CF-真空排水预压加固软基中的孔隙水压力消散规律.pdf

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1、2004年8月水 利 学 报SHUILIXUEBAO第8期收稿日期:2003205214作者简介:朱建才(1971-),男,浙江金华人,博士生,主要从事软土地基的研究。文章编号:055929350(2004)0820123206真空排水预压加固软基中的孔隙水压力消散规律朱建才1,温晓贵2,龚晓南2(11 浙江大学 建筑设计研究院,浙江 杭州 310027;21 浙江大学 岩土工程研究所,浙江 杭州 310027)摘要:真空排水预压加固软基是通过孔隙水压力的消散来增强土体的强度。本文通过浃里陈大桥试验段实测资料,分析了在真空排水预压过程中孔隙水压力在淤泥及砂井和塑料排水板中的消散规律。试验结果表

2、明,地基中的孔隙水压力消散值可分为两个部分:一为真空度的直接传递导致的孔隙水压力下降值;二为抽真空引起水位线下降进而引起的孔隙水压力消散值。淤泥地基中孔隙水压力消散主要是由于地下水位线的下降引起的,砂井和塑料排水板中的孔隙水压力消散大部分由真空度直接引起,孔隙水压力的消散程度沿深度方向基本不变。真空排水预压塑料排水板中孔隙水压力影响深度可达塑排板下45m。塑料排水的真空排水预压效果优于砂井。关键词:孔隙水压力;淤泥;砂井;真空度;地下水位线中图分类号:TV23316文献标识码:A堆载预压法是通过增加地基中的总应力,在地基中形成超静孔隙水压力,通过超静孔隙水压力的消散来增加地基中的有效应力。在真

3、空排水预压法加固软土地基中,总应力基本上未改变,通过抽真空排水降低地基中的孔隙水压力,引起土中有效应力的增加来增强土体的强度。在真空排水预压法中,孔隙水压力的消散受许多因素的影响,机理比较复杂,国内外许多学者对此进行了研究,取得了大量研究成果18,但对孔隙水压力消散沿深度方向的变化规律的研究尚未见报道。本文根据浃里陈大桥试验段的实测资料,对真空排水预压条件下软土地基中的孔隙水压力消散规律进行了分析。1 试验情况路桥至泽国一级公路起点为台州市路桥区松塘大转盘,终点为温岭市泽国镇下洪洋村。试验段位于路桥至泽国一级公路浃里陈大桥两侧桥头段K0+657K0+722,采用真空堆载联合预压法处理。试验场地

4、面积约为3600m2,地下水位埋深为015m左右。2003年1月24日3月17日进行真空排水预压,膜下真空度最大值97kPa,平均为92kPa。2月2日膜上覆水至70cm,2月20日后排干。试验共布置射流泵6台,一般开24台。经过52d的真空预压,地面最大沉降达82cm,真空预压的效果明显。3月18日后开始路基填筑,进行联合预压。试验段的土层划分及物理力学性质指标见表1。试验所采用的孔压计为振弦式孔压计,型号为KY J231,分辨率小于0105%。用ZXY22型振弦频率读数仪测读孔压计的频率,该仪器的分辨率为 011Hz。孔压计分为两种,一种为能测小于一个大气压压力的负的孔压计,埋设深度在6m

5、及6m以上;另一种为常规的测正压的孔压计,埋设深度在8m及8m以下。现场真空度的测量装置一般由真空度测头、软管和真空表组成,采用的真空表读数可以精确到2kPa。采用电子测量水位计进行水位测量,读数可以精确到1mm。321试验中监测仪器的布置如图1所示,其中在淤泥地基中共布置5组孔压计(ky112ky53),1组、5组在加固区外,24组在加固区内。每组钻3个孔,分别为8m、17m、26m,每组12个孔压计。另外,打设了2个直径为160mm的砂井(kysj1kysj2),各埋设了5个孔压计。采用钻孔埋设法,根据测点位置,钻孔定位开孔,孔深至测点以上2050cm左右,清孔后,将煮沸过浸在清水中的孔压

6、计连同装满清水的塑料袋迅速提出放入钻孔内,利用钻杆和压具,把孔压计压至测点深度,小心拔起钻杆,用泥球回填至下一个测点的深度,重复进行。在淤泥(Y zk12Y zk4)、塑料排水(SP12SP6)与砂井(kysj12kysj2)中埋设了多个真空度测头,以监测地基中真空度的大小,其中砂井中的真空度测头与孔压计通过钻杆一起埋设于相同的测点。沿孔压计剖面埋设了9根水位管(SW12SW9),监测水位的变化,其埋设情况见图1。表1 地基土的物理力学性质指标土样编号层厚m土样名称含水量w(%)比重ds密度(gcm3)孔隙比e0饱和度sr竖向渗透系数KV(cms)水平向渗透系数KH(cms)压缩系数a1-2(

7、MPa-1)11160黏土、亚黏土31142175119001901968109E281145E27014321170淤泥质黏土44172175117611258981199E273129E270195112150淤泥59132176116511664981107E271193E271179112150黏土、亚黏土31142174119301864992150E274193E27013326100淤泥质黏土、黏土35192173118611006986166E277136E270153210100亚黏土、淤积黏土36112173118611005982121E273106E2701503101

8、90亚黏土、黏土36112174118601999997134E272168E270146 注:砂井的竖向渗透系数未测;塑料排水板的纵向通水量qw=72cm3s。图1 监测仪器布置示意 塑料排水板的设计打设深度为21m,平面布置为梅花型,间距为112m,采用静压打设方式。真空度通常用膜外大气压与膜下大气压的差值来表示,一般只能用于衡量水位线以上的气体压力状态,水位线以下测得的真空度并不反映测点处的大气压强度,而是反映测试软管中封存气体随水位下降或部分气体逃逸而引起的大气压强度变化。负压一般是指负的孔隙水压力,是小于预先认为零压力的大气压力而言8。孔隙水压力的消散一部分是由于水位下降引起的,另一

9、部分是由于真空度传递于地下水位面,大气压力降低,水位下面的孔隙水压力也随之降低。2 试验结果及分析211加固区内淤泥中孔隙水压力测试结果及分析 加固区淤泥中的3组孔隙水压力值随时间的消散规律大致相同,但由于真空度传递的程度以及排水速度在不同部位不完全相同,因此,3组孔隙水压力在消散速度与程度上稍有差别。在加固区中间宽6m的砂垫层中未布置主管,因此,场地中间的水位下降421速度相对较慢,在初期,中间组的孔隙水压力因水位下降而引起变化相对较小。图2为ky21ky23组孔隙水压力随时间的变化曲线,表2为真空排水预压52d该组孔隙水压力消散程度统计,表中因真空度而引起的孔隙水压力消散值为推断值。图2k

10、y21ky23组淤泥中孔隙水压力随时间变化曲线从图2和表2可以看出:(1)加固区淤泥中的孔隙水压力一般随着抽真空的开始迅速下降,随着时间的增加,下降幅度逐渐变小。25m部位出现Mandel2Cryer效应1,但不是很显著。由于膜上覆水压力不大,抽真空9d后才加至70cm,引起的附加孔隙水压力被快速消散掉,因此在孔隙水压力消散曲线上未体现出来;(2)随着抽真空时间的增加,在浅部2m处形成负孔隙水压力。由于水位埋深为015m,水位下降引起的孔隙水压力消散值为15kPa,抽真空形成的负压为-36kPa。该孔压计已处在地下水位线之上,该处的孔隙水压力值实质上是反映了该处的大气压值。真空度的实测值表明,

11、2m深的淤泥中,真空度值为3035kPa,这说明在水位线以上,孔隙水压力值与真空度值数值上比较接近;(3)4m处孔隙水压力最大消散值为40kPa,4m处在地下水位线附近,原先按设计埋设于4m处的真空度测头,在实际埋设中未能到位,实际埋设在314m处,该处测得的真空度可被认为是处于水位线以上的真空度,其实测最大值为8kPa,与该处孔隙水压力因真空度而消散10kPa,在数值上比较接近。说明在淤泥的4m深度孔隙水压力的消散主要是由水位的下降所引起的,真空度引起的孔隙水压力消散相对较小;(4)14m与17m深度的孔隙水压力下降值相对较大,这可能是由于钻孔打斜导致孔压埋设的部位靠近塑料排水板,或者与初值

12、偏大有关;(5)塑料排水板的打设深度为21m,但25m深处的孔隙水压力变化仍较大,说明真空预压的影响深度可达塑料排水板以下45m处;(6)从14m以上的孔隙水压力消散情况来看,浅部2m处的孔隙水压力消散值稍大于深部的孔隙水压力消散值,沿深度方向淤泥中的孔隙水压力消散值基本上相同,主要是由于地下水位下降引起,真空度引起的孔隙水压力消散值相对较小;(7)在假定总应力不变的情况下,淤泥地基中的孔隙水压力消散值即为地基中有效应力的增加值。表2ky21ky23组孔隙水压力最大消散值统计孔压计埋深m孔压最大消散值kPa水位下降引起的孔压消散值kPa真空度引起的孔压消散值kPa有效应力增加值kPa孔压计埋深

13、m孔压最大消散值kPa水位下降引起的孔压消散值kPa真空度引起的孔压消散值kPa有效应力增加值kPa2511536511146301646440301040146830386864730174717893059898413010412553302353图3 砂井中孔隙水压力随时间变化曲线212 加固区内砂井中孔隙水压力测试结果及分析 图3为砂井中的孔隙水压力随时间变化曲线,表3为真空排水预压52d砂井中的孔隙水压力消散统计。从图3、表3中可以看出:(1)砂井中的孔隙水压力随着抽真空的开始迅速下降,随时间的增加,下降幅度逐渐变小。2月10日18日孔隙水压力由于漏气而升高,在密封好以后,随着抽真空

14、时间的增加逐渐下降;(2)沿深度方向的孔隙水压力最大消散值基本相同,一般均在80kPa左右,214m的孔隙水压力变化曲线基本相同。与一般的直径7cm的袋装砂井相比,本试验的砂井直径16cm相对较大,因此井阻因子相对较小,孔隙水压力沿深度的消散程度基本不变;(3)在抽真空的521推断值加载初期，孔隙水不降反升15-36开始阶段,21m深处的孔隙水压力不仅不消散,反而上升,出现Mandel2Cryer效应,主要原因是该位置处于砂井底部与淤泥的接触部位,在抽真空渗流作用下,由于周围土层的压缩,深部的孔隙水压力相对难以消散,反而升高;(4)砂井中的孔隙水压力消散由地下水位下降引起的为30kPa,而由真

15、空度引起的消散值相对较大,一般在50kPa左右,这与砂井的真空度实测值相吻合,在砂井中水位线附近处的真空度一般在5060kPa;(5)砂井中的孔隙水压力消散值大于淤泥的孔隙水压力消散值,砂井中有效应力的增长大于淤泥地基中有效应力的增长。文献8对真空排水预压条件下利用分层总和法进行沉降计算进行了探讨,将固结沉降计算由地下水位下降引起的沉降与竖向排水体中相对负压(即本文中真空度引起的孔隙水压力消散部分)引起的沉降两部分线性叠加而成,其中后者采用等向压缩模量,在本试验段需再加膜上覆水压力0170m引起的沉降。经计算,土体的固结沉降量Sc约等于1120mm,最终沉降量需乘以一个修正系数s,与该处的地表

16、沉降实测值推测的最终沉降量101lmm基本接近。表3kysj组砂井中的孔隙水压力最大消散值统计孔压计埋深m孔压最大消散值kPa水位下降引起的孔压消散值kPa真空度引起的孔压消散值kPa有效应力增加值kPa孔压计埋深m孔压最大消散值kPa水位下降引起的孔压消散值kPa真空度引起的孔压消散值kPa有效应力增加值kPa280156580108530558547830487814723042726803050802087305787887305787213 加固区外孔隙水压力测试结果及分析 加固区外浅层孔隙水压力的变化值较小,深层孔隙水压力的变化值较大,加固区外的孔压消散是由于地下水位的下降所引起的从

17、实测的水位值可知,在抽真空的开始阶段,加固区外的水位线下降,孔压值有所降低。说明在抽真空的过程中,加固场地周围的地下水不断向场地内补给,形成一个大范围的降落漏斗。加固区外孔隙水压力的消散,导致场地周围的地表发生固结沉降,并向场地内收缩,形成裂缝。3 孔隙水压力差分析图4 孔压差变化曲线 图4所示为淤泥与砂井的孔隙水压力差变化曲线。从图4可以看出,在11m深处,淤泥与砂井kysj1的孔隙水压力差小于淤泥与砂井kysj2的孔隙水压力差,这主要是由于砂井kysj1中的含泥量较大,真空度值相对低于砂井kysj2,因此kysj1的孔隙水压力相对高于kysj2,孔隙水压力差则相反。由此可知,真空度对砂井的

18、孔隙水压力影响比较大。在实测中停泵回气,将膜下真空度下降至接近0,砂井中的真空度也立即下降至0,此时测试孔隙水压力发现,砂井孔隙水压力大幅回升,不同深度的孔隙水压力回升值基本上等于砂井中水位面处的真空度下降值,水位在短时间内变化不大。而淤泥中的孔隙水压力测试结果表明,基本上不因膜下真空度的大幅下降而回升,说明淤泥中较难传递真空度,淤泥中的孔隙水压力在短时间内基本上不受真空度的影响。塑料排水中的孔隙水压力不能在现场直接测定,可以通过测定砂井中的孔隙水压力,再通过砂井中真空度与塑料排水的真空度大小,间接判断淤泥中孔隙水压力与塑料排水中孔隙水压力的差值大小。真空度实测结果表明,在真空排水预压加固软土

19、的过程中,由于真空度在各介质中传递能力的不同,在相同深度,塑料排水中的真空度大于砂井中的真空度大于淤泥中的真空度,导致在淤泥、塑料排水、砂井中产生不同的孔隙水压力,形成孔隙水压力差,在相同的深度,淤泥中的孔隙水压力大于砂井中的孔隙水压力大于塑排中的孔隙水621压力。淤泥与塑料排水的孔隙水压力差大于淤泥与砂井的孔压差,塑料排水板的真空排水预压效果优于砂井,这与文献3指出的“塑排板的纵向渗透系数比袋装砂井要大很多”、文献5指出的“塑排板阻力远小于袋装砂井”的观点相吻合。4 结论(1)地基中的孔隙水压力的最大消散值可分为两个组成部分:一为真空度的直接传递导致的孔隙水压力下降值;二为抽真空引起水位线下

20、降进而引起的孔隙水压力消散值。(2)淤泥地基中水位线以上的孔隙水压力值与真空度之值在数值上相等,水位线以下的孔隙水压力消散主要是由于抽真空导致的水位线的下降引起,真空度直接引起的孔隙水压力消散占小部分;砂井的孔隙水压力消散中,真空度直接引起的消散占较大部分,这主要是由于较大的真空度能够传递到砂井中的地下水位面。(3)孔隙水压力沿深度方向的最大消散值基本上不变,真空排水预压中孔隙水压力的影响深度可达塑料排水板以下45m。(4)塑料排水板中的孔隙水压力无法直接测定,可以根据真空度的大小关系确定,在相同的深度,淤泥中的孔隙水压力大于砂井中的孔隙水压力大于塑排中的孔隙水压力。因此淤泥与塑料排水的孔隙水

21、压力差大于淤泥与砂井的孔隙水压力差,塑排的真空排水预压效果优于砂井的真空排水预压效果。(5)本次试验方法方面的经验教训:钻孔埋设孔压计时,应尽量打在排水板的中心位置,保持垂直度;孔隙水压力初值要等其稳定后才能测定;水位测量时,在打开管口密封后,测量要迅速,否则在与大气相通的情况下,水位会以平均311mms的速度下降,导致所测水位下降值偏大;真空度的测量过程中要注意接头处的密封是否漏气,应定期检查。参 考 文 献:1 娄炎.负压条件下软土地基中的孔隙水压力J.水利学报,1988,(9):48-52.2 高志义.真空预压法的机理分析J.岩土工程学报,1989,11(4):45-55.3 娄炎.真空

22、排水预压法加固软土技术M.北京:人民交通出版社,2002.4 孔德金,苗中海.软基加固检测孔隙水压力分析J.港工技术,2000,(3):43-46.5 陈环.真空预压法机理研究十年J.港口工程,1991,(4):17-26.6 Tang M,Shang J Q.Vacuum preloading consolidation of yaoqiang airport runwayJ.Geotechnique,2000,50(6):613-623.7 Chu j,Yan S W,Yang h.Soil improvement by the vacuum preloading method for a

23、n oil storage stationJ.Geotechnique,2000,50(6):625-632.8 岑仰润.真空预压加固地基的试验及理论研究D.杭州:浙江大学,2003.Dissipation of pore w ater pressure in soft foundation reinforcedby vacuum drainage preloadingZHU Jian2cai,WEN Xiao2gui,G ONG Xiao2nan(Zhejiang University,Hangzhou310027,China)Abstract:The strength of soil ca

24、n be improved by dissipating the pore water pressure by means of vacuumdrainage preloading.In this paper,the in2situ experimental data of a bridge pier foundation is used toanalyze the dissipation law of pore water pressure in silt and sand in the process of preloading.The resultshows that the dissi

25、pation of pore pressure consists of two parts.One is formed by the direct effect ofvacuum and the other is due to the loweringof groundwater table.The dissipation of pore water pressure in721silt is resulted from lowering of the groundwater table,while in sand well and in the vicinity of plasticdrai

26、nage plate it is resulted from the effect of vacuum.The degree of dissipation does not change along thedepth but the effect of dissipation will be maintained even in the depth of 45m below the plasticdrainage plate.Consequently,the plastic drainage plate is the best way for reinforcement of foundati

27、on.Key words:reinforcement of soft foundtation;vacuum drainage preloading;pore water pressure;dissipation;silt;sand well;lowering of groundwater table(上接第122页)参 考 文 献:1 全国节约用水办公室.全国节水规划纲要及其研究M.南京:河海大学出版社,2003.2 候捷,等.中国城市节水2010年技术进步发展规划M.上海:文汇出版社,1998.3 南京水文水资源研究所,等.21世纪中国水供求M.北京:水利水电出版社,1999.4 世界银行.

28、199899世界发展报告M.北京:中国财政经济出版社,2000.5(美)Peter H G.世界之水M.左强,等译.北京:中国农业大学出版社,2000.Investigation on method for determining w ater withdraw alquota per ten thousand Yuan GDPQIN Fu2xing,GENGLei2hua,CHEN Xiao2yan(Nanjing Institute of Hydraulic Research,Nanjing210029,China)Abstract:The water withdrawal per ten

29、 thousand Yuan G DP is an important index for water resourcesmanagement.Two methods namely exponential method and descend rate method are suggested to establishthe model for forecasting the water withdrawal.As an example,the water withdrawal per ten thousandYuan in different level years in Shanghai

30、is analyzed by using this model.Based on the comparison ofwater saving level between Shanghai and developed country and analysis on water supply projection forShanghai,the water withdrawal quotas per ten thousand Yuan G DP in Shanghai for different sectors indifferent level years is determined.The evaluation of the forecasted result shows that the proposed methodis feasible.Key words:G DP;water withdrawal;quota;model;forecasting;evaluation821