真空预压加固土体变形机理及工程应用.doc

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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流真空预压加固土体变形机理及工程应用【精品文档】第 11 页真空预压加固土体变形机理及工程应用胡利文1. 吴宏伟2(1.中交第四航务工程局有限公司，广州 中国; 2. 香港科技大学, 香港, 中国)摘要：本文研究了真空预压加固原理，对不同边界条件下真空预压从概念上探讨了竖向和水平向土体固结行为。根据边界条件从K0固结和各向等压固结条件出发，探讨了在真空排水固结下土体有效应力的变化及变形的发展。通过在大面积软基加固工程中的应用，证实该原理的正确性和有效性，并发现土体的行为受真空排水边界条件影响。对于大面积真空预压加固区中部来说，土体有效应力的改变不是各向等量

2、改变，而可能是按K0固结改变。关键词：真空预压，竖井，固结，原理1 前言自Kjellman (1952)提出真空预压法以来，真空预压一直被认为是各向等压加载，并在工程实践中证实了真空预压时土体竖向总应力不变，由此，孔隙水压力的减小值等于有效应力的增加值。各向等压或近似各向等压固结理论被大部分学者接受，如Chai et al., 2005; Cognon, 1991; Imai, 2005; Leong et al. 2000; Tran and Mitachi, 2008。基于该理论，Chai et al. (2005)过高的估计了真空预压时土体向内侧向变形。从沉降角度出发，部分学者通过部分工

3、程和试验发现当预压压力大小相同时，真空预压与堆载预压产生的沉降大小基本一致(Mohamedelhassan and Shang, 2002; Shang et al., 1998; Woo et al. (1989)。然而，Choa (1989), Tang and Shang (2000) 及 Chai et al. (2005) 发现真空预压时沉降相对小一些；实际上，在Tang and Shang (2000)的文章中真空预压与堆载预压产生的沉降差异并不大。软基加固的的另一个问题是固结速率，Mohamedelhassan and Shang (2002) 和Mahfouz et al. (

4、2006) 报道了在真空预压时土体固结系数与在堆载预压时相同，Chai et al. (2009) 却观察到真空预压时孔隙水压力消散更快。从前述具有争论性的议题来说，在真空预压的理论分析与基于经验的技术方面还存在较大差距(Charles, 2002)，有必要从理论出发重新审视真空预压土体变形机理。本文首先分析了在特殊边界条件下真空预压时土体有效应力变化，然后给出了真空预压土体在K0固结和各向等压固结情况下沉降表达式，最后，通过分析一个现场案例证实本文提出的真空预压变形机理。2 真空预压机理 2.1 总应力变化在真空预压时，土体的固结过程可以采用弹簧模型表示，如图1。为便于理解，图1中的压力值以

5、相对大气压pa 等于0为基准。pv于是为负值，如果存在水头差，土中的水和空气可以被抽出。图1中的土样假设为各向同性材料与弹簧置于假想固结仪中，固结仪具有不同的刚度，并且土体在抽真空前是经历K0 固结的正常固结土，在土样与假想固结仪侧壁之间没有摩擦。当真空压力均匀的施加于整个透水石界面上时，有效应力的改变由施加的荷载和边界面的反作用确定。于是根据固结仪的刚度和加载条件土样有效应力的改变示意于图1中。对于具有刚性侧壁的固结仪和不可移动的透水石情况，图1(a)示出土体孔隙水压力的改变等于总应力的改变。如果是具有气泡的非饱和土，在抽真空初期将因气泡周围压力降低而膨胀，促使水面升高；当气泡全被抽出后，水

6、面将下降。如果土体初始是饱和土，将不会发现任何现象。图1(b)示出土样置于顶部具有可移动透水石的刚性壁固结仪中。当真空均匀的施加于整个透水石上，在竖向将形成总水头差，孔隙水在总水头差作用下仅在竖向流动，弹簧S1将被压缩，而水平应力为被动力，其大小由侧壁边界条件决定。作用于刚性侧壁上的水平总应力将发生变化以维持刚性侧壁不发生侧向变形，于是弹簧S2水平长度保持不变。至于柔性侧壁固结仪，土样固结过程示于图1(c)中，固结仪侧壁将因侧壁内外压差变形，在每一微小压力增量下，可以假设壁内压力与壁外压力相等，于是壁内水平向总应力不变，孔隙水压力的降低值同时等于土体水平向有效应力增加值，于是弹簧S1和S2都将

7、因土体有效应力的改变而发生压缩现象。从以上分析可知，总应力不变的假设仅适用于主动作用方向（竖向），由于被动作用方向（横向）受边界条件制约，不能保证被动作用方向假设成立。当真空预压加固的土体边界是柔性的，有效应力的增加可发生在土体任何方向。因此可以预期在柔性边界下土体的孔隙比降低值比存在刚性壁情况大，但沉降比存在刚性壁的小。Chai et al. (2005) 采用Maruto Multiple Odeometer对土体进行真空预压，发现压缩量比相同荷载堆载预压小。然而Mohamedlhassan & Shang (2002) 采用一维固结仪对重塑土进行试验，发现真空预压时土体的沉降和固结系数与

8、堆载预压几乎一样。Chai et al. (2005) 得到的结果差异可能归因于重塑土没有完全饱和，其B 值等于0.9，饱和度按Black & Lee (1973)推算为93%。由于土样没有完全饱和并可能存在不均匀孔隙结构，固结过程中不但在竖向，而且在水平向存在水力梯度造成不均匀固结现象。(a) (b) (c) 图 1 固结仪中真空预压固结试验 (a) 刚性壁，透水石不可移动; (b) 刚性壁，透水石可移动; (c) 柔性壁。2.2 孔隙水压力变化孔隙水压力变化与施加真空大小及竖井埋设模式有关。对于工程应用，其孔隙水压力沿深度公布可见图2。由图2所示，真空密封膜上初始水压力为, 表明加固土表面

9、在水深为D时的水压力。当D 为0时，则为陆上真空预压，而当D 大于0时，则在机理上为水下真空预压。如果在密封膜上还有堆载，则为真空联合堆载预压。图2(a)给出陆上真空预压，其中竖向总应力sv 和初始孔隙水压力uw0 （示为线）。当施加真空时，竖向总应力假定保持不变，孔隙水压力不断下降，膜下最终孔隙水压力为pv。最终孔隙水压力线具有坡度gw 被命名为“吸力线” (Chu et al., 2000)，在图中示为线。然而，如果在加固区底部存在透水层并在真空作用下产生向上渗流，膜下孔隙水压力为pv，则加固区底部孔隙水压力衰减至bpv，意味着真空损失存在。图2(b) 给出水下真空预压装置原理示意图。膜上

10、初始孔隙水压力为，以表示加固土表面在水下深度Dw。在图1(b)中，线为初始静水压力线，线为真空泵置于水面时最终孔隙水压力线，而线表示真空泵置于土表面时最终孔隙水压力线。(a) 陆上真空预压(b) 水上真空预压(根据Imai, 2005修改)图 2 真空预压示意图2.3 有效应力路径由于土体初始条件和边界条件不能象上述理想弹簧模型准确确定，实际应用真空预压时，土体行为变化是相当复杂的，于是参考弹簧模型可假定现场真空预压时土体特定点有效应力路径示于图3。基于弹簧模型的变形行为，图3中点A 和 A 处在sv-sh 或p-q应力平面路径接近或正好在K0固结线上。对低应力水平来说，A点的应力路径与其到加

11、固区边界的距离有关。当与加固区边界距离大于2.5倍加固深度，土体行为变化与在K0 固结状态至少在变形方面相似（Hu, 2010）。在B点，应力最可能按各向等压增量路径发展。而在C点，即在加固区外靠近密封膜处，平均有效正应力减少，主要是水平向有效应力减小，而竖向有效应力基本不变。图 3 工程应用真空预压土体应力路径示意图2.4 有效应力增加a) 加固区中部的应力变化图4给出真空压力作用于加固区土体表面，其测试值为pv (陆上真空预压时通常为负值，水下真空预压时，测值也可能为正值)。在中部，有效应力可以表示为 (1) (2)式中，svt 和sht 是在固结时间t时刻总竖向应力和总水平应力；K是真空

12、预压或水下真空预压时，水平向有效应力与竖向有效应力的比值，随深度而变化，Kt 是t时刻的比值。对 p0 = 0的陆上真空预压来说，加固区内的土压力系数可以表示为， (3)在一维固结状态下，K = K0，于是 (4)图 4 真空预压工程应用应力变化示意图b) 边界上的应力变化为简便起见，假设真空预压或水下真空预压时，没有产生裂缝，边界面内孔隙水压力降低值可以表示为 (5)因此，竖向有效应力可表示为 (6)膜为柔性结构，可假设其两面的水平向总应力相等，于是有 (7)对z MD 和 z MD 土压力系数可以分别表示如下式（8）和式（9）： (8) (9)在式(8)中，Kt 是深度与时间的函数。当施加

13、的真空足够大，Kt 可以达到 Ka 出现主动破坏区。3 竖向沉降分析通常来说土体变形主要是塑性的，塑性变形方向主要受应力状态影响，而不是受应力增量影响。根据Wood (1990)，土体的弹性变化可表示为： (10)土体塑性变化按剑桥模型可表示为： (11)土体变形随应力路径变化，就真空预压来说，两个典型的应力路径示于图5中。图 5 真空预压一维固结和各向等压固结应力路径图5中，K0 固结的应力路径为Path 1，各向等压增量条件下应力路径为Path 2。正如前述分析，K0 固结可发生在大面积加固区的中部或深层土体。各向等压加载可发生在加固区边界角。3.1 各向等压加载条件各向等压加载条件较易在

14、三轴试验中实现，在三轴试验空间，轴应变和径向应变可以分别表示为 (12)对各向等压增量加载条件来说，dq = 0，可得 (13)如果土体初始状态是由各向等压固结得到的，由此h = 0，则由上式de1 = de3。由上可发现当h从0增加到K0，应变增量比率de3/de1 将从1降到0。3.2 K0 固结条件尽管真空预压通常被认为是各向等压增量加载，然而土体行为却受制于边界约束。如果真空压力不大，对于图3中点A和B可能没有侧向应变。否则，如果假定各向等压增量加载，侧向位移估算值将远大于实测值（参考Chai et al. (2005)）。于是在K0 固结条件下，竖向应变可由下式给出： (14)在一维

15、固结压缩情况下，有dh = 0 并且dq = hdp。于是式(14) 变换为下式：对上式积分可得 (15)是在压缩回弹线上发展的应变，可由下式得到 (16)在一维固结变形中应用剑桥模型，需确定K0 的理论值以保证与Cc法相同的理论解(Cc法是采用Cc 和 Cr参数计算土体一维沉降值)。对超固结土来说，土体处于弹性状态，于是有 (17)对于土体为正常固结时，即在塑性区，根据Wood (1990) K0应满足下式 (18)式中， 将式(17) 代入式(18)，基于剑桥模型的理论静止土压力系数于是可表示为： (19)4 工程应用在实际应用中，土体变形行为与在固结仪或柔性容器中试验将不完全一样，水平有

16、效应力及土压力系数由中部向加固区边界增加。以下利用广州南沙港区一期工程大面积真空预压实测资料进行分析。4.1 观测仪器布置各观测仪器平面布置参见图6。图6所示在加固区中部和加固区边界，分别埋设有真空压力计、振弦式孔压计、沉降板、深层沉降仪和孔压型水位管。测斜管(YI5, YI6, YI7 和 YI8) 埋于加固区边和离加固区6m远的地方。为监测两个加固区交界面的密封有效性，安装了孔压型水位管YW5 和 YW7。孔压计按深度3 m间隔从z = +3.4 m 到 z = -14.6 m埋设。在加固分区NIII-1的边界，真空计、振弦式孔压计埋设于淤泥密封墙两侧按深度3 m 间隔从 z = +6.1

17、 m 到 z = -8.6 m 埋设。图 6 加固区仪器布置平面图4.2 孔隙水压力沿深度变化加固区NIII-1所测孔隙水压力示于图7中，从部分点的初始孔隙水压力可看出小于初始静水头。在深度从z = -10.5 m 到 z = 12.5 m的土层中，饱和度为81%，可以预期孔隙水压力比静水压力小。4.3 总水头沿深度分布取平均海平面为基准面，孔压计和真空计高程采用深层沉降进行校正，于是得到总水头分布见图8。吸力线在图中向左移1.4m以考虑表面沉降。在加固区表面，孔压值测值与真空计测值非常吻合。在YV7 (z = -0.5 m)和YV11 (z = 2.5 m)，真空计测值为0，表明测值超出真空

18、计测试范围(Hu et al., 2007). 就孔压的测试值来说，所有总水头低于初始静水水头，表明真空预压期地下水位下降。在加固区中部大部分深度范围，YU7所示水头低于YU11所示的加固区内边界水头，而加固区内边界水头小于加固区外YU10所示水头。因此，在水头差的作用下，由区外向区内及加固区中部发生水平渗流。由图9可以看出，在区外1 m（YU10所示）土体中的水向下流动，而在z = -3.0 m，土中水水平流动。在加固区内边界z = -0.4 m以上，水向上流动。另外，在z = -8.7 m （YU7），总水头小于吸力水头，此处所测孔隙水压力降低值大于90 kPa，比所施加的真空压力值大，这

19、可能因为其饱和度不高所致。在加固区中部（YU7）z = -14.7 m，总水头比YU7的其他测点高，该点接近底部粗砂层（在z = -16.5 m以下），于是底部孔隙水向上渗流。当z -4 m，由YU10和YU11所示水头比理论值偏小，主要是因为竖井能有效降低土体深部孔隙水压力，并使孔压降低值相对没有竖井情况提高。图 8 总水头沿深度分布图 7 孔隙水压力沿深度分布图 9 深层沉降计算值与实测值4.4 沉降分析加固区NIII-1 的沉降计算采用各土层参数列于表1。为便于比较，采用基于本文所述各向等压增量加载沉降表达式（13）、一维固结沉降计算表达式（14）和Chai et al. (2005)给

20、出平面应变假定条件的计算表达式。考虑土体的扰动，对具有较低前期固结应力svc 的土体，OCR 取值为1。所算结果示于图9中。图9中给出的一维固结沉降计算值与加固区中总的实测值相近，而按各向等压加载和平面应变条件计算值是一维固结沉降的70% 和50%。由沉降值比较可发现，加固区边界的沉降基本按平面应变方式变化，而其大小受最小平均有效应力(p)影响。在平面应变情况下，沉降大小从加固区中部向加固区边变化。按平面应变假定计算的沉降可以反映加固区边的沉降值，而对大面积真空预压加固区，其中部主要是竖向变形，于是可以推断，在大面积加固区中部，因孔隙水压力降低而增加的水平有效应力与增加的竖向有效应力并不相等。

21、5 结论为理解陆上真空预压和水下真空预压土体的行为变化，从概念上探讨了真空预压的变形机理并经现场实践所证实。根据基本公式推导、真空预压室内试验文献及现场观测，得到主要结论如下：利用弹簧模型，从概念上分析真空预压的固结机理，揭示真空预压时竖向有效应力和水平向有效应力变化，发现真空预压可以是各向等压固结或K0固结，取决于真空预压的边界条件。在工程应用中，孔隙水压力降低值从加固区边向中部增大，表层土土压力系数随水平向有效应力增加不同，也会由加固区中部向加固区边增加。竖向总应力因柔性边界存在而可保持不变，水平向总应力却随边界条件改变而改变。竖井的存在可以加速超孔隙水压力的消散并使孔压的降低值提高。现场

22、测试表明本文所述真空预压变形机理是正确的，对大面积加固区中部，采用K0 固结条件计算沉降比采用各向等压固结条件计算沉降更符合实际状况。参考文献：Black, D.K., and Lee, K.L. (1973). Saturating laboratory samples by back pressure. Journal of Soil Mechanics & Foundation Division (ASCE), 99(SM1): 75-93.Chai, J.C., Carter, J.P., and Hayashi, S. (2005). Ground deformation induc

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