變動水壓荷載對真空預(yù)壓加固效果的影響①

劉愛民

(中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222)

變動水壓荷載對真空預(yù)壓加固效果的影響①

劉愛民

(中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222)

目前成功實施的幾項潮差帶地區(qū)真空預(yù)壓工程未考慮膜上變動水壓荷載的影響，單純將膜下真空壓力作為預(yù)壓荷載，這明顯偏于保守。根據(jù)具體工程的加固效果，分析膜上變動水壓荷載對真空預(yù)壓加固效果的影響，并給出在潮差帶地區(qū)進(jìn)行真空預(yù)壓設(shè)計時預(yù)壓荷載的取值方法，研究結(jié)果可供類似工程參考。

真空預(yù)壓； 潮差帶； 變動水壓； 荷載

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，在潮差帶地區(qū)修建碼頭、護(hù)岸、圍埝以及海上人工島等工程建設(shè)項目越來越多，常常需要采用真空預(yù)壓技術(shù)對水下軟土地基進(jìn)行加固，以解決水下開挖穩(wěn)定、縮小圍埝斷面尺寸和縮短施工工期等問題。

目前真空預(yù)壓和真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)的加固機(jī)理已經(jīng)非常明確[1]，我們通過室內(nèi)模型試驗，也探明了恒水壓條件下水下真空預(yù)壓加固地基技術(shù)的加固機(jī)理：水下真空預(yù)壓的預(yù)壓荷載等于預(yù)壓前的孔隙水壓力和預(yù)壓后(完全固結(jié))的孔隙水壓力之差，當(dāng)膜下砂墊層中的孔隙水壓力小于0時，膜上水可全部作為預(yù)壓荷載起作用[2]。對于潮差帶地區(qū)水下真空預(yù)壓，其主要特點(diǎn)是膜上水壓是隨潮水位和地面標(biāo)高的變化而變化，也就是說每一天每一時刻的膜上水壓都是不同的，變動水壓對真空預(yù)壓荷載和加固效果的影響目前還不清楚。目前成功實施的幾項潮差帶地區(qū)真空預(yù)壓工程都未考慮膜上變動水壓的影響，單純將膜下真空壓力作為預(yù)壓荷載[3-7]，這明顯是偏保守的。而膜上變動水壓對預(yù)壓荷載的貢獻(xiàn)如何考慮、考慮多少，目前尚不明確，國內(nèi)外也未見該方面的相關(guān)報道。根據(jù)目前潮差帶地區(qū)水下真空預(yù)壓的施工工藝和特點(diǎn)，鋪密封膜都是趁低潮時施工，鋪膜完成時膜上都處于無水壓狀態(tài)。因此，我們認(rèn)為潮差帶地區(qū)水下真空預(yù)壓技術(shù)的加固機(jī)理同真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的加固機(jī)理相似，但由于聯(lián)合堆載荷載是一個變動的水壓荷載，其對預(yù)壓荷載的貢獻(xiàn)是潮差帶地區(qū)水下真空預(yù)壓技術(shù)加固機(jī)理研究的重點(diǎn)。為此我們結(jié)合具體工程的加固效果，分析研究變動水壓荷載對真空預(yù)壓加固效果的影響，并給出在潮差帶地區(qū)進(jìn)行真空預(yù)壓設(shè)計時預(yù)壓荷載的取值方法。

1 工程概況

天津港某碼頭區(qū)寬度僅為50 m，如采用傳統(tǒng)接岸結(jié)構(gòu)型式，按照放坡要求則碼頭總寬度將達(dá)到70 m以上，無法滿足50 m碼頭寬度的限制要求。為此提出了通過潮差帶水下真空預(yù)壓加固地基技術(shù)，提高岸坡土體強(qiáng)度指標(biāo)來保證岸坡及接岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的新思路，該方案技術(shù)上可行，且工程造價較低，工期也較容易控制。

潮差帶地區(qū)水下真空預(yù)壓岸坡處理范圍寬度方向垂直于碼頭前沿線，寬度為36.4 m，長度為573.0 m，共分4個區(qū)，水下真空預(yù)壓處理總面積為20 857.2 m2。加固區(qū)漲潮時淹沒，低潮時露灘時間約為4 h。

2 地質(zhì)條件

加固區(qū)場地埋深20.0 m深度范圍內(nèi)土層自上而下分布為：①淤泥，②淤泥質(zhì)黏土，③黏土。各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 加固前后各土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計表

3 加固效果

為了確保軟基加固的施工質(zhì)量，及時掌握加固過程中地基土的固結(jié)度和側(cè)向位移情況，在施工過程中對地表沉降、分層沉降、孔隙水壓力、側(cè)向位移和水位進(jìn)行監(jiān)測，同時在各區(qū)中心位置處安排了加固后的現(xiàn)場取土和十字板強(qiáng)度檢驗。各儀器和檢測孔的布置情況見圖1。

(1) 地表沉降

真空預(yù)壓期間各區(qū)地表沉降統(tǒng)計結(jié)果及固結(jié)度計算結(jié)果見表2。

(2) 孔隙水壓力

孔隙水壓力傳感器分別埋設(shè)在四根排水板所圍區(qū)域的中心處，按設(shè)計要求在不同深度埋設(shè)孔隙水壓力測頭。抽真空開始后，孔隙水壓力急劇消散，真空預(yù)壓后期孔隙水壓力消散很小，變化緩慢。2區(qū)孔隙水壓力變化曲線見圖2。

表2 地表沉降統(tǒng)計結(jié)果表

(3) 深層水平位移

隨著真空預(yù)壓的進(jìn)行，加固區(qū)外側(cè)土體向加固區(qū)內(nèi)方向進(jìn)行位移，各區(qū)最大位移量為59～181 mm，且位移最大值發(fā)生在表層。

(4) 水位觀測結(jié)果

在抽真空前期，加固區(qū)外側(cè)水位下降較快，下降幅度為2.5 m左右，后期變化不大，基本維持在標(biāo)高0.0～-1.5 m范圍內(nèi)。

圖1 監(jiān)測儀器和檢測位置平面布置圖Fig.1 Layout of monitoring instrument and check point

圖2 2區(qū)真空壓力變化時程線Fig.2 Variation of vacuum pressure with time in zone 2

(5) 加固后土性分析

① 十字板剪切試驗結(jié)果

為保證后期岸坡區(qū)在開挖過程中的穩(wěn)定，卸載后分別在各加固區(qū)中心位置處進(jìn)行1組十字板剪切試驗，以確定加固后的地基抗剪強(qiáng)度，結(jié)果顯示加固后土體抗剪強(qiáng)度在加固深度范圍內(nèi)都達(dá)到或超過了設(shè)計提出的27 kPa的要求，加固后十字板強(qiáng)度統(tǒng)計見表3。

② 加固后取土檢驗結(jié)果

加固后加固范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)指標(biāo)改善明顯，具體見表1。

4 預(yù)壓荷載分析

以2區(qū)為例，對施工期間的潮水位和地表標(biāo)高進(jìn)行統(tǒng)計，計算出每天的平均膜上水壓力，再結(jié)合膜下真空度觀測結(jié)果，可以計算出每天的實際預(yù)壓荷載(變動水壓情況下)。再將每天的膜上水壓荷載進(jìn)行平均，求出平均膜上水壓荷載，將平均膜上水壓荷載和膜下真空荷載相加求得實際預(yù)壓荷載(恒水壓情況下，暫時假定實際預(yù)壓荷載為平均膜上水壓荷載和膜下真空荷載之和)。計算結(jié)果見圖3。

表3 加固后十字板檢驗結(jié)果

為了分析潮差帶地區(qū)變動水壓對真空預(yù)壓加固效果的影響，采用數(shù)值分析的手段進(jìn)行模擬分析。

選取2區(qū)S29號鉆孔為典型鉆孔，塑料排水板間距0.8 m，正方形布置，插板深度至標(biāo)高-15.0 m，真空荷載按實測的真空度數(shù)據(jù)選取，由于處于水下區(qū)，因此，模擬分析考慮了鋪膜后上覆水壓對地基加固效果的影響，實際水壓按照施工期間平均膜上水壓荷載計算。抽氣開始3 d后真空荷載達(dá)80 kPa，滿載105 d后卸載。模擬分析采用巖土工程通用的PLAXIS有限元軟件，平面應(yīng)變形式分析，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。分兩個工況進(jìn)行計算：工況一是初始抽氣階段，時間為3 d，荷載包括平均膜上水壓荷載和線性增加的真空荷載，3 d后真空荷載達(dá)到80 kPa；工況二是滿載階段，真空荷載與平均膜上水壓荷載共同作用，時間為105 d。

計算所需參數(shù)根據(jù)加固前勘察報告選取，其中彈性模量E基本根據(jù)壓縮模量的2倍選用，2a1和2a軟土層的彈性模量值是根據(jù)沉降量的計算值與實測值相對比后，反分析所得到的，取值小于2倍的壓縮模量。表4為計算所選的參數(shù)。

根據(jù)工程情況和參數(shù)建立模型劃分網(wǎng)格。采用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元，網(wǎng)格密度較大，因此得出的結(jié)果在計算上是可靠的。左右邊界約束側(cè)向位移，下邊界豎向和側(cè)向位移均約束，為固定邊界。加固區(qū)域左右兩邊各延伸10 m。圖4為劃分網(wǎng)格后的模型圖。

根據(jù)分析步驟進(jìn)行了模擬計算，加固后的沉降分布見圖5。圖中，加固后地表沉降量為881 mm，實測沉降值為885 mm，相差4 mm，基本一致。插入塑料排水板的部分是模擬加固的區(qū)域。加固區(qū)域的中間位置不受邊界等影響，其值是實際要進(jìn)行分析的值。所以在加固區(qū)域中間位置的地表選取一點(diǎn)，分析該點(diǎn)的沉降曲線，并與實測的地表沉降曲線相比較，結(jié)果見圖6。

圖4 模型劃分網(wǎng)格Fig.4 Mesh of numerical model

表4 計算參數(shù)

Table4 Calculation parameters

土層編號重度/(kN·m-3)黏聚力Ccq/kPa內(nèi)摩擦角Φq/(°)滲透系數(shù)Kv/(m·d-1)滲透系數(shù)Kh/(m·d-1)泊松比彈性模量/MPa118．115．710．233．00E-043．00E-040．326．222a116．8515．518．476．00E-0．61．16E-050．351．342a17．661610．312．79E-067．50e-060．351．742b19．3214．3915．065．01E-076．30E-070．328．983b20．097．9428．43．50E-061．28E-060328．593c19．90301．00e-021．00E-020．2553．6

圖5 加固后沉降量分布圖Fig.5 Ground settlement after improvement

圖6 沉降量的計算曲線和實測曲線比較Fig.6 Comparison of ground settlements determined by calculation and measurement

由圖6可以看出，計算值與實測值趨勢基本一致，前期階段擬合較好，基本吻合，后期計算值要大于實測值，停泵前又基本一致。這是因為計算值是一種理想狀態(tài)下的計算結(jié)果，而實測值所處的現(xiàn)場工程環(huán)境復(fù)雜，完全相同的擬合是不可能的，故認(rèn)為這里的沉降計算值與實測值基本吻合，說明模擬方法和參數(shù)的取值是可行的，那么其他物理量的計算值也應(yīng)當(dāng)是合理的。所以真空預(yù)壓作用下的有效應(yīng)力模擬計算值應(yīng)是合理的。而且在真空荷載和平均膜上水壓荷載作用下，地基排水固結(jié)，有效應(yīng)力不斷增加，從而引起了十字板強(qiáng)度的增加，承載力增加，地基被加固。地基強(qiáng)度增長與有效應(yīng)力間關(guān)系為Δτ=σ＇tanφ(Δτ為地基強(qiáng)度增長；σ＇為有效應(yīng)力；φ為土層內(nèi)摩擦角)。因此將與加固前十字板取土相對應(yīng)深度上的有效應(yīng)力提取出來，計算十字板強(qiáng)度增加值，從而確定加固后的十字板強(qiáng)度值，結(jié)果見圖7。可以看出計算所得的十字板強(qiáng)度與實測值基本相同，說明在預(yù)壓荷載分析時考慮平均膜上水壓荷載與真空荷載的共同作用是合理的，在平均膜上水壓荷載和真空荷載作用下地基得到了加固，且加固效果顯著。

圖7 加固后十字板強(qiáng)度比較圖Fig.7 Comparison of vane strengths determined by calculation and measurement after improvement

5 結(jié)論

在進(jìn)行潮差帶地區(qū)水下真空預(yù)壓加固地基設(shè)計時，預(yù)壓荷載可以取膜下真空荷載和平均膜上水壓荷載之和。由于平均膜上水壓荷載不宜準(zhǔn)確計算，建議在設(shè)計時可以采取以下方法確定潮差帶地區(qū)水下真空預(yù)壓的預(yù)壓荷載。

(1) 當(dāng)平均膜上水壓荷載不大時，可直接將膜下真空預(yù)壓荷載做為預(yù)壓荷載。該方法簡便易行，平均膜上水壓荷載可以作為安全儲備考慮，對設(shè)計安全控制有利。

(2) 當(dāng)平均膜上水壓荷載較大時，可將膜下真空預(yù)壓荷載與平均膜上水壓荷載之和做為預(yù)壓荷載。平均膜上水壓荷載可根據(jù)施工期間的潮水位和地面標(biāo)高進(jìn)行分析計算，計算時應(yīng)考慮低潮落灘時間的長短，同時建議不考慮地基沉降對地表標(biāo)高的影響。

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Influence of Varied Water Pressure Loading on Strengthening Effect of Vacuum Preloading

LIU Ai-min

(CCCCTianjinPortEngineeringInstituteCo.Ltd.，Tianjin300222，China)

The vacuum preloading technique has often been applied to underwater soft-ground improvements in intertidal zones.However，in those construction activities，the varying water pressure load has not been considered，and the vacuum load was just taken as the vacuum pressure below the membrane.This treatment was obviously conservative.This research aims to analyze the effect of variant water pressure on the soil ground improvement through practice，and proposes a determination method for the vacuum load for the vacuum preloading technique in intertidal zones.The preloading may be taken as the sum of the vacuum load and the average water pressure above the membrane，and the latter should be calculated through the intertidal water level during the construction period and the ground elevation.This method for load determination may serve as a valuable reference for engineering design.

vacuum preloading； intertidal zone； varied water pressure； load

2014-08-20

科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金項目(2010EG124225)

劉愛民(1969-)，男，教授級高級工程師，主要從事地基處理技術(shù)研發(fā)和設(shè)計工作.E-mail：liuaimin1987@163.com

TU47

A

1000-0844(2015)02-0467-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0467