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真空降水联合冲压法在软基处理中的试验研究
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内容提示：针对虹桥国际机场扩建工程的地质特点和工程设计要求,采用高真空降水联合冲击压实法进行软土地基处理。通过对试验段的监测,确定了真空度和冲压间歇时间等施工参数,验证了加铺建渣垫层对提高地基反应模量的作用效果。检测分析表明,该方法处理虹桥机场软基取得了良好的加固效果,并能加快超静孔隙水压力的消散和土体的固结。
1 工程概况
虹桥国际机场扩建工程位于上海虹桥国际机场飞行区西侧,场区72.5m深度范围内的地基土主要由粘性土、粉土和砂土组成,为全新世滨海~河口、滨海~浅海相沉积,土质软弱,透水性差。在西跑道系统与空侧站坪地基处理工程某标段场区内建立试验段进行研究,为进行大面积施工提供参考依据。标段工程地基处理面积300705m2,分为A、B、C三个施工区域,试验段位于A5586.5/B3626~A5701.5/B3696,面积11452m2。（参考《建筑中文网》）
土层按土性和物理力学性质上的差异可划分为4大层,其中第②层土划分为2个亚层。表层素填土以粘性土为主;第②1层为褐黄色粉质粘土,含氧化铁斑点;第②2层为灰黄色粉质粘土;第③层为淤泥质粉质粘土,局部有第③夹层粉性土分布;第④层淤泥质粘土土质较均匀。土层具体物理力学性质参数见表1。
从总体上看,场区内土层分布较均匀,具有含水量大、孔隙比大、压缩性高、渗透性小等特点。影响场地的地下水主要为浅部土层中的潜水,由大气降水与地表径流补给,场区内有一河流(横沥港)自北向南贯穿。
2 地基处理方案
加固机场软基常用的方法有堆载预压法和强夯法。堆载预压法施工简单,但软土地基抗剪强度低,限制了填土速度,会极大地影响工期。强夯法适用于加固碎石土、砂土、杂填土,但由于软粘土承载力低,夯击瞬间产生过大的冲击能会使土体丧失抗力并出现埋锤现象,且软粘土渗透系数很小,在强大的冲击力作用下,孔隙水来不及排出,土体中能量很快饱和,极易形成“橡皮土”。而该场地上部约14m的土层主要为饱和软粘土,第③夹层局部分布且厚度较小,不宜采用强夯法。冲击压实法在工程造价和工期等方面较上述二者更具有优势,根据该场地的地质特征,采用真空降水联合冲击压实法进行地基处理。
此外,标段缺土13万m3,而机场扩建使得拆迁产生的大量建渣需要处理,为充分利用资源,减少建筑垃圾外运量,同时增加结构层厚度,考虑在土基以上、山皮石垫层以下增加30cm厚的建渣垫层。地基处理方案包括真空井点降水、建渣和山皮石垫层铺筑、冲击碾压。
地基检测指标要求:道面区、站坪区地基反应模量K≥40MN/m3;垫层以下3m范围内,静力触探比贯入阻力值≥1.5MPa;标准贯入击数≥4击。
3 加固机理分析
3.1 真空降水联合冲击压实法的加固机理真空降水联合冲击压实法是在综合真空预压、降水预压和冲击压实三者加固机理的基础上发展起来的软土地基处理方法。它通过真空泵的吸气作用,在井点管底部形成负压源,使井点管与周围土体产生一定的孔压差,孔隙水在此压力的作用下发生渗流排出土体,孔隙水压力减小,有效应力增加。在第一阶段降水完毕的基础上进行冲击压实,由于降水后地下水位降低,使土体浸水重度变为饱和重度,因而产生附加荷载,土体在此静荷载、外围封管真空度、冲击压实产生的动荷载及其持续的后效力的复合作用下,形成孔隙水高压力梯度,增大了渗透固结水头,使孔隙水不断被排出,从而加速土体的固结。同时,真空度作用可加速冲击压实后超静孔隙水压力的消散。
3.2 真空井点降水强度增长机理
由于减小的孔隙水压力是球应力,所以真空井点降水引起的有效应力增量是各向相等的,即Δσ1′=Δσ3′。如图1所示,加固前,土体应力处于K0状态,随后土体应力状态由圆O1变为圆O2,摩尔圆位置向右偏移而半径不变,有效应力路径(ESP)由A至B发展,剪应力大小不发生变化,抗剪强度由τ1增大到τ2,加荷时可一次将荷载增至最大,而不必担心剪切破坏。由于超固结作用,强度包线由OC变为O′C,卸荷后,该位置土体强度从C点退至D点,与加固前相比强度增加了Δτ。通过分析有效应力增长路径,可知真空降水引起的有效应力增量使应力圆同时远离K0和Kf线,土体发生侧向收缩变形,说明在同等竖向变形条件下,真空降水加固土体的密实程度更好。
4 真空井点降水
4.1 布管方案
真空井点管由外围封管和降水区内真空降水管组成。在降水区内布设井点,井点由浅层和深层井点交叉布置(图2)。根据高真空调整含水量平衡系数,经初步试验确定,浅层井点平面间距为4m×4m,入土深度4m;深层井点平面间距为4m×6m,入土深度6m,井点呈网格状布置。为了确保高真空的效果,阻隔外围场区的浅部土层潜水,在降水分区外围约5m处设置外围井点,布设封管。外围井点分两排布置,排距1m,外浅内深,井点深度分别为4m和7m;浅层井点与深层井点交错布置,间距为2m。
4.2 降水工艺要求
降水设备为带平衡装置的可调高真空系统,而非轻型井点,系统包含高真空泵、平衡器、射流泵等,设备参数见表2。
场区土质主要为粘土,渗透系数比以往类似工程的砂性土小,为提升降水效果,成孔孔径≮150mm,井点管直径≮50mm、滤水管长度≮1.2m、滤水管的孔隙率≮15%;井孔深度应深于井点滤水管底端0.5m以上,井孔底部填灌中粗砂;井点管与孔壁之间的环状间隙需填灌中粗砂至地表下1.5m处;保证每套真空设备降水区块面积不大于500m2。为防止出现死管,需对真空加荷速率进行控制,降水初期真空度控制在0.02MPa,随后逐渐加至0.08MPa,并在后期进行浅管的间歇性抽排。
4.3 降水效果
试验段于2007年7月27日开始降水,8月8日拔管,历时13d。降水后第5天,水位即降至4m以下,同时含水量降为25.89%,接近设计值,次日其中一个测点的含水量已降至25%以内,但随后连续3d降雨,含水量稍有反弹,雨后第4天含水量平均值已降至23.91%,且各测点含水量均小于25%,满足设计要求。地下水位与含水量变化如图3、4所示。
5 冲击压实
5.1 建渣与山皮石压垫层铺筑
真空降水后,在土基上加铺30cm厚(压实厚度)建渣垫层和40cm厚(压实厚度)的山皮石压垫层,松铺系数分别为1.10和1.16。
5.2 冲击压实施工参数确定
在进行冲击压实时,只将施工区内真空井点管拔出,保留外围封管,以利于超静孔隙水压力的消散。冲压采用三边形和五边形冲击式压实机组合进行,由低能量逐渐过渡到高能量,共碾压20遍。第一轮先采用冲击能较小的五边形冲击式压实机,在12km/h行驶速度下碾压5遍,第二轮用三边形冲击式压实机在12km/h行驶速度下碾压5遍,最后两轮进行三边形的碾压时,行驶速度提高至15km/h,每轮5遍。每轮冲压的间歇时间,以超静孔隙水压力消散值达到70%的时间控制。
两轮冲压之间应有一定的间歇时间,以利于超静孔隙水压力的消散,使每轮冲压达到最佳的加固效果。当超静孔隙水压力消散,孔压降至静水压力,有效应力增加。由于总应力不变,超静孔隙水压力消散值与增加的有效应力相等。因此,土的固结也是超静孔隙水压力向有效应力转化的过程。土体的固结度可用下式表示:
式中:ui为瞬间施加外荷载时出现的孔隙水压力;u0为未受外荷载作用时的静水压力;ut为经过某一间歇时间t后的孔隙水压力。
超静孔隙水压力的消散速率与土的渗透性有关,对于渗透性较差的粘土地基,孔压消散较慢。为检测孔隙水压力的变化规律,确定冲压的间歇时间,降水结束后,在试验段场区内预埋了3组JDKYJ型孔隙水压力计,埋深分别为1.5、3、4m。每冲碾5遍,观测其孔隙水压力的变化情况,并绘出超静孔隙水压力消散曲线图(图5~8)。
由图5~8可知:要使超静孔隙水压力消散值达到70%,第一轮冲压结束后需要间歇9h,第二轮需要9.5h,第三轮需要9h20min,第四轮需要10h。根据试验结果,每轮冲压后应间歇9~10h,且随冲压次数的增加,间歇时间呈递增的趋势,这是由于土体随压实次数的增加而变密实,孔压不易消散所致。由图5~7可以看出,土层3、4m处孔压消散速率与1.5m处较为接近,说明深层土体的超静孔压及时得到消散,且间歇时间随冲压遍数的增加总体增幅较小,可见外围真空井点管加速了软土层中的超静孔隙水压力的消散。
6 真空降水冲压法处理效果分析
综合真空降水冲压法的加固机理和地基检测结果,对地基处理效果进行分析。试验段采用地基反应模量、静力触探、标准贯入等试验方法检验加固效果。经检测,土层1.5m范围内压实度由87%提高至92%,垫层以下3m范围内,标贯击数平均为5.86击,静力触探比贯入阻力平均值为2.5MPa,均满足设计要求。
虹桥国际机场扩建工程位于上海虹桥国际机场飞行区西侧,场区72.5m深度范围内的地基土主要由粘性土、粉土和砂土组成,为全新世滨海~河口、滨海~浅海相沉积,土质软弱,透水性差。在西跑道系统与空侧站坪地基处理工程某标段场区内建立试验段进行研究,为进行大面积施工提供参考依据。标段工程地基处理面积300705m2,分为A、B、C三个施工区域,试验段位于A5586.5/B3626~A5701.5/B3696,面积11452m2。（参考《建筑中文网》）
土层按土性和物理力学性质上的差异可划分为4大层,其中第②层土划分为2个亚层。表层素填土以粘性土为主;第②1层为褐黄色粉质粘土,含氧化铁斑点;第②2层为灰黄色粉质粘土;第③层为淤泥质粉质粘土,局部有第③夹层粉性土分布;第④层淤泥质粘土土质较均匀。土层具体物理力学性质参数见表1。
从总体上看,场区内土层分布较均匀,具有含水量大、孔隙比大、压缩性高、渗透性小等特点。影响场地的地下水主要为浅部土层中的潜水,由大气降水与地表径流补给,场区内有一河流(横沥港)自北向南贯穿。
2 地基处理方案
加固机场软基常用的方法有堆载预压法和强夯法。堆载预压法施工简单,但软土地基抗剪强度低,限制了填土速度,会极大地影响工期。强夯法适用于加固碎石土、砂土、杂填土,但由于软粘土承载力低,夯击瞬间产生过大的冲击能会使土体丧失抗力并出现埋锤现象,且软粘土渗透系数很小,在强大的冲击力作用下,孔隙水来不及排出,土体中能量很快饱和,极易形成“橡皮土”。而该场地上部约14m的土层主要为饱和软粘土,第③夹层局部分布且厚度较小,不宜采用强夯法。冲击压实法在工程造价和工期等方面较上述二者更具有优势,根据该场地的地质特征,采用真空降水联合冲击压实法进行地基处理。
此外,标段缺土13万m3,而机场扩建使得拆迁产生的大量建渣需要处理,为充分利用资源,减少建筑垃圾外运量,同时增加结构层厚度,考虑在土基以上、山皮石垫层以下增加30cm厚的建渣垫层。地基处理方案包括真空井点降水、建渣和山皮石垫层铺筑、冲击碾压。
地基检测指标要求:道面区、站坪区地基反应模量K≥40MN/m3;垫层以下3m范围内,静力触探比贯入阻力值≥1.5MPa;标准贯入击数≥4击。
3 加固机理分析
3.1 真空降水联合冲击压实法的加固机理真空降水联合冲击压实法是在综合真空预压、降水预压和冲击压实三者加固机理的基础上发展起来的软土地基处理方法。它通过真空泵的吸气作用,在井点管底部形成负压源,使井点管与周围土体产生一定的孔压差,孔隙水在此压力的作用下发生渗流排出土体,孔隙水压力减小,有效应力增加。在第一阶段降水完毕的基础上进行冲击压实,由于降水后地下水位降低,使土体浸水重度变为饱和重度,因而产生附加荷载,土体在此静荷载、外围封管真空度、冲击压实产生的动荷载及其持续的后效力的复合作用下,形成孔隙水高压力梯度,增大了渗透固结水头,使孔隙水不断被排出,从而加速土体的固结。同时,真空度作用可加速冲击压实后超静孔隙水压力的消散。
3.2 真空井点降水强度增长机理
由于减小的孔隙水压力是球应力,所以真空井点降水引起的有效应力增量是各向相等的,即Δσ1′=Δσ3′。如图1所示,加固前,土体应力处于K0状态,随后土体应力状态由圆O1变为圆O2,摩尔圆位置向右偏移而半径不变,有效应力路径(ESP)由A至B发展,剪应力大小不发生变化,抗剪强度由τ1增大到τ2,加荷时可一次将荷载增至最大,而不必担心剪切破坏。由于超固结作用,强度包线由OC变为O′C,卸荷后,该位置土体强度从C点退至D点,与加固前相比强度增加了Δτ。通过分析有效应力增长路径,可知真空降水引起的有效应力增量使应力圆同时远离K0和Kf线,土体发生侧向收缩变形,说明在同等竖向变形条件下,真空降水加固土体的密实程度更好。
4 真空井点降水
4.1 布管方案
真空井点管由外围封管和降水区内真空降水管组成。在降水区内布设井点,井点由浅层和深层井点交叉布置(图2)。根据高真空调整含水量平衡系数,经初步试验确定,浅层井点平面间距为4m×4m,入土深度4m;深层井点平面间距为4m×6m,入土深度6m,井点呈网格状布置。为了确保高真空的效果,阻隔外围场区的浅部土层潜水,在降水分区外围约5m处设置外围井点,布设封管。外围井点分两排布置,排距1m,外浅内深,井点深度分别为4m和7m;浅层井点与深层井点交错布置,间距为2m。
4.2 降水工艺要求
降水设备为带平衡装置的可调高真空系统,而非轻型井点,系统包含高真空泵、平衡器、射流泵等,设备参数见表2。
场区土质主要为粘土,渗透系数比以往类似工程的砂性土小,为提升降水效果,成孔孔径≮150mm,井点管直径≮50mm、滤水管长度≮1.2m、滤水管的孔隙率≮15%;井孔深度应深于井点滤水管底端0.5m以上,井孔底部填灌中粗砂;井点管与孔壁之间的环状间隙需填灌中粗砂至地表下1.5m处;保证每套真空设备降水区块面积不大于500m2。为防止出现死管,需对真空加荷速率进行控制,降水初期真空度控制在0.02MPa,随后逐渐加至0.08MPa,并在后期进行浅管的间歇性抽排。
4.3 降水效果
试验段于2007年7月27日开始降水,8月8日拔管,历时13d。降水后第5天,水位即降至4m以下,同时含水量降为25.89%,接近设计值,次日其中一个测点的含水量已降至25%以内,但随后连续3d降雨,含水量稍有反弹,雨后第4天含水量平均值已降至23.91%,且各测点含水量均小于25%,满足设计要求。地下水位与含水量变化如图3、4所示。
5 冲击压实
5.1 建渣与山皮石压垫层铺筑
真空降水后,在土基上加铺30cm厚(压实厚度)建渣垫层和40cm厚(压实厚度)的山皮石压垫层,松铺系数分别为1.10和1.16。
5.2 冲击压实施工参数确定
在进行冲击压实时,只将施工区内真空井点管拔出,保留外围封管,以利于超静孔隙水压力的消散。冲压采用三边形和五边形冲击式压实机组合进行,由低能量逐渐过渡到高能量,共碾压20遍。第一轮先采用冲击能较小的五边形冲击式压实机,在12km/h行驶速度下碾压5遍,第二轮用三边形冲击式压实机在12km/h行驶速度下碾压5遍,最后两轮进行三边形的碾压时,行驶速度提高至15km/h,每轮5遍。每轮冲压的间歇时间,以超静孔隙水压力消散值达到70%的时间控制。
两轮冲压之间应有一定的间歇时间,以利于超静孔隙水压力的消散,使每轮冲压达到最佳的加固效果。当超静孔隙水压力消散,孔压降至静水压力,有效应力增加。由于总应力不变,超静孔隙水压力消散值与增加的有效应力相等。因此,土的固结也是超静孔隙水压力向有效应力转化的过程。土体的固结度可用下式表示:
式中:ui为瞬间施加外荷载时出现的孔隙水压力;u0为未受外荷载作用时的静水压力;ut为经过某一间歇时间t后的孔隙水压力。
超静孔隙水压力的消散速率与土的渗透性有关,对于渗透性较差的粘土地基,孔压消散较慢。为检测孔隙水压力的变化规律,确定冲压的间歇时间,降水结束后,在试验段场区内预埋了3组JDKYJ型孔隙水压力计,埋深分别为1.5、3、4m。每冲碾5遍,观测其孔隙水压力的变化情况,并绘出超静孔隙水压力消散曲线图(图5~8)。
由图5~8可知:要使超静孔隙水压力消散值达到70%,第一轮冲压结束后需要间歇9h,第二轮需要9.5h,第三轮需要9h20min,第四轮需要10h。根据试验结果,每轮冲压后应间歇9~10h,且随冲压次数的增加,间歇时间呈递增的趋势,这是由于土体随压实次数的增加而变密实,孔压不易消散所致。由图5~7可以看出,土层3、4m处孔压消散速率与1.5m处较为接近,说明深层土体的超静孔压及时得到消散,且间歇时间随冲压遍数的增加总体增幅较小,可见外围真空井点管加速了软土层中的超静孔隙水压力的消散。
6 真空降水冲压法处理效果分析
综合真空降水冲压法的加固机理和地基检测结果,对地基处理效果进行分析。试验段采用地基反应模量、静力触探、标准贯入等试验方法检验加固效果。经检测,土层1.5m范围内压实度由87%提高至92%,垫层以下3m范围内,标贯击数平均为5.86击,静力触探比贯入阻力平均值为2.5MPa,均满足设计要求。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201104/14853.htm
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