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勻速等量堆載的真空聯合堆載預壓下吹填土工程特性試驗研究

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-11-17 14:13:57    瀏覽次數:0    評論:0
導讀

摘要針對溫州灘塗圍墾區吹填土處理難度大、強度低、工期長等問題,在真空-堆載聯合預壓下,采用5 kPa/d勻速堆載的方式進行室內模型試驗;同時設立真空預壓對照組。對真空度、孔隙水壓力、表層沉降進行監測並分析變化原因。通過加固後的土體含水率和十字板剪切強度對加固效果進行對比分析。試驗結果表明:真空-堆載聯合預壓處

  針對溫州灘塗圍墾區吹填土處理難度大、強度低、工期長等問題,在真空-堆載聯合預壓下,采用5 kPa/d勻速堆載的方式進行室內模型試驗;同時設立真空預壓對照組。對真空度、孔隙水壓力、表層沉降進行監測並分析變化原因。通過加固後的土體含水率和十字板剪切強度對加固效果進行對比分析。試驗結果表明:真空-堆載聯合預壓處理技術能夠又快又好地加固溫州吹填土。勻速堆載時真空度、孔壓和土體表麵沉降有明顯變化;但隨著時間推移而減弱。加固效果優於真空預壓。

關鍵詞 真空聯合堆載預壓 真空預壓 模型試驗 加固效果

隨著溫州地區基礎設施的建設,可用土地麵積越來越少,人們對於土地的需求日益增大。吹填土是所需用地的主要來源,該類土具有高含水率、大孔隙比、滲透性低、抗剪強度低、地基承載力低等一係列不利工程特性[1],需進行處理之後才能進行開發應用。真空預壓法具有工藝簡單、造價低、有利於環保等優點廣泛應用於吹填土加固中。但隨著海塗圍墾的發展,需加固的土體越來越深,傳統真空預壓法對於深層軟土處理效果不佳,需進行再處理才能達到深層土體的設計要求[2—5]。真空聯合堆載預壓法兼具真空預壓和堆載預壓的優點[6],是一種較有效的軟弱土地基處理新技術,可以滿足時代的發展需求;但在真空度、孔壓、沉降和加固效果等方麵與真空預壓有所差異。許多學者都研究過其作用機理, 以數值模擬或工程案例為主[7—9]。數值模擬是在理想模型的基礎上進行計算分析,與現實情況有所差異。在實際工程中,由於項目工期、資金、天氣和施工等影響因素,堆載時間和堆載量無法達到預期要求,導致真空聯合堆載預壓的監測數據變化規律難以摸索。室內模型試驗既能夠控製一些變量,也具有一定的現實意義[10]。婁炎等[11]通過工程實際和應力路線分析真空聯合堆載預壓時分級加荷和加荷速率的必要性,認為實際工程中第一級總荷載控製在50~60 kPa以內比較合適。因此,為了探索真空聯合堆載預壓法監測數據的變化規律和加固效果,本試驗控製加載速率和加載量,以5 kPa/d的堆載速率進行真空聯合堆載預壓加固溫州地區吹填土室內模型試驗,並與傳統真空預壓法相比較,得出了合理的試驗結論。

1 試驗土樣

試驗所用土樣取自溫州洞頭區沙崗村附近灘塗圍墾區,取樣深度為地麵下0.5 m。根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)通過室內土工試驗測得模型箱內吹填土的基本物理性質參數見表1,土體強度統計值見圖1。

2 模型試驗

2.1 試驗目的和內容

表1 試驗土樣基本物理參數
Table 1 Physical properties indexes of soil

圖1 土樣強度統計值
Fig.1 Soil strength statistics value

為了探究真空聯合堆載預壓下吹填土工程特性,本試驗控製了堆載量和堆載時間,以勻速等量的堆載方式進行“排水板+真空預壓+堆載預壓”室內模型試驗,堆載分為4級,並與“排水板+真空預壓”加固方法進行對比,分析不同時期監測數據變化情況、原因和工後加固效果,為將來的實際工程作參考。試驗方案見表2。

表2 試驗方案
Table 2 Test plan

2.2 試驗裝置及過程

試驗模型裝置如圖2、圖3所示。試驗模型箱尺寸為長×寬×高=1.8 m×1.8 m×1.2 m,模型箱由三麵鋼板和一麵鋼化玻璃製成,厚度均為10 mm。試驗泥麵高度1 m。箱內分為中央處理區(1 m×1 m)和非處理區。其中處理區由監測係統、排水體係和密封體係構成。監測係統包括真空表及探頭、刻度尺和孔壓傳感器;排水體係包括排水管、真空泵和新型防淤堵塑料排水板[12];密封體係包括聚氯乙烯密封膜、編織布和土工布。堆載采用30 kg/塊的砝碼。

圖2 模型試驗裝置
Fig.2 Model testing device

圖3 試驗實物
Fig.3 Actual object

將未處理土體注入試驗箱進行整平,然後靜置三周。靜置後在土體自身重力作用下,孔隙水會析出聚集在土體表層。通過虹吸法將其排出試驗箱。排水板表層和深度0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m處安裝Y—60型真空表探頭,用於監測排水板中的真空度。在土體0.2 m、0.6 m深度處放置YH04—B03型孔壓傳感器,用於監測孔隙水壓力。將捆綁著排水板、真空表探頭、孔壓感應器的支架埋入處理區。

在處理區土體上方將排水板通過連接組件與抽真空管(排水管)相連,然後依次鋪設土工布、編織布,最外層是聚氯乙烯密封膜。為了保證密封性,提高處理效果,密封膜盡可能地埋設到處理區邊緣土體深處。排水管另一側與真空泵連接,形成“排水板+真空預壓”聯合處理方法。在前者的基礎上將砝碼放置在密封膜上進行堆載預壓,形成“排水板+真空預壓+堆載預壓”聯合處理方法。最後開啟真空泵抽真空。

3 試驗結果及分析

3.1 真空度

抽真空時,密封膜內空氣被抽出,處理區內外形成壓力差,這個壓力差稱為“真空度”[13]。根據試驗過程中的實時真空度數據繪出其膜下和板中真空度隨時間變化曲線(圖4)。從圖4可知:①堆載前,真空-堆載組和真空組的真空度相差較小,其中膜下真空度保持最好,可以達到-90 kPa以上。但隨著深度的增加,板間真空度呈現下降的趨勢,是因為塑料排水板的井阻作用導致真空度傳遞受阻。從能量的角度分析,氣體分子從高密度土體向低密度土體運動時,會因阻力而做負功,從而導致能量損失,所以真空度會隨深度的增加而衰減。②堆載時,板間真空度有所增加。這是由於堆載導致總應力增加,克服了一部分對水的垂直滲流阻力,從而促進真空度的傳遞。③隨著處理時間的推移,由於周圍土體開裂等原因,處理區密封性下降導致真空度呈整體下降趨勢。試驗結束時,真空-堆載組的真空度優於真空組,說明堆載可以提高處理區密封性。

圖4 排水板中真空度隨時間變化的曲線
Fig.4 Curves of vacuum degrees in the PVDs change with time

3.2 孔隙水壓力

圖5為不同深度孔隙水壓力隨時間變化圖。由圖5可知:①兩組試驗中,孔壓隨著試驗的進行整體呈消散趨勢。抽真空初期,孔壓消散緩慢,是因為未處理吹填土含水量很高,土顆粒處於懸浮狀態,無法形成有效的應力傳遞路徑。試驗中期,在真空負壓的作用下孔隙水排出,土顆粒骨架形成,有利於應力的傳遞,孔壓消散速度加快。試驗後期隨著土體的排水固結,孔壓消散速度減緩。②同一時刻,隨著深度的增加,孔壓消散量減小,這與真空度在土中隨深度分布的規律相同。從側麵反映出處理效果隨著深度的增加而減弱。③堆載時,土體及其中的孔隙水承受來自外界的附加應力,形成超靜孔壓。孔壓消散較快時期,前期堆載產生的一部分孔壓被迅速消散,因此前期堆載時孔壓變化相對較小。隨著時間的推移,孔壓消散速度減緩,中期堆載時產生孔壓大於消散的孔壓,這時孔壓會產生較大的上升。隨著土中孔隙水的排出,土體固結度提高,相同堆載量下後期堆載產生的孔壓會變小。④真空-堆載組最大孔壓值為936 h的39.5 kPa,真空組最大孔壓值為為816 h的32.5 kPa,相差7 kPa。說明真空-堆載組孔壓消散量比真空組多,這是因為堆載壓力壓縮土體,加速土中孔隙水向排水板移動,在真空吸力的協助下,促進孔隙水排出處理區,從而使得孔隙水壓力消散,提高了土體的固結效率。

圖5 不同深度孔壓隨時間變化曲線
Fig.5 Curves of pore water pressures change with time

3.3 表層沉降

為了避免處理時密封膜橫向變位造成讀數誤差,在處理區較內側設置4個表層沉降監測點,取其平均值作為沉降數據。圖6為表層沉降監測圖。隨著孔壓消散和孔隙水的排出,沉降速度由快至慢,並逐漸達到穩定。真空-堆載組處理區平均沉降量為174 mm,真空預壓對照組處理區平均沉降為141 mm。根據三點法公式推算最終沉降量和固結度:

圖6 表層沉降隨時間變化曲線
Fig.6 Curves of surface settlement change with time

(1)

(2)

式中,S1S2S3t1t2t3時刻沉降量,mm;S為最終沉降量,mm;St為某時刻沉降量,mm;Ut為某時刻沉降固結度,%。

真空-堆載組最終沉降量為200 mm,最終固結度為87%;真空預壓對照組最終沉降量為186 mm,最終固結度75%。說明真空-堆載聯合預壓與傳統真空預壓相比可以又快又好地處理吹填土地基。

堆載時,附加應力突然增加,土體孔隙中的弱結合水和自由水會被擠出,使得土體發生明顯的瞬時沉降。隨著處理時間的推移,處理區土顆粒在聯合作用下會重新排列組合,土體固結度越來越高,有效應力逐漸增大,這種瞬時沉降逐漸減弱。

3.4 含水率

在排水板90°的方向,距其5 cm、15 cm、25 cm、35 cm的4個位置(圖7),沿土體深度每20 cm測一次含水率,繪製含水率變化圖(圖8)。由圖8可見:①兩組試驗含水率隨著深度和距離的增加而增大,其中真空-堆載組平均含水率由表麵的42%變化到深度80 cm處51%左右;真空組平均含水率由表麵的45%變化到深度80 cm處61%左右,說明真空-堆載聯合預壓處理效果要優於真空預壓方法。②兩組試驗表層含水率相差較小為3%,隨著深度的增加,在深度80 cm處兩組試驗含水率相差10%,說明真空-堆載聯合預壓與傳統真空預壓相比可以更好地處理深層土體。

圖7 測點位置俯視圖
Fig.7 locations of measuring point

圖8 含水率隨深度的變化曲線
Fig.8 Water content chang curve with different depths

3.5 十字板剪切強度

利用十字板檢測土體抗剪強度對土體擾動小、檢測速度快。本試驗采用CLD-3型十字板,測點位置與含水率測點相同。十字板剪切強度如圖9所示:①加固後,不同深度真空-堆載組十字板峰值強度為16~28.5 kPa,真空組十字板峰值強度為8.2~24.2 kPa,真空-堆載組土體整體強度要優於真空組。真空聯合堆載處理後的土體強度相較於初始強度,表層和深層均有顯著提高,提高了78.9%~87.5%。②十字板剪切強度隨深度增加而減弱,這是因為真空負壓隨著深度的增加而衰減,其次排水板的淤堵也是底層土體強度較低的原因之一。真空-堆載組強度減少12.5 kPa,真空組強度減少16 kPa,進一步說明了真空-堆載預壓法可以更好地處理深層土體。③堆載前(360 h),真空組和真空-堆載組的真空預壓值(真空度)相差不大,兩組孔隙水壓力消散量分別為-21.8 kPa、-22 kPa,二者相近,說明真空預壓階段兩組試驗土體固結效率相同。堆載後,真空-堆載組多施加了20 kPa堆載預壓,加固後土體孔壓消散量比真空組多7 kPa,十字板強度比真空組提高了4.3~7.8 kPa,說明總預壓值越大,孔壓消散量越多,土體固結效率越高,強度提升越大。

圖9 十字板剪切強度隨深度的變化曲線
Fig.9 Vane shear strength change curve with different depths

4 結論

通過本文設計的溫州吹填土真空-堆載聯合預壓下勻速等量堆載與真空預壓對比模型試驗,得出以下結論。

(1)板中真空度隨深度和時間而減弱。試驗結束時,真空組和真空-堆載組膜下真空度較最大值均衰減6 kPa,板深90 cm處真空度分別衰減9 kPa、7 kPa,說明堆載會提高處理區密封性,促進真空度在深層土體中的傳遞。

(2)試驗結束時,深度20 cm、深度60 cm處,真空-堆載預壓比真空預壓分別多消散7.4 kPa、5.6 kPa孔壓,說明真空-堆載預壓可以促進吹填土整體孔隙水的排出,更有利於孔壓消散。

(3)真空-堆載預壓沉降量為174 mm,固結度87%;真空預壓沉降量為141 mm,固結度75%。堆載可以加快吹填土固結變形,提高固結度。

(4)加固後,真空組和真空-堆載組吹填土含水率範圍分別在45%~61%和42%~51%,抗剪強度範圍在8.2~24.2 kPa和16~28.5 kPa。說明真空-堆載預壓處理效果更優,能夠更好地處理深層土體。

(5)若要得到更好加固效果,在地基承載力允許的範圍內,可以加大後期的堆載量。適用於實際工程的計算理論和堆載方案還需要進一步探索。


 
(文/小編)
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