（材料学专业论文）青岛双高公路工程软路基处理研究.pdf

摘要 随着经济建设的飞速发展，许多高速公路需要建造在软弱地基上。在青岛地 区，该类软土含水量高，压缩性大，透水性差，强度及承载力低，高速公路的建 设必须首先对地基进行处理。目前常规堆载方法很难满足施工稳定、工期和工后 沉降的要求，必须采用新的技术措施进行处理。 本文在回顾总结真空预压联合加载技术的历史发展、研究现状和加固机理的 基础上，结合双高公路软土地基加固工程实例，首先从几种处理方式的对比分析 入手，探讨了真空联合堆载预压的特点，利用太沙基有效应力原理分别详细的介 绍了堆载预压方法和真空预压方法以及真空联合堆载预压方法加固软土的基本 机理，指出了真空联合堆载预压的优势所在。 其次，根据现场实测沉降数据，分别采用三点法、双曲线拟合法、指数曲线 拟合法以及推理曲线方法对试验段工后沉降进行了预测计算，并将几种方法的计 算结果进行对比分析，总结出了双曲线拟合法较符合试验段的沉降预测的结论， 为真空联合堆载预压法在青岛公路软基处理中的推广应用提供了依据和可借鉴 经验。 最后，通过对真空联合堆载预压和水泥搅拌法对软土地基的处理进行经济分 析，提出真空联合堆载法不但适合本工程，而且造价低，工期短。 关键词：软土地基、真空联合、堆载预压、双曲线拟合法、经济分析 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，m a n yh i g h w a yp r o j e c t sn e e dt o b eb u i l to nt h ef l a b b yg r o u n ds i l li nt h ea r e ao fq i n gd a oo fs h a nd o n gp r o v i n c e t h i s k i n do fs o f th a st h ec h a r a c t e r i s t i co f r i c h w a t e rc o n t e n t ，h i g hc o m p r e s s i b i l i t y ，l o w e ri n p e r m e a b i l i t ya n db e a r i n gc a p a c i t y s u c hs o f tg r o u n d s i l ls h o u l db et r e a t e dw i t hf i r s t w h i l et h eh i g h w a yi st ob ec o n s t r u c t e d t h ec o n v e n t i o n a ls t a c k - p r e l o a d i n gm e t h o d w h i c hw eu s ea tp r e s e n tc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fs t a b i l i z a t i o n ，t i m el i m i to f c o n s t r u c t i o na n dt h es e t t l e m e n ta f t e rc o m p l e t i o no fw o r k s ，s oan e wk i n do ft e c h n i q u e i st ob ei n t r o d u c e dt os o f ts o i lt r e a t m e n t o nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p i n gh i s t o r y , c u r r e n tr e s e a r c hc o n d i t i o na n dt r e a t m e n t p r i n c i p l eo ft h ev a c u u mp r e l o a d i n ga n dv a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g m e t h o d ，a sw e l la s ，i nc o m b i n a t i o n 晰t ht h ep r o j e c to ft h es o f t s o i lf o u n d a t i o n i m p r o v e m e n ti nq i n gd a o d u a lh i g h r o a ds o f ts o i lr e i n f o r c e m e n tw o r k sw h i c ha d o p t s t h ev a c u u mp r e l o a d i n ga n dv a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n gm e t h o d t h e p a p e rs t a r t e dw i t ht h ec o n t r a sa n a l y s i sb ys e v e r a ld i f f e r e n tt r e a t m e n tm e t h o d sa n d d i s c u s s e dt h ef e a t u r e so fv a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g t h e nr e s p e c t i v e l y i n t r o d u c et h em e c h a n i c so fs u r c h a r g ep r e l o a d i n g ，v a c u u mp r e l o a d i n ga n dv a c u u m c o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g t h e ne x p l a i nt h em e c h a n i c so ft h ei n t e n s i t y i n c r e a s i n gm a c r o c o s m i ca n di n d i c a t et h ea d v a n t a g eo f h i sm e t h o d f i n a l l y , t h r o u g ht h ee c o n o m i ca n a l y s i so ft h ev a c u u mp r e l o a d i n ga n dv a c u u m c o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n ga n dc e m e n tm i x i n gm e t h o dt od e a l 谢ms o f ts o i l ，i t d e m o n s t r a t e dt h a tt h ev a c u u mp r e l o a d i n ga n dv a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g t e c h n o l o g ys u p e r i o r i t y k e y w o r d ：s o f ts o i lf o u n d a t i o n ，v a c u u mc o m b i n e d ，s u r c h a r g ep r e l o a d i n g ， h y p e r b o l af i t t i n g ，e c o n o m i ca n a l y s i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 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。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 同健两 论文知识产权权属声明 年月日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 同使焉年 月日 年月日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景和必要性 第一章绪论 青岛高新区双高公路，拟建路线位于青岛市的城阳区。路线起自青岛市城阳区内省 道2 1 8 白沙河大桥南岸，与仙山西路顺接，沿白沙河南岸展线，在白沙河治理工程的橡 胶坝西侧跨越白沙河，路线转向西偏北。其中一段为粉砂淤泥质海岸地貌类型为滨海堆 积平原。其上部滨海相淤泥、淤泥质粘土属不良地基土，据其物理力学特征，具有高压 缩性，高灵敏度，欠固结( p c p o ) ，抗剪强度低，分布广泛，厚度较大( 平均厚度为7 o m ) 。 该路基段路基下面原有软土层，含水量大，强度低，属高压缩或中等压缩性软土，该路 基段以下均称为软路基路段。该软路基路段在上部填土，路面结构以及使用荷载作用下， 将产生较大的沉降。其工程地质性质差，不能直接满足地基的变形及特定要求，必须进 行加固处理。本文将针对双高公路工程对联合真空堆载预压法在本工程中的应用进行探 讨。 随着经济的发展，软土地基上的公路工程建设越来越多。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。并且往往遇到以下 问题：( 1 ) 地基沉降不均匀，总沉降大：( 2 ) 地基沉降历时很长，其沉降往往达几年，甚至 几十年：( 3 ) 地基承载力低，建筑物加上后会遇到稳定问题。 为解决上述问题，满足设计要求，实际工程中就必须对天然地基进行处理，地基处 理的费用占总投资的比重是很大的，约占1 3 左右，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排水固结、复合地基、真空联合预压等方法。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，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，因此有 必要进一步针对工程实例进行设计施工检测的分析与研究。 1 2 国内外对软土路基处理的研究现状 1 2 1 现有各类软土路基处理方法简介 目前地基处理方案大体上分为置换法( 包括开挖置换法、抛石挤淤法、轻型材料及 超轻型材料置换法) 、排水固结法( 包括砂井与袋装砂井预压固结法、排水板预压固结 1 第一章绪论 法、真空预压或堆载预压排水固结法) 、复合地基加固法( 包括碎石挤密桩法、振冲法、 树根桩法、水泥搅拌桩法、石灰搅拌桩法、c f g 桩法等) 和其他方法( 包括强夯法、反 压法、冷热处理法、高真空击密法) 。每种方法都有各自的优点和缺点，都有自己的使 用条件。下面分别就开挖置换法、真空预压或堆载预压排水固结法、水泥搅拌桩复合地 基加固法、强夯法、高真空击密法等常用几种软基处理方法作简要概述： 1 2 1 1 开挖置换法 对于相对深度比较浅( 小于0 5 1 o m ) 的软土地基，采用开挖换填透水性好、强 度高的材料，即可处理。该方法具有工期短、费用低、施工简便等特点。 1 2 1 2 真空预压或堆载预压排水固结法 根据全国沿海软土地区地基处理工程经验，对于原泥面以下原有软土层中的淤泥、 淤泥质土等饱和粘性土地基，采用在软土中打设竖向排水通道后，进行预压，使软土达 到排水固结效果，消除沉降，以提高软土的强度，是较经济合理的地基处理方案。 真空预压方案是在软土中打设塑料排水板，进行真空预压方案，该方案是总结了国 内港口多年来软基处理的成功经验，考虑了工程的具体地质条件，综合造价，工期及施 工条件所确定，该方案在国内外超软弱地基处理中均被广泛应用，无论从技术，工期和 造价上分析，都是最优的软基处理方案，该方案在处理中国沿海港口超软基，均取得了 成功，国内主要的超软基地区，例如天津港地区，黄骅港地区，青岛港前湾港区等均采 用了该方案，并且均取得了成功，该方案在国内公路工程软路基处理中也得到了广泛的 推广和应用，例如沪宁高速公路，京津塘二线高速公路，青岛出口加工区南海一路及其 区内主要路网、青岛市滨海公路( 南段) 工程、青岛经济技术开发区北部工业园主干道 路网工程等软路基处理工程中均采用了该方案，也同样均取得了成功。 堆载预压方案与真空预压方案一相类似的另外一种排水固结方案是堆载( 超载) 预 压方案，即打设塑料排水板，进行堆载预压( 堆载强度8 0 k p a ) ，原泥面以下原有软土层 经固结沉降后，再卸载达到设计标高。 该方案与打设塑料排水板，进行真空预压方案基本原理相同，具体区别就是两种方 案的具体加载方式不同，真空预压方案是利用快速抽真空，形成大气负压，起到快速加 载的效果，可以在3 - - - 5 天达到8 0 k p a 以上的加载效果，并且不发生加载稳定问题，土 体不发生剪切滑动破坏等工程事故，而堆载( 超载) 预压达到8 0 k p a 以上的加载效果， 需要大量的搬运土石方( 按照堆载料为山皮土，容重为1 6 k n m 3 考虑，堆载预压8 0 k p a 相当于施加5 m 左右高的堆载料) ，由于拟加固的土体强度比较小，因此，为了保证在加 2 长安火学硕士学位论文 载的过程中，保持土体的稳定，堆载( 超载) 预压不可能一次加载，需要分2 - - - , 3 级分 级加载，并且达到与真空预压相同的地基处理效果以后，需要大面积卸载，进而将产生 大量的弃土石方，而真空预压不存在卸载问题，基于此，堆载( 超载) 预压方案，无论 从工期，费用以及施工条件上比较，真空预压方案均比堆载( 超载) 预压方案处于比较 大的优势。 1 2 1 3 水泥搅拌桩复合地基法 按照国内外软基处理的工程经验以及规范规定，软基处理的方案很多，水泥搅拌桩 复合地基，也是常采用的软基处理方案，其原理是在软土地基中搅拌掺入一定量的水泥 等固化剂，使之固化，利用水泥和软土之间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬 结成具有整体性、水稳定性和一定强度的地基，进而提高土体的强度。 由于水泥搅拌桩施工质量难以控制，施工过程中容易发生掺灰量少，搅拌不均匀、 断桩等情况，因此处理效果不好。处于滨海地区的工程项目，地下水中含有硫酸盐，对 于普通水泥土易产生结晶性腐蚀，因此，一般要求采用抗硫酸盐水泥，因此，软基处理 的造价将大大提高。 公路、桥梁工程项目中，为了保证桥台与路堤相邻处容许工后沉降达到小于1 0 c m 的规范要求，以及合理的安排桥梁基础的施工，设计考虑在桥台后5 0 米范围，一般采 用水泥搅拌桩复合地基处理方案，目的是快速加固处理桥台处地基，为桥台基础施工提 供时间和场地平台。 1 2 1 4 强夯法 这种方法是将很重的锤( 一般为1 0 0 - - 4 0 0 k n ) 从高处自由落下落( 落距一般为6 - 4 0 m ) 给地基以冲击力和振动，从而提高土的强度并降低土的压缩性，改善土的振动液化条件 和消除湿陷性黄土的湿陷性等作用。同时，夯击能还可以提高土层的均匀程度，减少将 来可能出现的差异沉降。在实施强夯时，重锤由高空落下，产生强大的动能( 震动源) 作 用于地基土。此时，动能转化为波能，从震源向深层扩散，能量释放于一定范围的地基 中，使土体得到不同程度的改善。强夯法开始时仅用于加固砂土和碎石，经过几十年的 发展，它以适用从砾石到粘性土的各种地基土，这主要是由于施工方法的改进和排水条 件的改善，强夯法在国内砂性土港口地区应用广泛，诸如秦皇岛港、唐山曹妃甸港以及 山东日照港等砂性土地基经常采用。 河北省廊坊与山西省阳泉，对轻亚粘土、粉细砂地基与黄土质砂粘土填方地基进行 了强夯处理。这是我国采用强夯法处理地基的最早两项工程。随后很快推广到北京、上 3 第章绪论 海、天津、广州、深圳等很多地方，并且都取得了良好的技术经济效果，为国家节省了 巨额基础工程费用。 强夯法加固软土地基的关键性问题就是土的粒径、土层特性及含水量。根据经验一 般认为：含水量大于6 0 、孔隙比大于1 5 、粒径小于0 0 0 5 m m 的粘粒占3 0 以上的饱和 软粘土不宜采用强夯法。建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 规定：强夯法适用于 处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。 强夯法的加固效果决定于地基土的渗透性，所以必须创造排水通道。 1 2 1 5 高真空击密法 高真空击密法是由上海港湾软地基工程有限公司董事长、总经理于2 0 0 3 年发明的。 自科研到应用六年来“高真空击密法 以其造价低( 较常规方法节约3 0 左右) ，工期短 ( 较常规方法节省5 0 左右) ，质量可控，施工环保等优势，已成功在上海、宁波、广东、 江苏的机场、港口、道路、堆场和工业厂房等各种软土地基处理工程得到应用，施工面 积超过5 0 0 0 万平方米。同时在国外也得到推广应用。 主要设计思想：首先针对淤泥及淤泥质粘土，通过插打滤管，让淤泥质土在真空压 力和回填土或覆水荷载作用下排水固结，使淤泥质土的压缩变形快速完成，减小工后沉 降，提高强度，完成深层加固；然后，通过高真空击密法对上部填土包括容易破坏的浅 部软土或吹填砂性土地基进一步密实，在地基土浅层形成刚度较大的硬壳层，同时达到 提高承载力、加大施工沉降和减少工后沉降的目的。 高真空击密法”软地基处理方法是一种快速加固软土地基的新技术，它是通过数遍 的高真空压差排水，并结合数遍合适的变能量击密，达到降低土层的含水量、提高密实 度和承载力、减少地基工后沉降和差异沉降量的目的。本工法具体是通过快速高真空排 水击密多遍循环，两道工序的有机结合、相互作用，形成了高真空击密法的独特机理。 该工法巧妙地解决了软土超孔隙水压力消散及强夯容易使软土形成“弹簧土等关 键问题，通过人为在土层中制造的“压差 ( 击密产生的超孔隙水压力为“正压 ，高真 空产生的为“负压”) 来快速消散超孔隙水压力，使软土中的水快速排出。由于采用高 真空排水，使击密效果大大提高，从而使被处理土体形成一定厚度的超固结“硬壳层 ， 由于“硬壳层”的存在，使得表层荷载有效扩散，减少了因荷载不均匀产生的不均匀沉 降。 该工法具有造价低，工期快，质量可控的优点。 1 2 1 6 真空联合堆载预压法 4 长安大学硕士学位论文 真空预压技术经近5 0 年的理论研究和工程实践探索，己在许多港口、码头、机场 和堆场等工程建设中得到应用。真空联合堆载预压法是在真空预压法和堆载预压法基础 上发展起来的软基加固方法该方法具有真空预压和堆载预压的双重效果通过抽真空 形成负压，当真空度达8 0k p a 以上，相当于一次性施加4 - 5m 高度的填土荷载对于公路 道路采用真空联合堆载预压法加固软土地基，可利用路基填土作堆载，使土体在真空荷 载和堆载联合作用下发生固结强度得到较大提高：同时，由于真空产生负压，使土体产生 向内收缩变形，可以抵消因堆载引起的向外挤出变形，地基不会因填土速率快而出现稳 定性问题因此，真空联合堆载预压法比单纯的真空预压法、堆载预压法效果更好 4 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： ( 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，而不会 出现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，可以抵消因堆 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，孔隙水压力不断降低，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，某种程度上相当于在常 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、固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且经济的大面积处理软土地基的有效方法，施工过 程中的稳定性可以得到保证，工后沉降和不均匀沉降较小。 1 2 2 真空联合堆载加固机理研究现状 1 2 2 1 加固机理研究现状 真空预压法由瑞典皇家地质学院的w k j e l l m a n 教授于1 9 5 2 年提出，1 9 5 8 年首次在 美国费城机场跑道扩建工程中应用。2 0 世纪8 0 年代，我国组织人员对该项加固技术联合 攻关，重新进行了总结、研究，使该法工艺日臻完善，曾先后应用于天津新港、青岛滨海 公路、京珠高速公路等诸多工程建设项目中，真空预压联合堆载己成为加固软土地基一 种常规实用而且有效的方法。 s 第一章绪论 真空联合堆载预压法是在真空预压和堆载预压法基础上发展起来的，其通过负压真 空和堆载使土体中的孔隙水产生不平衡的水压力，孔隙水在这种不平衡力的作用下通过 竖向排水通道( 塑料排水板) 逐渐排出，使土体产生固结变形，具有真空预压和堆载预压 的双重加固效果嫡3 。彭劫、李豪等通过改进后的三轴蠕变仪模拟了真空预压、堆载预压 以及真空联合堆载预压，得出了结论：三种情况下真空联合堆载预压情况的沉降量最大， 是单独的真空预压或堆载预压沉降量的1 2 - 1 3 倍，而堆载预压和真空预压的沉降量差 别不大，这表明真空预压和联合预压实际上也是一种固结过程，因此太沙基固结理论是 适用的，但同时也存在一定的差异，真空预压的固结速度明显大于联合预压和堆载预压 的，联合预压固结速度慢于真空预压，在用太沙基理论计算时必须对总沉降量进行修正。 三种方法均能改善土体的物理力学性质指标，使土体的抗剪强度提高近一倍以上，真空 联合堆载预压能使工后沉降减少，达到预压和超载的目的，尤其适用于高速公路软基处 理，根据试验结果，建议在工程实际中卸真空标准采用固结度9 0 以上时；从微观角度 对试验过程和现象进行了解释分析，并根据试验结果，对实际工程中的施工工艺提出了 一些改进的建议以提高加固效果州1 。 高志义等进行了真空预压的离心模型试验，在平面应变模拟中，以现场试验区的一 横断面作为根据。从试验结果得到如下初步结论：( 1 ) 试验结果与现场实测的规律性基本 一致。说明在模拟现场情况中，离心模型试验是适应的。( 2 ) 抽真空与施加荷载同时进 行，也可以提高加固效果。说明两者产生的有效应力是可以叠加的。( 3 ) 研究表明，砂 井长度为2 0 m 时，在2 0 m 附近仍有一定加固效果。( 4 ) 采用刚性密封膜，密封膜顶端固 定，从而在抽真空时只是土发生下沉，膜顶与土面逐渐脱离。( 5 ) 抽真空达稳定时用担 丝测量的地下水位下降了2 7 m 阻1 。 彭劫等根据真空联合堆载预压现场试验及孔压、沉降测试结果，讨论了抽真空时地 下水位的变化过程和加固深度范围等，结果表明：真空预压的直接作用范围可达地表以 下1 8 m ；真空预压期间地下水位是不断下降的，且其幅度小于2 m ：停止抽真空使地基横 向约束放松，从而导致向外变形，由此变形会消除卸真空引起的回弹现象；同时，负孔 压的恢复需要一个过程n 叫。 于志强等根据钻孔试验结果，对真空预压法加固软上地基时对周围土体土性指标的 影响及加固区一定范围内土体水平位移、地表沉降大小及影响因素进行了分析，指出在 6 长安大学硕士学位论文 加固区外有构筑物时，预压边线与构筑物间应预留一定的安全距离或应采取其他措施， 以防止过大变形1 。 龚晓南n 5 3 提出了多孔介质理论和真空渗流场理论来解释真空预压的加固机理。认为 真空度的作用范围只限于水位面以上的部分土体。只要没有真空度的位置就是地下水位 面的位置，但是现场监测情况并非如此，该观点有待进一步研究。 董志良n 2 1 们从砂井固结理论出发，推出堆载及真空预压砂井地基固结理论解析方 法，探讨了加固区渗流量和地下水位的理论计算方法。在计算水位过程中，董志良通过 计算从静水位到水位管底范围内的平均超孔隙水压力，再转换成位置水头，可以通过与 静水头对比求出水位管内的水位高度。由于此法求出的平均超孔隙水压力是测水管深度 范围内的，得出的位置水头也只是该透水段的平均水头，是理想状态，实际上真空度和 孔压都是随深度衰减的，其衰减规律受抽真效果的影响也各不相同，因此该法求出的水 位并非真实的地下水位，只是一个近似的估计。而且由于土体中的真空度沿深度的衰减 变化是一种动态过程，其中的影响因素很多，没有明显的规律性，使得对理论计算方法 进行经验修正变得有些困难，该法的实用性和可靠性并不是很好。 张峰等人通过软土地基真空堆载联合预压法理论上证明了真空预压法和堆载预压 法是可以叠加的，在实际工程应用中经受了考验，地基土在真空荷载和堆载作用下发生 固结，地基土的强度可以提高一倍以上，加固效果明显，并且加固深度较大，适合加固深 厚软土。地基土的孔隙水在真空预压法产生的负压作用下加速排出，缩短了固结时间； 竖向排水体内的水位在抽真空过程中大幅度的下降，地基土与竖向排水体间的水头差增 大，地基土的固结便会加速，使预压期缩短，同时缩短了总的加固时间；真空荷载可一次 加足( 抽真空到8 0k p a 仅需4 - - - 7 天) ，地基土不会发生剪切破坏，抽真空1 5d 后，5 , - - 6m 路基填土可以连续施加，不需间歇，这样就缩短了施工期。并且由于孔隙水排出过程中， 渗流速度增大，由渗流力引起的附加应力也随之增大，加固效果提高，并且孔隙水的流 向及渗流力引起的附加应力均指向被加固土体内，引起土体在加固过程中的侧向变形指 向加固体内，结果使得堆载引起的侧向挤出变形与之相抵消，可以很好的保证路基的稳 定性，因而真空堆载联合预压法加固软基是安全可靠的。 此外，由于近年来真空联合堆载预压的广泛应用，也带动了相关行业的对其处理软 土地基的理论研究。 7 第一章绪论 1 2 3 计算理论和计算方法的研究现状 真空预压及真空联合堆载预压法的计算主要涉及固结理论、砂井理论、土体本构模 型。前面已经简要陈述了固结理论，这里仅对后者做一下概述。 1 2 3 1 砂井理论研究现状 真空预压及真空联合堆载预压数值计算中有关砂井的问题主要为：砂井井阻和涂抹 作用的影响、三维砂井向二维砂墙的转换方法等。目前井阻影响研究已经取得一定成果， 也就是在砂井中真空度是随深度逐渐减小的，且砂井材料的渗透系数对其影响较大n 引。 关于砂井打设引起的涂抹作用问题，b a r t o n n 砌建议在计算中减小涂抹区的渗透系数，后 来h a n s b o n 7 1 9 3 也提出同样的建议，但是一直难以确定涂抹影响范围和渗透系数变化的情 况。有不少学者对如何将砂井地基这个三维问题转化为二维问题进行了研究。 i n d r a r a t n a 对单井向单位长度的砂墙转换的方法进行了研究。刘汉龙等汹2 1 1 根据高 速公路路基的变形特点，提出了真空联合堆载预压法处理软基的三维固结有限元计算模 型，将砂井按照实际尺寸划分单元，避免了平面计算方法中砂井处理的问题，较以往的平 面数值方法更接近于实际。丁洲祥等验3 3 针对真空联合堆载预压法加固地基的沉降性状， 考虑加固过程中地基模量变化的影响，将砂井地基在渗透性上等效为均质地基，简化了 有限元建模过程。王旭升等但2 1 在对称性原理和b l o t 固结理论基础上，改进了三维渗流一 二维变形的有限单元方法，给出了砂井地基合理的三维剖分方案，使p d s s 模型能够直接 刻画正三角形布局的砂井问题。 上述研究说明，在堆载预压下的三维空间问题向二维平面应变的转换方法已经取得 了一定进展，但是由于砂井地基的变形模式并不仅仅是平面应变模式，并且经过转换后， 砂墙地基中的某点并不是一一对应于砂井地基中的某点，因此从计算理论上存在一定的 不合理之处。对真空预压及真空联合堆载预压的三维分析目前仍很少。 r u j i k i a t k a m j o r n 等眨4 1 基于三维有限元模型，针对竖向排水体处理软土的固结度计 算提出了数值模型。b a e k 等心印基于三维粘弹性模型，提出采用竖向排水井处理软粘土固 结机理的数值模拟理论，通过试验分析认为该三维固结理论能有效模拟固结过程中土体 的次固结及径向变形等固结等性能。 1 2 3 2 土体本构模型 土体本构模型的选择在对岩土工程问题进行计算时非常关键。在真空预压及真空联 合堆载预压计算中也如此。但要想找到一个本构模型来全面、正确地反映土体的所有特 性是不现实的。针对不同的岩土工程条件，作一定程度的简化是很必要的。 8 长安大学硕士学位论文 沈珠江嘲采用了三种本构模型，分别为南水模型、剑桥模型和弹性模型，利用b i o t 固结有限元法对某个真空预压法处理的工程进行了计算，结果表明土体本构模型对计算 结果影响较大，且没有一种模型能与实测结果很好地吻合起来，总的来看南水模型比较 符合实际情况，然而计算工作量较大，他建议对一般的工程采用变弹性模型即可。林丰等 心刀把边界元法应用于求解真空压力和堆载压力作用下的软粘土砂井地基固结变形的平 面应变问题，采用线性弹性模型，导出了线性b i o t 固结理论的边界积分方程。陈远洪等 人考虑土的粘滞性，结合修正剑桥模型与修正的考马拉一黄模型，构成粘弹塑性本构模型， 它可以综合反映土体的弹性、粘弹性和粘塑性等复杂性状，结果显示在软基变形计算中 考虑土体流变是必要且是重要的，它可以更为准确和全面地评价加固效果。彭等对真空 联合堆载预压处理大面积软基提出简化的轴对称有限元进行计算，同时结合殷宗泽的双 屈服面模型与修正的考马拉一黄模型，得到考虑土体的剪胀、剪缩、弹性、粘弹性、粘塑 性等性质的粘弹一粘塑性模型，对沉降的计算与实测值、平面应变计算结果都比较相近， 该法不足之处是不能计算侧向位移，并且对加固区边缘的计算不太理想。 i n d r a r a t n a 等啪3 运用二维平面应变有限元模型结合修正的剑桥模型，分析排水边界 的不饱和对真空预压性能的影响，并在实验室采用大比例尺的径向排水固结仪模拟，分 析表明通过塑料排水板施加真空压力或者在导管拔出时，都可能是导致排水井周围的土 体非饱和的因素，也就是考虑竖向排水体周围土层的不饱和，可以提高数值预测的精确 度。 已有文献中数值计算分析实例表明，用上述的模型模拟真空预压及真空联合堆载预 压时难以很好地模拟卸除真空。在数值计算中，卸除真空荷载往往伴随很大的变形回弹， 然而在实际工程中，很难观测甚至观测不到这种微小回弹。这表明在真空预压数值分析 时，本构模型必须能较好的模拟卸载以及比较复杂的应力路径嘲。 本文针对青岛市高新区双高公路工程软路基处理，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的设计理论与方法、施 工工艺，准确掌握软基变形和强度变化的整个过程，全面评价软基加固效果，为真空联 合堆载预压处理方法在青岛公路软基处理中的推广应用提供依据和可借鉴经验。 9 第一章绪论 1 3 主要研究内容 本文结合青岛市高新区双高公路工程软路基处理工程，通过试验路的铺筑，根据软 土地基地质状况，研究分析堆载预压和真空预压等地基处理方法的可行性和经济性。本 文具体研究内容如下： ( 1 ) 双高公路工程软路基处理工程概况； 结合青岛市高新区双高公路工程软路基处理工程，根据软土地基地质状况，研究分 析堆载预压和真空预压等地基处理方法的可行性。 ( 2 ) 软土路基加固的设计理论与方法研究； 从堆载预压和真空预压的加固机理入手，从正负压加固软土地基的固结特性方面阐 述了地基土体在正负压共同作用下的固结特性和变形特点，并分析了真空联合堆载预压 的机理。 ( 3 ) 真空联合堆载预压法设计方法和施工工艺研究； 结合双高公路软路基处理对相关理论施工工艺研究，通过沉降预测验证各种沉降预 测方法的可行性，为类似的工程在选择处理工艺上提供可靠的依据。 ( 4 ) 真空联合堆载预压法经济效益研究； 通过对真空联合堆载预压和水泥搅拌法对软土地基处理的经济分析对比，分析真空 联合堆载法的经济效益。 l o 长安大学硕士学位论文 第二章真空联合堆载预压法处理地基的研究 2 1 机理分析 真空排水预压法和堆载预压法同属于排水固结法，但二者在机理方面有着巨大的差 异。研究真空预压法及真空联合堆载预压法如何加固地基，主要存在两种观点，一种观 点是将膜内外压差作为等效荷载作用在地基土上；另一种观点则是负压固结理论，即认 为真空预压地基的固结是在负压条件下进行的，它和在正压条件下的固结问题基本相 同，只是边界条件有差别，因而仍然可用现有的固结微分方程求解。目前的文献沿用了 以上这两个思路来探讨和计算真空预压问题时，例如规范拈们n 门中计算真空预压下的沉降 就是将真空荷载视为等效的堆载施加在地基上，也有很多文献是根据第二种思路进行计 算分析口2 嗡1 。 2 1 1 真空预压加固机理简介 由施工过程可知，铺设薄膜前，土体上直接作用有大气压力p a ，由孔隙水承受，为 中性力，不压缩土体。在铺设薄膜后，大气压力仅作用于薄膜，抽真空后由于膜内空气 被抽出不能得到外界补给。砂垫层和塑料排水板内的气压均降至p v ，由于薄膜内外存在 压力差p a - p v ，即真空度，使薄膜紧贴砂垫层。砂垫层形成的真空度通过竖向排水体逐 渐沿深度向下传递，与此同时，真空度又自塑板开始向四周土体扩展，降低土中孑l 隙水， 超孔隙水压力值为负，即“负压 。不施加外荷的前提下，真空预压使纵向排水体中的 孔隙水压力降低，小于土中原有孔压，形成水力梯度，从而土体空隙中的气和水发生渗 流，由土体向塑料排水板方向，最后由竖向排水体汇至地表砂垫层被泵抽出。 如图2 - 1 ，抽气前隔板一弹簧系统处于平衡状态，它是代表土骨架受力变形性质的， 孔隙水压力等于大气压力p a ，有效应力仃= 0 。在抽气瞬间，管路中由于抽气，使压力 降至p v ，模型中各点的孔隙水压力来不及改变，形成p a - p v 的真空度，促使孔隙水向管 路转移，导致孔隙水压力减小。此时，0 r 0 0 ，p v j l l p a ，设孔隙水压力降低j l l ， 则隔板在气压力作用下而向下移动，迫使弹簧变形，使土骨架受力增大仃，即 仃= 一p ，即有效应力增量与孔隙水压力的减少量等值，当模型中各点的孔压都降低 至p v 时，压力差消失，渗流停止，此时压力差p a - p v 全部由弹簧承受，即0 f 0 0 时 p = p v 仃7 = p a p v ，此变化过程可见图2 - 4 ，应力转化条件如下： 第二章真空联合堆载预压法处理地基的研究 t = o 时，= p ，仃= 0 0 ， o 时j l l = ( 心+ 以) p a 大气压力 必必姒一 嬲豪薹三翻 一 萋p y 蓁萋 h o 圆原有有效应力 匠勿增加有效应力 图2 - l 真空预压固结模型图 2 - 2 真空预压沿深层有效应力分布图 当0 ：= 仃，：，此时的土体固结属于固结，土体变形形式为竖向压缩 变形，水平方向产生挤出变形，土体受剪切应力作用，需分级加载以避免剪切破坏。 ( 图中虚线为受力后变形) 图2 _ 6 真空预压时受力变形特点图2 - ? 堆载预压时受力变形特点 真空堆载联合预压过程中，在抽真空开始后，而土方堆载未施加前，地基土体所受 固结应力仅为真空压仃，。和仃此时地基有竖向的压缩变形，以及水平向的收缩变形， 如图2 - 8 所示。 当土方施加后，在堆载与真空堆载共同作用下，土体在竖直方向上的固结应力是这 个方向上的真空压力和堆载压力的叠加，即仃，- - - - 0 ，。+ 仃，：，而水平向二者固结应力在叠 加后为= 。+ 吒：，在这样的固结应力作用下，土体变形为：竖直向仍表现为压缩变 形，且变形量增大；水平方向上，在堆载施加的初始期，瞬间会产生较大的固结应力， 为保持平衡，土体会产生较大的挤出变形，如图2 9 所示。 堆襄 | | | 营童章一| 。童一。r 一1 “ 趣垒 t o t ：墟珑 。 噩二 扩。甘| r 扩一| 一。l i i 、 l ：o m 丽诅弦o ni l ， 1 5 第二章真空联合堆载预压法处理地基的研究 ( 图中虚线为受力后变形) 图2 - 8 抽真空未加堆载前土体变形特点图2 _ 9 堆载施加初期土体变形特点 由于孔隙水逐渐被排出，土体强度和固结度也随之提高，两个方向上的固结应力逐 渐达到平衡，但是由于土体始终承受真空负压作用，因此，在堆载施加后，土体的挤出 变形与向内收缩变形相互叠加，竖直向和侧向变形趋于稳定，沉降速率减小，直到卸除 真空荷载为止。如图2 - 1 0 所示。 如图2 - 11 所示，卸除真空荷载后，土体所受的由真空作用产生的等压固结应力很 快消失，原有的平衡被打破，在堆载压力下土体产生了新的变形：竖直向表现为压缩， 侧向变形为挤出变形，使土体的沉降速率变大，直至土体固结度达到最大，达到新的平 衡状态。 自- 冀窑 ( 图中虚线为受力后变形) 图2 - 1 0 真空荷载卸除前土体变形特点图2 - 11 真空荷载卸除后土体变形特点 2 1 4 真空预压机理的微观规律 微观中，堆载预压与真空预压、真空联合堆载预压均为土体结构在承受作用后，不 断调整重组的过程。分析真空预压可知，真空压力不是直接作用在土体骨架或颗粒上， 而是直接作用在土体中的水气流体上。在真空预压最开始，土体排水量很大但沉降却很 小，这说明尽管土体中的自由水和气被抽出，但由于土体颗粒之间的粘聚力排斥力作用， 以及接触点支撑力的作用，土体中的有效应力增加但变形未发生，随着时间的持续，水 气的不断被抽出，土体颗粒间的孔隙也随之增大，土体颗粒发生错位重新排列，从而使 土体的有效应力和变形增大，这是由于在外因作用下，其内部相应的“自调整”的一个 过程，使得土体密实，进而得以加固，在整个过程中只是土体颗粒的发生重新排列和空 隙充填，而土体颗粒自身不会发生破碎，因而一次加载也不会导致破坏现象，同时由于 其变形为内部“自调整，宏观上反应为塑性变形；在现场和室内试验过程中，当停止 抽气时，水都会发生一个回灌的过程，现场中使得地下水位升高，并且土体颗粒仍然处 1 6 长安大学硕士学位论文 于一种“自调整”状态，水位的上升导致土中的含水量增加，且土体颗粒未发生破碎充 填，土颗粒之间仍然有一定的水得以进入的孔隙，部分土体由湿容重转化为浮容重，使 得土颗粒之间的粘聚力降低，从而导致加固后土的抗剪强度有所下降；同时颗粒之间并 未发生重新错动的过程，即土体仅发生了塑性变形，这就是土体在真空预压在卸载后发 生的回弹量很小的原因。 堆载预压是在土体上部施加荷载，从而使土体微细颗粒和土体结构发生调整变化的 过程，在这个过程中，在土体骨架或颗粒上直接作用外部荷载，土体颗粒在荷载作用下 被动重组排列并在伴随着微细颗粒的破碎和充填，因而当荷载过大会导致破坏现象，同