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摘 要: 本文笔者结合工作经验，对真空预压法的概念和施工步驟进行简单的介绍,并阐述了真空预压加固软土地基固结机理和其最终沉降预测的理论在软基处理中的实际应用。
关键词:真空预压；软基处理；沉降预测
中图分类号： TB7 文献标识码： A 文章编号：
真空预压法作为一种近年来兴起的软基处理工法, 国内外己对其作用机理、设计计算方法等进行了比较深入的探讨和研究,并取得了一定成果, 施工工艺基本成熟。但是对市政道路软基处理工程来说,真空预压中的等效荷载问题；真空预压对道路周围环境的影响；真空预压后卸载的判断标准等等 ,仍存在诸多尚未解决的问题需要研究,因此加强对真空预压法在处理道路软土地基中的研究,对于其在市政道路软基处理中的推广应用具有重要意义。
1 真空预压法的概念和施工步骤
真空预压系统由抽真空系统和排水排气系统两部分组成, 膜上下压差一般可维持在610mmHg～730mmHg,即80kPa～95kPa 左右,一般取75kPa～80kPa 作为设计真空度。真空预压法处理地基施工步骤为:首先在原地基表面铺垫一定厚度的砂垫层,再在土体中打入砂井、袋装砂井或塑料排水板作为竖直排水体。将不透气的薄膜铺设在砂垫层顶面上,薄膜四周埋入不透水土中,借埋设于砂垫层中的管道,将薄膜下砂垫层中的空气抽出,使其形成相对负压,由于砂井渗透性较大,该负压能够快速传递到砂井深部,从而在砂井和砂井周围土体之间形成孔压差,使土体中的孔隙水流入砂井并被排出, 以达到固结。
2 真空预压加固软土地基固结机理
真空预压加固软土地基,地基中各点必须满足两个平衡条件:地基中各点孔压与负压边界及周围压力边界的平衡及总应力与膜面上大气压力的平衡。从第一个平衡条件出发可以求出抽真空作用下地基中最终稳定负压渗流场。由于地基中应力要同时满足第二个平衡条件,负压渗流场中土体有效应力要相应增加,其增加值等于相应的孔压降低值,即产生固结。
3 最终沉降预测理论及其在软基处理实例中的应用
3.1 最终沉降的预测理论
在真空预压的中,虽然目前最终沉降的预测方法虽然有多种,但是常用在预压的一般只有有双曲线法、A s a o k a 法和三点法。( 1 )Asaoka 法。Asaoka 法是建立在一维垂直固结方程基础上,根据实测数据预测未来沉降的一种方法。将时间t 离散为t= △ t.j(j=1,2,3,⋯.),令tj 时的沉降量为Stj,有差分表达式:Stj= β0+ β1Stj-1。其中Stj 是离散化了的下沉量,上式表示,Stj 与Stj-1 成直线关系。取时间间隔△ t,则可以形成沉降数据组。由沉降数据组得出β 0 与β 1。计算按以下步骤进行:确定计算时间间隔△t,求得离散化的沉降量Stj。最终沉降量Sf 是:Stj =Stj-1 时,回归直线与45°直线的交点。②三点法与双曲线法。从沉降时间关系曲线上,取最大恒载时段内的三点S1、S2、S3 并且使△ t =t3-t2=t2-t1,根据固结计算的普通式可导得S∞,用此法进行推测的时候,要求在实测沉降曲线基本处于收敛阶段才可以。
3.2 软基处理实例应用
某路为连接新城大道与海滨大道的一条主联系通道,场地地质条件差。淤泥层遍布,该层淤泥饱水、强度低、含有机质,层厚8.5m～14.7m。在此类地基上进行工程建设,必须先进行软基处理,真空预压工法简单易行、节省土石方,克服了搅拌桩复合地基法造价高、堆载预压排水固结法工期长等缺点。为了更好指导施工及检验软基处理效果,在该路施工过程中,埋设了监测仪器,并进行了跟踪观测。
(1)监测仪器的布设及沉降预测。
为了掌握施工过程中的地面沉降、淤泥层排水固结等情况,保证施工质量并为预压土卸载提供技术依据,做到信息化施工,对施工过程实施跟踪监测是本软基处理项目的重要环节。
为此, 设计安排了以下监测工作内容: 淤泥表面沉降板监测、水平位移监测、水位计和孔隙水压力监测等。本场地共布设沉降板12块,埋设3 组钢弦式孔隙水压力计,每组3 个孔压测头,埋设水位管2 个,布设水平位移边桩4个。根据该路的实测沉降资料,可以推算出地基的最终沉降量,指固结度达到100% 时地基的沉降量,并不包括在主固结完成后发生的次固结沉降。为了确定适合于本软基处理工程的推算方法,分别采用了Asaoka 法、三点法、双曲线法三种推算方法对所有沉降板在不同时期里进行了最终沉降量的推算,得出了推算结果。最后与最终主固结沉降推算值占实测值百分比的统计表比较,可以更清楚的看出哪种推算方法与实际测量值更接近。通过表的比较, 得出: ( 1 ) 推算的主固结剩余沉降为2 m m ～5 8 m m , 均值为2 4 m m , 剩余沉降量较小,表明主固结沉降已基本完成。(2)由Asaoka法和三点法推算的结果计算出的固结度均在94% 以上, 有两块沉降板甚至达到了99% 以上, 说明淤泥固结效果明显。
(2)真空预压监测及成果分析。
按设计要求共布设沉降板12 块。通过对整个沉降板的沉降数据进行分析可知,在真空度稳定的前80d 内,整个地基的沉降量都是很大的。随着固结时间的推移,沉降速率开始时很大,然后逐渐变小,沉降曲线呈收敛的态势。并且当停止抽真空时, 沉降曲线小幅度的上翘,说明沉降有一定的回弹,但随着时间的推移,地基沉降不再回弹,甚至出现一定沉降量。停止抽真空后的路基填土阶段,淤泥沉降略有增大,但由于填土量不是很大,增幅很小。从实测沉降数据来看,除去Ul 沉降板因被过的车辆碾压而导致实测沉降量偏小外,其它沉降板的沉降量在1000～1700 之间。
3.3 软基处理效果分析
在真空预压完成后,分别进行了部分钻孔取样、土工试验、十字板剪切试及浅层平板载荷检测。(1)对淤泥物理力学指标分析发现,淤泥层物理力学性质变化较大,淤泥天然密度、土粒密度、压缩模量及凝聚力均有不同程度的提高,其中压缩模量及凝聚力增幅较大,分别达到了19.3% 和26.64%;此外,含水量、孔隙比及压缩指数等参数有不同程度的减小,进一步说明在真空荷载预压阶段,淤泥层里的水被排出,孔隙减小,淤泥得到了很好的排水固结。(2)处理前淤泥物理力学性质指标参数很离散,变化范围较大,处理后,物理力学参数离散性明显变小,物理力学性质指标离散性减小,表明其稳定性增强。
4 结束语
通过处理前后试验结果对比分析,评价软基处理效果,该路地基加固后,土的物理力学性能均有较大改善,含水量降低了182%,孔隙比减小了17%,缩系数降低了30.9%,抗剪强度。值提高了26.6%。加固后的地基承载力亦显增加,加固后经浅层平板检测知承载力达到了120kPa,达到了设计的预期目的。
参考文献
[1] 叶柏荣.综述真空预压法在我国的发展[J].地基处理,2000(3).
[2] 龚晓南,岑仰润.真空预压加固软土地基机理探讨[J].哈尔滨建筑大学学报,2005（35）.
关键词:真空预压；软基处理；沉降预测
中图分类号： TB7 文献标识码： A 文章编号：
真空预压法作为一种近年来兴起的软基处理工法, 国内外己对其作用机理、设计计算方法等进行了比较深入的探讨和研究,并取得了一定成果, 施工工艺基本成熟。但是对市政道路软基处理工程来说,真空预压中的等效荷载问题；真空预压对道路周围环境的影响；真空预压后卸载的判断标准等等 ,仍存在诸多尚未解决的问题需要研究,因此加强对真空预压法在处理道路软土地基中的研究,对于其在市政道路软基处理中的推广应用具有重要意义。
1 真空预压法的概念和施工步骤
真空预压系统由抽真空系统和排水排气系统两部分组成, 膜上下压差一般可维持在610mmHg～730mmHg,即80kPa～95kPa 左右,一般取75kPa～80kPa 作为设计真空度。真空预压法处理地基施工步骤为:首先在原地基表面铺垫一定厚度的砂垫层,再在土体中打入砂井、袋装砂井或塑料排水板作为竖直排水体。将不透气的薄膜铺设在砂垫层顶面上,薄膜四周埋入不透水土中,借埋设于砂垫层中的管道,将薄膜下砂垫层中的空气抽出,使其形成相对负压,由于砂井渗透性较大,该负压能够快速传递到砂井深部,从而在砂井和砂井周围土体之间形成孔压差,使土体中的孔隙水流入砂井并被排出, 以达到固结。
2 真空预压加固软土地基固结机理
真空预压加固软土地基,地基中各点必须满足两个平衡条件:地基中各点孔压与负压边界及周围压力边界的平衡及总应力与膜面上大气压力的平衡。从第一个平衡条件出发可以求出抽真空作用下地基中最终稳定负压渗流场。由于地基中应力要同时满足第二个平衡条件,负压渗流场中土体有效应力要相应增加,其增加值等于相应的孔压降低值,即产生固结。
3 最终沉降预测理论及其在软基处理实例中的应用
3.1 最终沉降的预测理论
在真空预压的中,虽然目前最终沉降的预测方法虽然有多种,但是常用在预压的一般只有有双曲线法、A s a o k a 法和三点法。( 1 )Asaoka 法。Asaoka 法是建立在一维垂直固结方程基础上,根据实测数据预测未来沉降的一种方法。将时间t 离散为t= △ t.j(j=1,2,3,⋯.),令tj 时的沉降量为Stj,有差分表达式:Stj= β0+ β1Stj-1。其中Stj 是离散化了的下沉量,上式表示,Stj 与Stj-1 成直线关系。取时间间隔△ t,则可以形成沉降数据组。由沉降数据组得出β 0 与β 1。计算按以下步骤进行:确定计算时间间隔△t,求得离散化的沉降量Stj。最终沉降量Sf 是:Stj =Stj-1 时,回归直线与45°直线的交点。②三点法与双曲线法。从沉降时间关系曲线上,取最大恒载时段内的三点S1、S2、S3 并且使△ t =t3-t2=t2-t1,根据固结计算的普通式可导得S∞,用此法进行推测的时候,要求在实测沉降曲线基本处于收敛阶段才可以。
3.2 软基处理实例应用
某路为连接新城大道与海滨大道的一条主联系通道,场地地质条件差。淤泥层遍布,该层淤泥饱水、强度低、含有机质,层厚8.5m～14.7m。在此类地基上进行工程建设,必须先进行软基处理,真空预压工法简单易行、节省土石方,克服了搅拌桩复合地基法造价高、堆载预压排水固结法工期长等缺点。为了更好指导施工及检验软基处理效果,在该路施工过程中,埋设了监测仪器,并进行了跟踪观测。
(1)监测仪器的布设及沉降预测。
为了掌握施工过程中的地面沉降、淤泥层排水固结等情况,保证施工质量并为预压土卸载提供技术依据,做到信息化施工,对施工过程实施跟踪监测是本软基处理项目的重要环节。
为此, 设计安排了以下监测工作内容: 淤泥表面沉降板监测、水平位移监测、水位计和孔隙水压力监测等。本场地共布设沉降板12块,埋设3 组钢弦式孔隙水压力计,每组3 个孔压测头,埋设水位管2 个,布设水平位移边桩4个。根据该路的实测沉降资料,可以推算出地基的最终沉降量,指固结度达到100% 时地基的沉降量,并不包括在主固结完成后发生的次固结沉降。为了确定适合于本软基处理工程的推算方法,分别采用了Asaoka 法、三点法、双曲线法三种推算方法对所有沉降板在不同时期里进行了最终沉降量的推算,得出了推算结果。最后与最终主固结沉降推算值占实测值百分比的统计表比较,可以更清楚的看出哪种推算方法与实际测量值更接近。通过表的比较, 得出: ( 1 ) 推算的主固结剩余沉降为2 m m ～5 8 m m , 均值为2 4 m m , 剩余沉降量较小,表明主固结沉降已基本完成。(2)由Asaoka法和三点法推算的结果计算出的固结度均在94% 以上, 有两块沉降板甚至达到了99% 以上, 说明淤泥固结效果明显。
(2)真空预压监测及成果分析。
按设计要求共布设沉降板12 块。通过对整个沉降板的沉降数据进行分析可知,在真空度稳定的前80d 内,整个地基的沉降量都是很大的。随着固结时间的推移,沉降速率开始时很大,然后逐渐变小,沉降曲线呈收敛的态势。并且当停止抽真空时, 沉降曲线小幅度的上翘,说明沉降有一定的回弹,但随着时间的推移,地基沉降不再回弹,甚至出现一定沉降量。停止抽真空后的路基填土阶段,淤泥沉降略有增大,但由于填土量不是很大,增幅很小。从实测沉降数据来看,除去Ul 沉降板因被过的车辆碾压而导致实测沉降量偏小外,其它沉降板的沉降量在1000～1700 之间。
3.3 软基处理效果分析
在真空预压完成后,分别进行了部分钻孔取样、土工试验、十字板剪切试及浅层平板载荷检测。(1)对淤泥物理力学指标分析发现,淤泥层物理力学性质变化较大,淤泥天然密度、土粒密度、压缩模量及凝聚力均有不同程度的提高,其中压缩模量及凝聚力增幅较大,分别达到了19.3% 和26.64%;此外,含水量、孔隙比及压缩指数等参数有不同程度的减小,进一步说明在真空荷载预压阶段,淤泥层里的水被排出,孔隙减小,淤泥得到了很好的排水固结。(2)处理前淤泥物理力学性质指标参数很离散,变化范围较大,处理后,物理力学参数离散性明显变小,物理力学性质指标离散性减小,表明其稳定性增强。
4 结束语
通过处理前后试验结果对比分析,评价软基处理效果,该路地基加固后,土的物理力学性能均有较大改善,含水量降低了182%,孔隙比减小了17%,缩系数降低了30.9%,抗剪强度。值提高了26.6%。加固后的地基承载力亦显增加,加固后经浅层平板检测知承载力达到了120kPa,达到了设计的预期目的。
参考文献
[1] 叶柏荣.综述真空预压法在我国的发展[J].地基处理,2000(3).
[2] 龚晓南,岑仰润.真空预压加固软土地基机理探讨[J].哈尔滨建筑大学学报,2005（35）.