二次插板加固吹填土試驗研究

二次插板加固吹填土試驗研究

1超軟土真空預壓加固研究隨著天津濱海新區(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)過真空預壓加固才能開發(fā)和使用。隨著真空預壓技術(shù)的廣范應用,真空預壓已有較多的研究成果,主要體現(xiàn)在對真空預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)對真空預壓的沉降計算進行了研究;張功新等通過理論計算和現(xiàn)場觀察對真空預壓過程中真空度與孔隙水壓力的關(guān)系進行了研究;陳平山等采用將排水板等效成砂井地基的方法對真空預壓等效固結(jié)度進行了簡化計算;金小榮等詳細介紹了真空預壓的施工工藝,提出了真空預壓部分施工工藝的改進;閆澍旺等分別對真空預壓固結(jié)度的估算方法、真空預壓有效的加固深度和真空-堆載聯(lián)合預壓進行了研究。魏波和賀懷建對真空-堆載聯(lián)合預壓處理軟基效果進行了室內(nèi)試驗研究。周琦和劉漢龍等對真空預壓條件下地下水位和出水量的關(guān)系進行了現(xiàn)場測試研究。董志良等對真空預壓下軟土滲透系數(shù)對固結(jié)的影響進行了研究。當真空預壓加固地基達到規(guī)程規(guī)定標準后停止施工,對加固后的土體進行加固效果檢測,檢測結(jié)果顯示,只有表層土體強度可達設(shè)計要求,地表以下3~4m土體強度提高幅度很小,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)計了超軟土真空預壓室內(nèi)模型試驗。通過試驗研究加固過程中排水板的變化,提出加固效果欠佳的原因。同時進行了二次插板再加固試驗,提出了二次加固能夠提高超軟土地基的加固效果,試驗過程中對土體的變形、孔隙水壓力和真空度進行了觀測記錄;通過室內(nèi)試驗取得試驗前后的十字板強度、含水率。2模型試驗2.1土壤測試試驗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)試驗得到其物理力學指標如表1所示。2.2物理力學特性模型試驗裝置如圖1所示。模型試驗裝置由模型槽、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指標如表1所示,土樣體積為1.2m×1.2m×1.1m。將吹填泥注入試驗槽后,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次加固試驗本次試驗的目的為:(1)探究吹填土地基真空預壓加固效果欠佳的原因;(2)提出能夠進一步提高加固效果的加固方法。為達到試驗目的,試驗分為兩個階段進行,首先進行一次加固,探明加固效果欠佳的原因,然后在一次加固的基礎(chǔ)上進行二次插板再加固,驗證二次插板是否能夠進一步提高加固效果。具體試驗的內(nèi)容包括:(1)一次加固試驗前取土樣的含水率、重度和十字板剪切強度;(2)一次加固試驗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度;(4)在一次加固后土體上進行二次插板,進行第二階段的加固,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度。3試驗結(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,真空度很快達到60kPa,然后緩慢增加到4d后的90kPa左右并達到穩(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過程中通過千分表和直尺測量了真空預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。當抽真空加固時間達到400h后,沉降量到達了20cm左右,400h后沉降曲線幾乎接近水平線,基本上達到穩(wěn)定狀態(tài)。此時停止試驗,進行二次插板再加固試驗。3.2.2次插板再加固后土體沉降變化試驗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,達到了2mm/h,在連續(xù)加固50h后土體沉降值達到1.2cm,說明在進行二次插板再加固過程中,沉降進一步發(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到穩(wěn)定,但從孔壓的量值上來看只有-70kPa左右,還沒達到施加的真空度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,從而使真空預壓加固效率很低,孔隙水壓力很難進一步降低,以致達不到預期效果。二次插板再加固能夠使土體進一步固結(jié),孔壓進一步降低,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度試驗本試驗十字板采用英國ELE公司生產(chǎn)的“H-60hand-heldvanetester”,見圖14,該儀器測試精準且操作方便,已在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應用。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;其對應所測得的不排水強度范圍分別為0~50、0~100、0~200kPa。對距離排水板不同距離、不同深度的土樣進行十字板試驗,分別得到同一深度距離排水板5、10、15cm處的十字板剪切強度。從表面開始每隔10cm的深度進行一次十字板剪切試驗。試驗過程如圖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度。圖16、17為一次插板和二次插板加固后十字板剪切強度隨深度的變化曲線,由圖可知,一次插板加固后,十字板剪切強度隨深度增加急劇下降,因為試驗為雙面排水,所以底部強度有所增加。二次插板再加固后十字板剪切強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度增量隨深度變化曲線,由圖可知,二次插板再加固后的強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、十字板剪切強度變化規(guī)律可知,高含水率的超軟土地基真空預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次插板加固真空預壓后變形為了研究超軟吹填土地基真空預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,超軟土地基真空預壓之所以加固效果不好,是因為在真空預壓加固過程中,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,導致真空預壓加固達不到預期效果。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),使土體的含水率進一步降低,十字板剪切強度有很大的提高,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一步降低,十字板剪切強度進一步提高,同時也改變了十字板剪切強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)計的超軟土真空預壓模型試驗,對超軟吹填土地基真空預壓加固效果欠佳的原因進行了試驗研究,得出以下結(jié)論:(1)含水率較高的吹填土地基經(jīng)真空預壓