（岩土工程专业论文）真空联合堆载预压在高速公路软土路基加固工程中的应用研究.pdf

摘要 在珠江三角洲地区大部分地基为滨海相和河相沉积的软粘土。对于高速公路建 设来说，所形成的较长软土路段，既不容易处理，造价也相应增加。因而软土地基 处理技术已成为关键技术之一，直接关系到投资和管理单位的经济效益和社会效 益。常规的砂井堆载预压处理方法不能减小总沉降量，也不能控制工后沉降和不均 匀沉降，而复合地基相对单价较高，某些复合地基质量仍难以保证。而真空联合堆 载预压法是一种实用、经济、稳妥的大面积处理软土地基的有效方法。施工过程中 的稳定性得到保证，工后沉降和不均匀沉降小。 但是目前真空联合堆载预压处理在软土路基大规模的很有限，主要原因有以下 几个： ( 1 ) 真空联合堆载预压一般用于加固大面积软土，软土路基是一狭长区域， 影响了处理效果，故限制了它的应用范围。 ( 2 ) 目前真空联合堆载预压应用于路基的工程实例还不是很多，经验积累不 够丰富，有很多技术性的问题还没有解决，如含砂层的处理等问题。 ( 3 ) 缺少经济效益和处理效果的综合评价。 这些都限制了真空联合堆载预压在软土路基处理上的应用。针对这些问题，本 文以广东西部沿海高速公路( 珠海一阳江) 台山二标软土路基真空联合堆载试验段 为依托，对真空联合堆载预压进行了较为深入的研究，内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 通过现场、原位和室内试验获得真空联合堆载预压加固高速公路软基的 完整试验数据，为理论分析、数值计算等提供必要的试验资料。 ( 2 ) 深入研究真空联合堆载预压的加固机理和强度增长机理分析，以便对真 空联合堆载预压加固高速公路软基的设计和旌工提供指导。 ( 3 ) 通过加固效果、施工工艺和技术经济比较。对真空联合堆载预压加固法 进行全面的评价。 通过研究聪真空联合堆载预压的加固机理有了进一步认识，在一定程度上促进 了软基处理新技术的发展和进步，同时积累了宝贵的工程经验。 关键词：真空联合堆载预压高速公路软土路基现场试验 a b s t r a c t l i t t o r a lf a d e sa n dn u v i a lf a c i e sd e p o s i t i o n a ls 酿s o i ld i s t r i b u t e sw i d e l yi nt h ez h u j i a n g r i v e rd c l t ao fc l l i n a n el o n gh i g l l w a yo ns o f t i lf o 岫d a t i o ni sh a r dt od i s p o s e ，a i l dt h e c o n s t r u c t i o nc o s to nj ti sm u c hh i 窑 i e r s os o f ts o i lr o a d b e dt f e a t m e n th a sb e c o m et h ek e y t c c h n i c a lo ft h er o a dc o n s t 九l c i i o n a n dt h et c c h n i c a il e v e lr e l a t e st ot l l ee c o n o m i ca n ds o c i a l r e t i l r n s0 ft h ei n v e s t o ln e “蛐“”s a n dd r a i np r e l d i n gt r e a t m e n tc a nn o tr e d u c et o t a l s e n l e m e n t ， a sw e l ia s p o s t c o n s t r u c t i o n s c m e m e n ta n d n o n h o m o g e n e o u s s e t e m e n t f u n h 咖o r et h ec o s t0 fc o m p o s t ef o u n d a t i o ni st o oh i g l i v 她u u m s u r c h a 珏筘p r c l o a d i n g m e l h o di s8p 珀c i c a l ，e c o n o m 遍r e l i a b l c 】a l 擎r 卸g es o nf o u n d a l i o nt r e a l m e n tm e l h o d t h e s t a b i l i i y i nt h e l o a d i n gp r o c e d u r e i s g o o d ， a n d p o s t c o n s t f u c t i o n s c t t l e m e n ta n d n o n h o m o g e n e o u s s e t t l e m e n t 盯el i t n e b u tt h eu o fv a c u u m s u r c h a r g ep r e i o a d i n gm e c h o di sf cw t h er e 鲢o n sa r eb e l o w ( 1 ) v h c u u m s u r c h a r g ep r e l o a d i n gm e t h o di sa l w a y su s e dt o t r e a tl a r g er a n g eo fs o f c s u r b g r a d e h o w e v e fs o f ts u b g r a d ei sal a 【h ya r e a ，t h i se f ! i - e c tc h e t r e a t m e n te a b c t ( 2 ) t h en u m b e ro fc a ss t u d yo fs o f ts u b g r a d et r e a t e db yv a c u u m s u r c h a r g ep r e l o a d i n g m e t h o di sf c v nm a n yt e c h n i c a lp m b l e m sa r en o ts o i v e dy e t ，s u c ha ss a n dl a y e fb e t w e e nt h es a n d d a i n s ( 3 ) l a c k o f s y n t h e t i c a la 髓l y s i so n e c o n o m i ce 伍c i e n c ya n dt r e a t m e n te f i b c t t h e s el i m i tt h e a p p l i c a t i o n o fv a c u u m s u r c h a r g ep r e l o a d i n gm e t h o d 岗ma tt 1 1 e s e p r o b l e m s ，m u c h r e s e a r c h e sa r ed o n eb a s e do nt h et h j s a nw o r h r l gs e c t i o no fg u a n g d o n gw b s t e m s e a s h o r ch i g i l w a y m a i nc o n t e n t sa r cl i s t e da sb e l o w ( 1 ) w h o l ed a t ao fe x p e r i m e n to ns i t eo r l a b o r a t o r yt e s ti sa c e i v e d ，a sc a no 氐rn e s s e s a r y e x p e r i m e n tm a t e r i a lt ot h et h e o f yr e s e a r c h 柚dn u 眦r i c a lc a l c u i a t i o n ( 2 ) r c s e a r c ho nt h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i c sa n ds t r e n g t hi n c r e a s i n gm e c h a n i c so ft h e v a c u u m s u r c h a r 苫cp r e l o a d i n gm e t h o d ( 3 ) t _ l i r o u g hc a m p a r i n gt h e i n f o r c c m e n te f f e c t ，t h ec o n s t r u c t i o pp m c e d u r e a n dt h e t e c h n i c a l c c o n o m yw i t l l s a n dd n i n p f c l o a d i n g m e t h o d 孤dv a r i o u s c o m p o s i t e f o u n d a t i o n m e t h o d s ，e v a l u a t et h ev a c u u m s u r c h a r g cp r e l o a d i r i gm e t h o d t h i s p a p e fg e t s af u n h e ru n d e r s t 锄d i n go ft h er e i n f o f c e m e n tm e c h a n i c s ，p r o m o t st h e d e v e l o p m e n ta n dp r0 _ 笋e s so fn e wt e c h n o l o g yo fs a f ts u b 乎a d e t r e a t m c n ta n da c c u m u l a t e s p r e c i o u se x p e r i e n c e 1 ( e yw o r 吐s ：v a c u u m s u r c h a r g ep 心l o a d i n gm e l h o d ；f e e w a y ：s o f s u b g f a d e ；e x p e f j m e n l l l 武汉理1 人学硕士学位论文 第一章前言 1 1 软土路基修筑高速公路主要问题1 8 1 近年来高速公路建设得到了迅速的发展，通车里程大大增加高速公路已 经成为了现代化交通的重要标志之一。 在珠江三角洲地区大部分地基为滨海相和河相沉积的软粘土，广东省已建 和正建的几条高速公路的资料表明，较长的软土路段，既不容易处理，造价也 相应增加。如已建成的高速公路中，长度为1 5 7 k m 的广佛高速公路，软土地基 路段长4 4 3 k m ，占全线总里程的2 9 4 ；广深高速公路全长1 2 2 k m ，软土地基 路段长3 4 k m ，占全线总里程的2 8 ，佛开高速公路长8 0 k m ，其中软土地基路 段长1 2 9 8 k m ，约占全线1 6 3 ，西部沿海高速公路和广珠高速公路均广泛分稚 着软士。软土具有压缩性高、含水量大、渗透性差、抗剪强度低等特点，并具 有一定的结构性。在附加应力作用下会因压缩变形和剪切变形而产生很大的沉 降，甚至会因承载力不足而破坏。 因而软土地基处理技术已成为关键技术之。软基处理方法对工程质量和 施工工期有着重大影响，直接关系到投资和管理单位的经济效益和社会效益。 目前在软基处理的各种方法中主要有预压排水、复合地基、真空预压等方法。 高速公路不仅要求路堤稳定，而且对沉降变形提出了很高的要求，常规的砂井 堆载预压处理方法不能减小总沉降量，也不能控制工后沉降和不均匀沉降，从 已建成的软土路基高速公路的营运情况来看，过大的工后沉降和不均匀沉降会 造成“桥头跳车”以及平整度差的问题，而复合地基相对单价较高，某些种类 的复合地基质量仍难以保证。 真空联合堆载预压法是八十年代在我国新发展起来的一种实用、经济、稳 妥的大面积处理软土地基的有效方法。施工过程中的稳定性得到保证，从通车 后的营运效果来看，真空联合堆载预压处理路段工后沉降较小，且不均匀沉降 ，j 、。 武汉理工大学硕士学位论支 1 2 现有处理方法对比【9 2 踟 1 2 1 堆载预压法 比较经济、易操作，但在施工工期方面存在明显不足。如在京珠高速公路 广珠段某软基段，设计填土高度8 o m 左右，根据地质条件及稳定性控制标准， 填至设计标高需要1 0 个月左右的时间，再加之预压6 个月和卸去超载部分填土 的时间，需要施工工期1 7 个月左右的时闻，这种施工工期明显制约整个工程的 进度，严重影响投资者的经济效益和社会效益。另外，在填筑过程中直存在 稳定性、不均匀沉降等问题，工程质量难以控制。如果施茧卫期允许，加大质 量控制管理力度，堆载预压法是一种可行有效的软基处理方法。 1 2 0 复合地基处理方法 主要有粉喷桩、旋喷桩和碎石桩，也有高强度预应力混凝土管桩等。软基 处理单价较高，特别是对软土层厚的高填土路堤，如采用粉喷桩设计，对软土 层厚度大子1 0 0 m ，填土设计标高8 o m 以上的路堤，粉喷桩间距取1 o m 、喷粉 量5 0 k g m 、桩长1 0 o m 以上，其每平方米的单价是堆载预压方法的2 3 倍：若 采用旋喷桩处理单价更高，大约是堆载预压处理的3 _ 倍。另一方面成桩的质 量难以控制，如粉喷桩，理论上讲成桩有效长度可达1 5 m 以上，但大量的工程 实例反映，粉喷桩桩长超过1 0 0 m ，其质量难以保证：在成桩过程还存在喷粉量 不足、搅拌不均匀、胶接不好等先天质量问题。在施工条件良好的情况下，复 合地基处理方法有自己的优势，如在结构物反开挖过程中。它可以起到支护作 用；在桥头附近路基处理中，它可以提高桥背土体速度、减小工后沉降等。 1 2 3 真空联合堆载预压处理方法 真空预压技术早在5 0 年代初就己提出，经近5 0 年的理论研究和工程探索， 已在许多工程建设中得到应用，如港口、码头、机场和堆场等工程。但由于真 空联合堆载预压法在加固机理、施工工艺等方面有别于超载预压方法，将其应 用予珠江三角州地区高速公路的软蒸加固，存在许多有待研究和探索的问题。 2 武汉理工大学硕士学位论文 因此本项目的开展不仅具有较高理论研究价值，对推广应用也具有现实意义。 根据太沙基有效应力原理可知，真空预压是通过减少孔隙水压力来增加土体 的有效应力，只改变土体的球应力，而不产生剪应力，土体只产生向预压区内 的收缩变形，由此可知真空联合堆载预压法具有以下几个特点j ( 1 ) 抽真空时土体只产生向“内”的收缩变形，真空荷载可一次性施加， 而不用担心土体会象常规堆载时因荷载过大而产生失稳破坏的现象。 ( 2 ) 在联合堆载过程中，土体本身在真空荷载作用下向内收缩变形，可以 抵消因雄载产生的侧向挤出变形，从而加快加载速率。 ( 3 ) 在真空联合堆载过程中，一方面堆载促进土体孔隙水压力升高，另一 方面真空预压又促进孔隙水不断经排水通道排出，孑l 隙水压力不断降低，由堆 载引起的超孔隙水压力很快消散，固结速度加快土体强度自然增长。 ( 4 ) 真空联合堆载预压是真空荷载和路堤堆载两者相叠加，某种程度上相 当予在常规堆载预压的基础上增加了真空荷载这部分超载，其加固深度、周结 速度明显大于常规堆载预压，因而可缩短预压工期、减少工后沉降。 真空联合堆载预压法是一种实用、经济、稳妥的大面积处理软土地基的有 效方法施工过程中的稳定性得到保证工后沉降和不均匀沉降小。但是目前 真空联合堆载预压处理在软土路基大规模的很有限，主要原因有以下几个： ( 1 ) 真空联合堆载预压一般用于加固大面积软土，软土路谨是一狭长区域， 影响了处理效果，故限制了它的应用范围： ( 2 ) 目前真空联合堆载预压应用于路基的工程实例还不是很多，经验积累 不够丰富，有很多技术性的问题还没有解决。如深层砂层的处理等问题； ( 3 ) 缺少经济效益和处理效果的综合评价。 1 3 国内外研究和应用概况瞄扣3 5 1 真空预压法是利用抽真空达到加固软土地基目的的一种地基加固方法，该方 法最早由瑞典皇家地质学院w k j i l l m 觚于1 9 5 2 年提出的在美国麻省理工学院 召开的加固土体会议上首次发表了“利用大气压力的方法加同粘土”的论文， 并提出利用该方法加固地基的初步模型。该论文发表后立即引起了学术界和工 程界的关注。此后，国内外不少专家、学者和研究机构对此进行了一系列的理 论研究和实践工作，我国5 0 年代未开始从事这方面的研究。 武汉理工大学硕士学位论文 研究初期，由于密封材料不过关，加之对负压条件下的加固机理不清楚，导 致在相当长的期间内无法使该方法得以应用，研究工作处于停滞状态。随着塑 料工业的发展，抗老化、坚固并且价格低廉的塑料薄膜出现，使得密封材料的 问题得以解决，不少国家又相继开始了这方面研究。目前，对真空预压的基本 原理已清楚，它是一种降低边界孔隙水压力使土体固结的问题。但关于真空预 压过程中是否会引起地下水位下降，真空预压的有效加固深度，以及加固过程 等问题仍不十分清楚，存在争议、缺乏统一认识。从加固机理上看，真空预压 属于排水固结法，目前，对排水固结地基有许多种计算方法，归纳起来有三类： ( 1 ) 以轴对称固结理论为基础的解析解法，如巴隆( b a n d n ) 解、汉斯波( h a n s b o ) 解和曾国熙解等：( 2 ) 以太沙基或比奥固结理论为基础的数值解法，如有限元 法、边界元法和差分法等；( 3 ) 解析法和数值法交互使用的半解析法，如赵维 炳在考虑土体流变的基础上提出的砂井地基固结分析的半解析法，该方法孔隙 水压力由解析解求出，位移由数值解法计算。一般来讲这类方法计算比较简便， 可以考虑比较复杂情况，如土体的粘弹性、固结的三向性、砂井井阻和涂沫的 影响等。虽然，在理论计算方面前人已做了大量的工作，但关于计算模型的简 化和本构关系的选择等方面仍存在有待提高与改进的问题，如在进行数值计算 时，一般把砂垫层和砂井作为已知水头边界，令其水头值在初始时刻与真空压 力相同( 或根据实测结果假定) 。虽然，这样处理在划分网格时非常方便但由于 未能考虑砂井阻力的作用而会引起较大误差。在本构模型方面，以往的真空预 压有限元计算中，常采用非线性弹性或弹塑性模型，而很少考虑土的粘性和损 伤性。但对于粘性比较大、有施工扰动的土体，有必要考虑土体的粘性和损伤 性的影响。 在工程应用方面，最先获得成功的是美国费城国际机场，该机场采用的是真 空一深井降水联合预压法：随后日本大板南港的填筑工程也采用了真空预压技 术，并取得较好的加固效果：前苏联曾经应用真空预压技术解决土坡的滑动问 题，提高了滑动锲体液化土的稳定性。1 9 8 0 年交通部一航局科研所通过塘沽新 港的现场试验，在解决一些施工工艺问题后，使我国在工程应用方面获得成功 并在真空预压处理工艺、真空度提高和大面积加固等方面处于国际领先地位。 虽然，真空预压技术在我国的许多工程建设中得到应用，但在加固机理、理论 计算和应用领域如高速公路等方面，仍还有许多开拓性的工作有待研究。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 研究内容 为了深入分析真空联合堆载预压法的加固机理，探索在高速公路软基处理 工程中真空联合堆载预压法施工工艺、设计理论与方法，准确掌握软基变形和 强度变化的整个过程，全面评价其软基加固效果，为真空联合堆载预压处理方 法在高速公路软基处理中的推广应用提供依据和可借鉴经验。本项目拟从现场 试验、室内试验等机理研究方面开展工作。研究内容主要有三个方面。 ( 1 ) 加固机理、强度增长机理分析和实用设计方法研究 在现有理论和试验研究的基础上，结合加固高速公路软基特点，深入分析 加固机理和强度增长机理。根据实测资料和理论研究，分析真空联合堆载预压 加固软基过程中真空度的传递规律，并确定影响真空度传递因素，给出提高真 空度的措施。 ( 2 ) 现场试验研究 试验段现场监测。如真空度、表面沉降、分层沉降、孔隙水压力、水平位 移等。对加固机理进行研究，对加固效果进行系统的评价。 ( 3 ) 经济性评价 通过对比的方式对真空联合堆载预压的处理的经济效益、社会效益进行评 价，分析优缺点。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第二章真空联合堆载预压法加固软基的基本理论 2 1 加固机理 通过真空联合堆载预压加固软基的现场试验研究，发现作为高速公路的软基 加固施工，真空联合堆载预压方法是一种值得推荐的方法。该方法不仅可以解 决路堤填筑过程中的稳定性问题，缩短施工工期，而且加固效果较好，能够减 少一定量的工后沉降。 2 1 1 加固机理口6 “蚓 真空预压法是用薄膜对需要加固的软基进行密封与大气隔离，借助射流泵抽 真空，通过铺在加固体表面的砂垫层中的管道及竖向排水体袋装砂并将加固区 内的空气和水抽走，形成真空，在地表砂垫层产生负压，该负压通过真空管路 及竖向排水体逐渐向深度方向延升，并向四周士体扩散，使加圃土体内部与排 水通道、砂垫层中产生压差，在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由摊水通 道排出，使孔隙水压力降低，最终便土体固结压密。真空预压加固过程实际上 是地下水气不断被抽走的同时，真空度不断向加固土体内传递、扩散并在加固 土体内形成一定真空负压和负压梯度的过程。真空联合堆载预压法是在真空预 压法基础上发展起来的，是真空预压和堆载预压两种加固方法的叠加，在堆载 预压的同时再加一真空荷载同时作用，促使土体充分固结压缩。 真空度、孔隙水传递示意图如图2 1 。 传递 射流泵；2 膜下砂垫层= 2 竖向排水体袋装砂井= 加固土体 诡m 图例： 一一真空虚传递过程 一 加圃士体孔隙承漶出过程 图2 1 真空度、孔隙水传递示意图 6 武汉理工大学硕士学位论文 真空预压加固软基在地基上施加的不是实际重物，而是通过抽真空使密封 膜内外形成压力差，即真空预压是将大气压差作为荷载。设抽真空前密封膜下 砂垫层中的大气压力为p 。抽真空后砂垫层中的压力为尸，则密封膜内外形成 的压差可表示为 a p = 旧一p | ( 2 1 ) 该压力差即为真空荷载，一般称之为“真空度”。砂垫层中形成的真空度， 通过袋装砂井或塑料排水板( 纵向排水体) 逐渐向下延伸，同时，袋装砂井或塑 料排水板中的真空度又向其四周的土体扩展，从而使接个加固内的孔隙水压力 降低，形成负的超静孔隙水压力，即指形成的孔隙水压力小于原静水孔隙水压 力，其增量为负值。根据太沙基有效应力原理： 口一盯l 卜 ( 2 2 ) 式中，盯总应力，a 有效应力，“孔隙水压力。在总应力不增加的情况下， 通过降低孔隙水压力，可以提高地基的有效应力，其具体数学表达式为： ( f = a 仃+ 厶肛0或盯一厶“( 2 3 ) 真空预压过程降低的孔隙水压力就等于增加的有效应力，加固区内的士体就 是在有效应力增加的过程中得到加固。 从另一角度看，负的超静孔隙水压力使加固区内外产生水头差，使之形成 渗流需要的水力梯度。根据达西渗透定律可得到： v = 七( j l ，l )( 2 4 ) 式中，v 孔隙水的渗透速度，七土的渗透系数幽水头差，己渗透距离。即 土体中孔隙水的渗透速度与水力坡降厶j l ，l 成正比，增加水头差抽和减少排水 距离l ，均可加速土体排水固结。真空预压通过抽真空使加固区内形成负的超静 孔隙水压力，该负的超静孔隙水压力促使地基土体产生排水固结、以达到最终 加固地基的目的。 2 1 2 强度增长机理瞰埘l 设加固前地基土体中原有的应力状态如图3 - 1 中d 所示，平均应力为： 7 武汉理工大学硕士学位论文 “2 0 5 ( “+ 盯_ ；0 )( 2 5 ) 式中，仃二和仃五分别表示加固前 地基土体的最大有效主应力和最小有 效主应力。加固过程中地基土体增加 的有效应力为a 盯。由于孔隙水压力 是一个球应力，所以在各个方向均增 加口，因此， = o 厶+ 盯，盯：= a 盘+ 盯( 2 6 ) 式中，盯：和仃：分别表示加固后地 dd 图3 1 真空预压强度增长示意图 基士体中的最大有效主应力和最小有效主应力。在图3 1 中有效应力圆由d 位雹 向右移到d ，其平均应力为： p 。p ；+ 盯( 2 7 ) 有效应力圆的半径没有改变。当加固结束真空荷载卸除后，地基土体的强度 将沿超固结包线后退，与原有强度相比增加了r ，鄢加固后地基强度提高了 f 。地基土体抗剪强度的一般表达式为： t - t 7 ( r 0 + a f )( 2 8 ) 式中，为天然地基的抗剪强度；缸为地基处理后增加的抗剪强度。对于 堆载预压”的一般取值范围为o 8 加8 5 ：真空预压在加固过程中增加的是球应 力，剪应力并未增加，因而，不会导致因有效应力增加抗剪强度降低的现象， 大量的实测资料证明玎的取值大于1 o ，试验段的实测资料也证实了这点。 2 2 加固效果影响因素 在真空联合堆载预压方法中，真空度的传递情况直接影响到加固效果。根 据真空度的传递特点，可将真空度的传递过程( 射流泵、膜下、纵向排水体( 袋装 砂井或塑料排水板) 、加固土体) 分为三步： 1 、射流泵( 真空度源) 通过铺设在砂垫层中的主管和滤管使密封膜下形成真 空度，这是真空传递过程的第一步。影响膜下真空度的因素除与射流泵自身结 构( 即所能提供的真空度k 射流器的密封性及水箱结构有关外，主要与泵后连接 的管路、膜下砂层渗透性及滤管布置等因素有关。另外，周围土体特别是表层 8 武汉理工大学硕士学位论文 土体也是影响膜下真空度的重要方面。 提高泵及膜下真空度的途径： ( 1 ) 提高射流泵自身形成真空的能力。 ( 2 ) 选密封性能好的薄膜，膜上覆以静水层。 ( 3 ) 选择渗透性强的中粗砂作垫层，均匀合理地布置滤管，使滤管转弯处 转角小于9 0 度。 ( 4 ) 加强泵与膜之间管路的畅通性及密封性降低管路中水、气运动阻力。 ( 5 ) 对加固区周围表层土做密封处理，如使加静水沟等，以防加固过程中 周围表层土体开裂漏气现象 2 、膜下真空度通过纵向打设的排水体向加固区域深度方向传递，使加固区 域形成网状真空度，这是真空度传递过程的第二步。影响纵向排水体中真空度 因素除膜下真空度外，主要与排水体自身的纵向通水能力、滤膜渗透性、隔土 性及径向士体渗透性等有关。 提高排水体中真空度的途径： ( 1 ) 提高膜下真空度是提高排水体中真空度的首要条件。 ( 2 ) 提高排水体纵向及横向渗透性、滤膜的隔土性，保证渗流在排水体中 的畅通性。 ( 3 ) 隔断地基中强透水土层与区外连接，减小真空及水头损失。 ( 4 ) 增加排水体根数，减小井径比n 即减小单体有效加固范围，这样可以 适当提高真空度。 ( 5 ) 隔断加固区与周围，特别是地下水位变动深度以上土体的连系，对维 持地基及排水体中真空度将起积极作用。 3 、纵向排水体中的真空度通过土体的孔隙沿横向传递，使整个加固区域形 成一定的真空度，这是真空度传递过程的第三步。影响加固土( 淤泥) 中的真空度 因素赊膜下和纵向排水体中真空度外，主要取狭加固区域内土体的孔隙比、饱 和度、渗透性和土层分布状况等。另外，地基中有无强透水层对真空度影响很 大，若有则真空度难以维持，必需采取封堵措施。 提高淤泥中真空度的途径： ( 1 ) 提高膜下及纵向排水体中真空度是提高淤泥中真空度的首要条件。 ( 2 ) 隔断地基中强透水层与外界的连系。 ( 3 ) 对加固区周围土体特别是表层采取密封措施，这样才能减少区外因索 9 武汉理工大学硕士学位论文 对区内真空度的影响，同时周围土体也能得到一定的排水固结。 在软基加固过程中，应尽量保证抽真空的连续性，从试验段的现场实测资 料上看停一次至少相当于少抽5 天，它不仅影响真空度的传递，而且对加固 效果也有较大影响。另外，还应处理好各种管路的连接密封，这也是造成真空 度传递损失的因素之一。 2 3 设计计算方法 真空预压结合砂井排水加固饱和软粘土地基技术，虽然已广泛应用，但设 计方法尚不成熟。按巴隆理论无法求得不均匀沉降和侧向位移。孔隙水压力和 位移联立求解的有限元或边界元数值法计算复杂，考虑砂井地基固结的三维性 和土的流变性质亦有困难。赵维炳提出的“真空预压砂井地基固结分析半解析 方法”，孔隙水压力按解析解计算、位移数值求解，克服了上述方法的缺陷，经 改进适用于成层地基。计算结果与工程实测资料吻台。本项目研究人员按此法 进行了大量计算，得到真空预压砂井地基设计参考使用的有关图表，得到一套 实用的设计方法。 2 3 1 土的力学性质指标确定 为确定土的力学性质指标，从需要加固的地基各土层内取出原状土样，进行 室内长历时压缩试验。考虑土的非线性力学性质，先使土样在原位自重应力作 用下固结稳定。再施加数值上等于或略大于真空预压加固拟采用的膜下真空压 力的压载，根据量测的压缩量求得割线压缩模量西。试验同时，量测侧压力， 由此推求土的泊松比芦。历和 钧为有效应力指标。 沿海软土往往具有显著的流变性质，可近似用麦钦特( m e r c h a n t ) 模型反映。 不变的单位有效应力作用下的应变称为柔度函数。有侧限条件下，麦钦特模型 的柔度函数为： ，( f ) 一口吣【l + 口l ( 1 一e 。”一) 1 ( 2 1 0 ) 式中：口0 ，i e 0 ，口l _ e 舢e h ，叩l 一日，置h 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 对于弹性土体，口1 卸。t 7 l = o ，( f ) - e ：一e ， 2 3 2 最终位移近似 真空预压砂井地基最终位移6 0 可表示成： 6 。2 c 。c c j c 口的【， ) ( 2 1 1 ) j ，( ) 一e 0 + e ? 一4 岫( 1 + 口i ) ( 2 1 2 ) 式中，c 。为泊松比修正系数，参见表2 1 ；c h 为砂井长度修正系数，参见表2 2 ： o 为加固区面积修正系数。参见表2 3 ；o 为加固区长宽比修正系数，参见表 2 4 ；口为膜下真空压力；h 为砂井长度：，( * ) 为柔度函数稳定值，若采用麦钦 特模型模拟的粘弹性士体： ，( ) - e 1 r 2 13 、 、， 记吼为地基内某点深层沉降与地面对应点沉降之比，鼋 为地基内某点侧向 收缩位移与地基对应点侧向收缩位移之比。当泊松比= o 3 4 0 4 6 ，砂井长度 = 6 1 8 m 。加固面积爿= 1 6 0 0 6 4 0 0 | i i l 2 、加固区长宽比卢= 1 6 时，q 和玑可出 表2 5 查得。其中，日和芦较小而4 较大时，玑取较小值，舶取较大值，的影 响较小可不计。 表2 1泊松比修正系数c - 泊松比0 3 4 o 3 6o 3 8o 4o 4 2o 4 40 4 6 加捌f 爰地面晟大沉降 1 0 1 6 61 0 1 1 91 0 0 6 1l0 9 9 3 50 9 8 6 5 0 9 7 9 l 加伺区地面平均沉降 1 0 2 2 l1 0 1 5 1 0 0 710 9 9 2o 9 8 3 4o 9 7 5 加固僵边缘地面侧向位移1 0 4 2 4 1 0 2 8 61 0 1 4 610 9 8 5o 9 6 9 5 0 9 5 3 6 衷2 2砂井长度修正系敷c h 垫堡垄三盔堂堡主堂些丝苎 表2 3 加固区面积修正系数a 垫固壁亘塑墨f 延21 1 螋! 塑i ! 鲤塑塑 ! ! 塑! ! 塑! ! 塑 加固区地面晟大沉降 o 9 4 9 1 o 9 7 3 l0 9 8 8 811 0 0 8 31 0 1 4 6 1 叭9 4 加固区地面平均沉降 0 9 3 2 6o 9 6 5 50 9 8 5 9 11 0 1 0 51 0 1 8 51 - 0 2 5 加固区边缘地面侧向位移 1 0 8 6 61 0 6 4 31 0 3 2 51o 9 醯6 0 9 4o 9 1 3 表2 4 加固区长宽比修正系数。 地塑匿丝寞出 壁：丝q ：兰曼壁：塑 一堡生旦兰l j 型芝- _ ：! 笙 加同区地面最大沉降 1 0 1 6 61 0 1 1 91 0 0 6 l 10 9 9 3 50 9 8 6 50 9 7 9 1 加固区地面平均沉降 1 0 2 2 11 0 1 51 0 0 7 10 9 9 2o 9 8 3 4 0 9 7 5 ：垫凰堕望壁垫耍型塑垡整! ：2 丝! ! ：! 垫! ! ：! ! 堑 ! ：! 墅! ：! ! ! ! ! ：! ：! ! 表2 5 沉降侧向位移沿深度分布函数 z ，h 00 10 2o 3 o 40 50 6 0 7o 80 0 9 3 o 8 6 一o 7 9 _ o 7 1 _0 5 4 0 3 6 o 2 7 0 1 9 一o 1 1 ” 1 o 9 lo 8 30 7 5o 6 7 0 50 3 30 2 5o 1 7 o 0 9 0 9 2 。o 8 4 0 7 4 0 6 “o 5 6 0 4 6 一 o 3 5 0 2 4 0 1 3 ” 0 嬲o 7 7 0 6 70 5 70 4 80 3 9 o 30 2 1 o 1 1 2 3 3 固结度的计算 最终位移确定以后，由变形比s 可求得位移时程曲线。应指出t 考虑士的 流交性质影响时，真空预压砂井地基内平均固结度( 孔隙压比) u 一旷q 不等 于变形比s 6 6 。，这里盯和d 分别为某一时刻f 地基内平均真空压力和位 移。 采用麦钦特模型，考虑涂抹和井阻影响及水平和竖向渗流共同作用，粘土 内深度为z 处平均真空压力、地基内总平均固结度u 及变形比s 的计算公式分 别为： t - 等薹赤咖与产。一等等e k + 等等e k z “， u 一砉薹赤。一等等一+ 等等 聊 武汉理工大学硕士学位论文 “嘉嘉南n 一杀端e u + 杀端口峋 式中， ，一丢【。+ 叩l + 口l ，7 。) 土瓜了再面孑面】 i i l 2 二 如- 揣t 学+ 面需熬舞， 为水容重，b 和h 分别为原状粘土竖向和水平向渗透系数，r c 为单井有效 排水区半径，弗= n 为井径比，为砂井半径，5 = h ，h 为涂抹区半径， ，_ 寿l n 詈一等+ 等等l l l s 为井径比和涂抹影响函数，岛为涂抹 区渗透系数，g 掣唔为井阻因子，七w 为砂井中渗透系数。 七，玎 若不计竖向渗流和井阻的影响( 一般小于1 0 ) ，式( 2 1 4 ) 一( 2 1 6 ) 分别简化成： “咖( 1 一黯一| + 黯砂) ( 2 1 7 ) u _ 1 - 鲁牛e + 譬牛一t ) ( 2 1 8 ) a 2 一al 2 一al 、 s 一，一：；：端e 屯t + ：；：揣e 一 c z 。， ( 2 一a1 ) ( 1 + 口1 )( a2 一 1 ) ( 1 + 口1 ) 、 其中：1 一一争( 蚝+ 口l ，7 ，) 瓜忑再鬲隔：】 二 即书舞 若土为弹性体，且不计竖向渗流和井阻影响，式2 1 7 式2 1 9 又简化为： 盯厅- 口f 1 一日毛。、f 2 2 0 、 武汉理工大学硕士学位论文 u - s _ 1 一e 丘 熟即等案x 舞。 2 3 4 强度增长估算 ( 2 2 1 ) 真空顸压后软土的强度增长率可按下式估算： r - o + 【1 + t 仃) l ” 1 0 0 ( 2 2 2 ) 式中：t 一( 了) 为真空预压结束时刻f = 了1 粘土内深度为z 处真空压力( 绝对值) ， p ：为前期有效固结压力。 2 3 5 极限填土高度的计算 在填土过程中，为了保证在路基稳定的条件下，能快速地填土，必须了解 路基能够承受的最大荷载，即要求取路基的极限填土高度。 极限高度法是利用极限平衡理论，求取地基土体滑动破坏时的填土高度。 根据1 9 6 0 年日本宫川提出的方法，地基土层能允许的填士极限高度既可以用下 式求得： h 。- 5 5 2 c 。y ( 2 2 3 ) 式中：e 。地基土体不排水抗剪强度，用现场十字板实验确定； y 填土的容重( 取1 9 6k n ：i i f ) 。 实际影响极限填土高度的因素有：工程地质条件、边界条件( 包括受力条件 和排水条件) 、外荷载大小及加荷速率等。但在以上的理论计算时，仅考虑了地 质条件，土性指标快剪抗剪强度e 和粒重度r ，因此必须在计算时考虑其 它因素的影响，即要采用一定的折减系数。 利用此法求得在天然状态下，根据相似路段的经验，地基土体的极限高度 h 为1 5 m 左右。然而，在真空联合堆载预压处理时，地基土体在真空加载后， 抗剪强度有了一定的增长，因此，在求取地基的极限填土高度时，要充分考虑 因真空加载而导致的地基强度增长。 虽然真空预压法和堆载预压法加固土体时的机理并不完全相同，但可知堆 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 载预压时，土体抗剪强度是在非等向应力增量下获得强度的增长。真空预压时 是在等向应力下使土体强度增长，都是在压力作用下使强度增长，都是通过孔 隙水压力的变化将外荷载传递给土骨架，从而使土体强度增长的过程。这说明， 真空加载时，地基强度的增长同于填土加载时的增长，可以用上述公式进行计 算强度的增长。 目前，主要采用的有两类方法：一种为有效应力法；一种是有效固结应力 法。二者的区别在于后一种方法仅模拟压力作用下的排水固结过程，不模拟剪 切作用引起的附加压缩，对于大面积的真空预压工程。计算结果较为合理，鉴 于本工程的实际情况，故采用有效固结应力法来求取在真空荷载作用下，地基 土体抗剪强度的增长。 c 。_ 叩( c 。o + 盯。u 。姆妒叫) ( 2 2 4 ) 式中：c 。f 时刻地基的抗剪强度； c 0 地基中某点的天然抗剪强度； 盯，土体所受的固结压力，即真空压力； 固结不排水剪求得的内摩擦角： 灯考虑剪切蠕变及其他的综合影响的折减系数，取值范围为 0 7 5 o 9 0 ，考虑到真空排水系统的效果相当好，但为了增大安全系 数，故仅取o 8 5 ： e ，地基中某点的固结度，可以用高木俊介一次加荷的公式求 得： 【，一1 一伽庳 其中：口三 石 卢- 荔+ 鲁 荆- 篙h ( ) - 擎 。生 d w 式中：u 加荷后f 时刻的平均固结度； 武汉理工大学硕士学位论文 卜一计算匿结时间： c v ，c 竖向，水平向固结系数； 卜最大竖向捧水距离，即砂井长度： 以，“哼非水砂井的间距和有效直径，分别为1 m ，o 0 7 m 计算时取c v = 4 1 4 7 1 0 - 3 m 2 d ，c = 5 3 0 1 0 。3 m 2 d ，已d = 9 4k p a ，让。= 1 5 。，真空压力取7 5k p a ，计算结果见表2 6 。 上述计算公式是根据极限平衡法得出的经验公式，对土体天然抗剪强度的 选择要能够反映实际的土体强度。由极限平衡法的原理可知，路基发生失稳破 坏时，即土体的下滑力大于抗滑力，土体将沿最软弱的弧形滑动面整体下滑， 该滑动面上体的抗剪强度都将发挥作用，对整体而言，抗剪强度取得太小， 就过于保守，若取得太大，又未考虑到滑动面上最软弱土体的极易破坏性，使 得计算结果的安全系数太小。因此在实际计算中，抗剪强度要取得适中，在上 面的计算中，取十字板剪切实验结果的相对小值。 从上表中的计算结果可知，经过预压后，极限填土高度也仅3 4 m 左右， 主要原因在于软土的强度指标太小，所以在填土过程中必须严格按照计划的填 土方式进行施工。 表2 6 = 标真空加戴后极限壤土商度计算表 真空预压后一个月三个月四个月五个月六个月七个月八个月 t ，d 3 09 01 2 01 5 01 8 02 1 02 4 0 u t ，0 4 3o 8 1 5o 8 9 4o 9 4o 9 6 6o 9 80 9 8 9 c i 帅a l o 2 6 51 2 3 0 21 2 7 2 01 2 9 6 41 3 1 0 l1 3 1 7 51 3 2 2 3 h 荫n2 6 9 23 2 2 63 3 3 63 4 0 03 4 3 63 4 5 53 4 6 8 2 3 6 设计步骤 真空预压设计地基的设计步骤如下： 1 、经试验或凭经验确定土的力学性质指标毋和肛等、原状粘土渗透系数 “和k 。 2 、根据材料供应情况，确定砂井类型、砂井半径r w 和砂井中渗透系数k 。 例如，( 1 ) 采用妒= 7 0 袋装砂井时，。= 3 5 c m ，中粗砂填料k = 0 1 加0 0 1 c m s ，具 体值由渗透试验确定。井阻影响随如的增大而减小，故选择砂井填料时注意其 类别和级配。( 2 ) 采用宽6 = 1 0 c m 、厚d = 0 4 啪的标准塑料板排水时，等效圆形 砂井= o 7 5 ( b + d 枷= 2 4 8 锄，k = o 0 4 2 c i i l s 。考虑涂抹影响时，一般可取5 = 1 2 ， 武汉理工大学硕士学位论文 “凰= 7 o ；不考虑涂抹影响时，取5 = 1 o ，慨= 1 o 。 3 、确定膜下真空压力目的设计值。膜下真空压力与抽真空装置的性能和滤 管布置等有关。每块加固区应布置2 4 台射流泵，面积大时泵的台数应多些。 滤管最好成单独支网路羽毛状布置，埋在地面铺设的砂垫层内，管材可用聚乙 烯，滤管外面用士工织物反滤。实践证明。只要施工工艺得当，膜下真空压力 设计时可取目= 8 0 一9 0k p a ( 约6 0 0 7