值更接近于工程實(shí)際，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用具有一定參考意見。