（岩土工程专业论文）真空预压土体强度与变形的分析及应用研究.pdf

摘要 随着经济的高速发展，我国沿海地区建设规模迅速扩大，导致建设用地愈来愈 紧张；而同时伴随着的客观条件是我国有着很长的海岸线，海岛也较多，沿海地区 可利用的海域潮滩资源非常丰富，因此围海造陆成为解决城市建设用地紧张的重 要途径，作为排水固结法的一种，真空预压法是加固围海造陆所形成的大面积软 土或超软弱土地基的经济且可靠的方法。 真空预压法一般是指在加固的软土层内设置竖向排水系统，然后在地面铺设 横向排水层，并在砂垫层上覆盖密封薄膜，使之与大气隔绝，通过埋设于砂垫层中 的吸水管道，用真空装置进行抽气，其作用效果使得加固土体物理力学性质得到 改观；其中在该法加固过程中土体强度及变形的分析，对于加固机理的探讨有着 重要的意义，有必要作进一步的研究。 对于真空预压加固机理目前还有不一致的意见，该法理论研究远落后于工程 实践，本文在前人研究基础上，在理论分析方面探讨了真空预压土体强度增长和 土体变形的特点，分析了不同深度加固土体强度增长及土体沉降和固结的计算方 法。并结合前人研究的观点和内容对分析了真空预压的加固特性，相应的在工程 应用上，根据广州南沙港粮食及通用码头后方陆域场地的真空预压软基处理工程， 根据作者的施工经验，现场监测和土工试验数据，结合相应计算对真空预压加固 过程中反映土体性状的各项指标变化规律进行了研究，在该法的数值应用上，作 者采用a b a q u s 有限元分析软件，对真空预压进行了有限元数值模拟，所得结论对 工程应用也有一定的帮助。 关键词：真空预压；强度；变形；加固效果分析；有限元模拟 a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t , t h ee x p a n s i o no ft h ec o n s t r u c t i o n s c a l ei nt h ec o a s t a la r e a sl e dt oat e n s es i t u a t i o no fl a n df o rc o n s t r u c t i o nu s e ，h o w e v e r , w eh a v ea l o n gc o a s t l i n ea n dm a n ys e ai s l a n d s ，w h i c hi sr i c hi nt h er e s o o r c e so ft i d a l f l a t 。 s ot h el a n dr e c l a m a t i o ni sa ni m p o r t a n ts o l u t i o nt ot h et e n s es i t u a t i o no fl a n df o r c o n s t r u c t i o n 墩a m o n gk i n d so fm e t h o d sf o rf l a i n a g ec o n s o l i d a t i o nc o n s o l i d a t i o na n d d r a i n a g e ，t h ev a c u u mp r e l o a d i n gm e t h o di sar e l i a b l ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o nt o c o n s o l i d a t ee x t e n s i v es o f tc l a ya n ds u p e rs o f tg r o u n d , w h i c hc a u s e db yt h el a n d r e c l a m a t i o n v a c u u mp r e l o a d i n gi su s e da st h ec o n s o l i d a t i o no fs o f ts o i li nt h ev e r t i c a ld r a i n a g e s y s t e mw i t h i nt h es e t , a n dt h e nl a y i n go nt h eg r o u n dh o r i z o n t a ld r a i n a g el a y e r , a n d c o v e r e di ns a n dc u s h i o ns e a l i n gf i l m , s oi s o l a t e df r o mt h ea t m o s p h e r e ，t h r o u g ht h e l a y i n go nt h es a n dc u s h i o ni nt h ew a t e r - a b s o r b e n tp i p e l i n e ，w i t hav a c u u me x t r a c t i o n d e v i c e ，i t se f f e c tm a k e st h er e i n f o r c e ds o f tf o u n d a t i o no fi t sp h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs o i lc h a n g ei ns o i lp r o p e r t i e sh a sb e e nc h a n g e d n el a wr e i n f o r c e di nt h e p r o c e s so fs o i ls t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o na n a l y s i so fm e c h a n i s mf o r t h er e i n f o r c e m e n to f g r e a ts i g n i f i c a n c e ，i ti sn e c e s s a r yf o rf u l t h e rr e s e a r c h f o rt h em e c h a n i s mo fv a c u u mp r e l o a d i n g ，t h e r es t i l la r ec o n f l i c t i n gv i e w so n t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h , t h i sa r t i c l e e x p l o r e st h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fv a c u u mp r e l o a d i n gg r o w t ha n ds o i ls t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c so fs o i ld e f o r m m i o na n a l y s i sr e i n f o r c e m e n ta td i f f e r e n td e p t h so ft h e i n c r e a s ei ns o i ls t r e n g t ha n ds o i ls e t t l e m e n ta n dc o n s o l i d a t i o no ft h ec a l c u l a t i o nm e t h o d , c o m b i n e dw i t hp r e v i o u ss t u d i e s ，t h ev i e w sa n dt h ec o n t e n t so ft h ea n a l y s i so f c h a r a c t e r i s t i c so fv a c u u mp r e l o a d i n g ，t h ec o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o ni nt h ep r o j e c t ，t h e t h ev a c u u mp r e l o a d i n gi ng u a n g z h o u n a n s h a g a n g ，c o n s t r u c t i o no fv a c u b l np r e l o a d i n g p r o c e s sh a sb e e na n a l y z e da n dr e s e a r c h , a n df i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h e v a c u u n lp r e l o a d i n gu s i n ga b a q u sf e as o f t w a r e ，t h ec o n c l u s i o no ft h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n sh a v es o m e e f f e c t k e yw o r d s ：v a c u u mp r e l o a d i n g ；s t r e n g t h ；d e f o r m a t i o n ；r e i n f o r c e m e n te f f e c t ；f i n i t e e l e m e n t ； 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期：x 2 。年莎月j 弓日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复 制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位做作者签名j 袁岳 日期：n o 年b 月f 弓日 指导教师签名：莎备鸭纱 日期：p 年匆月罗日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c a 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 指导教师签名： 日期：列j 睥 布 冰啪 名 7徘莎 刘“ 、l 位 期 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 软土是一种特殊性岩土，是在静水或缓慢流水环境下沉积而成，一般是指堆 积在冲积平原、湖泊沼泽地、山谷等处的冲积层，属于第四纪沉积物，因此基本 上没有经受过地形和地质变动，且未受过地震荷载作用和颗粒间的化学作用，根据 我国岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 的定义，凡是天然孔隙比大于1 0 ， 且天然含水量大于液限的细力土都应判定为软土，因此，淤泥，淤泥质土，泥炭， 泥炭质土都应属于软土【1 ，2 j 。 我国软土分布较广，主要分布在东南沿海和各江河的入海三角洲冲积平原区， 沿着海岸线由北到南，有天津塘沽地区、江苏连云港地区、上海、宁波、温州、 福州、珠海、深圳等地，近半个世纪来，且随着国民经济的发展，进行了大量的 围海吹填造陆，与此同时也产生了大量的人工软土，软土具有强度低，压缩性高， 透水性小等不利的性质，力学性质很不好，而在天然的沉积条件下，软土的强度 增长是十分缓慢的，所以在其上建造建筑物时极其容易发生工程事故，常需要快 速提高地基土体的强度来满足工程建设的需要，因此有必要对软土地基作一定的 工程处理。 地基处理的方法有很多种，比如换填置换法、桩基法、加筋法、排水预压法 等，这些方法各有千秋，但同时也有着各自使用上的限制，但对于大面积的近( 浅) 海的地基处理而言，与其他加固方法相比，最有效的方法就是通过排水预压法促 使软土排水固结，且技术上也较为可靠，费用上相对节省，而且能够有效解决软 土地基所需工程特性的要求， 从加固机理这个角度讲：排水预压法就是通过施加荷载，使得饱和软粘土地 基在荷载作用下产生超静孔隙水压力，土体中水沿着设置在其中的竖向排水体和 水平排水通道慢慢被排除，根据太沙基有效应力原理，随着孔隙水压力消散，软 土的有效应力将得到增加，强度得到增长，同时地基发生固结变形，其沉降指标 得到控制f 3 】；根据加载方式的不同，排水预压法又分为堆载预压和真空预压，以及 衍生的真空堆载联合预压等等。 在真空预压法的应用上，不管是在抽真空系统还是排水系统方面，其技术都 已经得到很大发展，同时施工工艺也得到了深入的研究。目前，该法已经作为一 种成熟的加固工法广泛的应用于高速公路、工民建和机场等工程建设中，使用该 加固法能够很好的缩短施工工期，有着明显的经济和社会效益，但是从目前来看， 2 第一章绪论 理论研究却仍落后于工程实践，很多理论问题和工程现象仍未能得到解决，制约 了该工法的进一步发展和工程应用，比如，抽真空过程中的水位变化，以及孔压 的变化规律，抽真空过程中土体沉降的估计及固结度预测，卸载标准，加固后土 体的变形及压缩等问题，现有的设计方法及施工工艺主要还是依靠以往的工程经 验，无法真实的把握抽真空过程中土体各项参数的变化，而且在真空预压理论研 究仍有很多不一致的观点，比如在加固机理的研究方面目前存在着“负压固结”、“等 向荷载”、“渗透固结”、“真空渗流场”等不同观剧每删；抽真空期间地基中地下水变 化方面，存在水位上升、下降和不变等各种意见1 1 审冽；在真空预压地基真空度分布 方面，存在沿加固深度均匀分布，按梯度递减和真空度传递等观点 2 1 - 3 3 1 ；同时对 施工过程中孔隙水压力的变化规律意见也不统一，因此对真空预压的理论研究还 有待进一步发展。 强度和变形是土的两个基本问题，因此对于真空预压的加固效果研究，有必 要从这两个方面来进行探讨，并在此基础上来分析地基沉降，地基承载力和稳定 性的加固前后特性，从加固目的来看：预压法是以事先完成的沉降和由于固结使 地基强度增长的两个要素为目标的，这种加固方法成立的背景，是以具有饱和粘 性土地基由于固结而增加强度，以及所谓一旦地基固结沉降，即使卸掉荷载实际 上也不恢复原来状态这两种条件而构成的，真空预压法作为排水固结法的一种， 通过加固能够使得土体强度得到增长，变形程度得到控制，与堆载预压相比，除 了加固土体的稳定性得到保证外，在同样加固效果下，要比堆载预压的经费节省， 综合考量其加固效率、加固成本、施工工艺这些方面来说，真空预压法有着其他 地基处理方法所不具备的优点。 1 2 真空预压法加固软土地基技术的研究状况 1 2 1 真空预压的发展状况 真空预压法是利用抽真空加固软土地基的一种排水固结法，也是近2 0 年来重 新发展并得到广泛应用的软基加固法。该法最早由瑞典皇家地质学院杰尔曼( w k j e l l m a n ) 教授于1 9 5 2 年提出，当时他在美国麻省理工学院召开的加固土会议上 首次发表了利用大气压力的方法加固粘土一文，并提出利用该方法加固地基 的模型。该论文发表后立即引起了学术界和工程界的关注。此后，瑞典、美国、 日本、英国、以及我国有不少专家学者和研究机构对此进行了一系列的理论研究、 现场试验和实践工作。 第一章绪论3 图1 - 1真空预压法示意图 f i g u r e1 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f v a c u u mp r e l o 孤l i n g 在开始阶段，由于当时的密封材料不过关以及对负压条件下的加固机理并不 是很清楚，研究工作一度处于停滞状态，也无法使该方法得以推广应用。后来， 随着塑料工业的发展，生产出了抗老化、坚固和价格低廉的塑料薄膜，从而使密 封材料的问题得以解决。自1 9 5 8 年起，国外许多国家对真空预压法的施工工艺和 技术进行了研究与应用【3 l 。1 9 5 8 年，美国费城国际机场首先在机场工程中使用了 真空、深井降水联合预压法获得较好成效；1 9 7 5 年，美国的霍尔茨介绍了瑞典在 6 0 0 0 m 2 软基上可获得0 6 0 - 0 7 个大气压的情况；1 9 8 2 年，日本大阪南港的填筑 工程也采用了该方法并取得较好的加固效果；但应该看到，这些工程分别采用立 式涡轮真空泵和大功率离心式真空泵，其单位加固面积能耗大，真空度不高( 泵 后真空度一般为5 0 k p a 左右) ，虽在个别工程中达8 0 9 0 k p a ，但其成本太高，影 响了该法的进一步推广应用。 我国在5 0 年代末和6 0 年代初开始对这一方法进行研究【3 】，1 9 5 9 年天津大学 开展了室内真空预压试验研究来探讨真空预压的规律性和效果，提出了”吹填土真 空排水固结试验研究”的报告；同年南京科学研究所在天津做了“电渗真空砂井联合 作业法”的试验研究，于1 9 6 0 年提出“电渗排水加速海淤软土固结试验报告”但由 于施工工艺( 主要是抽气设备和密封工艺) 等方面的困难，该法的发展是比较缓 慢的。直到8 0 年代，交通部一航局、天津大学、南京水科院等单位联合，重新对 该项技术进行了探索和研究。经过数年努力，一航局科研所通过在塘沽新港的几 次现场试验，研制成功了关键的抽气设备( 即用射流真空泵代替上述真空泵) ，很 好地解决了气水分离等问题；配合聚氯乙烯薄膜密封，使膜下真空度稳定在8 0k p a 以上，从而使该项加固技术取得了突破，并于1 9 8 5 年1 2 月通过了国家鉴定，使 我国真空预压的“工艺技术在真空度和大面积加固方面处于国际领先地位 。随后， 真空预压法在我国得到大力推广和应用，当时工程界一般都认为，该法与堆载预 4第一章绪论 压法相比具有很大的优点，可以节省能源、工期和造价各三分之一，且不会产生 土体的侧向挤出破坏，适用于加固软土特别是超软土( 含水量极高，达1 0 0 - - 2 0 0 ，压缩量大，强度和渗透性很低，一般为海淤泥或新吹填土) 地基。用该法 施工时，噪音和污染小，可以文明施工，对于加固面积大、承载力要求不是很高 的工程具有明显的优势。 此后国内相关科研单位等单位对该法作了更深入的研究，使射流泵的性能进 一步提高，泵上空载的真空度达9 6 1 0 0k p a ，膜下真空度能维持8 0 - 9 5k p a ，单 块加固面积可高达5 万m 2 ；真空度的传递性能也不断提高，如在8 5 m 深淤泥中 的真空度可高达7 0 k p a 。与此同时，对真空联合堆载、潮间带真空预压、真空联合 电渗、真空井点降水，低位真空预压，i f c o 强制固结法等加固法和水陆上真空预 压的施工技术、施工工艺等也开展了大量的研究工作，并取得了进展，其大部分 研究成果已在工程实践中得到了应用。据不完全统计，全国采用真空预压法加固 和真空联合堆载加固地基的面积已经超5 0 0 万m 2 【引。 1 2 2 真空预压法加固软土地基的机理研究现状 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垂直排水通道将加固区内的空气 和水抽走，形成真空，在地表砂垫层产生负压，该负压通过真空管道及垂直排水 通道逐渐向深度方向延伸，并向四周土体扩散，使加固土体内部与垂直排水通道、 砂垫层中产生压差，在此压差的作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出， 使孔隙水压力降低，最终使土体固结压密。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。 与堆载预压不同，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，土体内部为负压状态，因此也可看作真空预 压是将大气压差作为荷载。在抽气前，薄膜内外都受大气压力的作用，土体孔隙 中的气体与地下水面以上都是处于大气压力状态。抽气后，薄膜内砂垫层中的气 体首先被抽出，其压力逐渐下降，薄膜内外形成一个压力差a p ，使薄膜紧贴于砂 垫层上，这个压差称之为“真空度 。砂垫层中形成的真空度，通过塑料排水板等 垂直排水通道逐渐向下延伸，同时，真空度又由垂直排水通道向其四周的土体传 递与扩散，引起土中孔隙水压力降低，形成负的超静孔隙水压力。所谓负的是指 形成的孔隙水压力小于原静水孔隙水压力，其增量为负值。从而使土体孔隙中的 气和水由土体向垂直排水通道发生渗流，最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中 被泵抽出。 第一章绪论 s 目前国内对真空预压加固机理虽有不一致的观点，但对真空预压的加固机理 可从以下几个角度来认识： 1 ) 从渗流路径及真空度传递的角度 抽真空前，密封膜内外的气压均为1 个大气压；地下水位以上的土体孔隙均 处于1 个大气压力状态。抽真空后，密封膜下水平排水垫层中的气体逐渐被抽出， 其压力逐渐下降，在膜内外形成一个压力差，使膜紧贴在排水垫层上，就象在排 水垫层上施加一个相当于该压力差的荷载，工程界称这一压力差为“真空度 ( 或 膜下真空度) ，1 个大气压力与地基土中任何一点压力的差值即为该点的真空度。 水平排水垫层中形成的真空度，通过打设在地基中的竖向排水体( 通道) 逐渐向 下延伸，又通过竖向排水通道向其四周土体中扩散。在真空度及其压力梯度的作 用下，土体孔隙中的水、气由土体一流向竖向排水通道一流向地表水平排水垫层 一汇集到真空滤、主管中一最后被射流泵抽走，地基土体因而发生固结沉降并得 到加固，参见图1 - 2 。 2 ) 有效应力的角度 真空预压法实际上是在不改变土体中总应力的情况下，降低土中的孔隙水压 力，使土中的有效应力得以增加，从而使地基土体强度及承载力得到提高，达到 加固地基的目的，参见图1 - 3 。 真空度 卜一0 压力 靴后溪 年吖氐后的 。f 二力上撼力1 图1 - 3 真空应力传递机理示意图 f i g u r e1 - 3 t h ed i a g r a mo f t h ev a c u u ms t r e s st r a n s f e rm e c h a n i s m 3 ) 真空及降水预压加固的角度 在对真空预压法的有效加固深度及有效加固范围等加固机理问题上，以上几 种观点虽然被众多学者所接受，但是还不能完全解释。比如在真空预压加固软基 6 第一章绪论 时，十几或二十几米深处的地基土仍有不同程度的加固效果现象。 董志良嘲盯3 通过对真空预压法在加固机理、设计理论、施工技术和工艺等方 面的深入研究，在真空预压加固机理方面提出以下观点：1 真空预压加固过程实 际上是在地下水、气被抽出的同时，真空度不断向地基土中传递、扩散并在地基 土中形成一定的真空负压及其负压力梯度的过程；2 真空预压加固过程也是地下 水位( 相对于1 个大气压力) 不断降低的过程，造成：地下水位以上的土体处 于非饱和的真空负压状态，也即地下水位以上的土体符合前人a 和b 所述真空预 压加固机理；地下水位以下的土体仍处于饱水的真空负压状态，虽然该部分土 体中也有真空度，但真空负压是由土体中的孔隙水承担，并未转化为土体的有效 应力，土体有效应力的增加实际上是由于上部水位下降区土体浮容重与湿容重的 转化所增加的自重引起的，因此地下水位以下的土体符合真空降水预压的加固机 理，参见图1 - 4 。 原地面肖。压力 一潞下水雠粥 躲主力一 v 抽真有效应力增量= 该点孔隙压力下降值掣 v 抽真空后地下水位线 、 - 繁 一x 木h 真空饱水土体中任一点 有 效 有效应力增量= 木h 壤减系数 加 应 力 固 衰 深 减 软硬土层分界线 度 图1 - 4 真空及真空降水预压加固机理示意 f i g u r e1 - 4 t h ed i a g r a mo fv a c u u ma n dv a c u u mp r e c i p i t a t i o np r e l o a d i n gp r e c i p i t a t i o n 1 3 当前亟待解决的主要问题 真空预压法目前在工程实践中已得到了广泛的应用，施工技术日趋完善，计 算理论也接近成熟，加固机理的研究也获得一些成果，但是仍然存在着很多问题， 主要集中在以下几个方面： 1 ) 真空预压实际上是在不改变土体中总应力的情况下，降低土体中孔隙水压 第一章绪论 7 力、在地基中形成真空度( 压力差) 及其梯度，也即在地基中形成固结渗流和周 围向加固区的渗流的过程。这种由近及远的渗流范围决定了真空预压对周围地基 具有一定的影响范围，在真空预压的渗流范围内，周围土体一般要产生沉降和向 预压区方向的侧向位移，当真空预压施工区附近有建筑物或其它设施时，真空预 压施工会对相邻建筑物或设施产生一定的负面影响。对如何确定真空预压施工的 影响范围，并采取措施消除其不利影响，目前还需要作专门的研究。 2 ) 目前虽然对真空预压加固地基过程中土体物理力学性状的变化规律做了许 多研究工作，但还不够深入和全面。为了全面了解真空预压的实质，尚需对真空 预压条件下软土中的渗流规律、孔隙水压力变化规律作进一步深入的研究。 3 ) 真空预压研究中一些概念与经典力学中的概念描述不一致。对于真空度在 流体力学中只表示某点流体的压强低于大气压强的数值，流体真空度由流体的压 强决定，水的压强沿水深是逐渐增大口1 ，按流体力学中的真空度概念，真空预压地 基内地下水的真空度沿深度均匀分布明显不可能。从认为真空度沿深度均匀分布 的文献可看出，其本质是孔隙压力降低均匀分布，可见现有真空预压研究中大部 分研究人员对真空度和孔隙压力降低没有区分。当土体内存在真空度时，土体单 元受等向应力而产生等向压缩；而正常大气压条件下土体中孔隙水压力降低时， 由于土体单元侧向变形受限制，只能发生竖向压缩，土体中真空度和孔隙压力降 低引起的固结方式是不相同的。 4 ) 地下水位的变化会引起土体有效重度和孔压的变化，因此研究地下水位的 变化规律有助于加固机理研究。但真空预压中地下水位变化规律的研究还存在着 相当大的争议，地下水位的基本概念没有取得一致认识，存在较大分歧，而且， 地下水位的测量技术也还很不完善。 1 4 本文所作的主要工作 本文在前人研究成果的基础上，所作的工作主要有以下几个方面： 1 ) 作者通过应力路径法分析了真空预压法不同深度处土体强度增长的区别。 研究了规范中有效应力法计算强度增长时与实际增长的误差产生的机制。并提出 了改进措施，并对采用有效固结压力法计算真空预压土体增长时的影响因素做了 分析。 2 ) 从小主应力加卸载角度分析了真空预压卸载前后土体的变形力学特征，分 析了加固影响区土体的不均匀沉降和侧向变形产生的机理。对加固区土体的沉降 计算方法。 3 ) 以南沙港区粮食及通用码头工程后方陆域场地软基加固工程为背景，并结 8 第一章绪论 合该项目的现场监测数据和室内土工试验数据，对加固土体的一系列物理力学指 标做了分析和计算研究。 4 ) 采用a b a q u s 有限元分析软件，真空预压法加固土体做了有限元模拟分析， 分析了加固时土体部分性状的变化，并根据实测数据进行了验证。 第二章真空预压加固土体强度增长的研究 9 第二章真空预压加固土体强度增长的研究 2 1 软土抗剪强度理论和抗剪强度指标的测定 土的强度是指土在一定条件下破坏时的应力状态，但对于土强度的定义与土 的表观的破坏有时并不一致，如土的残余强度，松砂的流滑等，一般而言，定义 破坏的方法是破坏准则，基于应力状态的复杂性，破坏准则常常是应力的组合， 土的强度理论作为揭示土的破坏机理的理论，它因此也是以一定的应力的组合来 表示，所以强度理论与破坏准则的表达式常常是一致的，而就土的破坏和屈服来 说，它们并非是一致的，对于刚塑性应变关系和弹性完全塑性应力关系，土的屈 服即意味着破坏，而对于弹塑性应力应变关系，屈服和破坏是不同的概念，因此 土的强度也和土的屈服也并非一致的概念。 影响土的强度有很多因素，一般可分为内部因素和外部因素，内部因素又分 为土的组成，状态和结构，其中土的组成是最基本的因素，他又包括土颗粒的矿 物成分、颗粒大小和级配、颗粒形状、含水量等等，外部因素主要指的是应力应 变因素、包括围压、应力历史、主应力方向、排水条件等等， 作为土力学的经典问题，土的强度理论是最早被研究和提出的理论，且强度 理论是土的极限平衡分析的基础，土的经典强度理论中，强度破坏准则主要有 m i s e s 破坏准则、t r e s c a 破坏准则、以及m o h r - c o u l o m b 破坏准则但3 ，其中 m o h r - c o u l o m b 准则作为一种单剪切角理论，相对于经典强度理论中的米则斯和特 雷斯卡破坏准则，能够正确反映破坏面上正应力和抗剪强度的关系和土的摩擦特 性，且参数易于通过简单的实验确定，因此适用性最大，应用也最广。 3 3 图2 - ig o h r - o o ul o m b 准则示意图 f i g u r e2 - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fm o c r - o o ulo m bg u i d e l i n e s 由于真空预压所加固土体一般指的是软土或者超软土，在工程实际应用上， 一般只考虑软土的抗剪强度，因此真空预压加固土体强度的研究主要指抗剪强度 1 0 第二章真空预压加固土体强度增长的研究 的增长的分析，并基于中主应力0 2 无影响的m o h r - c o u l o m b 破坏准则的强度理论， 线性摩尔包线可写表示为 玎= c + 仃泖 ( 2 - 1 ) 式中f 指的是粘聚力，矽指的是内摩擦角 式2 1 表明了材料的抗剪强度与作用于该平面上的正应力相关 对于土体抗剪强度的估计计算上，在室内试验方面，一般对所取土样进行抗 剪强度试验，根据试验的仪器分类其方法主要有直接剪切试验和三轴剪切试验， 直接剪切的优点是仪器构造简单，操作方便，缺点是剪切面不一定是试样抗剪能 力最弱的面且剪切面上的应力分布不均匀，而且受剪切面面积愈来愈小；同时不 能严格控制排水条件，测不出剪切过程中孔隙水压力的变化，三轴剪切试验优点 是能严格控制试样排水条件及测定孔隙水压力的变化，应力状态比较明确。缺点 是操作复杂；所需试样较多；且主应力方向固定不变，而且是再令仉= 氓的轴对 称情况下进行的，与实际情况尚不能完全符合。 对于真空预压所加固土体的抗剪强度测定，一般采用直剪试验中的固结快剪试 验，三轴剪切试验中的固结不排水剪试验以及原位测试方法。 ( 1 ) 固结快剪试验测定的指标计算 结果用式2 - 1 计算抗剪强度指标。一般用同一土试样切取不少于四个试样进 行不同垂直压力作用下的剪切试验后，用相同的比例尺在坐标纸上绘制抗剪强度 f ，与垂直压力p 的相关直线，直线交f ，轴的截距即为土的内聚力c ，直线倾斜角 即为土的内摩擦角9 ，相关直线可用图解法或最小二乘法确定，其指标为为总应力 法指标。 ( 2 ) 固结不排水剪测定的指标计算 固结不排水剪试验将同一土样试样先在周围压力下进行固结，然后在不排水 条件下快速增大轴向压力到试样破坏，是一种应变控制式的方法。在不同应力条 件下所测得的不少于4 次的三轴剪切试样结果，分别绘制应力圆，从这些应力圆 的包线即可求出抗剪强度指标。因为可测得孔隙水压力，故其抗剪强度的测定有 按照总应力法和有效应力两种指标。 ( 3 ) 原位测试 原位测试方面主要有十字板剪切试验和静力触探试验。 十字板剪切试验是将十字型钢板插入土中，施加扭矩达到最大值时，十字板 在土中被扭动，通过这个扭矩计算土的抗剪强度，对于各向同性土来说，其计算 公式为： 第二章真空预压加固土体强度增长的研究l l 6 脚c 刀= 面 ( 2 - 2 ) 式中t 。为十字板扭矩最大值，d 为十字板外直径，但现场土常常是各相异性 的，因此需经修正后使用。 静力触探试验是将金属探头用静力压入土中，测定探头所受到的阻力，得到 比贯入阻力和土的某些物理力学性质之间的关系，从而定量的确定土的某些指标， 一般分为单桥和双桥两类，前者只量测贯入过程中探头所受的总阻力，后者则可 分别测量探头锥底的阻力和侧壁摩阻力，在探头的形式上，目前已装置了孔压传 感器和数据自动采集系统。 2 2 应力路径法分析加固土体强度的增长 应力路径是指在外力作用下土中某一点的应力变化过程在应力坐标图中的轨 迹。通过土的应力路径可以模拟土体实际的应力历史，对全面研究应力变化过程 对土的力学性质的影响，进而在土体强度增长分析中反映土的应力历史条件等具 有十分重要的意义。 目前真空预压法加固土体的机理研究时，对水位上升还是下降都有着不一致 的意见，结合现场工程实践，真空预压法加固时，水位下降比较符合实际情况， 同时也与实测结果相吻合，对于加固土体，随着深度的不同，其强度的增长方式 也不相同。在认可水位下降的前提下，为便于分析，假设加固土体为正常固结的 饱和软粘土，加固土体的竖向尺度上，以原地下水位线和现地下水位线为界限， 土体抗剪强度的增长形式分为如下三个层次： 2 2 1 加固前地下水位以上的土体抗剪强度的增长分析 如下图2 - 2 ，在真空预压加固以前，土体中任意一点的有效应力强度可以用图 中的圆o 。表示，与其相应的抗剪强度可近似用其平均应力对应的剪应力表示，对 于真空预压加固土体的抽真空阶段，随着膜内空气的排出，膜内外形成了真空度， 在真空负压的作用下，土体内任意一点的有效应力力增量为a p ，随着土体有 1 2第二章真空预压加固土体强度增长的研究 o 图2 - 2 加固前地下水位以上的土体有效应力路径示意图 f i g u r e 2 2 t h ed i a g r a mo fe f f e c t i v es t r e s s p a t h o i lt h es o i lp i o rt ot r e n g t h e n i n ga b o v et h e g r o u n d w a t e rl e v e l 效应力的提高，土体发生排水固结。在抽真空的末期，土中孔隙水压力降到最低， 主固结完成。此时土体的有效应力圆可由图中的圆0 2 表示，真空预压过程中，有 效应力圆的直径保持不变，即r ，= r 。，从应力路径的角度讲，因此真空预压加固土 体的有效应力路径即是一平行于仃轴的线段c d ，圆的位置沿仃轴向右移动，逐渐 远离抗剪强度破坏线，因此从加固地基安全性的这个角度讲，真空预压不会出现 强度破坏而导致的地基失稳现象。 2 2 2 加固前地下水位以下和加固后地下水位以上之间土体强度增长 分析 如下图2 - 3 ，在加固前地下水位以下和加固后地下水位线以上之间的土体， 在真空预压的作用下，其有效应力的增加来源于两个方面： 1 ) 是在总应力不变的前提下，抽真空产生的真空负压经由排水系统的传递， 产生负超静孔隙水压力，导致的孔隙水的流出，使得有效应力增加，此部分有效应 力路径可近似看作图2 - 2 中所示的a 1 8 1 线。 2 ) 是抽真空导致的水位下降，导致此间土体由加固前的浮容重变为湿容重， 使得有效应力增加，此部分有效应力路径可近似看作图2 2 中所示的a i d l 线，总 的有效应力路径可看作曲率介于在a 1 8 1 与a i d i 之间的线段a i c l ，a i c i 横向垂直 长度为a i b i 与a 1 d 1 横向垂直长度之和。 第二章真空预压加固土体强度增长的研究 0 图2 - 3 加固前地下水位线以下和加固后地下水位线以上土体有效应力路径示意图 f i g u r e 2 - 3t h ed i a g r a mo fe f f e c t i v es t r e s sp a t hi n s o i l0 1 1t h eg r o u n d w a t e rb e f o r et h e r e i n f o r c e m e n ta n ds o i la b o v et h eg r o u n d w a t e rl e v e la f t e rt h er e i n f o r c e m e n t 2 2 3 加固后地下水位线以下土体的强度增长分析 如下图2 - 4 所示，在加固后地下水位线以下，土体的强度增长主要是因为： 随着加固过程中土体水位的逐渐降低，上覆土体的浮容重变为湿容重，因此反映 加固后地下水位以下土体强度增长的有效应力路径如图2 3 所示： 图2 - 4 加固后地下水位线以下土体有效应力路径示意图 f i g u r e2 - 4t h ed i a g r a mo f e f f e c t i v es t r e s sp a t hr e i n f o r c e ds o i lb e l o wt h eg r o u n d w a t e r 2 2 4 结论推测 根据分析可作出如下推测：在上述强度增长分析的基础上，可绘出一组应力 路径线族，可大致描绘如下：在不同深度的土体，初始状态为k o 状态，在真空预 压加固作用下，在原地下水以上不同深度土体的有效应力路径为1 1 线族，原地下 水以下和现地下水位以上之间的土体为1 2 线族，现地下水位以下为1 3 线族，一般 情况下，与真空降水预压相比，真空预压所引起的有效应力增加较大，又因为真 1 4第二章真空预压加固土体强度增长的研究 空度随着深度的不可避免的衰减，各线族之间的有效应力路径线的长度随着深度 是逐渐变小的，同时线族之间相比，1 1 ，1 2 ，1 3 线族的线段长度关系是l 1 1 h 2 t b ，而 斜率关系正好相反为肠3 肠2 ，厨l 。 图2 - 5l 1 ，l 2 ，l 3 的比较 f i g u r e2 = 5 7 c o m p a r i s o no f l ，l 2 ，l 3 2 3 加固土体固结强度增长的计算 2 3 1 真空预压等向固结压力和堆载预压k o 固结压力的等效推导 作为排水固结法的另一种方法，堆载预压法通过在加固软基上施加正荷载， 使得加固土体内产生超孔隙水压力，在超孔隙水压力的作用下，孔隙水流出，土 体固结而得到加固，加固土体是在周围土体对此进行有侧限限制的情况下发生， 因此可知堆载预压的固结方式是i ( o 固结。 真空预压加固土体时，真空度的产生使得土体在真空负压的作用下被排出， 因为真空负压是等向球应力，土体有效应力的增加是等向的，因此是等向固结， 通过图2 - 4 两种方式的有效应力路径的比较也可看出。 在三轴试验条件下，固结不排水强度是指饱和软粘土被固结到某一密度和含 水量时，在此后的剪切破坏过程中不发生密度含水改变情况下的剪切强度。它的 大小只与固结后的密度一含水量有关，而与剪切破坏过程中剪切面上的应力大小无 关，在室内三轴固结不排水实验中，也可得求得这一关系，在固结到某一含水量 后，不排水剪切破坏的摩尔圆上的剪切强度为o 1 一m 2 c o s 9 ) ，。固结程度或者固 结方式的不同，导致固结不排水强度的增长亦不相同，麦远俭根据d j h e i n k e l 关 于重塑粘土的有效应力含水量一剪切强度一关系试验，得出了堆载预压与真空预压 的等效关系式阅，其等效转换可做如下推导： 对堆载预压而言，假设上载有效应力的增加为p 。，则侧向有效固结压力的增 第二章真空预压加固土体强度增长的研究 量为i ( o 卸，因此平均固结有效应力增量为： 仃- ：a p + k 0 a p + k o z 珈 3 平均剪应力为： f ：t 2 ( 1 - k o ) a p 3 真空压力作用下，平均固结有效应力增量为： a o - t - a o c + a o c + a o c ：a o c - - - - - - - - - - - - - - 一 = 3 平均剪应力为： a t = ( 仃c - a o c ) 2 + ( c r c - a o c ) 2 + ( 吼一仉i ) 2 = 0 根据含水量变化与有效固结压力变化关系式： w = c o a o 。+ c a a r 式中c o 为压密系数，c r c 为平均有效固结压力变化量， c d 为剪胀系数。a r 为平均剪应力变化量 将( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 代入( 2 - 7 ) 得： 所：c 半批忆孚( 1 - 蛾 式中a 9 6 为堆载预压时的含水量变化量。 将( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 代入( 2 - 7 ) 得 肌= c o 仉。 式中a w , 为真空预压时的含水量变化量 当固结效果等效时，得： 肠= a 矾 即为 c 。半a p c + c a 孚( 1 _ p - c o 加。 得到 a p c 2 岳2 k 0 ) 撅4 2 ( 1k o ) 】引 ( 1 + +一 。 通过式( 2 - 1 1 ) 可得出如下观点： 将真空固结压力简单等效为堆载固结压力是不合适的， 度增长值偏低。 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 会导致预估的土体强 1 6第二章真空预压加固土体强度增长的研究 2 3 2 有效应力法计算强度增长时的误差分析 规范中目前常用的预估土体因固结导致强度增长的方法主要确两荚，即有殁 应力法和有效固