真空預壓土體強度增長計算方法

劉 鋒，余湘娟，倪小東

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098)

強度是土的重要力學性質之一，由于土的成因、應力歷史及周圍環境不同，受荷載以后的反應亦各不相同，且隨著時間而改變［1］。對軟土地基進行處理以提高土體強度的方法很多，最有效的辦法就是通過加載預壓使軟土壓密固結，提高地基的強度［2］。真空預壓法在工程上應用廣泛，技術經濟合理，是行之有效的軟土地基處理方法，尤其適用于深厚軟弱地基［3］，加固后土體強度增長的計算方法很多。婁炎［4］提出了綜合影響系數法，闡述了折減系數η 作為剪切變形因素對強度產生的影響，并考慮真空預壓的特殊作用，研究真空預壓中軟黏土不排水剪切強度的增長。目前工程上常用有效應力法和有效固結壓力法計算強度增長，但這兩種方法的計算結果偏差較大。本文結合實際工程分別使用這兩種方法計算折減系數η和強度增長率K，以評價土體強度變化規律。

1 土體強度增長計算方法

真空預壓法加固時，考慮了由于剪切而引起的強度衰減后地基中某一時刻的抗剪強度τct:

式中:τ0為加固前的抗剪強度;Δτct為由于固結而增長的抗剪強度增量;η為考慮剪切變形及其他因素對強度影響的折減系數。

由固結引起的強度增量Δτct的計算方法很多，本文主要考慮兩種方法。

a.有效應力法。計算公式為

將式(2)代入式(1)得

b.有效固結壓力法。計算公式為

式中:Δσz為地基中某點的附加應力;Ut為地基中某點完工時刻的固結度;φcu為固結不排水三軸試驗得到的內摩擦角。

將式(4)代入式(1)得

2 工程概況

某工程的擬建場地位于長江三角洲沖積平原，全境地勢平坦，自東北向西南略呈傾斜，東部為沿江平原，西部為低洼圩區。經勘察該場地深度65.42 m范圍內地基土屬第四紀上更新世及全新世沉積物，主要由黏性土、粉性土和砂土組成。按其沉積年代、成因類型及其物理力學性質的差異，該場地土層劃分如表1 所示。

表1 各土層的物理力學性質

由于該區域軟土層很厚，強度較低，如不進行基礎處理，不能滿足上部結構的荷載要求。經設計采用真空預壓法加固該工程區域軟土地基，預壓荷載為80 kPa(即真空預壓值)，以SPB100-C 型塑料排水板為排水通道，間距1 m，正方形布置，施打深度約為18 m。根據設計要求，工程預壓時間為3個月，連續10 d的日平均沉降不大于2 mm 即可卸載，加固后淤泥及淤泥質土層的平均固結度達到85%以上，各土層承載力標準值不小于100 kPa。

3 現場監測成果分析

圖1 是c1～c6 沉降板的累計沉降值隨時間的變化，其中c3和c4 是施工區域的中間斷面。在真空預壓的第1個月，累計沉降值隨時間下降幅度較大，這是由于土顆粒之間的直接有效作用增加，土體顆粒密實，從而產生較大的沉降［5］;隨后沉降量變小，曲線變緩，此時真空荷載已不足以使軟土地基產生更明顯的沉降。為縮短工程的總工期，業主要求提前鋪設30 cm 厚的中粗砂墊層，砂堆從工程區域的中部往兩邊推平。在砂堆荷載作用下地基土層產生新的沉降，沉降曲線出現臺階，其中中間斷面的沉降板(c3，c4)沉降量最大，且明顯大于其他沉降板。

圖1 累積沉降與時間的關系

真空預壓處理方法是將大氣作為荷載，通過真空負壓向深土層傳遞，本工程的深層真空度曲線如圖2 所示。開始抽真空時，膜下真空度上升很快，1個月以后基本趨于穩定。深層真空度體現了豎向排水體中真空壓力向深層傳遞，使加固區域形成網狀真空度［6］，豎向排水體中的真空度通過土體的孔隙沿橫向傳遞，使整個加固區域形成一定的真空度。從圖2可看出，在抽真空的初期塑料排水板中的真空度迅速增加，沿深度遞減［7］。預壓期間因為天氣或施工的因素造成了土工膜破壞，壓力值急劇下降，通過及時修補后壓力值迅速得以恢復。類比分層沉降數據可以發現，該區深層土體處在真空壓力影響范圍內。

圖2 深層真空度與時間的關系

孔隙水壓力變化可反映真空預壓過程中地下水的滲流變化及有效應力的增加程度。從觀測數據看，隨著抽真空的進行，同一土體深度孔隙水壓力逐漸減小，孔隙水壓力消散后有效應力的提高量越大;不同土體深度，孔隙水壓力由淺至深逐漸增大，增加趨勢逐漸變緩［8］，由于真空壓力影響由淺至深發生衰減。預壓1個月后，孔隙水壓力增加，是受到鋪設砂墊層時砂堆的荷載作用影響，隨后，孔隙水壓力曲線趨于平緩，卸載后孔隙水壓力迅速回升。

圖3 孔隙水壓力與時間的關系

4 兩種方法比較

表2和表3為有效應力法和有效固結壓力法計算的地基強度增長與工程區域軟土地基加固后實測剪切強度的比較。采用式(1)計算η 值，表中天然強度為該地基加固前十字板剪切強度，實測強度是加固后十字板剪切強度;有效應力Δσ'1取各深度實測的負孔隙水壓力增量值;附加應力Δσz取砂井中各深度實測的真空壓力值;Ut為相應土層達到的固結度。由表2可以得出:Δσ'1和Δσz隨著深度逐漸減小，兩種方法所計算的土的抗剪強度Δτct隨土體深度逐漸減小，η 隨土體深度呈小幅增大趨勢，其值在1.0～1.5 之間;在同一土體深度，用有效固結壓力法計算的η 值略偏大，有效固結壓力法計算的土體強度增長值接近于實測的土體強度變化。由于十字板實測強度值由擬合方程計算而得，結果偏小［9］，因此計算的η 也偏小。

由表2可看出:相同土體深度兩種方法計算得到的強度增長率K 大小相接近，在0.4～0.6 之間，并且隨土體深度增加呈增加趨勢［10］，最大值出現在12 m 處。

地基加固后土層強度增長規律與土體本身的性質有關。由表3 各土層強度增長量可知該區域淤泥質黏土加固后土體強度增加幅度最大，其下伏土層為強度較高的粉質黏土，加固后土體強度增加幅度最小。

表2 兩種方法計算的η 與K 比較

表3 各土層強度變化量

將表2和表3 中同一土體深度的η 與K 值進行對比，可以得到圖4的關系曲線。圖4 中η 與K 隨土體深度近似呈一次線性關系，K 隨η的增加而增加。

圖4 有效應力法和有效固結壓力法計算的η 與K的關系

5 結 論

a.分析監測結果，預壓初期，累計沉降值隨時間下降幅度較大，第一個月累積沉降約為總沉降量的60%，前兩個月沉降量達到90%以上，這是真空負壓使土體壓縮固結的結果，土體強度也不斷增加。

b.η 隨土體深度呈小幅增大趨勢;在同一土體深度，用有效固結壓力法計算的η 值略偏大，其值在1.0～1.5 之間。

c.在相同土體深度兩種方法計算得到的強度增長率K 值大小接近，在0.4～0.6 之間，并且都隨土體深度增加。

d.兩種方法計算的η 與K 呈一次線性關系，K隨η的增加而增加。

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