二次插板加固吹填土試驗(yàn)研究

1超軟土真空預(yù)壓加固研究隨著天津?yàn)I海新區(qū)的發(fā)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塊。填充土壤條件必須經(jīng)過真空預(yù)壓加固才能開發(fā)和使用。隨著真空預(yù)壓技術(shù)的廣范應(yīng)用,真空預(yù)壓已有較多的研究成果,主要體現(xiàn)在對真空預(yù)壓過程中土體中的孔壓變化、地表沉降、真空度和施工工藝等方面展開了研究。施建勇等通過分析壓縮系數(shù)對真空預(yù)壓的沉降計算進(jìn)行了研究;張功新等通過理論計算和現(xiàn)場觀察對真空預(yù)壓過程中真空度與孔隙水壓力的關(guān)系進(jìn)行了研究;陳平山等采用將排水板等效成砂井地基的方法對真空預(yù)壓等效固結(jié)度進(jìn)行了簡化計算;金小榮等詳細(xì)介紹了真空預(yù)壓的施工工藝,提出了真空預(yù)壓部分施工工藝的改進(jìn);閆澍旺等分別對真空預(yù)壓固結(jié)度的估算方法、真空預(yù)壓有效的加固深度和真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓進(jìn)行了研究。魏波和賀懷建對真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓處理軟基效果進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。周琦和劉漢龍等對真空預(yù)壓條件下地下水位和出水量的關(guān)系進(jìn)行了現(xiàn)場測試研究。董志良等對真空預(yù)壓下軟土滲透系數(shù)對固結(jié)的影響進(jìn)行了研究。當(dāng)真空預(yù)壓加固地基達(dá)到規(guī)程規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)后停止施工,對加固后的土體進(jìn)行加固效果檢測,檢測結(jié)果顯示,只有表層土體強(qiáng)度可達(dá)設(shè)計要求,地表以下3~4m土體強(qiáng)度提高幅度很小,加固效果較差。通過延長加固時間也不能使加固效果明顯改善。實(shí)際上地表以下3~4m吹填土層上控制著地基承載力與工后沉降。這種檢測結(jié)果一直沒有得到很好地解釋和解決。為研究超軟土真空預(yù)壓效果欠佳的原因并提出解決方法,本文設(shè)計了超軟土真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)。通過試驗(yàn)研究加固過程中排水板的變化,提出加固效果欠佳的原因。同時進(jìn)行了二次插板再加固試驗(yàn),提出了二次加固能夠提高超軟土地基的加固效果,試驗(yàn)過程中對土體的變形、孔隙水壓力和真空度進(jìn)行了觀測記錄;通過室內(nèi)試驗(yàn)取得試驗(yàn)前后的十字板強(qiáng)度、含水率。2模型試驗(yàn)2.1土壤測試試驗(yàn)所用土樣取自天津港圍海造陸吹填區(qū)現(xiàn)場,通過室內(nèi)試驗(yàn)得到其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。2.2物理力學(xué)特性模型試驗(yàn)裝置如圖1所示。模型試驗(yàn)裝置由模型槽、排水體系、真空泵、真空表和量測系統(tǒng)組成。模型槽由鋼板和鋼構(gòu)架定制而成,尺寸為長×寬×高=1.2m×1.2m×1.5m,排水體系由真空泵、濾水管和塑料排水板組成;量測系統(tǒng)由安裝在模型槽內(nèi)土樣表面的百分表、厘米刻度尺、孔壓傳感器和真空表組成。吹填泥土樣物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示,土樣體積為1.2m×1.2m×1.1m。將吹填泥注入試驗(yàn)槽后,在吹填泥中打設(shè)排水板(見圖2),排水板間距為30cm,高出泥面10cm;在土體30、60、90cm深度處安裝孔壓傳感器和真空探頭(見圖3),用來測量土體內(nèi)的孔壓值和真空度。然后在吹填泥表面攤鋪厚度為10cm的砂墊層,在砂墊層中埋設(shè)排水慮管(見圖4),最后在砂墊層表面鋪設(shè)土工布并封膜(見圖5)。連接并開啟真空泵抽真空。2.3次加固試驗(yàn)本次試驗(yàn)的目的為:(1)探究吹填土地基真空預(yù)壓加固效果欠佳的原因;(2)提出能夠進(jìn)一步提高加固效果的加固方法。為達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?試驗(yàn)分為兩個階段進(jìn)行,首先進(jìn)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礎(chǔ)上進(jìn)行二次插板再加固,驗(yàn)證二次插板是否能夠進(jìn)一步提高加固效果。具體試驗(yàn)的內(nèi)容包括:(1)一次加固試驗(yàn)前取土樣的含水率、重度和十字板剪切強(qiáng)度;(2)一次加固試驗(yàn)過程中記錄土體沉降、孔隙水壓力和真空度;(3)一次加固穩(wěn)定后,取土體不同位置的含水率、重度和十字板剪切強(qiáng)度;(4)在一次加固后土體上進(jìn)行二次插板,進(jìn)行第二階段的加固,數(shù)據(jù)記錄同前;(5)測量二次加固后土體不同位置的含水率、重度和十字板剪切強(qiáng)度。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1真空3.1.1沿排水板真空度隨時間的變化隨著抽真空時間的延續(xù),膜下真空度在4d內(nèi)上升到90kPa,真空度隨時間變化過程見圖6,從圖中可以看出,抽真空后,真空度很快達(dá)到60kPa,然后緩慢增加到4d后的90kPa左右并達(dá)到穩(wěn)定。圖6給出了沿排水板不同深度的真空度隨時間變化曲線,其變化趨勢相同,但量值上存在著一定的遞減規(guī)律。單位深度下真空度減小3kPa左右。3.1.2真空度與時間的關(guān)系在二次加固過程中,對膜下真空度和排水板不同深度下的真空度進(jìn)行了記錄,真空度隨時間變化曲線如圖7所示。由圖可知,二次加固真空度在很短時間內(nèi)達(dá)到了90kPa左右,由排水板不同深度下的真空度隨時間變化曲線可知,排水板中真空度隨著深度的增加有與一次加固基本相同的遞減規(guī)律。3.2沉降3.2.1加固后沉降的變化試驗(yàn)過程中通過千分表和直尺測量了真空預(yù)壓過程中土體表面的沉降量,一次加固過程中土體表面沉降隨時間變化曲線如圖8所示,由圖可知,在一次加固開始的50h內(nèi),沉降發(fā)展很快,基本呈線性增長,隨著時間的增長,沉降速度減小,最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)抽真空加固時間達(dá)到400h后,沉降量到達(dá)了20cm左右,400h后沉降曲線幾乎接近水平線,基本上達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時停止試驗(yàn),進(jìn)行二次插板再加固試驗(yàn)。3.2.2次插板再加固后土體沉降變化試驗(yàn)過程中記錄了土體表面的沉降量,建立了沉降量隨時間的變化曲線如圖9所示。由沉降曲線可以發(fā)現(xiàn),二次抽真空開始的前10h,土體沉降較為迅速,達(dá)到了2mm/h,在連續(xù)加固50h后土體沉降值達(dá)到1.2cm,說明在進(jìn)行二次插板再加固過程中,沉降進(jìn)一步發(fā)展,同時也說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隨時間變化曲線可以看出,在一次插板后期沉降不變的情況下進(jìn)行二次插板,沉降繼續(xù)增長,并且在加固300h后有繼續(xù)增長的趨勢,說明一次插板加固后期,加固效率降低,二次插板再加固能夠有效地提高加固效果。3.3孔壓3.3.1加固后土體的棉干加固后土體的城市滌綸的開皮圖10、11為一次插板模型試驗(yàn)過程中孔壓變化曲線。圖10記錄了土體中不同深度處的孔壓變化曲線,由圖可知,在加固440h后土體中的孔壓消散基本達(dá)到穩(wěn)定,但從孔壓的量值上來看只有-70kPa左右,還沒達(dá)到施加的真空度90kPa,說明土體還沒有完全固結(jié),還存在未消散超孔壓。圖11為距離排水板不同距離的孔壓變化曲線,由圖可知,隨著距離排水板距離的增加,孔壓消散的量值變小,即離板越遠(yuǎn)孔壓變化也小。3.3.2次插板加固土體的固結(jié)效果二次插板再加固過程中記錄了土體中不同位置的孔壓值,建立孔壓隨時間的變化曲線,如圖12所示。由圖可知,隨著抽真空時間的增長,其孔壓值最終也達(dá)到了-85kPa左右,幾乎接近施加的真空度90kPa,說明土體基本固結(jié)完畢。由一次插板加固和二次插板加固的孔壓變化曲線可知,一次插板加固達(dá)到穩(wěn)定時孔壓值為-70kPa左右,已經(jīng)很難使孔隙水壓力繼續(xù)降低,而二次插板再加固可以使孔壓繼續(xù)降到-85kPa左右,幾乎接近了真空荷載的施加值90kPa。說明在一次插板加固后期排水板的效率已經(jīng)大大降低或局部失效,從而使真空預(yù)壓加固效率很低,孔隙水壓力很難進(jìn)一步降低,以致達(dá)不到預(yù)期效果。二次插板再加固能夠使土體進(jìn)一步固結(jié),孔壓進(jìn)一步降低,基本接近排水板中真空度。從孔隙水壓力變化曲線來看,二次插板再加固在很大程度上提高了加固效果。3.4初始含水率的變化取兩次加固后土體不同位置的含水率,建立含水率隨深度的變化曲線。如圖13所示,由圖可見,一次插板加固后土體含水率隨著深度的增加,含水率由表面的47%變化到底部的55%左右,與初始含水率相比降低了30%~38%。二次插板再加固后含水率大約在38%~47%之間,比二次插板加固含水率又降低了10%左右,說明二次插板再加固能在很大程度上將含水率進(jìn)一步降低。由圖13可以看出,在深度40cm以下含水率降低較多。這在一定程度上說明了在40cm深度以下排水板的功能降低較多。這與下文排水板的變形范圍較吻合。由含水率的變化曲線可知,二次插板再加固使土體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強(qiáng)度試驗(yàn)本試驗(yàn)十字板采用英國ELE公司生產(chǎn)的“H-60hand-heldvanetester”,見圖14,該儀器測試精準(zhǔn)且操作方便,已在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。該儀器包含3種類型的十字板頭,尺寸分別為16mm×32mm,20mm×40mm,25.4mm×50.8mm;其對應(yīng)所測得的不排水強(qiáng)度范圍分別為0~50、0~100、0~200kPa。對距離排水板不同距離、不同深度的土樣進(jìn)行十字板試驗(yàn),分別得到同一深度距離排水板5、10、15cm處的十字板剪切強(qiáng)度。從表面開始每隔10cm的深度進(jìn)行一次十字板剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)過程如圖15所示,旋轉(zhuǎn)上面的手柄,直至土體發(fā)生破壞,讀取此時刻度值即為該位置土體的十字板剪切強(qiáng)度。圖16、17為一次插板和二次插板加固后十字板剪切強(qiáng)度隨深度的變化曲線,由圖可知,一次插板加固后,十字板剪切強(qiáng)度隨深度增加急劇下降,因?yàn)樵囼?yàn)為雙面排水,所以底部強(qiáng)度有所增加。二次插板再加固后十字板剪切強(qiáng)度隨深度遞減率得到了很大的改善,增加量比較大的是20cm下部分。這充分說明了一次插板加固后期排水板下部的效率降低甚至失效。圖18為二次插板再加固后較一次插板加固后十字板剪切強(qiáng)度增量隨深度變化曲線,由圖可知,二次插板再加固后的強(qiáng)度在排水板下半部分增加量較大,這充分地說明了排水板下部在一次插板加固過程中效率降低。根據(jù)以上關(guān)系曲線可知,經(jīng)過二次加固后十字板強(qiáng)度平均提高了6~16kPa,加固效果較為明顯,表明二次插板再加固的方法是有效可行的,能有效地解決一次插板中排水板失效問題。由以上得出的孔隙水壓力、含水率、十字板剪切強(qiáng)度變化規(guī)律可知,高含水率的超軟土地基真空預(yù)壓一次加固效果欠佳,通過二次插板再加固可獲得較好的加固效果。4次插板加固真空預(yù)壓后變形為了研究超軟吹填土地基真空預(yù)壓加固效果欠佳的原因,將加固后的土體沿排水板一側(cè)開挖一個剖面,露出其中的排水板,發(fā)現(xiàn)一次插板加固階段的排水板產(chǎn)生了“Z”字型褶曲,甚至折斷,二次插板階段的排水板沒有明顯的變形,如圖19~22所示。通過排水板變形尺寸圖和排水板變形照片可以發(fā)現(xiàn),在一次插板加固過程中排水板上半部分出現(xiàn)“Z”字型褶曲,局部出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。這種現(xiàn)象嚴(yán)重地阻礙了真空度的傳遞,同時也失去了排水通道的作用。通過這些現(xiàn)象可以得出,超軟土地基真空預(yù)壓之所以加固效果不好,是因?yàn)樵谡婵疹A(yù)壓加固過程中,排水板發(fā)生較大的褶曲變形甚至折斷,這降低了真空度的傳遞和排水通道的排水能力,從而使排水板的使用功能降低甚至失效,導(dǎo)致真空預(yù)壓加固達(dá)不到預(yù)期效果。二次插板加固階段的排水板沒有明顯的彎曲變形,基本上保持了原來豎直狀態(tài),所以二次插板能有效地完成一次插板沒有完成的固結(jié),使土體的含水率進(jìn)一步降低,十字板剪切強(qiáng)度有很大的提高,特別是一次插板下部排水板失效范圍內(nèi)的土體強(qiáng)度提高很大。圖23為排水板變形范圍,在上部40cm范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯的變形,從而使40cm以下部分排水板的效率明顯降低,這與圖13中含水率隨深度變化曲線相吻合,曲線顯示在二次插板后40cm以下含水率變化較大。由上述可知,排水板產(chǎn)生較大的扭曲變形甚至折斷是造成超軟吹填土地基真空預(yù)壓加固效果不好的主要原因,通過二次插板在加固能夠使含水率進(jìn)一步降低,十字板剪切強(qiáng)度進(jìn)一步提高,同時也改變了十字板剪切強(qiáng)度沿深度的降低幅度。5次插板再加固后土體變形的變化通過本文設(shè)計的超軟土真空預(yù)壓模型試驗(yàn),對超軟吹填土地基真空預(yù)壓加固效果欠佳的原因進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:(1)含水率較高的吹填土地基經(jīng)真空預(yù)壓