粉細(xì)砂排水墊層特性及設(shè)計控制研究

粉細(xì)砂排水墊層特性及設(shè)計控制研究

1粉細(xì)砂充填地基排水系統(tǒng)的必要性排水固結(jié)法是一種常見的軟基處理方法，其排水系統(tǒng)由垂直排水體和水平排水體組成。水平排水體種類很多,最常用的是砂(礫、碎石)墊層。在工程應(yīng)用中,如墊層厚度、墊層滲透系數(shù)等相關(guān)設(shè)計參數(shù)高度依賴經(jīng)驗,建筑規(guī)范規(guī)定砂墊層宜用中粗砂,厚度不應(yīng)小于0.5m,滲透系數(shù)宜大于1×10-2cm/s,地基處理手冊要求排水墊層采用級配良好的中粗砂,不宜采用粉細(xì)砂,滲透系數(shù)不低于2×10-2cm/s,墊層厚度一般為30~50cm。以往對豎向排水體的研究較多,而對水平排水體研究很少,利用10-3cm/s量級滲透性的粉細(xì)砂充填土工管袋(以下簡稱“充砂管袋排水墊層”)作為排水體的研究幾近空白。上海的圍墾工程業(yè)已走向低(深)灘,墊層鋪設(shè)必然受到潮水沖刷影響,施工難度大,加上中粗砂等資源緊缺且價格昂貴,市場上多為粉細(xì)砂且以粉砂為主。上海地區(qū)充砂管袋筑堤技術(shù)相當(dāng)成熟,已應(yīng)用發(fā)展二十多年,土工管袋有保土防沖刷作用,如突破常規(guī)經(jīng)驗,采用粉細(xì)砂充填管袋形成排水墊層,則可有效解決墊層水中鋪設(shè)及材料緊缺問題,地基處理費用有可能大幅降低,但又產(chǎn)生了一個新問題,滲透性能差的粉細(xì)砂材料對地基固結(jié)的存在影響,粉細(xì)砂的滲透系數(shù)以及厚度的取用問題必須解決。本研究針對粉細(xì)砂管袋排水墊層問題,結(jié)合上海某已建圍墾工程實例以及原位觀測成果,利用有限元進(jìn)行模擬分析,對充砂管袋墊層滲透性能對海堤地基固結(jié)影響進(jìn)行了研究,探討了充砂管袋墊層滲透系數(shù)、厚度以及堤身透水性對地基固結(jié)的影響,并提出了墊層的設(shè)計控制指標(biāo),從而為充砂管袋作為排水墊層提供理論支持,指導(dǎo)類似工程設(shè)計與施工。2拋石壩促淤設(shè)計上海臨港重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)蘆潮港西側(cè)灘涂圈圍工程地處杭州灣北岸,圍堤順堤長3.5km,圈圍造地約3km2。工程等別為Ⅰ等工程,圈圍大堤為一級堤防,200年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。工程采用了分階段實施成陸步驟,拋石壩促淤已于2005年汛前結(jié)束,促淤期為一年,2006年汛后開工建設(shè)圍墾大堤。由于南匯嘴整體淤漲趨勢,拋石壩促淤效果顯著,僅一年時間,促淤壩后灘地全面淤高數(shù)米,促淤形成了新的(1)2淤泥層,不利于新建大堤的整體穩(wěn)定,設(shè)計采用了粉細(xì)砂管袋排水墊層結(jié)合塑料排水帶的地基處理方法。2007年汛前大堤基本完工,工程實踐證明,只要合理控制墊層設(shè)計參數(shù),由較低滲透性的粉細(xì)砂填充的充砂管袋排水墊層也能使超孔壓快速有效地消散,滿足地基土的排水固結(jié)需求。2.1地基上泥石流質(zhì)土厚度地質(zhì)勘探顯示,通過為期一年促淤形成的(1)2層淤泥質(zhì)土層平均淤積厚度達(dá)3.50m,加上原天然灘地上部厚薄不均的(1)3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土層,二期圍堤地基上部淤泥總厚度最大達(dá)到12m。尤其是表層(1)2層淤泥質(zhì)土,含水率高,壓縮性大,十字板強(qiáng)度值小于5kPa,承載力極低,必須進(jìn)行地基處理。主要土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。2.2圍堤的排水墊層設(shè)計按照水力充填堤壩的安全度汛要求,堤壩必須在次年汛前將土方加載到頂,所以加載速率較快,淤泥地基必須進(jìn)行有效處理才能確保圍堤施工安全。經(jīng)過多方案比選,設(shè)計采用排水固結(jié)與加筋聯(lián)合法進(jìn)行軟基處理,利用排水固結(jié)和加筋聯(lián)合來提高地基承載力和圍堤穩(wěn)定性。新淤積的淤泥含水率很高,排水固結(jié)過程中出水量很大,故采用排水通量大的C型塑料排水帶,正方形布置,間距為1.2m,插入深度最深13m,原則上是進(jìn)入下臥的(2)3砂質(zhì)粉土層。為彌補(bǔ)快速加載條件下地基強(qiáng)度增長不足,在堤身底層加鋪1層土工格柵。中粗砂墊層材料緊缺且造價昂貴,因此結(jié)合水力充填堤壩自身的填筑,設(shè)計采用粉細(xì)砂充填形成的通長土工管袋作為圍堤排水墊層,即降低造價,方便施工。由于粉細(xì)砂滲透系數(shù)較低,設(shè)計通過增加墊層厚度來彌補(bǔ)滲透系數(shù)降低帶來的負(fù)面影響,最終采用2層1m厚的充砂管袋作為圍堤的排水墊層,同時規(guī)定吹填材料的粒徑要求,要求大于0.075m的砂粒含量不小于70%,見圖2。施工過程中檢測時發(fā)現(xiàn),充填用粉細(xì)砂粒徑基本能滿足設(shè)計要求,略偏小,實測最小滲透系數(shù)為1.47×10-3cm/s。2.3典型地質(zhì)情況原位觀測對淤泥地基上圍堤加載安全十分重要,施工過程中必須根據(jù)原位監(jiān)測成果來嚴(yán)格控制土方加載速率,實時監(jiān)測圍堤安全狀況。為確保施工期圍堤穩(wěn)定,合理控制加載速率。本次將3.5km長的順堤劃分為10個監(jiān)測段,并針對堤基淤泥最厚的兩處(K3+780和K6+360)進(jìn)行重點監(jiān)測?，F(xiàn)以K3+780主監(jiān)測斷面詳細(xì)說明,典型地質(zhì)情況及原位觀測設(shè)備布置詳見圖3。為保證圍堤施工安全,分別在A~F處埋設(shè)了測斜管、分層沉降環(huán)、孔隙水壓力計等設(shè)備,設(shè)置了十字板預(yù)留孔,分別對水平位移、垂直沉降、孔隙水壓力和十字板強(qiáng)度變化情況進(jìn)行觀測,其中每孔埋設(shè)9個孔壓計,-6m高程以上每2m埋設(shè)1個,-6m高程以下每3m埋設(shè)1個。為監(jiān)控圍堤加載對外側(cè)拋石促淤壩的影響,在促淤壩頂部設(shè)置1個沉降觀測點。3層的滲透率及厚度工程設(shè)計中通常忽略堤身的透水性,認(rèn)為堤身不透水,假定地基中的水僅僅通過墊層排出,因此墊層的滲透性及厚度自然對地基固結(jié)存在影響。實際上大多數(shù)堤身是透水的,它對墊層中超孔隙水壓力消散存在一定的影響,本研究針對充砂管袋排水墊層問題,結(jié)合圍堤原位孔壓觀測成果,借助于非線性有限元方法,研究墊層的滲透性、厚度以及堤身的滲透性等主要影響因素對地基排水固結(jié)的影響。3.1基于不同材料的模型研究中采用平面有限元軟件Plaxis2D進(jìn)行數(shù)值分析,模型采用15節(jié)點的三角形單元,土體采用適用于軟土地區(qū)的硬化塑性模型(Hardening-Soil模型),它可以模擬包括軟土(剪縮)和硬土(剪脹)在內(nèi)的不同類型的土體行為,堤身及墊層的計算參數(shù)見表2。以本工程為例,圍堤堤身及墊層的填筑材料均為粉細(xì)砂,控制粒徑要求相同,認(rèn)為堤身滲透性與墊層的滲透性相當(dāng)。豎向排水體在平面有限元中必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,可將豎向排水體等效為砂墻或者排水體處理區(qū)域土體轉(zhuǎn)換為等效土層,本研究關(guān)注地基土中孔壓發(fā)展過程,采用等效砂墻方法進(jìn)行處理。圍堤加載曲線如圖4所示,計算得到外平臺及堤身軸線下方不同位置的孔壓發(fā)展消散過程分別見圖5,有限元分析結(jié)果較好地反映了實際情況。3.2墊層中點孔壓為研究墊層滲透系數(shù)k對地基固結(jié)的影響,保持墊層厚度T不變(2m),將k值分別設(shè)為理想狀態(tài)、1×10-2、3.8×10-3、1×10-3cm/s和5×10-4cm/s進(jìn)行有限元分析,其中,理想狀態(tài)是指墊層滲透系數(shù)足夠大,確保墊層中超孔隙水壓力幾乎為0。同時,為避免堤身滲透性對固結(jié)的影響,分析時將堤身改為不透水,地基中的水僅僅通過墊層排出。有限元得到的堤身軸線下排水板處理區(qū)超孔壓最大值位于-1m高程處,而原位觀測中-1m高程處未設(shè)孔壓計,實測-2m高程處孔壓最大。本研究選取堤身軸線下-2m高程處為關(guān)注點,以理想狀態(tài)下孔壓峰值為基準(zhǔn),反映墊層不同滲透系數(shù)對地基固結(jié)排水的影響。根據(jù)有效應(yīng)力原理,墊層中孔壓會直接導(dǎo)致堤底有效應(yīng)力減小,也會因墊層與地基土之間水頭差減小而導(dǎo)致地基固結(jié)速率降低,因此,墊層中孔壓不宜過大。公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范認(rèn)為土工織物墊層中孔壓不宜超過堤身荷載的5%~10%,本研究以墊層中孔壓峰值不超過堤身荷載的5%為界限,作為對固結(jié)影響的判斷依據(jù),即當(dāng)墊層滲透系數(shù)不小于某下限值時,墊層中點孔壓峰值不會超過實際堤身荷載的5%,此時認(rèn)為該影響因素變化對地基固結(jié)影響不明顯。圖6表明,排水墊層的滲透性能對排水板處理區(qū)的超孔壓消散有較大程度的影響。墊層滲透系數(shù)降低,地基固結(jié)速率也隨之降低。當(dāng)墊層滲透系數(shù)不小于3.8×10-3cm/s時,此時墊層中部最大超孔壓僅為5.10kPa,與堤身荷載值的比值為4.60%(小于5%),可以認(rèn)為對固結(jié)影響不明顯。3.3墊層厚度與土體固結(jié)速率的關(guān)系為研究墊層厚度T對地基固結(jié)的影響,假定堤身不透水,選取不同滲透系數(shù)值下不同的T值,分析墊層厚度變化對地基固結(jié)排水的影響以及不同厚度墊層的滲透系數(shù)下限值。根據(jù)工程經(jīng)驗,墊層厚度一般在2m以內(nèi),故T分別選取2.0、0.9、0.5m進(jìn)行分析。圖7表明,滲透系數(shù)相同情況下,墊層厚度變小,會導(dǎo)致地基土超孔壓上升,固結(jié)速率隨之降低。因此,必須將墊層滲透系數(shù)增大,才能彌補(bǔ)厚度變小對固結(jié)的不利影響。這也意味著,厚度變小,對應(yīng)的滲透系數(shù)下限值將會變大。同樣選取堤身軸線下-2m高程處為關(guān)注點,以理想狀態(tài)下孔壓峰值為基準(zhǔn),分析不同厚度墊層的滲透系數(shù)下限值。通過有限元分析得出,0.9m厚墊層的滲透系數(shù)下限值為9.0×10-3cm/s,對應(yīng)墊層中部最大超孔壓計算值為5.15kPa(孔壓與堤身荷載值之比為4.65%);0.5m厚墊層的滲透系數(shù)下限值為1.9×10-2cm/s,對應(yīng)墊層中部最大超孔壓計算值為5.22kPa(孔壓與堤身荷載值之比為4.71%)?？梢妷|層厚度越小,地基固結(jié)對墊層滲透性要求越高,計算得到的滲透系數(shù)下限值也就越大。3.4導(dǎo)水系數(shù)對墊層滲透系數(shù)的影響導(dǎo)水系數(shù)δ可以直接衡量巖土體的滲透性能大小,它表示水力坡度等于1時,通過整個含水層厚度T上的單寬流量,導(dǎo)水系數(shù)δ等于厚度T與滲透系數(shù)k的乘積,可以直接反映墊層導(dǎo)水性能好壞。如保持墊層導(dǎo)水能力不變,則當(dāng)墊層厚度變小時,需增大墊層的滲透系數(shù)。導(dǎo)水系數(shù):表3列出不同厚度墊層的滲透系數(shù)下限值的分析成果。由表可知,不同厚度的墊層對應(yīng)的導(dǎo)水系數(shù)下限值十分接近,介于0.7~0.9cm2/s之間,厚度大的墊層排水效率略高,導(dǎo)水系數(shù)值相應(yīng)也略小。文獻(xiàn)分別給出了墊層厚度和滲透系數(shù)要求,兩者相乘得到的導(dǎo)水系數(shù)δ也在0.8~1.0cm2/s之間,與本研究的結(jié)果十分接近。因此,將導(dǎo)水系數(shù)下限值δmin作為墊層的設(shè)計控制指標(biāo),可以綜合考慮厚度與滲透系數(shù)之間的關(guān)系,根據(jù)具體情況確定墊層厚度T和滲透系數(shù)k,保證兩者乘積不小于δmin。當(dāng)選用滲透性低的材料,墊層厚度需適當(dāng)加厚。3.5相對透水性對min的影響表3中有限元分析結(jié)果是在假定堤身不透水的基礎(chǔ)上得出的,然而大多數(shù)堤身是透水的,它有利于地基土的固結(jié)排水,匯集到墊層中的水可以部分通過堤身排出,而不是僅僅從墊層中排出。以本工程為例,圍堤堤身及墊層的填筑材料控制粒徑要求相同,可以認(rèn)為堤身滲透系數(shù)k1與墊層的滲透系數(shù)k相同。為研究堤身透水性對墊層設(shè)計控制指標(biāo)δmin的影響,本研究采用不同的堤身滲透系數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析,同時采用堤身滲透系數(shù)與墊層滲透系數(shù)的比值k1/k(下稱為堤身相對透水性)來表示堤身材料的相對透水性。為利于排水,排水墊層的滲透系數(shù)一般大于堤身的滲透系數(shù),也就是說,k1/k≤1。因此,k1/k分別設(shè)為1、0.1、0.01和0.0001進(jìn)行堤身透水性對δmin的影響分析。本工程實例的墊層長度B=56m,分析結(jié)果見圖8曲線2。堤身透水性增大,墊層控制指標(biāo)δmin相應(yīng)地降低,說明堤身透水有利于墊層中超孔壓的消散,部分充當(dāng)了墊層的角色。堤身相對透水性k1/k與墊層設(shè)計控制指標(biāo)δmin之間很好地符合邏輯增長關(guān)系曲線:由圖8可見,當(dāng)?shù)躺頋B透系數(shù)比墊層的小1000倍以上時(k1/k≤0.001),可以認(rèn)為堤身不透水,不會對墊層中超孔壓消散產(chǎn)生影響,墊層的設(shè)計控制指標(biāo)δmin需達(dá)到0.9cm2/s,才不會對墊層排水造成影響;當(dāng)?shù)躺頋B透系數(shù)比墊層的小100倍時(k1/k=0.01),墊層的設(shè)計控制指標(biāo)δmin降低了1/2,墊層中的超孔壓部分通過堤身消散;當(dāng)?shù)躺頋B透系數(shù)與墊層的差異在5倍以內(nèi)時(k1/k≥0.2),墊層的設(shè)計控制指標(biāo)δmin大幅降低為原先的1/15,說明墊層中的超孔壓大部分通過堤身消散,堤身自身起了排水墊層的作用,排水效率大幅提高。這解釋了本工程突破常規(guī)經(jīng)驗而采用滲透性較低的粉細(xì)砂作為排水墊層材料的合理性。如果不考慮堤身透水性,本工程墊層實測最小滲透系數(shù)為1.47×10-3cm/s,相應(yīng)的導(dǎo)水系數(shù)僅為0.3cm2/s,不能滿足相應(yīng)的導(dǎo)水系數(shù)下限值δmin(0.9cm2/s)的要求,但實際上堤身是透水的,堤身與墊層填筑材料相同(k1/k=1),相應(yīng)的導(dǎo)水系數(shù)只需達(dá)到0.07cm2/s(δmin)即可滿足排水需求。3.6堤身相對透水性對墊層長度的影響前述結(jié)論都是在墊層尺寸不變的基礎(chǔ)上分析得出的,而實際上墊層長度對地基固結(jié)排水也是存在影響的。墊層越長,排水路徑越長,對固結(jié)排水越不利。為研究墊層長度對墊層設(shè)計控制指標(biāo)的影響,本研究在保持其他條件不變的前提下,對不同的墊層長度進(jìn)行分析。模擬分析時采用坡比1∶3的單坡,改變堤頂寬度,相應(yīng)的墊層長度B為65、50m和45m。模擬得到的最大沉降速率均接近30mm/d,分析成果如圖8所示。在不同墊層長度條件下,堤身相對透水性與墊層設(shè)計控制指標(biāo)δmin之間均滿足邏輯增長關(guān)系曲線,并在雙對數(shù)圖上保持很好的平行關(guān)系。因此,將不同的堤身相對透水性條件下的δmin與墊層長度B繪制成雙對數(shù)圖(見圖9),δmin與B之間滿足線性關(guān)系,通過換算可以得到δmin與B2.0097成正比,這與文獻(xiàn)推導(dǎo)出等厚砂墊層的厚度和滲透系數(shù)的乘積值δ與B2成正比的結(jié)論相接近。利用正交試驗,結(jié)合圖8、9可以得出關(guān)系式:4堤身透水性及施工墊層設(shè)計控制式(3)給出了墊層導(dǎo)水性的最低要求,實際工程應(yīng)用中要求墊層導(dǎo)水性不能小于δmin,因此墊層設(shè)計公式可表達(dá)為給定墊層厚度T、墊層滲透系數(shù)k、墊層長度B以及堤身滲透系數(shù)k1中任意三者,即可求出另一變量。在工程實際應(yīng)用中可先取定k、k1及B,然后求出墊層最小厚度。地基處理規(guī)范及建筑手冊給出關(guān)于墊層厚度及滲透系數(shù)的要求存在應(yīng)用前提條件,即假定堤身不透水、最大沉降速率不大于30mm/d且墊層長度B不大于60m,它是式(4)的一種特例。當(dāng)需要考慮堤身透水性以及采用粉細(xì)砂等較低滲透性材料施工墊層時,規(guī)范經(jīng)驗不適用,而本研究提出的設(shè)計公式可以解決這一問題。為簡化應(yīng)用,邏輯增長曲線可以簡化為如圖9所示虛折線,同時出于工程安全需求,考慮堤身透水的有利影響時需留有安全余量(Fs取2.0),相應(yīng)的墊層設(shè)計控制指標(biāo)δmin可做如下簡化處理:當(dāng)?shù)躺頋B透系數(shù)比墊層的小100倍以上時(k1/k≤0.01),近似認(rèn)為堤身不透水,墊層設(shè)計控制指標(biāo)δmin=2.88×10-4B2;當(dāng)?shù)躺頋B透系數(shù)與墊層的差異在5倍以內(nèi)時(k1/k≥0.2),需考慮堤身透水性,墊層設(shè)計控制指標(biāo)δmin=4.78×10-5B2;當(dāng)k1/k介于0.01~0.20之間時,δmin=10-4.74(k1k)-0.6B2。實際上,當(dāng)?shù)躺?/p>