動力排水固結法在淤泥質黏土地基中的應用研究

鞏躍龍

(山西省晉城高速公路有限責任公司,山西晉城 048000)

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動力排水固結法在淤泥質黏土地基中的應用研究

鞏躍龍

(山西省晉城高速公路有限責任公司,山西晉城 048000)

摘要:結合某高速公路深厚淤泥質黏土地基處理工程,探討動力排水固結法對飽和軟土地基的處理效果。通過分析加固過程中地基土孔隙水壓力和土體變形量的現場試驗數據,得出設計參數選取合理的情況下動力排水固結法可較好地處理淤泥質黏土地基。

關鍵詞:公路;動力排水固結法;淤泥質黏土;孔隙水壓力;土體變形

軟土地基因其天然孔隙率大、滲透性差等特點,成為高速公路建設中的一大難題。傳統強夯法在處理飽和軟土地基時,夯擊動力在土中產生超靜孔隙水壓力,由于飽和軟土層含水量高、滲透性差,超靜孔隙水壓力無法快速消散,使得土體有效應力降低、抗剪強度喪失,不僅無法有效加固土體,甚至會發生“橡皮土”現象,處理效果較差;排水固結法作為處理軟土地基的常用方法,存在工期較長的缺點。動力排水固結法是將動力強夯法和靜力排水法相結合,利用強夯動力和人工設置的排水體系處理飽和軟黏土地基。該方法首先根據場地條件、工程狀況進行排水體系設計,通過鋪設砂墊層和埋設排水盲溝等方式構成水平向排水體,通過打插塑料排水板、砂袋或砂井組成豎向排水體,水平和豎向排水系統結合強夯動力荷載下土體產生的裂隙通道組成空間排水體系,在強夯動力荷載及填土堆載靜荷載作用下促使軟土加速排水固結,改善了動力強夯和排水固結法的不足,在軟土地基處理中逐漸得到應用。

但由于強夯加固機理較復雜,并且軟土在動力荷載下的變形特性仍需進一步研究,動力排水固結法處理飽和軟黏土地基仍然處于經驗積累階段。該文結合某高速公路淤泥質黏土地基加固工程,對施工過程中飽和軟土地基孔隙水壓力和土體豎向、側向變形量進行監測,分析超靜孔隙水壓力與土體變形的變化規律,為動力排水固結法加固機理研究及工程設計參數選取提供借鑒。

1 工程概況

根據場地勘察結果,該高速公路地基土自上往下土層為:1)吹填砂,以中粗砂粒為主,稍密,厚度約4 m;2)淤泥質黏土,主要以軟塑為主,具有高孔隙比、高壓縮性,層厚約5.5 m,是地基處理的主要對象;3)粉質黏土,可塑～硬塑狀,干強度和韌性高,局部含碎石及砂顆粒;4)碎石粉土,以碎石混粉質黏土為主,含大量砂顆粒,顆粒不均勻。

2 淤泥質黏土地基處理方案設計

該高速公路地基淤泥質黏土具有高孔隙比、低滲透性、高壓縮性、高敏感性等特點,經過經濟技術對比分析,選擇動力排水固結法處理方案。地基吹填砂層可作為天然排水層,在砂層內設盲溝、集水井;豎向打插塑料排水板,插板按1.5 m×1.5 m的間距布置,排水板插設至淤泥質黏土層下,打插深度為10 m。以高能級強夯作為動力荷載對軟土地基進行夯擊,第1遍夯擊能量為1 000 k N·m,擊數為3擊。第2遍夯擊能量為2 000 k N·m,擊數為4擊。第1和第2遍夯距均為4 m,夯點錯開設置使夯擊能均勻分布。第3遍為普夯,夯擊能量為900 k N·m。各遍夯擊的間隔時間根據土體超靜孔隙水壓力的消散情況選取。

3 孔隙水壓力和變形規律

3.1 測試手段與方法

(1)孔隙水壓力觀測。孔隙水壓力計沿淤泥質黏土層自上而下布置,間隔為3.0 m,要求每個鉆孔埋設一個孔壓測頭。采用608A型孔隙水壓力接收儀進行觀測。

(2)土體分層沉降。分層沉降儀同樣沿淤泥質黏土層自上而下布置,淤泥質黏土層底面和頂面即埋深為4和7 m處各布置一個,淤泥質黏土層中間部位布置一個。采用CY-82型深層分層沉降接收儀觀測地基中各個測點的沉降變形。

(3)土體側向位移。鉆孔埋設測斜管。測斜管布置在預壓土坡腳,要求測斜管插入淤泥質黏土下臥層2.0 m以上深度,在插板完成后設置。采用CX-01數顯測斜儀,通過測量相對于底端垂線偏斜量觀測地表以下不同深度土層的側向變形。

(4)水位觀測。對施工處理區域邊界外的地下水位進行監測。沿地基改良邊界線每50～100 m設置一個地下水位觀測孔,鉆孔成孔后使用管箍將水位管連接至設計長度,水位管內灌清水至與鉆孔中水面一致,封閉水位管并拔出套管。水位管埋設后,采用SWJ-8090型水位儀觀測地下水位的變化,結合孔隙水壓力,分析地基土的固結情況。

3.2 測點布置

該高速公路深厚淤泥質黏土地基處治范圍為78 500 m2,形狀近似方形。處治過程中地基土孔隙水壓力和土體變形量監測點布置如圖1所示。

圖1 孔隙水壓力和土體變形量監測點布置

3.3 孔隙水壓力變化規律

在夯擊過程中,同一位置不同深度處孔隙水壓力增量隨時間的變化如圖2所示,同一深度不同位置處孔隙水壓力增量隨時間的變化如圖3所示。

圖2 同一位置不同深度處孔隙水壓力增量-時間曲線

由圖2可見:8.0 m深度處土體在第1、2、3遍夯擊時孔壓分別增長9、4和2 k Pa,說明同一夯擊能量下后一遍夯擊造成的土體孔壓增幅比前一遍夯擊的小;5.0 m深度土體在第一次夯擊時孔隙水壓力增量明顯,而后2次夯擊孔隙水壓力變化不明顯,說明5 m深度處為砂層和淤泥質黏土的交互層,土體靠近排水邊界,發生更快的排水固結。在第1遍夯擊結束后7 d,夯擊產生的超靜孔壓基本消散完成,同樣在7 d左右第2遍夯擊后產生的超靜孔壓消散完成,故可將2遍夯擊之間的時間間隔設置為1周。

圖3 同一深度不同位置處孔隙水壓力增量-時間曲線

由圖3可以看出:同一深度不同位置土體孔壓變化基本一致,并且在同一能量下后期夯擊與前期夯擊相比孔壓增幅小。孔隙水壓力增量的變化說明動力排水固結法下淤泥質黏土層的超靜孔壓能較快消散,從而加速土體的固結。

3.4 土體豎向變形

土體表層沉降曲線如圖4所示,地基土體的分層沉降如圖5所示。

圖4 不同位置處土體表層沉降曲線

圖5 同一位置土體分層沉降曲線

由圖4可見:不同位置土體的表層沉降曲線呈一致形狀,隨著孔壓的消散,最后累計沉降趨于350 mm;前期沉降速度快,后期沉降速度逐漸緩慢,趨于平坦。

土體分層沉降監測與孔隙水壓力監測同步進行。從圖5可知:不同深度處土體沉降量大小不同,4 m深度處淤泥質黏土靠近砂層排水邊界,固結速度較快,故沉降增長速度最快;7.0 m處次之,說明淤泥質黏土層中間部位也發生了較為明顯的沉降; 11 m深度處土體達到粉質黏土層,排水條件差,導致土體沉降量不明顯,沉降量變化最慢。通過預設合理的排水體系,每遍夯擊后淤泥質黏土層的超孔隙水壓力能較快消散,土體排水固結,土層發生明顯沉降,得到有效加固。同時雖然打插了豎向排水體系,但隨著深度的增加,土體沉降量逐漸減小,說明土層排水邊界對淤泥質黏土層的排水仍有重要影響,在設計過程中,若飽和軟土層較厚,需適當加大排水板的打插密度,以達到設計的排水效果。

3.5 土體側向變形

土體在豎向沉降的同時伴隨有側向擠出,結合側向位移監測數據可分析判斷飽和軟土在強夯荷載下是否會發生結構性破壞。采用測斜儀測量深層土體的水平位移,土體的側向變形如圖6所示。

圖6 土體水平位移-深度關系曲線

由圖6可見:土體的最大側向位移發生在地表以下2～3 m處,并且隨著夯擊次數的增加土體側向變形量增加。在3 m深度以下,土體的側向位移明顯減小,說明淤泥質黏土層沒有明顯側向擠出;并且隨著夯擊的進行,淤泥質黏土層的側向位移基本一致,說明隨著夯擊遍數的增加,淤泥質黏土層側向變形開展很小,排水體系設置有效防止了“橡皮土”現象的發生。

3.6 水位變化

同一深度不同位置處地下水位隨時間的變化如

圖7 同一深度不同位置處地下水位-時間關系曲線

由圖7可見:在同一夯擊下,不同位置處地下水位隨時間的變化曲線呈一致走向,并且與土體孔隙水壓力的漲消呈現一定相關性。

4 結論

該文在工程實踐的基礎上,綜合分析了強夯和排水固結法的加固效果,檢測和監測結果表明強夯排水固結法處理淤泥質黏土地基是可行的,具有快速、高效的特點。

動力排水法處理飽和軟土的關鍵在于嚴格控制夯擊能和間歇時間。合理的設計參數和施工方案,既能避免強夯對飽和軟土結構性的破壞,即“橡皮土”現象的出現;又能使高孔隙水壓迅速消散,達到快速排水固結的目的,充分發揮強夯動力荷載的加固作用。夯擊能和夯擊間隔時間的控制可通過土體孔隙水壓力的變化確定,進而判斷土體的固結程度和結構破壞程度,為指導施工提供依據。

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收稿日期:2015-09-29

中圖分類號:U416.1

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0123-03