真空預壓強度增長計算方法研究

史 鵬 程

(寧波交通投資控股有限公司，浙江 寧波 315042)

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真空預壓強度增長計算方法研究

史 鵬 程

(寧波交通投資控股有限公司，浙江 寧波 315042)

介紹了真空預壓下土體強度的付天宇公式中的不足及修正方法，并對麥遠儉公式進行了修正，添加了一個修正系數ξ來綜合考慮各方面的因素，同時結合工程實例進行分析，得出考慮各種因素影響的修正系數ξ平均為1.047，而按規范計算后的修正系數η平均為1.298。

真空預壓，土體強度，修正系數

0 引言

現行的規范[5，6]中一般都使用有效固結應力法計算真空預壓下的土體強度增長量，如《港口工程地基規范》[5]先是堆載預壓下土體強度增長計算方法，然后間接地指出真空預壓的膜下真空荷載可以等效為相同荷載下的堆載預壓，計算公式可采用堆載預壓下的強度增長計算公式。雖然堆載預壓和相同荷載下的真空預壓處理軟土地基的效果相似，但是，堆載預壓畢竟是K0固結，堆載過程中會發生剪切蠕變，而真空預壓和堆載預壓加固機理有本質區別，真空預壓加固地基是各向等壓固結，也就是說真空預壓加固過程中不會發生剪切破壞。所以如果不結合它們各自的機理進行分析，找出它們的異同，而把真空預壓用簡單的荷載等效的方法來計算土體強度增長是不太合理的，其計算的結果往往與實際工程發生不可避免的偏差，當然理論上計算結果是偏小的，大量的實際工程中的實測數據也顯示真空預壓下的土體強度增長值的計算結果是偏小的。

飽和軟粘土中存在有效應力—含水量—剪切強度之間的唯一關系，Henkel[7]對威爾特和倫敦兩種重塑粘土的試驗研究成果證實飽和軟粘土中存在這種關系。也就是說不管通過什么樣的方式施加荷載，只要軟土被預壓固結到同一含水量的狀態，它們的剪切強度是一致的，剪切破壞勢莫爾應力圓也是一樣的。而等量的真空荷載和堆載荷載加固同一土體引起的土的含水率的變化明顯是不可能一樣的，進而它們的抗剪強度也是不一樣的，所以要分別對其進行分析。

綜上所述，簡單的套用規范計算真空預壓下土的抗剪強度是不盡合理的，所以本文從以下兩種方法著手，找出更為合理的強度增長計算方法。

1 真空預壓下土體強度的付天宇計算公式修正

付天宇[8]對真空預壓與堆載預壓法的應力進行圖解，得出兩種方法加固土體強度的增長差值，再利用已有的堆載預壓下的土體強度增長公式，間接推算出真空預壓法下土體的強度增長公式。分析簡圖見圖1。

(1)

利用已有的堆載預壓強度增長公式和兩種方法的強度差值，可計算出真空預壓后的抗剪強度公式：

τft=τf0+Δτft+Δτ差=

(2)

其中，K0在0.3～0.4范圍內選取。

此種方法有不妥之處：1)莫爾圓中抗剪強度用與強度包線相互垂直的半徑和強度包線的交點的縱坐標表示更為合理；2)把φ′等同于φcu，從而使公式合并簡化不盡合理；3)沒考慮堆載預壓的蠕變效應，即沒有對堆載預壓強度公式進行折減。

本文針對以上不足，稍作改進，莫爾應力圓圖解如下：

由圖2可以看出，當堆載預壓的土體達到剪切破壞時，真空預壓下的土體由于處在等向荷載的條件下，不發生剪切變形和破壞。在卸載之后，兩種預壓后的土體都處于超固結狀態，真空預壓加固的土體達到剪切破壞狀態依然比堆載預壓要困難。用圖中τf堆表示堆載預壓加固的土體抗剪強度，τf真近似的表示真空預壓加固的土體強度。由圖中幾何關系可以得到兩種預壓土體強度增長的差值：

Δτ差=τf真-τf堆=

(3)

按照此種方法推導土體強度增長差值比較接近真實情況的原因在于，當對加固后的土體進行三軸固結不排水試驗時，堆載預壓下加固后的土體達到圖2中所示的B圓的應力狀態后破壞，其剪切強度為圖2中所示的τf堆。而真空預壓下加固后的土體達到B圓應力狀態后還未破壞，需要繼續增加豎向應力，直到土體破壞，此破壞時的應力圓在B圓的右邊，其抗剪強度很接近于圖2中的τf真。因此，抗剪強度的差值比較接近真實情況。

又根據有效固結應力法：

Δτft=Δσ1Uttanφcu

(4)

利用已有的堆載預壓工程，考慮它們之間的差值，得出真空預壓后的土體強度公式：

τft=η(τf0+Δτft)+Δτ差=

(5)

其中，τf0為天然地基強度；Ut為土體固結度；φcu為三軸不排水試驗下的土的內摩擦角。其中K0在0.5～0.8范圍內選取。

2 真空預壓下土體強度的麥遠儉計算公式修正

麥遠儉[9]從Henkel[7]的含水率—抗剪強度對應關系出發，并用等效固結應力計算兩種排水預壓法下的土的抗剪強度增長值，這樣就把真空預壓的等向固結和堆載預壓K0固結應力聯系在一起，使得兩種排水預壓方法的固結應力可以在相同含水率—抗剪強度的條件下通過某種特定關系進行轉換。麥遠儉利用前人的研究成果和對真空預壓應力深刻的理論闡釋，通過對兩種方法不排水強度的等效轉換關系圖解分析得出抗剪強度計算式如下：

(6)

由于各個地區地質環境的不同以及施工過程中真空排水系統，密封系統等不可避免的缺陷，再考慮到數據采集儀器誤差和人為誤差，建議采取一個修正系數ξ來綜合考慮真空預壓地基處理實際工程中各種因素的影響。

τfv=ξ(τf0+Δτcv)=ξ[τf0+(1+sinφcu)ΔσcUttanφcu]

(7)

由上可見，麥遠儉的修正式中用的土的力學參數只有固結不排水內摩擦角φcu，而后付天宇的修正式除了要用到φcu，還需要土的有效內摩擦角，顯然麥遠儉的修正式計算方法更為簡便。本文主要對麥遠儉修正式進行工程實例分析。

3 工程實例

青島河東路東延長線地基處理工程，西起自紅島連接線與河東路交叉點，往東設羊毛溝大橋跨越羊毛溝，繼續向東展線，設墨水河大橋跨越墨水河，與空港工業區西環路平交后，接入金剛山路，到達路線終點，全長2.463 km。路線整體由西向東，呈西東走勢。

本工程沿線通過淤泥質軟土區域，由于淤泥質粘土的工程性質，無法滿足工后沉降要求，要對地基進行處理，同時為確保工程質量和安全，評價地基加固效果，在施工過程中還應對加固區域進行現場監測。

3.1 工程地質條件

選取本工程真空預壓處理地段一區K0+442～K0+865和二區K0+865～K1+295進行分析研究。

根據現場勘察，河東路東延長線各區地質情況如下：

一區：0 m～7.3 m，①淤泥質亞粘土：灰色，流～軟塑，韌性差，含腐殖質，鉆孔有縮頸現象，干縮性強，有臭味，底部夾淤泥質粉砂薄層。7.3 m～8.1 m，②亞粘土：灰黃色，可塑。

二區：0 m～8.0 m，①淤泥質亞粘土：灰色，流～軟塑，韌性差，含腐殖質，鉆孔有縮頸現象，干縮性強，有臭味，底部夾淤泥質粉砂薄層。8.0 m～10.0 m，②亞粘土：灰黃色，可塑。

各軟土層主要物理力學性質指標如表1所示。

表1 軟土層主要物理力學性質指標

3.2 土體抗剪強度增長計算

利用本文對麥遠儉土體抗剪強度增長計算公式的修正式，各加固區土體強度增長計算結果如表2所示。

表2 各加固區真空預壓土體強度增長計算結果

4 結語

1)真空預壓和堆載預壓雖說加固效果類似，但是盲目地去套規范會使計算值比實際值小。把真空荷載進行等效轉換，使其更符合實際情況，找出真空預壓和堆載預壓土的抗剪強度之間的差值，然后利用現有的堆載預壓的強度公式，推算出真空預壓的強度公式，這樣就可以很好的預估真空預壓后的土體強度增長，使得推算的土體強度更加接近于土體的實測強度，本文在此基礎上對付天宇公式和麥遠儉公式進行修正，修正式更合理。

2)考慮各種因素影響的修正系數ξ平均為1.047，而按規范計算后的修正系數η平均為1.298，并且后者的變化幅度比較大。當然對于不同區域不同工程，該系數還需進一步總結分析。

3)麥遠儉提出的強度增長公式簡單易用，且通過實驗獲取土的三軸固結不排水強度指標即可。后付天宇方法還需獲取有效應力指標，且公式略顯繁瑣，如果數據量足夠，建議用兩種方法分別計算出相應的土的抗剪強度，并進行比較，這樣估計的結果才更為可靠。

[1] 曾國熙.φ=0分析法——一種對于飽和粘性土值得推廣應用的方法[J].地基處理,2001,12(3):9-11.

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[3] 沈珠江.軟土工程特性和軟土地基設計[J].巖土工程學報，1998,20(1)：108-110.

[4] 沈珠江.基于有效固結應力理論的粘土土壓力公式[J].巖土工程學報,2002,22(3):353-356.

[5] JTS 147—1—2010，港口工程地基規范[S].

[6] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術規范[S].

[7] D.J.Henkel.the Shear Strength of Saturated Remolded Clays,Proc.,Research Conference on Shear Strength of Cohesive Soils,Colorado,1960.

[8] 付天宇.真空預壓下地基抗剪強度計算的研究[J].巖土工程界，2006(1)：3-5.

[9] 麥遠儉.真空預壓加固中軟粘土不排水剪切強度的增長[J].水運工程,1998(12):53-57.

Research on growth calculation method of vacuum preloading strength

Shi Pengcheng

(NingboTrafficInvestmentHoldingLimitedCompany,Ningbo315042,China)

This paper introduced the deficiency and correction method of vacuum preloading soil strength of Fu Tianyu formula, and revised the Mai Yuanjian formula, add a correction factorξto consider various factors, at the same time combining with the engineering example made analysis, gained the average correction coefficientξwas 1.047 considering various influence factors, and the average correction coefficientηwas 1.298 in accordance with the specification after calculation.

vacuum preloading, soil strength, correction coefficient

1009-6825(2016)20-0065-03

2016-05-04

史鵬程(1983- )，男，碩士，工程師

TU432

A