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真空预压法对加固区边界影响的研究

建筑天下| http://www.667e.com |08-31 14:24:49| 综合辅导|人气:167

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  我国沿海地区分布着大量近代沉积的软土地层,这种软土地层含水量高、孔隙比大、渗透性差、强度及承载力低,且具有明显的流变性和一定的结构性,在这种软弱地基上修建工程必须进行加固处理。目前多采用技术上较为成熟、费用较为节省的排水固结法。真空预压属于排水固结法,是由瑞典皇家地质学院 W.Kjellman 教授于 1952年提出的,20世纪80年代真空预压法在我国得到大力推广和应用。目前,对真空预压法的研究大多在加固区以内,而对加固区边界及以外区域缺乏深入的研究。对加固区边界的研究将有利于全面认识真空预压的加固机理和加固效果、改进真空预压技术,对加固区周围建筑物采取适当的防护措施具有重要的意义。结合深圳河真空预压加固软基工程,采用损伤理论研究砂井施工对土体扰动的影响,考虑土体的流变,采用平面应变有限 元进行计算,研究了抽真空时对周围建筑地基土的影响范围,对周边建筑物的安全及其使用功能的影响程度 作出 较为准确的评估。 

  1 真空预压理论分析 

  1.1 真空预压加固机理 

  真空预压是使加固区域内的土 体造成 负压,使边界的 孔压降低 ,土体中的原来 孔压便 与这些边界的 孔压形成 一定的压力 差并且 发生不稳定渗流,随着时间的增长,土体中 的孔压逐渐 降低,降低的 孔压转变 为土体的有效应力,真空度越高,沿深度衰减越小,则增加的有效应力越大,加固效果越好。对于天然地基,地基 土一般 处于 K 0 固结状态,即σ′ 30 =K0σ′ 10 ,由于孔隙水压力是球应力,所以真空预压时减少 的孔压 (增加的有效应力)是各向相等的,因此地基中土体单元的莫尔圆大小并没有改变,只是向右发生平移,当“荷载”卸除后,被加固土体由正常固结状态变为超固结状态,和加固前相比,强度增加了Δτ。由于真空预压 时土体不会 产生剪应力,因此即使真空荷载一次性施加上去,地基土也不会发生剪切破坏,从而可以缩短工期。真空预压时,周围土 体由于 产生收缩变形而开裂,裂缝一般平行于加固区的边线。随着时间的增长,土体固结度的提高,裂缝也在发展,逐渐变大加深,数量也逐渐增加。真空预压 和堆载预压 使地基产生沉降,一般在加固区的中心点产生的沉降 值最大 ,使加固区表面呈锅底状,但它们的原因却有质的区别。真空预压使地面产生锅底状的原因除了有效应力因位置的差异之外,还有 加固区土体 向里移动的结果,正是这种收缩的特性使 土体更利于 挤密,在产生相同垂直变形的情况下,真空预压法的加固效果要好 于堆载 预压法。 

  1.2 真空预压对边界的影响 

  对于加固区边界,严格地讲,它既不属于平面问题,也不属于轴对称问题,而是属于三维的空间问题。抽真空时,砂井中的真空度大于周围土体中的真空度,于是真空度从砂井向周围土体传播。这种传播需要一定的时间,因此, 在抽真空 开始的一段时间内,砂井的 真空度向加固 区外传递尚未波及地面时,是不会影响边界的水位的,只是降低土体孔隙水中原来的压力。当这种影响达到地表造成边界孔隙水压力降低时,加固区边界的水位在大气压力的作用下将下降以达到平衡状态。随着砂井真空度的上升,加固区外土 体受到 的影响越来越大,这样,边界水位下降的范围越来越大,水位下降也随着增大。 

  边界附近的砂井对边界有影响,而砂井中不同深度处的真空 度并不 相同,它们对边界的影响也不同,因此,边界受到的是这些影响的综合反映,比较复杂。 

  真空预压时,地基中的 孔压可 表示为 

u= P nz +γ w z P nz =P a - P vz(1)

  式中: P a 为大气压力; P nz 为深度z处的剩余大气压力; P vz 为该处的真空吸力,在加固区地基表面(z=0)则表现为膜下真空度。 

  如果在该处埋设 一 测压管,设测压管水位高度为 d,则有 

  γ w d+P a =γ w z+P nz Δ=z-d=P a - P nz /γ w = P vz /γ w (2)

  式中:Δ为测压管水位下降的深度 (与地面相比)。由于 P vz 最多只能达到P a ,所以Δ≤P a /γ w =10.33m(当地表抽水时)。另外, P vz 是位置和时间的函数,所以Δ值也是变化的。当水位管的埋深小于Δ时,则在水位管中观测不到水位的存在。

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  真空预压在边界造成的最大水位 降深可以 用下面的方法估计。在 z=0处,Δ 值最大 ,随着z的增大,Δ逐渐减小,两者的关系可以用图1表示。于是,当Δz=Δ时,z=z 0 就是水位的 最大降深 Δ max 。但由于土体透气性差,边界附近砂井周围土体的剩余大气压力要比原来的大气压力小,所以实际的水位下降没有理论值那么大。 

  在边界水面以上的土体为非饱和土,严格地讲,应按非饱和土固结理论进行计算;在水位线以下的土体为饱和土,可按饱和土固结理论进行计算。由于非饱和土固结理论涉及水和气两种介质的渗透性问题,关于连续性条件的建立,有效应力原理的表达,渗流的非线性及水、气的相互作用问题都 较难以 解决。而且,在加固过程中非饱和区的范围是变化的但不会很大,因此,作为简化处理,一般可将这一区域也作为饱和区进行计算。由于加固区的固结变形是主要的也是对边界变形的主要影响因素,所以,以上处理误差不会很大。

  2 工程地质概况 

  试验区采用排水板及真空预压加固岸坡的软基,并用水泥 搅拌桩对周围 建筑物进行防护。试验区位于深圳河下游段,该河段河道平均宽 80m左右,河床纵比降较小,河两岸为冲积、海积成因的漫滩平原。根据钻探资料,按土层的性质特征及其成因类型,地层分布①人工填土。棕红色、 土黄色至杂色 ,松散状,主要为花岗岩风化 物组成 的素填土,层厚为0.63~5.95m,平均3.38m。②淤泥。炭黑-灰黑色,饱和、软~ 流塑状 ,富含有机质,见植物根茎及少量贝壳,局部含粉细砂和中粗砂透镜体,层厚为0.42~19.85m,该层层底起伏较大。③ 淤泥质砂 。灰-灰黑色,湿、松散状,以中粗砂为主,粉细砂较少,含少量贝壳和有机质。该层层厚为0.27~4.9m,顶面标高为-1.12~5.01m。④ 淤泥质土 。灰黑-灰色,饱和、软塑状,含大量贝壳及植物碎片,该层层 厚变化 较大。 

  3 计算分析  1 有限元计算 为了能准确反映土骨架变形与孔隙水压力消散之间的相互关系,采用平面比奥固结有限元法进行计算。选取 Goodman单元进行接触面模拟。假定在进行真空预压前,各单元结点的超静孔隙水压力和初始位移均为零。真空预压时,砂垫层中所有结点的孔隙水压力为负的真空压力,砂垫层以外的地基表面孔隙水压力为零,其它 边界孔压均为 未知。地基表面为自由变形,地基 的侧限边界 令其 受水平 向约束,底面边界令其受垂直向约束。将殷宗泽教授的椭圆—抛物双屈服面模型和修正的 Kormanura -Huang模型结合起来,殷宗泽的双屈服面模型  是多重屈服面模型中的一种,具有参数确定比较简单,能比较全面地反映土体的多种特性(如剪缩性、 剪胀性等 )的优点,实用性也较强。修正的 Kormanura -Huang模型  是一个组合 的粘弹塑性 模型,它可以综合反映土体的弹性、粘弹性和粘塑性等复杂的性状。软粘土 由于打设排水 板(或砂井)的扰动影响,在施工结束时,土体的强度下降50%左右,所引起的附加沉降有的高达10%~15%,所以对于软粘土的计算有必要考虑这个因素。本次计算引入土体的损伤理论来考虑由于施工扰动所引起的土体损伤,以便更真实地反映土体强度特征和变形规律,采用沈珠江院士提出的可以考虑粘土结构破损过程损伤比模型  。整理试验资料可得各参数密度ρ=1.59~1.78g/cm 3 ,含水量w=43.2%~72.3%,损伤模型参数 

  c 0 =0.46~0.58,c a =2.0~3.6, c b =6.52~7.87。砂井地基固结是典型的三维固结问题,但是,三维固结有限元分析本身的工作量就已经相当大,相比之下,平面问题 有限元要简便 得多,可以得到工程界的广泛应用。砂井地基的平面应变等效方法  只要调整渗透系数即可, 对砂墙 的间距可根据网格划分的需要任意取值。 

  第三试验区从 9月9日开始抽真空,经20d真空度达到80kPa。试验区加固区外的集装箱堆场按使用2年、荷载为30kPa计算,施工道路的荷载以10kPa计算。

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