二次插板加固吹填土试验研究

二次插板加固吹填土试验研究

1超软土真空预压加固研究随着天津滨海新区的发展，土地需求日益增加。大量土地是在海岸建地形成的填海地块。填充土壤条件必须经过真空预压加固才能开发和使用。随着真空预压技术的广范应用,真空预压已有较多的研究成果,主要体现在对真空预压过程中土体中的孔压变化、地表沉降、真空度和施工工艺等方面展开了研究。施建勇等通过分析压缩系数对真空预压的沉降计算进行了研究;张功新等通过理论计算和现场观察对真空预压过程中真空度与孔隙水压力的关系进行了研究;陈平山等采用将排水板等效成砂井地基的方法对真空预压等效固结度进行了简化计算;金小荣等详细介绍了真空预压的施工工艺,提出了真空预压部分施工工艺的改进;闫澍旺等分别对真空预压固结度的估算方法、真空预压有效的加固深度和真空-堆载联合预压进行了研究。魏波和贺怀建对真空-堆载联合预压处理软基效果进行了室内试验研究。周琦和刘汉龙等对真空预压条件下地下水位和出水量的关系进行了现场测试研究。董志良等对真空预压下软土渗透系数对固结的影响进行了研究。当真空预压加固地基达到规程规定标准后停止施工,对加固后的土体进行加固效果检测,检测结果显示,只有表层土体强度可达设计要求,地表以下3~4m土体强度提高幅度很小,加固效果较差。通过延长加固时间也不能使加固效果明显改善。实际上地表以下3~4m吹填土层上控制着地基承载力与工后沉降。这种检测结果一直没有得到很好地解释和解决。为研究超软土真空预压效果欠佳的原因并提出解决方法,本文设计了超软土真空预压室内模型试验。通过试验研究加固过程中排水板的变化,提出加固效果欠佳的原因。同时进行了二次插板再加固试验,提出了二次加固能够提高超软土地基的加固效果,试验过程中对土体的变形、孔隙水压力和真空度进行了观测记录;通过室内试验取得试验前后的十字板强度、含水率。2模型试验2.1土壤测试试验所用土样取自天津港围海造陆吹填区现场,通过室内试验得到其物理力学指标如表1所示。2.2物理力学特性模型试验装置如图1所示。模型试验装置由模型槽、排水体系、真空泵、真空表和量测系统组成。模型槽由钢板和钢构架定制而成,尺寸为长×宽×高=1.2m×1.2m×1.5m,排水体系由真空泵、滤水管和塑料排水板组成;量测系统由安装在模型槽内土样表面的百分表、厘米刻度尺、孔压传感器和真空表组成。吹填泥土样物理力学指标如表1所示,土样体积为1.2m×1.2m×1.1m。将吹填泥注入试验槽后,在吹填泥中打设排水板(见图2),排水板间距为30cm,高出泥面10cm;在土体30、60、90cm深度处安装孔压传感器和真空探头(见图3),用来测量土体内的孔压值和真空度。然后在吹填泥表面摊铺厚度为10cm的砂垫层,在砂垫层中埋设排水虑管(见图4),最后在砂垫层表面铺设土工布并封膜(见图5)。连接并开启真空泵抽真空。2.3次加固试验本次试验的目的为:(1)探究吹填土地基真空预压加固效果欠佳的原因;(2)提出能够进一步提高加固效果的加固方法。为达到试验目的,试验分为两个阶段进行,首先进行一次加固,探明加固效果欠佳的原因,然后在一次加固的基础上进行二次插板再加固,验证二次插板是否能够进一步提高加固效果。具体试验的内容包括:(1)一次加固试验前取土样的含水率、重度和十字板剪切强度;(2)一次加固试验过程中记录土体沉降、孔隙水压力和真空度;(3)一次加固稳定后,取土体不同位置的含水率、重度和十字板剪切强度;(4)在一次加固后土体上进行二次插板,进行第二阶段的加固,数据记录同前;(5)测量二次加固后土体不同位置的含水率、重度和十字板剪切强度。3试验结果及分析3.1真空3.1.1沿排水板真空度随时间的变化随着抽真空时间的延续,膜下真空度在4d内上升到90kPa,真空度随时间变化过程见图6,从图中可以看出,抽真空后,真空度很快达到60kPa,然后缓慢增加到4d后的90kPa左右并达到稳定。图6给出了沿排水板不同深度的真空度随时间变化曲线,其变化趋势相同,但量值上存在着一定的递减规律。单位深度下真空度减小3kPa左右。3.1.2真空度与时间的关系在二次加固过程中,对膜下真空度和排水板不同深度下的真空度进行了记录,真空度随时间变化曲线如图7所示。由图可知,二次加固真空度在很短时间内达到了90kPa左右,由排水板不同深度下的真空度随时间变化曲线可知,排水板中真空度随着深度的增加有与一次加固基本相同的递减规律。3.2沉降3.2.1加固后沉降的变化试验过程中通过千分表和直尺测量了真空预压过程中土体表面的沉降量,一次加固过程中土体表面沉降随时间变化曲线如图8所示,由图可知,在一次加固开始的50h内,沉降发展很快,基本呈线性增长,随着时间的增长,沉降速度减小,最后趋于稳定。当抽真空加固时间达到400h后,沉降量到达了20cm左右,400h后沉降曲线几乎接近水平线,基本上达到稳定状态。此时停止试验,进行二次插板再加固试验。3.2.2次插板再加固后土体沉降变化试验过程中记录了土体表面的沉降量,建立了沉降量随时间的变化曲线如图9所示。由沉降曲线可以发现,二次抽真空开始的前10h,土体沉降较为迅速,达到了2mm/h,在连续加固50h后土体沉降值达到1.2cm,说明在进行二次插板再加固过程中,沉降进一步发展,同时也说明了第一次加固后期加固效率有很大的降低。由一次插板加固和二次插板再加固沉降随时间变化曲线可以看出,在一次插板后期沉降不变的情况下进行二次插板,沉降继续增长,并且在加固300h后有继续增长的趋势,说明一次插板加固后期,加固效率降低,二次插板再加固能够有效地提高加固效果。3.3孔压3.3.1加固后土体的棉干加固后土体的城市涤纶的开皮图10、11为一次插板模型试验过程中孔压变化曲线。图10记录了土体中不同深度处的孔压变化曲线,由图可知,在加固440h后土体中的孔压消散基本达到稳定,但从孔压的量值上来看只有-70kPa左右,还没达到施加的真空度90kPa,说明土体还没有完全固结,还存在未消散超孔压。图11为距离排水板不同距离的孔压变化曲线,由图可知,随着距离排水板距离的增加,孔压消散的量值变小,即离板越远孔压变化也小。3.3.2次插板加固土体的固结效果二次插板再加固过程中记录了土体中不同位置的孔压值,建立孔压随时间的变化曲线,如图12所示。由图可知,随着抽真空时间的增长,其孔压值最终也达到了-85kPa左右,几乎接近施加的真空度90kPa,说明土体基本固结完毕。由一次插板加固和二次插板加固的孔压变化曲线可知,一次插板加固达到稳定时孔压值为-70kPa左右,已经很难使孔隙水压力继续降低,而二次插板再加固可以使孔压继续降到-85kPa左右,几乎接近了真空荷载的施加值90kPa。说明在一次插板加固后期排水板的效率已经大大降低或局部失效,从而使真空预压加固效率很低,孔隙水压力很难进一步降低,以致达不到预期效果。二次插板再加固能够使土体进一步固结,孔压进一步降低,基本接近排水板中真空度。从孔隙水压力变化曲线来看,二次插板再加固在很大程度上提高了加固效果。3.4初始含水率的变化取两次加固后土体不同位置的含水率,建立含水率随深度的变化曲线。如图13所示,由图可见,一次插板加固后土体含水率随着深度的增加,含水率由表面的47%变化到底部的55%左右,与初始含水率相比降低了30%~38%。二次插板再加固后含水率大约在38%~47%之间,比二次插板加固含水率又降低了10%左右,说明二次插板再加固能在很大程度上将含水率进一步降低。由图13可以看出,在深度40cm以下含水率降低较多。这在一定程度上说明了在40cm深度以下排水板的功能降低较多。这与下文排水板的变形范围较吻合。由含水率的变化曲线可知,二次插板再加固使土体的加固效果在很大程度上得到了提高。3.5也有一次插板加固后的强度试验本试验十字板采用英国ELE公司生产的“H-60hand-heldvanetester”,见图14,该仪器测试精准且操作方便,已在世界范围内得到广泛的应用。该仪器包含3种类型的十字板头,尺寸分别为16mm×32mm,20mm×40mm,25.4mm×50.8mm;其对应所测得的不排水强度范围分别为0~50、0~100、0~200kPa。对距离排水板不同距离、不同深度的土样进行十字板试验,分别得到同一深度距离排水板5、10、15cm处的十字板剪切强度。从表面开始每隔10cm的深度进行一次十字板剪切试验。试验过程如图15所示,旋转上面的手柄,直至土体发生破坏,读取此时刻度值即为该位置土体的十字板剪切强度。图16、17为一次插板和二次插板加固后十字板剪切强度随深度的变化曲线,由图可知,一次插板加固后,十字板剪切强度随深度增加急剧下降,因为试验为双面排水,所以底部强度有所增加。二次插板再加固后十字板剪切强度随深度递减率得到了很大的改善,增加量比较大的是20cm下部分。这充分说明了一次插板加固后期排水板下部的效率降低甚至失效。图18为二次插板再加固后较一次插板加固后十字板剪切强度增量随深度变化曲线,由图可知,二次插板再加固后的强度在排水板下半部分增加量较大,这充分地说明了排水板下部在一次插板加固过程中效率降低。根据以上关系曲线可知,经过二次加固后十字板强度平均提高了6~16kPa,加固效果较为明显,表明二次插板再加固的方法是有效可行的,能有效地解决一次插板中排水板失效问题。由以上得出的孔隙水压力、含水率、十字板剪切强度变化规律可知,高含水率的超软土地基真空预压一次加固效果欠佳,通过二次插板再加固可获得较好的加固效果。4次插板加固真空预压后变形为了研究超软吹填土地基真空预压加固效果欠佳的原因,将加固后的土体沿排水板一侧开挖一个剖面,露出其中的排水板,发现一次插板加固阶段的排水板产生了“Z”字型褶曲,甚至折断,二次插板阶段的排水板没有明显的变形,如图19~22所示。通过排水板变形尺寸图和排水板变形照片可以发现,在一次插板加固过程中排水板上半部分出现“Z”字型褶曲,局部出现折断现象。这种现象严重地阻碍了真空度的传递,同时也失去了排水通道的作用。通过这些现象可以得出,超软土地基真空预压之所以加固效果不好,是因为在真空预压加固过程中,排水板发生较大的褶曲变形甚至折断,这降低了真空度的传递和排水通道的排水能力,从而使排水板的使用功能降低甚至失效,导致真空预压加固达不到预期效果。二次插板加固阶段的排水板没有明显的弯曲变形,基本上保持了原来竖直状态,所以二次插板能有效地完成一次插板没有完成的固结,使土体的含水率进一步降低,十字板剪切强度有很大的提高,特别是一次插板下部排水板失效范围内的土体强度提高很大。图23为排水板变形范围,在上部40cm范围内产生明显的变形,从而使40cm以下部分排水板的效率明显降低,这与图13中含水率随深度变化曲线相吻合,曲线显示在二次插板后40cm以下含水率变化较大。由上述可知,排水板产生较大的扭曲变形甚至折断是造成超软吹填土地基真空预压加固效果不好的主要原因,通过二次插板在加固能够使含水率进一步降低,十字板剪切强度进一步提高,同时也改变了十字板剪切强度沿深度的降低幅度。5次插板再加固后土体变形的变化通过本文设计的超软土真空预压模型试验,对超软吹填土地基真空预压加固效果欠佳的原因进行了试验研究,得出以下结论:(1)含水率较高的吹填土地基经真空预压