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真空一堆载联合预压的影响因素研究及数值分析 摘要 本文主要是利用实际工程中观测得到的数据，研究真空联合堆载预压条件 下土体的变形规律， 同时采用有限元方法对真空一堆载联合预压的影响因素进行 了一定的研究。 首先总结了真空一堆载联合预压现场试验监测成果、室内试验成果以及现 场十字板剪切试验与静力触探试验成果， 通过对试验结果的分析比较， 说明真空 联合堆载预压对软粘土地基的处理能取得很好的加固效果。 在此基础上，以b i o t 固结理论为基础， 采用大型通用有限元程序a b a q u s 进 行实际工程的模拟计算及分析， 同时对真空度、 排水板打设深度、 排水板打设间 距、固结系数等因素对真空联合堆载的变形影响进行了 研究。 本文通过现场试验观测和数值分析，对真空一堆载联合预压的加固效果以 及变形影响因素进行了一定的探讨， 所得到的结论对真空一堆载联合预压在软土 地区的设计和工程应用有一定的帮助。 关键词: 真空预压;真空一堆载联合预压; b i o t 固结理论; 有限元;真空 度;沉降;侧向变形 s t u d y o n t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r a n d n u m e r i c a l a n a l y s i s f o r v a c u u m -s u r c h a r g e p r e l o a d i n g me t h o r d ab s t r a c t i n t h i s p a p e r , t h e d e f o r m a t i o n l a w o f s o i l u n d e r v a c u u m -s u r c h a r g e p r e l o a d i n g b a s e d o n t h e r e a l e n g i n e e r i n g d a t a w a s s t u d i e d , i n fl u e n c i n g f a c t o r o f v a c u u m - s u r c h a r g e p r e l o a d i n g w a s s t u d i e d a s w e l l u s i n g f e a m e t h o d . f i r s t l y , t h e d a t a m e as u re d f r o m f i e l d t e s t , i n d o o r t e s t , v a n e s h e a r t e s t a n d s t a t i c c o n e p e n e t r a t i o n t e s t o f v a c u u m -s u r c h a r g e p r e l o a d i n g w e r e s u m m a r iz e d . s e c o n d l y , o n t h e b a s i s o f b i o t s c o n s o l i d a t i o n t h e o ry , t h e r e a l e n g i n e e r i n g w a s s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d w it h a b a q u s , a g e n e r a l p u r p o s e f i n i t e e l e m e n t p r o g r a m . f u r t h e r m o r e , t h e d e f o r m a t i o n i n fl u e n c e o f t h e f a c t o r s u n d e r v a c u u m -s u r c h a r g e p r e l o a d i n g w a s s t u d i e d , s u c h as d e g r e e o f v a c u u m , d r iv i n g s p a c e b e t w e e n p l a s t i c d r a i n p l a t e s , d e p t h o f p l as t i c d r a i n p l a t e s a n d c o e ff i c i e n t o f c o n s o l i d a t i o n , e t c . 丁 h i s p a p e r d i s c u s s e d t h e s t r e n g t h e n i n g r e s u lt o f g r o u n d c o n s o l i d a t i o n a n d d e f o r m a t i o n i n fl u e n c i n g f a c t o r o f v a c u u m -s u r c h a r g e p r e l o a d i n g , a n d t h e c o n c l u s i o n w i l l b e h e l p f u l f o r e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n . k e y w o r d s : v a c u u m c o n s o l i d a t i o n t h e o ry; l a t e r a l d i s p l a c e m e n t p r e l o a d i n g ; v a c u u m s u r c h a r g e p r e l o a d i n g ; b i o t s fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ; d e g r e e o f v a c u u m; s e tt l e m e n t 浙江大学硕十学位论文段冰2 0 0 5 年 3月 第一章绪论 1 . 1 引言 随着我国改革开放的不断深入和国民经济的迅速发展，几年来我国高等级 公路发展迅速。到2 0 0 0 年底，我国高速公路总里程己达 1 6 3 1 4 公里，创造了高 速公路发展的奇迹。 但我国已有及在建的高速公路主要集中于东南沿海一带， 而 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 4 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粉 砂层。 这类软土具有强度低、 含水量大、 渗透性差、 高压缩性等特点。 在这种软 土地区建设高等级公路，路基将由于固结变形会产生很大的沉降和不均匀沉降， 而且沉降延续的时间很长。 为解决这些问题， 公路建设者和投资者尝试和使用了 多种软基处理方法， 这些方法可以分为两类 ( 龚晓南，1 9 9 8 ): 土质改良 法与复 合地基法， 前者包括排水固结法、 强夯法及其他方法; 后者包括水泥土桩复合地 基、 碎石桩复合地基、 低强度桩复合地基与加筋土复合地基等6 1 在高速公路的软土路基处理中，真空一堆载联合预压法是属于土质改良 法 中的一种较好的地基处理方法。 该方法具有真空预压和堆载预压的双重效果， 但 又不完全等同于二者的简单叠加。 通过抽真空形成负压， 当真空度达8 0 k p a 以上， 相当于一次性施加4 - 5 m的填土荷载。 由 于抽真空产生负压， 使土体产生向内的收 缩变形， 可以抵消因堆载产生的向外的侧向 挤出变形， 地基不会因填土速率过快 而出现稳定性的问题， 同时该方法可以将填筑的路堤作为堆载加以利用， 不仅具 有很好的加固效果，而且经济效益很明显。 真空预 压法 加固 地基的 模型 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 a 1 9 5 8 年美国 费 城国 际 机场跑 道扩建 工程首 次 采用真空 预压 法与深井降水联合加固获得成功，随后日 本、芬兰、 法国、苏联、 瑞典等国家都 有该工法的报道， 但由于当时抽真空泵的效率、 密封技术、 气水分离问题等关键 因素的制约， 效果没有预期的显著， 在很长一段时间内 没有得到广泛的 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，但未能达到工程应用阶段。 第一章绪论 直到1 9 8 0 年交通部一航局科研所在塘沽新港进行了几次现场试验， 解决了一些施 工工艺后才在工程应用方面获得成功，成功地在天津新港地区加固软基6 . 8 万平 方米， 并于1 9 8 5 年1 2 月通过了国 家技术鉴定。目 前我国真空预压法的工艺技术在 真空度和大面积加固方面处于国际领先水平， 由于该方法在处理软土， 特别是超 软土时，不会因土体的侧向挤出变形而破坏，同时施工期较短和对环境污染小， 故而得到了广泛的应用。 从施工的角度而言，真空预压技术已相对成熟，但真空预压的理论研究却 远远落后于工程实践的需要。 不少理论问题至今仍未能得到解决， 如真空预压法 的加固深度及影响范围、 真空预压区地下水位的变化情况及影响等。 因此对真空 预压及真空一堆载联合预压法进行深入研究具有很大的理论价值， 而且经济效益 和社会效益十分明显。 1 . 2 研究应用现状 1 . 2 . 1 真空一 堆载联合预压法简介 真空预压法处理地基，首先在原地基表面铺垫5 0 c m 左右厚的砂垫层，作为 水平排水体， 再在土体中打入袋装砂井或塑料排水板， 作为竖直排水体。 将不透 气的薄膜铺设在需要加固的软土地基表面的砂垫层上， 薄膜四周埋入土中， 借埋 设于砂垫层中的管道， 将薄膜下土体间的空气抽出， 使其形成相对负压，由于砂 井渗透性较大， 该负压能够传递到砂井或塑料排水板中， 从而在砂井或塑料排水 板和周围土体之间形成孔压差， 使土体中的孔隙水流入砂井或塑料排水板中并被 排出，以达到固结。其示意图如图1 - 1 所示。真空预压系统由抽真空系统和排水 排气系 统两部分组 成。 根据目 前的 工 程经 验， 膜上下压差 可维持 在6 1 0 - 7 3 0 m m h g , 即 8 0 - 9 5 k p a 左右。 一般可取7 5 - 8 0 k p a 作为设计压差。 真空联合堆载预压是在真空 预压施工的基础上， 在膜上下压差真空度达设计要求并稳定1 2 周后进行堆载预 压施工， 若天然地基特别软弱， 可适当推迟堆载时间。 在堆放第一级荷载时， 应 采取可靠措施保护密封膜。 堆载施工完毕后， 真空和堆载联合作用， 直到满足固 结度要求或者沉降速率要求时可以卸除真空荷载。 浙江大学硕士学位论文段冰2 0 0 5 年 3月 路 百 给 构 层 图1 一 1 真空 雄 载联合预压加固软基示慈图 1 . 2 .2 加固机理研究现状 国内外有不少专家学者和研究机构对真空预压法及真空一堆载联合预压法 进 行了 一 系列的 室内 试验、 现场试验、 数值 模拟和理论研究 8 1 1 3 1 1 5 1 7 1 2 0 1 。 综合 迄今为止的研究成果， 对堆载预压、 真空预压及真空一堆载联合预压的加固机理 可以从以下几个方面加以阐述: 1 .2 .2 . 1 加固机理的有效应力原理解释 弃空度 增翻的 有效 应 如不 计弃 空度 应阵低的水压 降低后的 圈1 一堆载砚! r 时有效应力变化 z 图 卜 3真空预压时有效应力变化 堆载预压法机理较清楚， 当饱和软土堆载时， 地基由于荷载作用而产生的附 加应力开始全部由孔隙水压力承担， 而有效应力不变， 因土内与边界仁 孔隙水压 力u( 势)不平衡，土内产生向排水边界的渗流，随着时间的推移，孔隙水压力 逐渐消散， 最终全部转化为有效应力， 其有效应力变化如图1 - 2 。 堆载预压是k o 固结，如图1 - 4 ，加固后强度由: 。 变为t ，且莫尔应力圆大小也改变了。卸载后 第一章绪论 加固土体的强度沿超固结包络线o a 退到b 点，强度增长a t 。 ， 。 a 9 p i i 9a p yl一 la - 一 “ 图1 - 4堆载预服时莫尔娜变化示意 “ p ; .p , a ; 图1 - 5真 空硬压时 莫 尔目 变化 示惫 真空预压的加固机理是在外荷不变的情况下， 通过抽真空对加固区施加流体 压力， 它作用于砂垫层和砂井内孔隙流体， 在短时间内砂垫层和砂井内的孔隙水 压力迅速降低并排出水和气。 由于土和砂井的渗透系数差别极大， 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砂井和砂 垫层间形成孔压差。孔隙水在压差的作用下，伴随着渗流使水排出并使u( 势) 降低。u( 势)的不平衡逐渐由近及远地向距离较远的点波及，形成土体内距砂 井和砂垫层远与近各点间的u( 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 u( 势) 达到 新的 平衡为 止1 5 1 。 其有效 应力变 化如图1 - 3 0 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1 - 5 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t 。 变为: 。卸载后，被加固土体由正 常固结状态变为超固结状态， 地基土的强度延超固结包络线 a 退到b 点 和加 固 前相比 强度增加t 3 2 1 a 真空一堆载联合预压法具有真空预压和堆载预压的双重效果， 但不等同于两 者的简单叠加。 关于正负压能否叠加， 可通过太沙基有效应力原理和达西定律加 以 说 明 3 5 1 设堆载是在抽真空之前加上的， 施加后地基某点 产生超静孔隙水压力 u o l , 总的孔隙水压力: u = y ,y h + p q + a n o t ， 式中y w h 一静水压力， h -分析点距地下 水面的深度， p q 一大气压力，a u o r 一堆载产生的正的孔隙水压力。在h 深度处抽 真空使孔隙水压力下降达真空剩余压力p， 因此该点增加的有效应力 浙江大学硕士学位论文 段冰2 0 0 5 年s 月 0 =y,h + p , 斗 八 u o l -p , 若在地面抽真空，且没有联合堆载产生的超静孔隙水压力八 u 0 1 ，该点产生的有 效应力。 = p . p ,. ，可见有堆载且在地下水位下某深度处抽真空可使该点有效 应力增大 变化如图 y.h + 4 u n 1 ，具有更好的加固效果。真空一 堆载预压过程中 有效应力 真空度 增加的有效应力 增加的有效应力 堆级帐力 分布 反来的 有 效w力 图1 一 真空一堆载联合顶 压时有效应力变化 从另一角度看， 根据达西渗透定律:v - k ( o h 1 l ) 式中v 一孔隙水的渗透速度，k 一土的渗透系数，i s h 一水头差，l 一渗透距离。 真空预压的加固机理是通过首先降低土体中排水边界的孔隙水压力， 形成负的孔 隙水压力， 并逐渐向土体波及， 使土体与边界形成渗流所需的水力梯度: 而土体 由于堆载在土体中产生正的孔隙水压力， 而排水边界由于排水能力强， 孔隙水压 力消散较土体中快，形成土体与排水边界孔隙水压力u( 势) 差，也即形成渗流 所需的水力梯度; 两者联合作用， 正负孔隙水压力的压差增大， 也即是增加了土 体与排水边界的水头差 h ，加速了土中水的排出，加快了固结速度，使得加固 效果更好。 1 .2 .2 . 2 渗流路径及真空度传递规律 抽真空前，密封膜内外的气压均为 个大气压;抽真空后，密封膜下水平排 水垫层中的 气体逐渐被抽出， 膜下压力逐渐下降， 在膜内外形成一个压力差， 使 膜紧贴在排水垫层上， 工程界称这个压力差为“ 真空度” 或“ 膜下真空度”) ， 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。在机理研究早 第一章绪论 期，一直将真空度看作某种荷载作用于处理地基表面，未能获得有效进展。8 0 年代后期， 陈环等研究者提出抽真空只是不断地改变土内的孔隙压力， 即真空预 压是通过降 低土体中的 孔隙压力， 使有效应力增加而加固 1 7 1 。 孔隙压力降低是逐 步实现的， 水平排水垫层中的真空度， 通过打设在地基中的竖向排水体逐渐向下 延伸， 又通过竖向排水体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、 气由土体流向竖向排水通道， 流向地表水平排水垫层， 汇集到 滤管和主管，由射流泵抽出，地基土体因发生固结而得到加固。 因此，真空预压和堆载预压一样，都是固结过程，只是其边界条件不同，真 空预压是保持土中初始条件，降低边界孔隙水压力形成渗流。 岑仰润 ( 2 0 0 3 ) 通 过室内真空固结试验与加载固结试验的对比， 认为在固结状态相同的情况下， 真 空固 结和加载固 结显示的 基本性状一致2 1 1 。 因 此， 只要边界条件和初始条件符合 实际， 可以 用固 结理论来求解真空预压和堆载预压问 题2 1 1 3 0 1 1 .2 .2 .3水平位移 由于真空预压在加固过程中增加的是球应力，加固区内土体向里移动，即 土体有收缩变形， 这种收缩特性更利于使土体挤密。 从实测资料来看， 在真空预 压阶段， 测斜管发生向加固区方向的位移， 这种位移在抽真空前期速率较大， 随 后呈收敛趋势变化， 这与堆载预压完全不同， 堆载预压过程中产生向外的 挤出 变 形， 因而真空预压使地基具有较强的抗滑失稳能力， 在真空一堆载预压阶段可以 实现连续性加载，每一级堆载过程，就伴随向外的挤出位移。朱建才 ( 2 0 0 3 ) 根据观测资料指出，在水平方向， 地表的水平位移影响范围可达2 0 m.沿深度方 向， 深层土体的水平位移主要在l o m以上，1 5 m以下基本上无水平位移。深度5 m 以 上的 水平位移较大， 对邻近建筑物或构筑物的影响主要在深度5 m 范围 之内 2 2 1 1 .2 .2 . 4 真空预压机理研究的 新发展 龚晓南 ( 2 0 0 2 ) 采用多孔介质理论对真空预压的机理进行了全新的研究和 阐 述1 8 1 ， 认为抽真空在土体较大孔道中 形成真空渗流， 土体中较小孔道中的孔隙 水与较大孔道中流动的“ 真空流体”由于压差作用而排出， 产生固结现象。实际 上也可以将真空预压情况下的固结过程看做“ 真空流体” 在更为细小的孔道中扩 散， 或者说“ 真空流体” 对土中更为细小孔道中的孔隙水的驱替， 而这种扩散和 驱替与时间有关， 其结果导致土颗粒的重组和土体的压密。 真空预压加固软土地 浙江大学硕士学位论文段冰2 0 0 5年 3月 基由两个方面的作用组成， 一是真空渗流场引起的真空预压作用， 二是地下水位 下降引起的排水固结作用。 其中， 前者的作用范围仅限于降低后的地下水位线以 上部分地基土。同时， 龚晓南 ( 2 0 0 2 ) 对真空排水预压加固软土地基的研究现状 进行了总结， 对今后的 研究方向 进行了 展望5 提出 应该从最终效果和固结两个 方面出发才能系统的阐述真空预压加固软土地基的机理。 1 . 2 .3 计算理论研究现状 目前关于砂井地基的真空预压及真空一堆载联合预压法的计算方法主要 有: 一种是以 轴对称固结理论为基础的解析法， 如b a r r o n 解2 1 . h a n s b o 解和曾国 熙解9 ;一种是半解析法， 孔隙水压力由 解析解求出， 位移则用数值解法计算; 还有一种是以 t e r z a g h i 固结理论或b i o t 固结理论为基础的数值计算法， 如有限 元 法 1 0 、 边界元法和差分法等。 1 . 2 .3 . 1 解析法 真空预压法的解析解是在砂井理论上推导出来的。董志良 ( 1 9 9 1 )在单井 理论的基础上， 首次推导了 单井在负压及正负压联合作用下的 等应变解析解2 0 丁 利( 2 0 0 3 ) 对真空 预压加固 砂墙地基固 结 理论做了 研究 12 1 。 解析 解便于 工 程实 际的应用，但是解析解分析的边界条件比较简单，采用的土体模型也比较简单。 解析解只能进行一维分析， 对实际工程的复杂性反映不全面。 由于解析解一般假 设固结过程中总应力不变， 所以无法考虑固结过程中孔压与变形的藕合关系， 此 外，它还无法对整个地基特别是加固区边界的固结变形进行计算。 1 . 2 .3 . 2半解析法 半解析方法是赵维炳等在考虑土体流变的基础上提出的砂井地基固结分析 的 简便方法3 3 i 。 孔隙水压力由 解析解求出， 位移则用数值解法计算。 这种方法计 算比较简便，同时也可以考虑比较复杂的情况。 1 . 2 .3 . 3数值解法 土的固结与流变问题的基本偏微分方程， 对于稍微复杂一点的边界条件就无 法获得其解析解。 数值解法可以弥补解析解的不足， 适应于土体的非线性、 弹塑 j性和各向异性等特点。 沈珠江、 陆舜英 ( 1 9 8 6 ) 在b i o t 固结理论的基础上采用不同的本构模型分析 了一个5 0 x 6 0 m 试验场地的软土在真空作用下的固 结变形过程3 0 ， 计算结果表明 第一章绪论 弹性模型与实测值最为接近， 计算中假定真空表面为恒定负压， 砂井井底真空度 是顶部的三分之一， 中间按直线变化。 随后， 陈环等也进行了有限元和边界元在 真空预压计算方面的应用， 并将各种计算方法所得的结果与实a !9 平均固结度进行 了比较，发现以 b i o t 固结理论为基础的有限元法和边界元法两者比较接近，而以 t e r z a g h i 固 结理论为 基础的 有限 差分法与实测结果偏差较大4 0 1 在计算时，陈环和沈珠江把砂井视为砂墙，将空间问题转化为平面问题， 他们都把砂井和砂垫层作为已知水头边界进行计算。 陈环把砂井作为砂墙， 沈珠 江则按砂墙间距放大系数的平方放大地基的渗透系数。 陈环令砂垫层和砂井在初 始时刻同时达到负的真空压力，沈珠江则根据部分实测结果对砂井孔压进行假 设。 d .t .b e r g a d o 等在对曼谷机场真空一堆载联合预压地基处理工程进行计算时， 采用了修正剑桥模型，得到的计算结果较好。 1 .3本文的主要工作 结合当前的研究现状和存在的问题，本文拟在实际工程的背景下，侧重研 究以下几点: 1 . 以台州市交通勘察设计院与浙江大学岩土工程研究所联合立项的“ 路桥至 泽国一级公路桥头段深厚软基处理研究” 课题为背景， 对真空一堆载联合预压现 场试验监测成果、 室内试验成果以及现场十字板剪切试验与静力触探试验成果进 行分析比较。 2 . 以 b i o t 固 结理论为基础， 总结真空预压加固 地基固结计算的基本方程， 介 绍采用有限元方法进行真空预压加固地基固结计算的基本过程。 3 . 结合工程的 现场实测数据， 采用大型通用有限 元程序a b a q u s ， 进行二维 固结有限元分析。 同时利用a b a q u s 程序， 模拟真实的加载过程， 改变固结系数、 排水板的打设深度、 真空度等因素， 分析其对真空预压变形的影响， 进而能够提 出提高真空一堆载联合预压加固效果的措施和减少真空预压加固地基对周围建 筑物影响的措施。 浙江大学硕士学位论文 段冰2 0 0 5 年 3月 第二章 真空一堆载联合预压现场试验监测成果分析 2 . 1引言 真空一堆载联合预压加固地基现场试验项目 依托于台州市交通勘察设计院 与浙江大学岩土工程研究所联合立项的“ 路桥至泽国一级公路桥头段深厚软基处 理研究” 课题。 本课题试验段为路桥至泽国一级公路演里陈大桥桥头段， 路桥至 泽国一级公路起点为台州路桥区松塘大转盘，同 1 0 4国道复线相连。全长 9 .9 7 9 k m 。 线路由 起点向东前行1 公里左右， 经路桥区 下侠里陈村转向 南， 沿线 经过石曲，清陶，峰江等村镇，终点为温岭市泽国镇下洪洋村，与7 6省道泽国 至太平复线一级公路起点连接，起止桩号分别为k 0 + 0 0 0 , k 9 + 9 7 9 .4 5 5 0 路桥至泽国一级公路桥头段真空联合堆载预压法处理软基试验段位于侠里 陈大桥桥头段， 桩号k 0 + 6 5 7 - -k 0 + 7 2 2 。 桥头段加固区长6 5 m， 两端宽分别为5 8 m 和3 0 m， 总面积约3 3 6 5 .6 m。 塑排板采用s p b - i b型 ( 厚度4 . 5 m m , 宽度l 0 0 m m ) , 塑排板打设深度为2 1 m， 间距 1 .2 m， 平面呈梅花型分布。 铺设厚5 0 c m的砂垫层， 滤管和主管的管材选用p v c 管， 主管不小于8 0 c m , 滤管不小于5 0 c m ， 一般要求 能承受4 0 0 k p a 的压力。 联接应采用软胶管，以 适应真空预压的 差异沉降， 联接 处应注意密封性能。滤管的间距为6 m，主管的间距为1 5 m.膜下真空度的要求 不 低于8 5 k p a ， 真空 加固 面积约为3 6 0 0 平方 米， 按8 0 0 m 2 / 台 布置 真空 泵， 共布置 6 台， 其中2 台备用。 铺设两层p v c土工膜， 每层厚度为0 . 1 4 m m。 膜上覆水7 0 c m, 真空预压一个月后， 放干膜上覆水， 保持抽真空状态， 进行路基填筑。 真空联合 堆载至满足停泵要求。 根据试验方案进行现场的仪器埋设与监测，获得了大量的监测成果，包括真 空联合堆载加固桥头软基现场的真空度、孔隙水压力、 水平位移、 表面沉降、 分 层沉降与土压力等各项监测成果，同时对试验成果进行了合理的分析。 2 . 2 工程地质条件 2 .2 . 1 主要土层情况 第_章真空一堆载联合预压现场试验监侧成果分析 试验段主要土层情况如表2 - 1 ，地质剖面图如图2 - 1 所示。 图2 - 1 试验段地质剖面图 表2 - 1 地基土物理力学性质指标统计成果表 十 样 编 号 土样名称 含 水 上江 姜 层 比重密度 天然 孔隙 l 匕 饱 和 度 液 限 塑 限 塑 l性 士 旨 数 液 i性 士 旨 数 压缩 系数 wo d sp e os ,wl wpl p1 la 1 - 2 % g / c m % mp a 一 l ，粘土、亚粘土 3 1 . 42 . 7 51 . 9 00 . 9 01 9 64 3 . 12 4 . 31 8 70 . 3 90 . 4 3 2淤泥质粘土 4 4 . 72 . 7 51 . 7 6 1 . 2 5 89 84 3 . 72 4 . 7 1 9 . 01 . 1 00 . 9 5 1淤泥5 9 32 . 7 61 . 6 51 . 6 6 49 84 6 . 92 6 . 12 0 . 8 1 . 5 81 . 7 9 . i粘土、亚粘土 3 1 . 42 . 7 4 1 . 9 30 . 8 6 49 94 0 . 82 3 . 3 1 7 . 50 . 5 80 . 3 3 2 淤泥质粘土、 粘十 3 5 . 92 . 7 31 . 8 6 1 . 0 0 69 83 6 刀 21 . 01 5 . 60 . 9 5 0 . 5 3 .2亚粘土、淤积粘土 3 6 . 1 2 . 7 3 , 1 . 8 61 . 0 0 5 9 83 7 . 52 1 . 61 6 . 00 . 9 2 0 . 5 0 3亚粘土、粘土3 6 . 12 . 7 41 . 8 60 . 9 9 99 9 3 9 . 02 2 . 41 6 . 60 . 8 5 0 . 4 6 ，4亚粘土 3 0 . 62 . 7 21 . 9 0 0 . 8 6 59 63 3 . 31 9 . 9 1 3 . 80 . 8 10 . 3 6 ，粘土 3 0 . 02 . 7 5 1 . 9 50 . 8 3 79 84 3 . 32 4 . 4 1 8 . 90 . 2 90 . 31 2亚粘土、粘土2 9 . 82 . 7 31 . 9 30 . 8 419 7 3 6 . 421 . 11 5 30 . 5 7 0 . 2 9 。粘土3 7 . 72 . 7 41 . 8 41 . 0 4 89 84 2 . 1 2 3 . 61 8 . 4 0 . 7 60 . 4 2 么亚粘土、 粘土3 4 . 22 . 7 41 . 8 80 . 9 5 79 8 3 9 . 32 2 . 61 6 名0 7i 0 . 3 6 4亚粘土、 粘土3 0 . 62 . 7 31 . 9 20 . 8 5 99 7 3 8 . 021 . 7 1 6 . 30 . 5 80 . 3 0 ，亚粘土、粘土31 . 92 . 7 31 . 910 . 8 9 2 9 83 7 . 42 1 . 61 5 . 8 0 . 6 80 3l 1亚粘土2 4 . 72 . 7 21 . 9 9 0 . 7 0 19 62 8 41 7 . 41 1 . 1 0 . 7 20 . 1 9 .3含粘性土圆砾 浙江大学硕十学位论文段冰2 0 0 5 年3月 2 . 2 .2地下水位情况 根据初勘钻孔地下水位资料，侠里陈大桥两侧桥头段软基地下水位埋深在 0 . 1 5 - 1 . 0 6 m之间 2 .2 . 3场地周围环境 真空预压现场试验段场地周围环境如图2 - 2 所示。 浦引剑.五臼弓 一 一 - - - - - - - - - - - - - - 一 奥可 不 粼 引四凹一，盛 厂口旧 穿 加固区切界 且_ 一一一一一一一一一一 匕一 一一一一一一一一 卜 一一 -一 二 旦 门 中 卫 二, 1 2 1，砖结构民 房 图2 - 2真空预压现场试验段场地周围环境图 2 .3 监测布置及其成果分析 2 . 3 . 1 2 . 3 . 1 . 1 真空度的监测 真空度及孔压的监测仪器布置 k y 5 2 今今捌 护伽 _ _ _ / / 尸 淤泥中孔隙水压力观测组，共5 组 砂井中 孔隙 水压 力观测组， 共2 组 淤泥中 真空度观测组，共9 组 竖向 排水体中 真空度观测组， 共6 组。 砂井中真空度观侧组， 共2 组 淤泥中土压力观测组， 共2 组。 一 _ 2 9 y z k t 图2 - 3 真空度及孔压仪器布置图 第二章真空一堆载联合预压现场试验监测成果分析 2 .3 . 1 . 2 膜下真空度的监测成果分析 本试验段于2 0 0 3 年 1 月2 4日 开始抽真空，膜下真空度上升很快，如图2 - 4 所示，仅用2台真空泵，3 6 0 0 平方米的加固区，在 6小时后膜下真空度上升到 8 0 k p a , 5 天后上升到 9 1 k p a o 从图中可以看出， 膜下真空度随着抽真空时间的增加， 开始上升很快， 经过 6 个小时的抽气，膜下真空度即可达到 8 2 k p a , 5 天即可达到 9 1 k p a 。说明在抽 真空的初始阶段， 随着膜下砂垫层中的空气被迅速抽出， 膜下真空度随抽气时间 的 增加快速上升。 在抽真空的过程中， 有些部位由 于不均匀沉降过大， 出 现膜被 拉破， 在覆水阶段用泥袋填实后，尚不影响真空度的下降， 但是曲线出现局部振 荡。当达到8 0 k p a 以上时， 膜下空气已处于稀薄状态，随抽气时间的增加， 真空 度呈缓慢上升状态，在 7 月8日 停泵后，膜下真空度迅速下降为零。 - 川 卜 膜下4 门n划门曰八nucucllcucllcll八11 nojn八了卜朽5月姗门刁介白1 门山思侧职域 i 月9 日2 月2 8 日4 月1 9 日 日期 6 月8 日7 月2 8 日 图2 - 4 真空联合堆载膜下砂垫层真空度变化曲 线 2 .3 . 1 .3塑排板中的真空度测试成果分析 随着抽真空作用的开始，首先引起膜下砂垫层中真空度的变化，由于空气 的流体性质， 当膜下砂垫层中的大气压发生变化， 必然引起与之相通的塑排板中 大气压的变化。 从图2 - 5 中可以看出，排水板中的真空度，随着射流泵抽真空开 始， 在抽气的头几个小时， 几乎与膜下真空度同时快速上升。 膜下真空度随着抽 真空时间的增加，开始上升很快，经过 6个小时的抽气，膜下真空度即可达到 8 2 k p a , 5天即可达到 9 1 k p a o塑排板中不同的深度上升幅度不一，浅部上升幅 度大， 深部上升幅度小。 随着抽气时间的增长， 塑排与膜下的真空度均趋于相对 稳定状态， 由于受到阻力的作用， 塑排板中的真空度随着深度的增加而逐渐减少。 浙江大学硕士学位论文 段冰2 0 0 5 年3 月 浅部塑排中的真空度与膜下真空度的变化曲线相比， 曲线形状几乎一致， 在相同 时间，塑排板中不同深度的真空度值均低于膜下真空度。 - o- l m - .5 一 3 m 一 ， 卜 -4 m 一 ) -6 m 、膜下 (口d召侧侧域 1 月i s 日1 月2 s 日2 月s 日 z 月1 8 日2 月2 8 日3 月1 0 日 日期 图2 - 5 塑料排水板中 真空度变化曲 线图 2 .3 . 1 .4 淤泥中 真空度测试成果分析 如图2 - 6 所示为加固区内 淤泥中的真空度变化曲线， 随着抽真空的开始， 浅 部淤泥中的上升幅度相对较大，随后又骤然下降， 之所以发生这种现象， 主要是 由于在抽真空的初始阶段， 土体处于疏松状态， 孔隙比较大， 真空度下传相对比 较容易， 因此在抽真空的头几个小时， 浅层淤泥中的真空度上升很快， 当浅层土 发生压缩固结， 土层密实度提高， 孔隙比减小， 真空度相对难以下传， 真空度开 始快速下降。随着抽气时间的增加，除浅部l m处的真空度能随着时间的增加缓 j漫 上升， 其他较深部位随着抽气时间的增加，真空度反而呈下降趋势。 试验段淤泥中的地下水位线埋深约4 米左右， 如图2 - 6 所示， 在地下水位线 以上淤泥中的真空度随着深度增加迅速减少， 远小于膜下真空度， 说明淤泥中的 真空阻力相对较大。 随深度的 增加真空度的衰减梯度较大， 大于塑排的衰减梯度。 同时，在水位线以下6 m处的真空度反而超过水位线以上4 m处的真空度，这并 不说明淤泥中水位线以下的真空度较高， 而是反映了 监测软管中封存的气体真空 度由于水位下降而升高。 另外， 在本试验段， 在加固区外紧贴密封膜沟打设了2 个8 m的真空度监测 孔y z k 1 与y z k 4 ， 每孔中 埋设了2 m , 4 m , 6 m, 8 m的真空度测头， 试验表明， 第二章真空一堆载联合预压现场试验监测成果分析 所有真空表读数均为零， 说明2 m宽的淤泥密封沟不会传递真空度， 淤泥对空气 的隔绝性能比较好。 下 lm枷物腼膜 一一 11010090807c6c“钊30加100 (旧d蕊侧侧碑 1 月i s 日 1 月2 s 日 2 月8 日 2 月1 8 日 2 月2 8 日 3 月1 0 日 图2 一 6 日期 淤泥中的真空度变化曲线图 2 . 3 . 2 2 . 3 . 2 . 1 孔隙水压力测试 孔压计的布置 在本次的孔隙水压力监测中，在淤泥地基中共布置 5组孔压计，第 1 组与 第5 组在加固区外， 2 -4 组在加固区内。 每组钻三个孔， 孔深分别为8 m, 1 7 m, 2 6 m，埋深布置如图2 - 7 所示。 硅 2 一 o日 一 2 _日 一 4 . 日 i i 7 .6 .三一 二 1 口 .日 i i -13 .日 峨一 1s .5 i一 19 .曰 弄 - = ;- ? 1 日 淤泥孔压计 图2 - 7孔压计埋深布置示意图 2 .3 .2 .2 真空排水预压阶段加固区内 淤泥中的 孔隙水压力测试结果及分析 加固 区 淤泥中 的3 组 孔压值消 散规律大 致相同。 图2 - 8 为k y 2 1 - - k y 2 3 组 孔 压的变化曲线， 从图上可以看出， 加固区淤泥中的孔隙水压力一般随着抽真空的 浙江大学硕士学位论文 段冰 2 0 0 5 年3 月 开始迅速下降，随着抽真空时间的增加，下降幅度逐渐变小。2 5 m 部位出现 m a n d e l - c ry e r 效应， 但不是很显著。 在浅部2 m处随 着抽真空时间的增加， 形成 负孔隙水压力值。 该孔压计因处在地下水位线之上， 该处的 孔压值实质上是反映 了该处的大气压值。而真空度的实测值表明， 2 m深的淤泥中，真空度值为 3 0 - 3 5 k p a左右，这说明了在水位线以上，孔压值与真空度值数值上比较接近。塑 排板的打设深度为2 1 m， 从图中可以看出， 2 5 m深处的孔压变化仍较大， 说明真 空预压的影响深度至少可达塑排板底部。 在假定总应力不变的情况下， 淤泥地基 中的孔压消散值即为地基中有效应力的增加值。 表2 - 2 为该组孔压的消散程度统 计表。 肠如肋smllml4m17m25m 一 30025020015010050 。d名只比关趣月 1 月工 6 日z 月4 日 2 月2 4 日3 月1 5 日 日期 4 月4日 图2 - 8淤泥中孔压变化曲线图 孔压组号 k y 2 1 - k y 2 3 孔压计埋设深度2 m 4 m6 m8 m l l m 1 4 m1 7 m2 5 m 孔压最大消散 值( k p a ) 5 14 04 7 414 66 8 8 95 3 水位下降引 起的 孔压消散值 ( k p a )1 5 3 03 0 3 03 03 0 3 03 0 真空度引 起的 孔压消散值 ( k p a )3 61 01 71 0 1 63 85 9 2 3 有效应力增加值( k p a )5 14 04 74 1 4 66 8 8 95 3 2 .3 .2 .3 真空排水预压阶段加固区外孔隙水压力测试结果及分析 加固区外浅层孔隙水压力的变化值较小， 深层孔隙水压力的变化值较大， 加 第二章真空一 堆载联合预压现场试验监测成果分析 固区外的孔压消散是由于地下水位的下降所引起的， 从实测的水位值可知， 在抽 真空的开始阶段， 加固区外的水位线下降， 孔压值有所降低。 说明在抽真空的过 程中，加固场地周围的地下水不断向场地内补给，形成一个大范围的降落漏斗。 加固区外孔隙水压力的消散， 导致场地周围的地表发生固结沉降， 并向 场地内收 缩，形成裂缝。 2 . 3 .2 . 4 真空堆载联合预压加固区内 淤泥中孔隙水压力侧试结果及分析 自3 月1 8 日 至4 月8日 为路基填筑阶段，从图2 - 9 中可以 看出，在该阶段 孔隙水压力总体呈上升趋势， 随着深度的增加， 堆载期间孔压上升幅度变缓。由 于堆载应力在向深部传递的过程中逐渐递减， 1 7 m以下地基中的孔压上升相对较 小。随深度增加，孔压上升量呈逐渐下降趋势，在 2 6 m处的孔压线基本上为一 水平直线，孔压变化较小。 自4 月8日 至7 月8日 停泵期间为真空堆载联合预压阶段， 从图2 - 9 可以看 出，在联合预压阶段的孔隙水压力逐渐消散。在塑料排水板打设深度 2 1 m范围 内， 在真空预压与堆载压力的共同作用下， 孔隙水压力消散较快，由堆载产生的 超静孔隙水压力在7 月8 日已基本消散完毕， 甚至己 经低于堆载前的孔隙水压力。 在 2 1 m以 下，堆载引起的孔隙水压力增加值消散较小，甚至有所升高，说明在 塑排板深度以下排水较困难，孔压消散缓慢。 300 2 5 0 20 0 一 . - o- 2 m -tr- 6 m -x - 8 m -) - 11 m 一 4 - - 1 7 m 一24 m n曰00 505 1立.1 时土只田关缓峪 -5 0一 1月1 5日 3 月 5日4 月2 4日 日期 6 月1 3 日8 月2 日 图2 - 9 加固区淤泥中 孔压变化曲 线图 浙江大学硕士学位论文段冰2 0 0 5年3月 2 .3 .2 . 5 真空堆载联合预压影响区孔隙 水压力测试结果及分析 从图2 - 1 0 中可以看出，影响区浅层8 m以上的孔压基本上未发生变化，呈 一条水平的直线。 影响区水位管中水位在抽真空的初期随着加固区内地下水位的 下降， 均出现不同程度的下降， 浅部的孔压由于受到地表水的补给， 基本上未发 生变化。 一令一 2 m .一 - 6 m 一 。 柔翔高 _ _ _一/ 图2 - 1 1 监测平面布置图 地下水 位观侧 孔，深度 1 o n ，共 9 个. 分层沉降观侧组.深度2 米，共5 组 剐幻 孔 .视 度 3 ” 一共6 个 . 眺卜 忍 撬爪凸 第二章真空一堆载联合预压现场试验监测成果分析 2 .3 .3 .2 土体水平位移的 监测及成果分析 如图2 - 1 2 所示为各测斜管所测得的深层土体水平位移曲线 向加固区方向 的位移为正值) ， 表2 - 3 为各测斜管7 月5日 累计水平位移统计表( c x 6 为5 月1 8 日 ) 。 - 5 0永 平 位 移 (溉 )1 0 0 水平位移 m m ) 日50 . 减卜 -1 月3 0 日 1 月2 6日 -6 -. 2 月8 f 1 二 ) 月8 0 h -斗- 3 月8 日 -离加固区1 2 .5 m的c x 1 与c x 6 测 斜管的地表水平位移最小， 至7 月5日 地表最大水平位移为5 8 .5 6 m m; 离加固区 7 . 5 m的c x 2 与c x 5 最大地表水平位移位于两者之间，为1 1 1 . 3 7 m mo ( 2 )水平 位移主要发生在距地表 l o m 以上的深度范围内，在真空堆载预压过程中，c x 3 测斜管9 m深处的最大水平位移可达 7 2 . 1 1 m m, c x 5 测斜管9 m深的最大水平位 移可达2 8 .5 3 m m, c