（岩土工程专业论文）真空预压在浅层地基加固处理中的研究.pdf

中文播要 真空预压是近几十年来发展起来的一种地基处理方法，对于软土地基处理， 具有诸多优点，在我国大规模的建设热潮中得到了广泛应用，并且在其机理研究、 施工工艺、设计理论等方面都取得了很较大的发展。 天津港作为北方大港，正在以前所未有的速度发展。由于大规模的开发建设， 地基处理方法既要适应目前严峻形势，比如时间的紧迫，同时又要面临所需处理 土体为淤泥、淤泥质土甚至泥浆等超软土，导致砂、土材运输的难度大和成本高， 以及大型机械无法进场等现象。 本文在前人研究工作的基础上，结合天津港土体的实际情况研究真空预压在 浅层地基处理上的应用，力求在短时间内将软弱土体改变成工程用土，为此，本 文主要进行了以下工作： ( 1 ) 分析了浅层地基处理方法中固结度、沉降，地基承载力的计算方法； 对不同插板深度中对比分析固结度与时间因数的关系；沿用分层总和法的思想分 析沉降，并与现场试验数据进行比较：真空预压浅层处理有利于上硬下软双层地 基的形成，探讨了硬壳层地基的承载力情况。 ( 2 ) 结合现场试验资料进行分析，对比加固前后土体物理力学性质的变化； 分析监测过程中表层沉降、分层沉降、孔隙水压力、侧向位移的变化过程。 ( 3 ) 根据港区土体的性质及面临的砂、土紧张的情况，结合试验对施工工 艺进行了改进。 关阗i 真空预压浅层处理 固结度地基承载力硬壳层施工工艺 a b s t r a c t v a c u u mp r e l o a d i n gi sak i n do ff o u n d a t i o nt r e a t m e n tw h i c hd e v e l o p e di nad e c a d e ， i th a sm a n ya d v a n t a g e st oi m p r o v i n gt h es o f ts o i lf o u n d a t i o n ，a l o n gw i t hc o n s t r u c t i o n u p s u r g e ，t h em e t h o dg e tf u r t h e re x t e n s i v e l ya p p l i e d ，a tt h es a m et i m et h e r ea r es o m e d e v e l o p m e n t so fi m p r o v e m e n tp r i n c i p l e 、c o n s t r u c t i o n te c h n i q u e sa n dd e s i g nt h e o r y t h et i a n j i nh a r b o r , ab i gh a r b o ri nn o r t h e r na r e a ，i sd e v e l o p i n gi na u n p r e c e d e n t e d w a y b e c a u s eo ft h el a r g e - s c a l ec o n s t r u c t i o nd e v e l o p i n g ，f o u n d a t i o nt r e a t m e n t sm u s t t ob ea d a p t e dc u r r e n t l yr i g o r o u ss i t u a t i o n , f o re x a m p l e u r g e n tt i m e ，a st h es o i ln e e d i n g f o rt r e a t m e n ti ss i k 、s i l tq u a l i t ys oi le v e ns l u r r ye t c w h i c hc a l l e dv e r y - s o f ts o i lc a u s i n g t h ep h e n o m e n o no ft r a n s p o r t i n gs a n d ，s o i lm a t e r i a lo fd i f f i c u l t l ya n dg r e a tp r i c e ，a n d t h el a r g em a c h i n ec a n te n t e ra l le t c b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e r s w o r k , c o m b i n gw i t ht h ea c t u a ls oi lc i r c u m s t a n c e i nt i a n j i nh a r b o rr e s e a r c hv a c u u mp r e l o a d i n gi na p p l i c a t i o no fs h a l l o wf o u n d a t i o n t r e a t m e n t ，w et r yt oi m p r o v ef l a b b i l yb l o w i n gs o i li n t oe n g i n e e r i n gs oi la ss o o na s p o s s i b l e ，s ot h i st e x tm a i n l yw o r k sa sf o l l o w ： ( 1 ) t h i st e x ta n a l y z e st h ed e g r e eo fc o n s o l i d a t i o n 、s e t t l e m e n t 、m e t h o do f c a l c u l a t i n gb e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o ns o i l ；c o n t r a s t st h et i m ef a c t o ra n dd e g r e eo f c o n s o l i d a t i o ni nd i f f e r e n td e p t h s ；a n a l y z e ss e t t l e m e n tb yt h et h o u g h to fl a y e r w i s e s u m m a t i o nm e t h o da n dc o m p a r e si ti nc a l c u l a t i n gw i t hs p o t e x p e r i m e n t ；v a c u u m p r e l o a d i n gi ns h a l l o wf o u n d a t i o nt r e a t m e n tc a nf o r md o u b l el a y e r sf o u n d a t i o nw i t h t o pl a y e rh a r da n dd o w nl a y e rs o f t ，d i s c u s s e sb e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o ns o i l u n d e ru n d e rt h es i s t u a t i o nt h a th a v eah a r ds h e l ll a y e r ( 2 ) c o m b i n i n gt h es p o te x p e r i m e n t sd a t a t h et e x tc o m p a r e st h ec h a n g i n go ft h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yi nb e f o r ec o n s o l i d a t i o nw i t ha f t e rc o n s o l i d a t i o n , t h e s a m et i m e a n a l y z e s t h e c h a n g i n gp r o c e s s o fl a y e rs e t t l e m e n t 、d e l a m i n a t i o n s e t t l e m e n t 、p o r ew a t e rp r e s s u r ea n ds i d et o w a r dm o v e m e n ti nm o n i t o r i n g ( 3 ) i m p r o v i n gc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea c c o r d i n gt ot h es o i lp r o p e r t yo ft h eh a r b o r a n dp r a c t i c a ln e r v o u sc i r c u m s t a n c eo fs a n d 、s o i l k e yw o r d s tv a c u u mp r e l o a d i n g 、s h a l l o wf o u n d a t i o nt r e a t m e n t 、d e g r e eo f c o n s o l i d a t i o n ，b e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o n ，h a r dc r u s t ， c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤童叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互蹈超签字日期：乃弧 年彩月吖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：至终起 签字同期：砷孑年月o 日 导师签名： 盐 、啤 l 签字日期：如扩年月夕日 天津大学硕士学位论文 第章绪论 随着当前社会经济的迅猛发展，工程建设事业也风起云涌、日益蓬勃。我国 地域辽阔、幅员广大、自然地理环境不同、土质各异、地基条件区域性较强；在 许可条件下，一般优先选择在地质条件良好的场地上从事工程建设，但有时由于 使用需要或其他种种条件限制，也不得不在地质条件不好的地方进行修建，我国 沿海除山东部分地段外，大部分的海岸线为淤泥质海岸，多为河相、海相或泻湖 相沉积层，在地质上属第四纪全新纪q 。土层，多属于饱和的正常压密粘土。土 的类别多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土，在南方少数地区还有淤泥质混砂 层。这类土具有高含水量、大孔隙、低密度、低强度、高压缩性、低透水性、高 中等灵敏度等特点。在这种软弱地基上建设港口、码头、民用建筑，机场等工程， 地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和差异沉降，而且沉降的延续时间 很长，从而影响工程的正常使用瞄。另外，由于其强度低，地基承载力和稳定性 往往不能满足工程要求而容易产生地基破坏。为保证在施工和使用期间的承载力 与稳定性安全、消除过大的沉降变形和达到正常使用的目的，要对这种软土地基 进行处理。 天津港东疆港区地表层多为新近吹填土，表层物理力学性质非常差，呈饱和 流塑状态；下面l o r e 左右的土层是淤泥土层，含水量多在6 0 左右，甚至高达8 0 ， 孔隙比达1 6 7 2 2 5 ，该土层承载力低，平均标贯击数不到1 ，欠固结高压缩性， 渗透性差：标高9 m 左右至标高1 3 o m 左右为淤泥质粘土，含水量和孔隙比逐渐 减小，仍然呈现高压缩性、流塑状；下面1 o m 左右主要是粉质粘土，含有淤泥质 粘土和淤泥质粉质粘土，软塑状态，局部可塑状，高压缩性；其下为中压缩性粉 土层，该层土在某些地段极薄，中密状态；标高1 4 m 左右到标高2 3 n v - 左右为连 续分布粉质粘土层，饱和均匀粉质粘土，具有可塑、中塑性；标高2 3 r n 左右以下 为粉土、粉质粘土，一般为桩基的良好持力层；各层土的物理力学性质见表1 1 。 由以上数据可看出天津港东疆港区属典型的软土地基，不但承载力低，土壤在固 结过程中还会产生很大的沉降。 天津港己进入高速发展阶段。目前在港口发展区之内可利用岸线越来越少、 土地资源紧张。新增港区从东疆造陆到南疆东部扩容，码头和后方堆场将全部建 第一章绪论 表1 1 土层物理力学性质指标 厚度天然含水容重 土层名称天然孔隙比塑性指数液性指数 ( m )量( ) ( g e m 3 ) 淤泥8 5 1 0 03 3 5 8 3 91 5 4 1 8 01 6 7 2 2 51 7 2 9 2o 9 7 2 5 9 淤泥质粘土 2 43 6 5 51 51 7 0 1 8 5o 9 6 1 “1 1 3 2 4 61 0 2 2 5 7 粉质粘土 1 o2 4 9 4 6 41 7 7 1 9 7o 7 3 1 2 71 2 4 1 9 20 4 8 1 1 6 粉土 o 1 01 8 7 2 6 81 9 2 2 0 60 5 6 o 7 75 2 9 00 0 4 0 9 8 粉质粘土 8 1 2 51 8 6 4 2 71 7 5 2 1 lo 5 5 9 1 1 8 1l o 1 2 2 40 0 4 1 4 7 粉土、粉砂 续表1 1 三轴( u u )三轴( c u )压缩系数压缩模量压缩指数 土层名称 西( o ) c ( k p a ) 空( o ) c ( 1 ( p a ) 口l - 2 ( m p a 1 ) e 文m p a )c 淤泥o 51 0 0 21 4 8 91 4 9 31 3 12 1 l0 4 3 6 淤泥质粘土 2 4 81 3 1 01 6 9 61 5 7 9 0 9 9 2 3 lo 3 5 2 粉质粘土 6 52 1 5 2 5 63 7 0 0 2 5 8 粉土2 5 71 6 7 53 8 9 85 6 8 3o 1 71 0 5 90 0 8 3 粉质粘土 7 8 62 4 7 62 8 8 33 2 7 1o 3 65 2 10 1 7 l 续表1 1 固结系数( 1 0 r 4 c m 2 s )先期固结压力超固结比标贯击数十字板剪切强 土层名称 g c 。，“k p a ) d 霞c n 6 3 5度c ( k p a ) 淤泥 2 4 83 4 42 1 4 90 5 1 o0 5 31 7 淤泥质粘土 5 0 94 9 54 1 5 30 4 9o 8 31 5 3 6 9 3 3 粉质粘土5 4 6 4 7 1 2 5 2 7 5 0 5 48 3 62 9 2 3 7 5 7 4 粉土8 3 7 8 4 4 56 9 3 3 o 5 52 9 7 4 粉质粘土4 5 9 34 4 4 97 1 6 40 4 79 4 5 在新近吹填形成的软土地基上。经新近吹填形成的陆域其地基土体大部分是淤泥 质粘土，成流塑状态，具有很高的含水量和很低的强度，通常需要较长时间的晾 晒、风干并配以必要的工程措施才能上施工机具和人员，而后再采用真空预压法 进行软基加固，进一步提高地基承载力满足场地的使用要求，这些时间加起来约 1 2 + 年。从目前天津港建设形势看，一方面，原有的软基加固方法从时间、造 价上，已不能适应快速发展的需要，目前天滓港建设时间已成为制约发展的关键 因素；另一方面，通常软基加固需要的砂源、土源随工程建设的发展越来越紧缺。 尤其是具有战略意义的天津港东疆港区和南疆东部扩容的快速发展，存在砂、土 材料依靠外运成本高、难度大，大型机械无进场条件等诸多难题。因此，急需提 天津大学硕士学位论文 出能快速提高新进吹填地基土体强度的软基加固方法，实现尽快将软弱土改变为 工程用土的目的，从而提高施工效率、节省工期、降低成本。 在此基础上提出浅层地基处理的方法，使处理后的地基满足一些工程上的需 要，从而达到节约时间、节约资源等的目的。国内外在地基处理加固上的研究很 多，并且浅层地基处理的方法在国内外地基处理方法著作中都有介绍，但对以软 土、超软土为主的港口地区浅层加固研究较少，这类土具有高含水量、高孔隙性、 高压缩性及低渗透性等特点，使得一般的地基处理方法在港口地区的使用方面存 在着某些差异，在天津滨海地区软弱地基处理的一般加固深度2 0 , - - 一2 2 m ，而对于 浅层加固范围要小得多。 真空预压属于排水固结法的一种。近年来，国内许多岩土工程师认识到真空 预压法处理软土地基的优越性，在具体工程应用中进行了很多有益的实践和探 索，成功地解决了真空预压法在实施过程中遇到的许多理论、工艺等方面的问题， 取得了较好的经济效益和社会效益，同时也积累了宝贵的工程经验。 1 2 1 真空预压法简介 密封膜 图1 - 1 真空预压基本原理图 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6 1 0 7 3 0 m m h g ，即8 0 9 5 k p a 左右，一般取8 5 k p a 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( 通常为5 0 c m ) 的砂 垫层，再在土体中打入砂井、袋装砂井或塑料排水板( 由于现在施工工艺技术的 发展和改进，大部分真空预压工程都采用塑料排水板为排水体，以下如不特殊说 第一章绪论 明，一律称为塑料排水板) 作为竖向排水体。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，借助埋设于砂垫层中的管道，通过抽真空装置将 薄膜下砂垫层中的空气抽出，使其形成相对负压，由于塑料排水板渗透性较大， 该负压能够快速传递到塑料排水板深部，从而在塑料排水板和塑料排水板周围土 体之间形成孔压差，使土体中的孔隙水流入塑料排水板并被排出，以达到固结( 如 图1 1 所示) 雌。真空预压一般情况下都采用图示的处理机理，不过在本文中由 于对浅层部分进行加固处理，而且对于砂、土等材料的缺少的情况下，处理工艺 会有所改变，下文将作进一步介绍。 1 2 2 真空预压法的应用研究现状 真空预压法加固软粘土地基，在5 0 年代初期，由瑞典杰尔曼( w k j e l m a n ，1 9 5 2 ) 教授提出旧。，他在论文中提出了真空预压的理论，报道并解释了他们所作的5 组 实验结果；接着有好几个国家相继进行了探索和研究，但由于不易造成和连续保 持较高的真空度，实际上几乎没有正式投入工程中应用瞄。；在六十和七十年代， 也只有几个工程结合深井排水法应用了真空法加固，且其所达到的真空度均没有 超过4 0 0 毫米汞柱( 不- 至l j 5 4 k p a ) 。 8 0 年代初期至中期，我国交通部一航局科研所、天津大学等单位对真空预压 法的加固机理( 天津大学，陈环等，1 9 8 1 - - - 1 9 8 7 ) 、施工工艺及设备进行了研究， 取得了突破性进展，并在天津新港的吹填陆域进行了大面积应用，获得了较好的 经济效益和社会效益。为了满足某些使用荷载大、承载力要求高的建筑物的需要， 1 9 8 3 年又开展了真空一堆载联合预压法的研究( 交通部一肮局，叶伯荣等) ，开发 了一套先进的工艺和优良的设备，并在工程应用中取得了良好效果，从理论和实 践方面论证了真空和堆载加固效果的可叠加性，得到了国外同行的高度评价；闰 澎旺教授和陈环教授用三轴仪也进行了正负压对比试验，认为正负压作用下的固 结过程是基本相同的；1 9 8 5 年化学工业部第一勘察设计院开始引进真空预压技 术，从工艺设计、施工机械制造、现场施工到效果检测，建立了一整套完整的体 系，并应用于连云港碱厂超软土地基加固工程，完成加固面积达7 0 0 0 0 m 2 ，取得 良好的效果。目前我国真空预压法的工艺技术在真空度和大面积加固为一面处于 国际领先水平，应用也越来越广泛“。 9 0 年代以来，真空预压法在我国沿海地区港口和城镇建设的超软土地基加固 中得以广泛应用，我国真空预压法的理论研究及工程应用方面均处于国际领先地 位，其膜下真空度可达6 1 0 - - 7 3 0m m h g ( 相当于8 0 9 5 砌的等效荷载) ，历时4 0 7 0 天，固结度即可达8 0 ，承载力提高到3 倍，单块密封薄膜面积可达3 0 0 0 0 m 2 ， 己在近3 0 0 万m 2 工程中使用并取得满意效果。 天津大学硕士学位论文 浅层地基处理的处理范围一般认为是地面以下5 m 深度以内，有的地基处理 方法可以达到地面深度l o m 以内。常用的浅层地基处理方法有u w 。： ( 1 ) 表层压实法：最简易的地基浅层处理，主要适用于软弱土层位于表层， 厚度不大，或上部荷载较小时，一般应用于道路、堆场、轻型建筑物等。常采用 机器碾压和机械振动。此法有施工简便、成本低、工期短等特点。 ( 2 ) 垫层处理：当软弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物的要求且厚 度不大时常采用这种方法，主要作用是提高地基承载力、减少沉降量、加速软弱 土层的排水固结等。这种方法又可分为砂和砂石垫层、灰土和素土垫层、碎石和 矿渣垫层等。 ( 3 ) 重锤夯实法：利用重锤自由下落时的冲击能来夯实浅层杂填土地基， 使其表面形成一层较为均匀硬壳层。适用于处理地下水位0 8 m 以上稍湿的杂填 土、粘性土、砂性土、湿陷性黄土和分层填土等地基，但在有效夯实深度内存在 软粘土层时不宜采用。 ( 4 ) 短桩处理：可分为预制钢筋混凝土短桩和楔形桩处理。预制钢筋混凝 土短桩适用于在软弱土地基上建造建筑物或构建物时，在地表不深处( 如l o m 之 内) 有较好的持力层( 如砂层或硬层) 常采用这种方法，此法有可避免大量土方 的开挖、加工制作周期短、沉桩效率较高、施工方便等特点；楔形桩是2 0 世纪7 0 年代出现的一种新型短桩。 ( 5 ) 灰土桩：适用于处理杂填土及湿陷性黄土，此法的优点是技术可靠、 工期短，不用或少用机械设备及熟练工人、适应性强、且就地取材、费用低等。 此外还有褥垫层等一些浅层地基处理方法。 结合天津港区土质特点，上面介绍的浅层地基处理方法许多都有实践和应 用，但在天津港地区真空预压已经被公认处理软弱粘性土的好方法。 由于真空预压一般处理海相、湖相及河相沉积的软弱粘性土，这种土分布一 般较厚，且有时含有淤泥或淤泥质土等，真空预压通常为深层地基处理。 真空预压作为一种行之有效的软土地基处理方法，其理论研究日趋成熟，这 为真空预压浅层加固提供了研究的基础，在实际工程中某些情况下，例如软土层 太深以至于完全打穿不太经济，或者施工不可能，某些工程并不需要完全加固软 土而只需处理一定深度的软土就能使其满足稳定和承载力要求，这就引起了未穿 透软土层的的处理问题，这些研究问题可以归结为对未打穿砂井的研究，近年来 已有几十年的时间，不少专家学者对未打穿砂井的研究上积累了不少经验。以下 是近年来有关研究： 第一章绪论 1 9 5 8 年，h a m u 川等人在分析软土层底面不排水的未打穿理想井的基础上提 出了迄今仍广泛采用的未打穿砂井地基总平均固结度近似计算式，即： u = p u 一+ ( 1 一p ) u ： 式中u ，：和u ：分别为打穿砂井地基和天然地基的平均固结度，分别按径竖向 组合固结理论和单向固结理论来计算。p 为砂井长度与地基软土层厚度之比，常 称为贯入度。 国内也常用上式对未打穿砂井地基的平均固结度进行简化计算，但对式中 巩和u ：两项的定义及计算方法与h 删法不同。两种方法的不同之处在于；h a m 法计算u 。和u ：时排水距离均取整个地基的厚度；而国内常用简化法则计算u 。 时取排水距离为砂井长度，计算【，：时取排水距离为下卧层厚度。 陈根嫒( 1 9 8 4 ) u 刮认为国内常用简化法将砂井底面作为下卧层的透水面，使 得该水平面上的孔隙水压力不连续，即该法有不合理之处，有改进的必要。因此， 陈根媛提出了“双层地基法”，即：首先把砂井长度范围内土层的三维固结按固 结度等效原则转化为一维固结，求出该土层的等效竖向固结系数；然后，将该土 层与下卧层连在一起作为双层地基，按双层地基一维固结问题计算，其中下卧层 采用原状土的竖向固结系数，而砂井长度范围内的土层采用等效竖向固结系数。 1 9 9 8 年，t a n g x i a o w u u 训给出了未打穿砂井地基固结问题的解析解。该解是 通过将砂井长度范围内土层的固结视为三维轴对称的、下卧层的固结视为一维竖 向的而得到的，因而并没有考虑下卧层实际存在的三维渗流情况。 而后也有一些人研究未打穿砂井的问题，但大部分的工作与t a n g x i a o w u 和陈 根媛的大同小异。关于未打穿砂井地基固结问题，至今尚无精确解。 在沉降方面，依然采用最常用的分层总和法进行沉降计算，根据具体土层性 质，进行沉降计算，由于新近吹填土一般上部为欠固结土而下部为正常固结土， 因此在计算方面分两种情况。 地基承载力在迈耶霍夫和汉纳( h a n n a a m ) u 刮研究的基础上进行分析， 对于有软弱下卧层的双层地基按魏锡克承载力确定。 近年来，天津大学建工学院岩土工程研究所闰澍旺教授和朱平教授与天津港 合作开展天津港区吹填土地基浅层加固方法研究，经理论分析和室内试验及现场 试验取得了良好的结果，本文是在上述理论及试验研究的基础上对浅层地基加固 进行了分析研究。 通过对真空预压在浅层地基加固研究现状，并结合实际工程背景，本文主要 天津大学硕士学位论文 研究了以下几个问题： ( 1 ) 对真空预压浅层加固机理加以分析，分别从固结度、沉降过程、地基 承载力等方面进行理论分析； ( 2 ) 对真空预压在浅层地基与深层处理作对比分析，在满足某些工程地基 承载力的情况下尽量缩短工期； ( 3 ) 浅层加固在实际工程中的应用，对加固前后土体物理力学性质的比较， 以及对加固过程中加固区域进行施工监测( 地面沉降、分层沉降、孔隙水压力等) 采集的数据进行分析，进一步说明浅层地基加固的优势。 ( 4 ) 在没有土源、砂源及无法展开大型机械情况下，对真空预压浅层地基 加固施工工艺进行分析，用渗排水材料代替原有来砂垫层同时采用人工施工。 第二章真空预压浅层加固机理分析 为了有效地对软弱土地基进行浅层地基加固，结合真空预压理论及当地实际 情况，总结归纳地基处理中固结度、沉降、地基承载力等部分的计算。经过国内 外专家几十年来的不断探索和研究，真空预压法早己开展了大面积应用，并在工 程实践中取得了良好的加固效果，成为目前加固软土地基的一个行之有效的方 法。但对于真空预压浅层加固仍然处于研究阶段，亟待解决的问题还很多。 针对天津港东疆港区吹填土体进行浅层加固，由于排水板的深度范围没有穿 透软土层范围，只涉及到上面软土层，从表1 1 中可以看出这部分土体属于超软 土，其工程性质非常差，对土体进行真空预压处理，其目的是要从根木上改善软 土强度与变形等方面的不良工程特性，以适应不同工程地基的要求。对真空预压 浅层地基加固的研究主要是分析在缩短时间和在排水板插板深度较浅的情况下 满足某些工程的要求。 2 1 真空脏的加固机曩 真空预压的整个加固过程是：土体抽真空后，真空压力直接作用在砂垫层中 的水气流体上，先提高排水边界中的真空度，形成下部土体与砂垫层之间的压差， 使得表层土体内的水和气在压差作用下，通过塑料排水板流到砂垫层中，再通过 与真空泵相连的排水管道被抽出，随着时间的延续，真空度沿着塑料排水板向深 度传递，并通过塑料排水板向周围土体扩散传递，使得深层土体中的水和气被抽 出，由于土体本身渗透系数很小，水源补给不可能大于或等于地下水被抽出的速 度，因此同时伴随着地下水位的逐渐下降。在整个过程中，土体中产生负的超静 孔隙水压力，随着水气的排出，超静孔隙水压力不断消散，土体有效应力不断增 加，土体得到加固。 从整个加固过程可以看出，真空预压法是通过抽真空对加固区施加真空负 压，它作用于砂垫层和塑料排水板内的孔隙水，在短时间内砂垫层和塑料排水板 内的孔隙水压力迅速降低并排出水和气。由于土和塑料排水板的渗透系数的极大 差别，土体在刚开始抽气时仍保持抽气前孔隙水压力分布状态。这样，土体内与 作为边界的塑料排水板和砂垫层间形成孔压差。孔隙水在压差的作用下，伴随着 天津大学硕士学位论文 真空废 黝, y s盼角拗、 陆悸确失、飞 l 图2 1 真空预压有效应力变化示意图图2 2 真空预压摩尔圆变化示意图 渗流使水排出并使甜降低。z f ( 势) 的不平衡逐渐由近及远地向距离较远的点波及， 形成土体内距塑料排水板和砂垫层远与近各点间的“( 势) 差。根据太沙基的有效 应力原理，在总应力基本不变的情况下，孔压的降低即为有效应力的增加值，从 而使土体固结压密，直到土体内与边界上的z f ( 势) 达到新的平衡为止h 1 。其有效 应力变化如图2 1 。由于孔压是球应力，所以真空预压时减少的孔压( 增加的有效 应力) 是各向等压的，如图2 2 所示，地基中土体单元的莫尔圆大小并没有改变， 只是向右发生移动，加固后剪应力大小没有改变，强度由丁。变为r ，卸载后， 被加固土体由正常固结状态变为超固结结状态，地基土的强度延超固结包络线 o a7 退n b 点，和加固前相比强度增加f 旧。 从微观上看，真空预压是土体结构不断调整重组的过程，真空压力直接作用 在土体中的水气流体上，而不是直接作用在土体骨架或颗粒上。在真空预压最初 期，土体排水量很大，但沉降甚微，说明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、接触点支撑力，土体中的有效应力增加但未发生 变形，随着水气的抽出及时间的持续，土体颗粒间的孔隙逐渐增大，且由于浮容 重转化为湿容重，因而土体颗粒发生错位重新排列，使得土体的有效应力和变形 增加，这是由于外因而导致其内部调整的一个过程，使得土体密实而得以加固， 在整个过程中只是土体颗粒的重新排列和充填，而土体颗粒不会发生破碎，因而 一次加载也不会出现破坏现象，同时由于其变形为内部“自发”调整，在宏观上 表现为塑性变形；无论在现场还是室内试验过程中，当停止抽气时，水存在一个 回灌的过程，使得现场中的地下水位升高，土体颗粒仍然处于调整状态，由于水 位的上升，土样的含水量增加，由于土体颗粒未发生破碎充填，颗粒之间仍然有 一定的孔隙使水得以进入，使得部分土体有湿容重重新转化为浮容重，土颗粒之 第二章真空预压浅层加固机理分析 间的粘聚力减小，使得加固后的抗剪强度有所下降：同时颗粒之间并未有重新错 动的过程即土体发生的为塑性变形，从而表现出在真空预压在卸载时回弹量很小 的特征，地下水位上升的程度取决于水源补给和颗粒重组后孔隙的大小m 1 。 2 2 1 浅层处理中的固结度计算方法 在浅层地基加固中，插水板未穿透软土层，即只有上部一部分排水板插入软 土中，在这方面的研究基于未打穿砂井地基固结。其主要原因是软土层太深以至 于完全打穿不太经济，或者施工不可能。 1 9 5 8 年，h a r t 等人在分析软土层底面不排水的未打穿理想井的基础上提出了 迄今仍广泛采用的未打穿砂井地基总平均固结度近似计算式，即： u = p u m + ( 1 一p ) u ： ( 2 - 1 ) 式中u 。和u ：分别为打穿砂井地基和天然地基的平均固结度，分别按径竖向 组合固结理论和单向固结理论来计算；p 为砂井长度与地基软土层厚度之比，常 称为贯入度。 国内也常用上式对未打穿砂井地基的平均固结度进行简化计算，但对式中 u 。和( ，：两项的定义及计算方法与h a r t 法不同。两种方法的不同之处在于：h a r t 法计算u 。和u ：时排水距离均取整个地基的厚度；而国内常用简化法则计算孑。 时取排水距离为砂井长度，计算u ：时取排水距离为下卧层厚度。 对于u ，：的计算在砂井长度范围内土层的固结视为三维轴对称，采用b a r r o n 解法“，而对于下卧层土视为一维固结。 而，插板层 最- e ，1 垃下卧层 墨，- g 2 图2 3 等效双层地基 2 2 1 1 太沙基固结理论 基本假设：土是均质的、完全饱和的理想弹性材料；土体变形是微小的；土 颗粒和孔隙水均不可压缩：孔隙水渗流服从达西定律，渗透系数为常数；荷载一 天津大学硕士学位论文 - 一一 次瞬时施加并维持不变，土体承受的总应力不随时间变化；土体中只发生竖向压 缩变形和竖向孔隙水渗流蚓。 基本方程的建立：设土体完全饱和，土颗粒和孔隙水不可压缩，则单元土体 的体积压缩量变化量拿出理论上等于挚出，即： u l o z 譬如= 孕比( 2 - 2 ) 8 ta z 7 式中q 为体积应变， 吼为单位面积流量。 根据达西定律，知 ka 材 g ：= 一 凡o z ( 2 3 ) 式中： k 渗透系数： 7 。水容重； z f 孔隙水压力。 由总应力不变情况下提及的变化与竖向变化等同结合( 2 2 ) 和( 2 3 ) 式 得： 8 s 。8 s ，8 据 言。i 一所”百 ( 2 4 ) 式中： 占：竖向正应变； 豫体积压缩系数，= q 0 + 力； 吼压缩系数； p 孔隙比。 联立( 2 - - 3 ) 和( 2 _ _ 4 ) 得太沙基单向固结基本微分方程： a z ， 一a 2 “ 瓦2c 7 可 ( 2 5 ) 式中c t 为固结系数，c v = k 凡聊，= ( 1 + e ) k f 。口。 单向固结问题的初始条件和边界条件分别为： z f i ，：0 2 u o “l ：；o = 0 娑b = 0 o _ z 式中： 初始孔隙水压力； ( 2 。6 ) 第二章真空预压浅层加固机理分析 一一 卜压缩层厚度。 方程式的解： 心力= 薹嗜2r 试等出袖等p l c 2 式中：m ：( 2 m i - 一1 ) j r ；乙为时间因素，l = c v t h 2 。 若压缩层内u o 均匀分布，则( 2 7 ) 演化得： 叱力砘薹云s 缸警e 划五 亿8 ) 整个压缩层t 时刻平均孔隙水应力五、平均固结度u 、 衲= 百1f 砒锄荟矿2 p 聊工 = 堑塑= 1 一矿2 u o m = l e 埘2 h 总压缩量s 分别为： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 吨f ( u o - u ，d z = m v u o h 畦音p 材1 协 对于弹性土体，由( 2 1 0 ) 和( 2 11 ) 知，反映孔隙水压力消散程度的固结 度u 应等于变形比，即 阶半= 器 协1 2 ) 2 2 1 2 排水板层地基固结度 1 9 4 8 年巴隆( b 口肿刀) 1 5 1 在太沙基单向固结理论基础上，建立了轴对称固 结基本微分方程并导出其解析解，在砂井地基设计中得到广泛应用。 三维固结基本微分方程可写成： a z fa 2z f a 2z ， a 2 u ，、 百2c w 可+ c 咿矿托”可 屺以川 而考虑水平向和竖向渗流即径向和竖向方程为 竺o t 弘豢坞f 鲁弓等 协 一邓v 可托一i 可+ 了ij 忆叫制 插板时，超孔隙水压力将随地下水的径向及竖直向渗流而消散，b a r t o n 解在 减小径向排水路径长度的同时增大了竖直向排水路径长度，因此应用这一方法进 天津大学硕士学位论文 行计算更加快捷。在一圆柱状土体单兀中，计算由竖直向与径向组合排水引起的 超孔隙水压力消散的偏微分方程如式2 - 2 所示。实际上，超孔隙水压力比“。u 。由 单纯竖直向渗流( 式2 - 1 4 中qa 玉2 _ l ：) 和单纯径向渗流( 式2 1 4 中。厶( 【石a 2 u 丁+ ! r 睾】) 比 i 咖。办j 情况下分别计算得出，然后与c a ，i l l o 方程1 7 3 联立( 1 9 8 1 年m i t c h p 朋和k a t h ) ： 一点处 ( u ：o l 一= ( 薏) ，( 薏 。 c 2 。5 ) 平均值 ( 詈 诎= ( 詈 ，( 詈) 。 c 2 - - 6 ， 或 一点处 ( 1 一) = ( 1 一) ( 1 一) ( 2 - 1 7 ) 平均值 ( 1 一瓦) = ( 1 一玩) ( 1 一玩) ( 2 1 8 ) 式中：矿，单纯竖直向排水的固结度； 玩单纯水平向排水的固结度； u ：单纯竖直向渗流条件下深度z 处的固结度； u n 单纯径向渗流条件下的固结度。 下标v 和h 分别代表竖直向和水平向( 径向) 渗流。玑的值随着该点与排水 设施的径向距离及时间变化。 在式( 2 1 4 ) 的基础上分析打设排水板粘土层中的一个土体单元。将土体单 元理想化的等效为一个以d 。为直径的圆柱形土条，土条外表面不透水，内部有 一圆柱形的排水设施。排水板等效直径矾，为使圆柱状排水井与原排水板具有相 同周长的直径( 如图2 4 所示) “，即： 不 排 水 边 界 排 水 路 径 广五1 排 水口 表 面 图2 - 4b a r t o n 轴对称固结图 水板 第二章真空预压浅层加固机理分析 以= 2 0 + 6 ) 万 ( 2 1 9 ) 式中：a ，b 排水板的宽度和厚度。 根据b a r t o n 的等应变解，可以根据下式计算仅由径向渗流引起的平均固结 度： 玩_ 1 _ e x p r 【- 雨- 8 t 6 协2 。) 荆= 网n 21 n ”掣汕”o 7 5 ( 2 - 2 1 ) 式中：拧井径比， 刀= d 。d 。 瓦= 虿c h t ( 2 - 2 2 ) 通常玩对瓦的贡献远小于玩对瓦的贡献。用试算法计算达到预期的u v h 所需的时间。 根据排水板布置方式的不同，等效排水直径可由下式得出。如果排水板按照 正方形网格模式布置，等效排水直径为： 间距2 = 万丝4 ， 因此吃= 1 1 2 8 间距 ( 2 - 2 5 ) 如果排水板按照三角形网格模式布置，等效排水直径为： 间距2 xs i n6 0 。= 等， 因此吃= 1 0 5 x 间距 ( 2 - 2 6 ) 对于上部插板部分土体固结度计算由式( 2 1 8 ) 和式( 2 - 2 0 ) n - 3 以得出： 瓦= 1 一( 1 一玩) e x p - 8 瓦，0 ) 】 = 1 - 0 一玩) e x p l 一8 李- t , f ( n ) l ( 2 2 7 ) = 1 0 一玩) e x p - 五瓦】 式中 ，8 瓦8c d ； 肛厕芎5 雨葡c s - s p 。) ；( 3 ) 地基土为欠固结土( p 。 1 时p 巾= 互1 ( 军i - i ，：一。日h + 辜7 ；日，) 正常固结土的沉降 ( 2 4 5 ) 七v h p + r ：h ， j p + y 矗 1 。 lp + z y i h , l 将吹填土层和近期的海相沉积的超软土下卧地基土作为正常固结土来计算。 在计算时将上覆吹填土和超软淤积层的有效自重应力作为下卧地基土层的荷载， 视作均布荷载。据此可以计算出下卧地基土中的附加应力应力尸。在分层总和法 的基础上考虑插板期间的固结度，得出插板期间下卧地基土的沉降s ： 驴喜静明 协4 6 ， 式中： e 一第i 层土厚度； 第二章真空预压浅层加固机理分析 q 一第f 层土的压缩系数； 一第f 层土的固结度。 p 一下卧地基土的附加应力，其大小按照以下方法计算： p = h 。+ 只 ( 2 4 7 ) ，= l 其中： 一第一层粉土的自然容重； 日。一第一层粉土的厚度； 一粉土下卧吹填土层的有效容重； 真空预压固结在插板期间的总沉降由吹填土的沉降和填土下卧地基土的沉 降组成，所以插板期间由于土的自重而产生的沉降为： s ，= s l4 - s 2 ( 2 - 4 8 ) - 下卧地基层 图2 7 正常固结土沉降 2 2 2 2 预压期间疋的计算 预压期间足的计算按下式计算 s 。= s j ( o o ) u ， 式中：$ i ( o o ) 一第f 层土总的沉降量； 一第f 层土在预压结束时的固结度。 厂o ho t i e ， ( 2 4 9 ) 天津大学硕士学位论文 在进行预压期间沉降计算的时候，不是外部荷载直接作用在被加固土体上， 而是利用膜内外真空度的差值，将真空负压直接视为堆载加在加固土体上。土体 的应力就是由于真空负压产生的均布荷载。所以计算时取真空负压作为土体中的 应力进行沉降计算。 同时真空预压与堆载预压不同，堆载预压产生单向应力，将土体看作是竖向 压缩，对应的压缩模量为竖向压缩模量e ，而真空负压在土体中的作用是一个 球应力，从而产生等向压缩的效应。所以沉降计算时由等相向压缩模量代替压缩 模量，压缩模量和等向压缩模量之间的换算关系如下： e ：1 - 2 k o t e (2, 5 0 ) l 一2 2 其中： k o2 瓦u 式中：k 为静止侧压系数，为地基泊松比；巨为压缩模量；e 为等向压 缩模量。 2 2 3 浅层加固后地基承载力的计算 2 2 3 1 真空预压中硬壳层的形成 软土地基硬壳层u 是相对于软土而言的，一般呈硬塑状，力学性质或多或 少好于下卧软土层，具有一定压缩性。硬壳