（水利工程专业论文）天津港区软土地基排水固结浅层加固方法的研究和应用.pdf

摘要 天津港地区属典型的软土地基，不但承载力低，土壤在固结过程中还会产 生很大的沉降，在这样的地基上建造港口工程建筑物，必须首先对软土或超软 土地基进行改良处理。本文将就排水固结浅层地基处理技术及其在天津港建设 中的开发与应用进行研究。 排水固结法的原理是地基在荷载作用下，通过布置竖向排水井( 砂井或塑 料排水带等) ，使土中的孔隙水被慢慢排出，孔隙比减小，地基发生固结变形， 地基土的强度逐渐增长。浅层加固是指排水板不穿透软土层，只将地表下一定 深度范围内的土体进行加固处理的技术。通过理论分析和现场试验研究，证明 了在真空预压地基处理的施工过程中，随着塑料排水板插板深度的增加，插板 区的固结度降低，但降幅不大，当排水板长度大于8 m 时，地基中的固结变化很 小。因此通过减小塑料排水板的长度既可以满足地基处理的要求，又可以节省 施工工期和工程造价。 天津港国际邮轮码头地基处理工程( c 3 区) 采用了插短板真空预压施工工 艺。塑料排水板呈正方形布置，间距0 8 0 m ，排水板打设标高为一6 o m 。施工完 成后，天津大学水运水利勘察设计研究院进行了分层沉降，孔隙水压力，十字 板试验等项目的检测，从检验结果来看，浅层地基加固理论在工程实例中得到 了成功的应用，随着施工技术的不断改进和完善，该技术可在其他类似项目中 得以延伸和推广。 关键词：排水固结法，浅层地基处理，塑料排水板，短板，固结度，沉降量 a b s t r a c t t i a n j i np o r ti sat y p i c a ls o f ts o i la r e a s ，i t sn o to n l yl o w b e a r i n gc a p a c i t yo f s o f li nt h e p r o c e s so fc o n c r e t i o nw i l lh a v eas i g n i f i c a n ts e d i m e n t a t i o n ，i ns u c haf o u n d a t i o no f e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e si nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ep o r t ，w em u s ti m p r o v eh a n d l i n gf o r t h eu l t r a - s o f ts o i lo rs o f ts o f tf n s t t h i sa r t i c l ew i l ld e a lw i t hd r a i n a g eo fs h a l l o w f o u n d a t i o nt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ec o n s t r u c t i o no ft h et i a n j i np o r t d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nr e v i e w e d d r a i n a g ec o n s o l i d a t i o no ft h ep r i n c i p l ei st h ef o u n d a t i o nu n d e rt h el o a d ，t h r o u g ht h e a r r a n g e m e n to fv e r t i c a ld r a i n a g ew e l l s ( s a n do rp l a s t i cd r a i n a g ew i t hw e l l s ，e t c ) ，s o t h a tt h es o i lp o r ew a t e rw a ss l o w l yd r a i n e dr e d u c e dv o i dr a t i o ，g r o u n dd e f o r m a t i o n o c c u r r e di nt h ec o n s o l i d a t i o n ，t h es t r e n g t ho ff o u n d a t i o ns o i lg r o w i n g s h a l l o w r e i n f o r c e m e n tr e f e r st on o n - p e n e t r a t i n gd r a i n a g eb o a r ds o f tl a y e r su n d e rt h es u r f a c e o m yw i t h i nt h es c o p e o fac e r t a i nd e p t ho fs o i lr e i n f o r c e m e n tt od e a lw i t ht e c h n o l o g y t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l dt e s tr e s e a r c h , p r o v e dt h a t i nav a c u u m p r e l o a d i n gt h ef o u n d a t i o nt od e a lw i t ht h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，w i t ht h ed e p t ho f p l a s t i cd r a i nb o a r di n c r e a s e ，t h ed i s t r i c tb o a r dt or e d u c et h ed e g r e eo fc o n s o l i d a t i o n , b u td on o td r o pw h e nt h el e n g t ho ft h ed r a i n a g eb o a r dm o r et h a n8 m , t h ef o u n d a t i o n o fav e r ys m a l lc h a n g ei nt h ec o n s o l i d a t i o n s ob yr e d u c i n gt h el e n g t ho fp l a s t i cd r a i n b o a r dt od e a lw i t hn o to n l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ef o u n d a t i o n , b u ta l s oc a ns a v e c o s to f c o n s t r u c t i o na n de n g i n e e r i n gp r o j e c t t i j a n j i np o r ti n t e r n a t i o n a lc r u i s et e r m i n a lf o u n d a t i o nt r e a t m e n tw o r k s ( c 3r e g i o n ) i n s e r t e d u s i n gv a c u u mp r e l o a d i n g s h o r t - b o a r dc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y p l a s t i c d r a i n a g ep l a t ew a sas q u a r el a y o u t s p a c i n g0 8 0 r e , d r a i n a g eb o a r de s t a b l i s h e dt of i g h t f o rt h ee l e v a t i o n - 6 0 m c o n s t r u c t i o ni sc o m p l e t e d , t i a n j i nu n i v e r s i t y , s u r v e ya n d d e s i g ni n s t i t u t eo fw a t e rr e s o u r c e sw a t e rw e r es t r a t i f i e ds e t t l e m e n t ，p o r ew a t e r p r e s s u r e ，a n dc r o s sb o a r dt e s t i n go ft h ep r o j e c td e t e c t i o n , f r o mt h et e s tr e s u l t s ，t h e t h e o r yo fs h a l l o wf o u n d a t i o ns t r e n g t h e n i n gw o r k sh a v e b e e ne x a m p l e so fs u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n s w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n d i m p r o v e m e n to ft h et e c h n o l o g y i no t h e rs i m i l a rp r o j e c t sc a nb ee x t e n d e da n d p r o m o t e d k e vw o r d s ：w a t e rw i t h d r a w a lc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ，s h a l l o ws o f tf o u n d a t i o n t r e a t m e n t ，p l a s t i cd r a i n ，s h o r td r a i n ，d e g r e eo f c o n s o l i d a t i o n ，s e t t l e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞叁堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲纽只滞嗽枷夕年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名。鳓) 乒卜 签字日期：7 年9 月日 永舻 龟蜂 教研 名 罚 獬 嗍 师 芋 翩 婵 第一章概述 第一章概述 天津港是典型的软土地基，承载力低压缩性高。为了在软弱地基上进行建 筑，科研人员想过并采用很多措施进行加固处理，这些措施在实践过程中不断 得到改进，使之形成具有一定适应性的、较完整的方法。随着科技的进步，旧 的方法逐渐被淘汰，新的方法将因其良好的技术经济效果被广泛应用和发展。 由于国务院对天津港建成中国北方枢纽港的定位和天津滨海新区发展规划 要求，天津港已进入高速发展的快车道。目前在港口发展区之内可利用岸线已 经越来越少、土源也越来越少，新增港区从港岛造陆到南疆东部扩容，码头和 后方堆场建设将全部建在新吹填造陆软土地基上。新吹填造陆区域大部分土是 淤泥质土，排水成陆需要较长时间才能上机具和人员按常规进行软基加固处理 地基。从目前建设形势发展看，原有的软基加固处理地基的方法不能适应快速 发展的需要。所以急需找出一种更快捷经济的地基处理方法提升天津港区域竞 争力的新吹填造陆软土加固技术。 1 1 项目研究的意义 天津港濒临渤海湾，是经河流入海缓慢淤积和海岸后退沉积，经生物化学作 用而逐渐形成的堆积层，地质称为第四系全新统中部海相层。港区原大部分为 海滩盐田，后经人工填土整平为建筑场地，由于海水的影响地质环境条件较复 杂。 天津港区地面下2 4 米多为吹填土和杂填土；地面下l o m 左右的土层基本是淤 泥质的，含水量多在5 0 左右，孔隙比达1 3 1 6 ，此类土层承载力低，压缩性 高，渗透性很低，竖向渗透系数为1 2 1 0 7 7 3 1 0 一c m s e c ；l o m 以下至1 8 m 左右大多为粘土和亚粘土，含水量和孔隙比逐渐减小，夹薄层粉砂：1 8 m 以下为 亚粘土，为桩基的良好持力层。各土层的一般物理、力学性指标如表1 - 1 所示。 用各种试验方法测出的- 1 3 m 以上的淤泥质粘土的抗剪强度指标见表卜2 。 第一章概述 表卜1 港区各土层物理力学指标 土层名称 厚度含水量容重饱和度孔隙比液限塑性 指数 ( m )( ) ( g c m 3 ) ( )( ) ( ) 淤泥质粘土( 亚粘土)4 3 8 5 81 6 7 、1 8 09 6 、1 0 01 0 9 1 6 03 4 4 51 7 2 2 粘土( 亚粘土) 22 6 4 01 8 4 1 9 59 4 1 0 00 7 6 1 0 92 5 3 61 3 1 8 淤泥质粘土 04 7 5 61 6 9 、1 7 69 8 、1 0 01 3 2 1 5 44 2 5 52 1 2 6 粘土( 亚粘土) 62 8 4 7 1 7 6 、1 9 59 6 1 0 00 7 9 1 2 72 8 4 31 5 2 2 亚粘土、粉砂 地面1 8 2 52 0 19 90 6 92 3 2 91 7 2 3 米以下 相对 固结快剪快剪压缩系数 稠度 a 1 2 土层名称 c 口 巳 口 ( k g c m 2 )( 度) ( k g c m 2 ) ( 度) ( c m 2 k g ) 淤泥质粘土 1 2 2 1 8 20 0 8 0 1 51 5 1 9 0 0 3 、0 1 4 2 70 0 7 3 0 1 2 1 ( 亚粘土) 粘土( 亚粘土) 1 0 6 1 2 20 0 82 2 0 1 1 0 1 7 淤泥质粘土 1 0 2 1 3 20 1 51 1 1 4 0 1 4 0 1 6 2 6 0 1 2 0 1 4 9 粘土( 亚粘土) 0 8 7 1 2 90 0 52 0 3 310 0 3 、0 0 4 5 亚粘土、粉砂 表1 - 2 各种试验方法得出的抗剪强度指标 抗剪强度指标抗剪强度指标 试验方法 c缈 试验方法 c缈 ( k g c m 2 ) ( 度) ( k g c m 2 )( 度) 十字板剪切试验o 2 3直剪固结快剪0 0 6 91 8 2 无侧限抗医强度之半0 1 6 三轴嘲结快剪 o 1 3 1 8 直剪快剪 0 2 1 47 4 三轴有效翦o 1 11 8 三轴快剪 0 1 2o直剪慢剪0 2 12 7 由以上数据可看出天津港区属典型的软土地基，不但承载力低，土壤在固结 过程中还会产生很大的沉降。在这样的地基上兴建港口工程建筑物，必须首先 对软土或超软土地基进行改良处理。在天津港区使用过的主要方法有排水固结 法( 如真空预压法、联合堆载预压法等) 、强夯法、置换法、深层水泥拌合法 ( m d m 法) 等。本文将就排水固结浅层地基处理技术及其在天津港建设中的开发 与应用情况加以综述。 排水固结法的原理是地基在荷载作用下，通过布置竖向排水井( 砂井或塑 料排水带等) ，使土中的孔隙水被慢慢排出，孔隙比减小，地基发生固结变形， 2 第一章概述 地基土的强度逐渐增长。排水固结法主要用于解决地基的沉降和稳定问题，适 用于处理饱和软弱土层，但对渗透性极低的泥炭土要慎重对待。根据排水技术 措施的不同排水固结法可分为堆载预压法，真空预压法，降水预压法，电渗排 水法等几种，在天津港区比较常使用的是堆载预压法、真空预压法和真空联合 堆载预压法。 经新近吹填形成的陆域其地基土体大部分是淤泥质粘土，成流塑状态，具 有很高的含水量和很低的强度，通常需要较长时间的晾晒、风干并配以必要的 工程措施才能上施工机具和人员，而后再采用真空预压法进行软基加固，进一 步提高地基承载力满足场地的使用要求。从目前天津港建设形势看，一方面， 原有的软基加固方法从时间、造价看，已不能适应快速发展的需要，目前天津 港建设时间已成为关键因素；另一方面，通常软基加固需要的砂源、土源随工 程建设的发展越来越紧缺。尤其是具有战略意义的天津港东建港区的快速发展， 存在砂、土材料依靠外运成本高、难度大，大型机械无进场条件等诸多难题。 因此，急需提出能快速提高新进吹填地基土体强度的软基加固方法，实现尽快 将超软土( 泥浆) 改变为工程用土的目的，从而提高施工效率节省工期、降低 成本。 由于需要加固的吹填土地基面积巨大，通过开展理论分析和试验研究，提出 可节约施工工期，减少土体回填量，降低工程成本的软基加固方法，可提升天 津港地区的软基加固技术水平，增强市场竞争优势，对于港口的建设和发展具 有重大的现实意义。 1 2 研究目标 结合目前天津港地区对新吹填造陆软土必须马上利用进行码头建设的迫切 需求。本项研究拟达到以下预期目标： ( 1 ) 总结分析天津港地区以往使用的软基加固方法的优缺点，以及国内其他 软土地区地基加固方法在天津港地区的适用性。 ( 2 ) 确立在吹填土地基中实施浅层加固的指导思想，探索“浅层加固法”的 理论依据。 第一章概述 ( 3 ) 通过理论分析和现场试验研究，提出能够缩短施工工期的浅层加固方法， 实现吹填到标高后可尽快人员进场施工。达到在无砂、无土源、无大型 机械设备条件下完成新吹填造陆区超软弱地基浅层加固和抢时间、争速 度，降低造价的目的。 1 3 研究内容 1 3 1 理论研究 ( 1 ) 对在天津港吹填土地区实施浅层加固方法的理论依据进行深入探讨。在近 岸工程中引入工民建的结构设计中充分利用地表硬壳层是进行设计的原则。探 讨建筑工程规范与港口工程规范在近岸工程建设中的适用性。本项研究将结合 土体的固结理论，分析上部荷载不同时，经过浅层加同后地基沉降的发生时间， 研究浅层加固在道路堆场等工程中的适用性。 ( 2 ) 根据上部荷载确定合理的地基加固深度。应用土体的固结理论计算使用年 限内经浅层加固后地基发生的沉降量，使其满足使用要求。在试验和计算的基 础上重点研究浅层加固后下部软弱土体在一定荷载作用下土体随时间变化规 律，确定浅层加固法的可行性。 ( 3 ) 以理论计算结果为依据对拟开展的现场试验制定合理的施工和检测方案， 最大程度的降低试验费用。同时以现场试验结果为依据校核理论研究的正确性。 1 3 2 试验研究 结合理论分析和本项目的研究目标拟进行现场试验，试验包括：试验设计， 施工，加固前后勘察，加固过程监测，加固效果检测，试验数据整理分析等几 部分。根据实验目的的不同拟开展以下试验： ( 1 ) 形成土源的浅层加固方法研究。 拟在2 0 x2 0 m 2 的场区进行现场试验。试验过程中首先在试验场地底部布设软 体排，而后在其上吹填土体，在软体排上部每间隔一定距离布设特点排水井， 及时收集排出的水并抽走。边吹泥边排水，增加土体的固结速率。在施工过程 4 第一章概述 中随时检测土体含水量和强度的变化程度，确定需要的排水时间，实现在短期 制造土源，一层土加固完成后，底部铺设的软体排可重复使用，继续吹土加固。 形成工厂化生产，为工程源源不断的制造土源。 ( 2 ) 缩短塑料排水长度实现浅层加固方法研究 在砂、土材料依靠外运成本高、难度大，大型机械无进场条件等诸多不利 因素条件下，缩短塑料排水长度进行浅层人工插板加固，满足一般工程的需要。 根据理论分析的结果确定进行试验的加固深度。采用塑料排水板作为土体 的竖向排水通道，塑料排水排作为土体的水平向排水通道，施加真空压力进行 预压。分别在2 块1 0 0 0 m 2 的场区内进行不同加固间距的现场试验。监测试验过 程中场地内的地表沉降，土中孔隙水应力的变化，周边地基土变形。检测加固 完成后土体的含水量及强度指标。进行堆载试验测定地基的极限承载力。检验 塑料排水排可重复利用的可能性。 ( 3 ) 加固深度不同时地基承载力及变形研究。 对提出的浅层加固方法和天津港地区以往常用的深层加固方法进行比较。 即在地质条件相同的2 块4 0 x4 0 m 2 的场区内分别插板5 一- 6 m 和1 6 一- 1 8 m 进行堆载 加固，观测两块场地在加固过程中在不同加载过程中地表及深层沉降的变化情 况，对比试验结果总结规律性。这一实验一方面可校核分析理论研究方面的正 确性，另一方面可直观地得到两种加固方法实施后地表的沉降差异，从而定量 分析浅层加固法具有节省回填土厚度，减少工程造价的优势及在何种工况下应 用的适用性。 1 3 3 工程实例 天津港国际邮轮码头地基处理工程( c 3 区) 位于天津港东疆港区南端，邻 近海域，地基为吹填淤泥质超软弱地基。 工程采用真空预压施工工艺，加固区域陆域经吹填形成，约l 万平方米， 为插短板真空预压区。按设计要求在铺设0 4 m 水平砂垫层后打设塑料排水板， 排水板呈正方形布置，间距0 8 0 m ，排水板打设标高为一6 o m ，在砂垫层中埋设 滤管后铺设塑料密封膜。铺膜后抽气使真空度不小于6 5 0 m m h g ，总预压荷载为 8 5 k p a 。 气 第章概述 表1 - 3 土层分析与特征 备注：高程以天津港理论最低潮面为基准 施工完成后，天津大学水运水利勘察设计研究院进行了分层沉降，孔隙水 压力，十字板试验等项目的检测，真空预压区在预压期间沉降量达到1 3 5 8 o m m ， 插板期间沉降在7 5 0 o m m ，总沉降量达到2 1 0 8 o r m n 。由实测分层沉降、孔隙水 压力资料推算有效加固土层平均同结度为8 5 9 ，满足设计提出的卸载要求。加 固后土层物理力学性质明显改善，土壤抗剪强度指标增长显著，达到了地基处 理的目的。 6 第二章地基浅层加固方法的理论研究 2 1 前言 第二章地基浅层加固方法的理论研究 对地基浅层加固方法，进行了以下几个方面的理论分析研究： 1 对在天津港吹填土地区实施浅层加固方法的理论依据进行了深入探讨。结合 土体的固结理论，分析上部荷载不同时经浅层加固后地基沉降的发生时间， 研究了硬壳层理论在港口工程建设中的适用性。 2 根据上部荷载确定合理的地基加固深度。当上部荷载不同时，可根据理论分 析结果确定不同的浅层加固深度。 3 应用土体的固结理论计算使用年限内经浅层加固后地基的固结度和发生的 沉降量。 4 对浅层加固法形成的软土地基，编制了计算机软件。该软件具有以下功能： 依据魏锡克地基承载力公式计算经浅层加固后地基的承载力；按照软弱下卧 层验算的规范方法计算地基的承载力；按照分层总和法确定加固后地基的最 终沉降量；根据上部荷载情况确定适当的加固深度；按照一维固结理论计算 未经加固软土地基的固结度；按照巴隆固结理论确定插板区地基的固结度： 计算整个地基的阎结度；根据荷载和加固深度确定地基在使用年限内可能发 生的沉降。 5 研究塑料排水板的竖向加筋作用。提出考虑排水板加筋作用时地基的失稳模 式及地基承载力的计算方法，插板深度，插板间距，地基土强度特性以及排 水板强度对地基承载力的影响。 6 对真空预压的有效加固深度进行研究。分别进行了室内模型试验和理论分 析。 7 真空预压法加固软土地基经常造成加固区边缘发生较大的侧向变形，研究了 真空预压法在水平向的影响范围。 7 第二章地摹浅层加固方法的理论研究 2 2 浅层加固后地基承载力的研究 天津港地区软土层深厚，浅层加固是指排水板不穿透软土层，只将地表下一 定深度范围内的土体进行加固处理，提高其地基承载力。这样就形成了上硬下软 的双层地基。为了说明硬壳层理论的有效性，首先讨论了硬壳层承载力的计算方 法，并通过室内小型模型试验进行了验证。 2 2 1 具有硬壳层的双层地基极限承载力的确定 对于具有下卧层的双层地基，即上硬下软的地基，魏锡克( 1 9 7 0 年) 研究 提出了地基的破坏模式和承载力的计算方法n3 。魏锡克假定此时的滑动面为竖直 面( 见图2 1 ) 。 i 窿毫，心u 争j ， “ ”“l 了 4 l - 季捌 ，1 ， 一，- 曩t ( ：x ：鬻：。彩2 t 坪一 ( a ) h b 较小( b ) h b 较大 图2 1 有软弱下卧层时的地基破坏模式 其极限承载力可由下式确定，即 留。= g 。+ ( 詈) c 留缈。 e x p 2 + ( 兰) 七。留缈。( 鲁) 一( 詈 d g 伊。 c 2 一， 式中：k 。= ( 1 一s i n2 伊。) 2 ( 1 一s i n 4 妒。) ； 吼下卧土层的极限承载力，k p a ； 口一基础宽度，m ； 一基础长度，m ： q 一持力层( 或上层) 土的粘聚力，k p a ； 第二章地基浅层加固方法的理论研究 伊一持力层( 或上层) 土的内摩擦角，4 ； h 一基础底面至下卧层项面的距离，i l l 。 若上层为无粘性土即c 。= o ，并当2 5 。 妒。 0 ) ，下层为具有c ：、妒：的软土 层，根据魏锡克的试验研究，此时地基将发生冲剪破坏，其极限承载力可按下式 确定，即 g 。= 鸟。 一2 等留驴( 1 + s r 刀驴。x ( 号 卜竹 c 2 4 ， 当h b 3 5 时，可以忽略下卧软土层对承载力的影响。 浅层加固是在地基中插入小于软土层总厚度的排水板，初步确定8 1 5 m ， 进行真空预压，使表层土体固结。经加固后形成上硬下软的双层地基，本项研究 按照( 2 一1 ) 式编制了计算程序，研究加固厚度和下卧层承载力对双层地基承载 力的影响。 2 2 2 硬壳理论的室内模拟试验 2 2 2 1 试验用土的物理力学性质 为了验证在吹填土表面吹填粉砂土可以使地基具有较大的极限承载力的硬 壳层理论，进行了小比尺的室内试验，并与理论计算结果进行了比较。 9 第二率地基浅层加固方往的理论研究 淤泥层的含水率为7 2 ，强度约为l k p a 。粉砂土层的土样取自滦河口( 照 片2 1 ) 颗粒级配曲线如图2 - 2 昕示。根据颗粒级配曲线可吼确定，该士样属于 粉砂。其主要指标见衰2 - 1 。 表2 - 1 滦河u 土样的物理r 质 照片2 - 1 滦河1 3 士样 粒柽d 图2 2 粉砂的级配曲线 根据试验结果可见，粉砂上样的渗透系数较高，目此作为地基土在衙载作用 下摔水固结很快，凶此地基极限承载力提高很快，具各作为硬壳层的条件， 22 22 试验结果分析 为了验证在吹填土表面吹填糟土可以使地基具有较大的极限承载力的设想， 进行了小比尺的室内试验，并与理论计算结果进行了比较。 呻帅加蚰m 0 g舒去仁摧一星一。皋耳蔟* 第章地基浅层加固方法的理论研究 f1 ) 软粘土的极限承裁力试验 将现场取柬的软粘土土样加水搅拌均匀，静置2 4 小时使其含水量均匀士 样表面无明显积水。测得其含水量为7 2 左有，不排水强度约为】0 k p a 。 将1 1 c mx1 l c m 的玻璃片作为荷载板在其上缓慢放置砝码和玻璃片作为荷 载( 照片2 - 2 ) 。 ! 【片2 - 2 软粘土地基极限承载力的小犁载荷试验 当荷载板产生过量沉降时，共加玻璃片3 0 块，每块重01 5 k g ，砝码重13 k g 施加的荷载为 w = f 0 1 5x3 2 + 13 1x98 = 5 97 8 n 由此可仙算地基极限承载力为 q 。= 5 97 8 1 0 0 0 01 1 01 l = 49 4 k p a 若按理论公式计算，则有 q 。；( 口十2 ) c 51 4 10 = 51 4 k p f 两者相差仅为3 9 。 ( 2 ) 硬壳层地基极限承载力 i ) 粉士古水量较高时复合地基的极限承载力试验及计算结果 第二章地基浅层加固方法的理论研究 将同样的软粘土土样表面整平，上面覆盖4 c m 左右的搅拌均匀的粉土( 含 水量为2 5 ) 。放置2 4 小时后，用吸耳球将表面的积水吸净，然后开始加载试 验( 照片2 - 3 ) 。 荷载板仍采用1 l c mx l l c m 的玻璃片，上面放置每个重2 k g 的砧码。从照片 2 - 3 中可咀看到，当赭加7 层砝码( 1 4 k g ) 时，荷载板还能保持稳定状态。据此 可估计复台地基的极限承载力为 q “= 1 4 x 98 t 1 ( 3 0 0 0 1 l 0 1 1 = i l3 3 k p 硬壳层地基极限承载力可按v c s i c 提出的成层土地基极限承载力公式计算： 将q b = 49 4 k p a ，e l = 30 k p a ，佩= 2 8 。，l = b = 0 1 1 m th = o , 0 4 m 代人v e s i c 公式， 可算得地基极限承载力的理论值： 口f = 1 37 k p a 两者相差为1 7 ，在可接受的范围内，证明该理论计算公式2 - 1 是比较可靠的。 第二章地基浅屡加固方法的理论研究 i i ) 粉土含水量较小时复合地基的极限承载力试验及汁算结果 将同样的软粘土土样表面整、h 卜卣覆盖4 c m 左右的搅拌均匀的粉土，静 置5 天左右，粉土层的含水量由2 5 f 降到1 0 左右，然后开始加载试验( 照 片2 - 4 ) 。 照片2 - 4 含水量为1 0 的粉土的双层地基极限承载力的小型载荷试验 荷载板仍采用1 l c mx1 】c m 的玻璃片 2 4 中可以看到，当施加1 3 层砝码( 2 6 k g ) 上面放置每个重2 k g 的砝码。从照片 时，荷载板还能保持稳定状态。据此 第二章地基洼屠加固方法的理论研究 可估计复合地基的极限承载力为 q 。，= 2 6 98 1 0 0 0 0 1 i ；0 1 l _ 2 1 5 k p 硬壳层地基极限承载力可按v e s i c 提出的成层土地基极限承载力公式( 2 - 1 ) 计算( 测得的强度指标为o i = 1 00 k p a ，矾= 3 0 6 ) ： 将q 一9 4 k p a ，l = b = 0 1 l m ，h = 0 , 0 4 r n 代人式( 2 - 2 ) ，可算得地基极限承载力 的理论值： q “= 2 69 k 2 a 两者还是比较接近的。 照片2 - 5 为试验后的土剖面，可见粉土的厚度很薄，而下面的软土层土很软。 照片2 - 5 复台地基的剖面 蕊 型随爨& 懿：| 溅誓 豢蒯蔼麟薹 黼 鼹啊o i i i ) 由室内试验的结果推断现场的极限承载力 根据室内试验确定的试验参数和指标，对现场的有不同厚度粉土硬壳层的吹 填土地基的极限承载力进行了推算。如祟按l mx1 1 1 1 的荷载板尺寸来估算地基极 限承载力，结果见图2 - 3 。 第二章地基浅层加固方法的理论研究 0 o o 5 昌 苍l o 骠l s g 2 o 2 5 01 0 0 地基承载力k p a 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 图2 3不同厚度粉土硬壳层的吹填土地基极限承载力 从图2 3 可以看出，地基极限承载力随粉土层厚度的增加增长很快。当粉土 层厚度达到l m 时，地基极限承载力达到1 0 4 k p a ；当厚度为1 5 m 时，极限承载 力可达2 3 4 k p a 。 2 2 3 按规范进行软弱下卧层验算 魏锡克公式为计算双层地基的极限承载力提供了有效方法。由于港口工程中 堆场等设施，对地基变形不敏感，设计中可以采用上述方法计算地基的承载力。 但是对于房屋等建筑设施，由于对沉降量有严格的限制，按照地基的极限承载力 进行设计，不能满足规范要求。由于排水板未穿透软土层，只对上层一部分软土 进行了加固，可以将位于加固层下未经加固的软土看作软弱下卧层。因此，本项 研究根据规范算法，对浅层加固后的地基进行了软弱下卧层验算。具体算法如下： 当上层土与下卧软弱土层的压缩模量比值大于或等与3 时，对条形基础和矩 形基础，按下式计算软弱下卧层顶面处的附加压力设计值乜3 条形基础 矩形基础 p ：= 制 ( 2 5 ) 第二章地基浅层加固方法的理论研究 p ：= 而丽l b ( p 而- p 瓦, ) 厕 2 6 ) 式中：6 矩形基础和条形基础底边的宽度； ，矩形基础底边的长度； p c 一基础顶面处土的自重压力标准值； z 一基础底面至软弱下卧层顶面的距离： 曰一地基压力扩散线与垂直线的夹角，按表2 - - 2 采用。 表2 2 地基压力扩散角曰 e l e ，2 z b 0 2 5o 5 0 3 6 。2 3 。 5 1 0 。2 5 。 1 0 2 0 。3 0 。 其中e ，。为上层土压缩模量：e ，：为下层土压缩模量；z 0 5 0 b 时一般护值不变。 根据以上算法编制了计算软件，确定与不同上部荷载相对应的加固层厚度。 分析中基础的尺寸、加固层与未加固层土体模量与承载力取值见下表。 表2 3 计算中使用的数据 线。 基础 j = ： l 2 0m 基础数据 基础宽 b2 0m 压缩模量e 。】 8 0 0 0k p a 地基土加固区 容重 丫l 1 7 5k n m 3 承载力 f l 8 0k p a 深度d 2 1 5m 压缩模量e 。21 5 0 0k p a 深部未加固区 容重 y 2 1 7 5k n m 3 承载力f 2 4 0k p a 计算中改变附加荷载的大小确定对应的加固层厚度，下图为得到的关系曲 1 6 第二章地基浅层加固方法的理论研究 吕 蜊 】堑b 巡 匿 皇 丰 2 0 1 5 1 0 5 0 3 05 07 09 01 l o 附加荷载k p a 图2 4 上部荷载与加固深度的关系曲线 2 3 浅层加固后地基固结度研究 采用真空预压法加固地基，地基土体的固结程度是评价加固效果的主要指标之 一。通常将地基土体固结度达到或超过8 5 作为停止施加真空压力的标准，计 算表明，在天津港地区，达到这一固结度通常需要9 0 天，因此真空预压的加固 周期不小于9 0 天。由此可见准确计算加固区范围内地基的固结程度是真空预压 加固法的重要组成部分。本项研究提出的浅层加固由于塑料排水板未穿透软土 层，增加了计算地基中的整体固结度的复杂性。 2 3 1 插板深度范围内地基固结度的确定 2 3 1 1 计算参数 软土层厚度较大时，插板可以加速土体的固结。计算插板后地基土体的固结 度需要知道以下几个参数：土体竖直向及水平向的固结系数巳、，竖直向排 水路径的长度，水平向排水路径的长度，有效排水区域与排水板直径的比。由于 在插板的过程中会产生涂抹作用，因此在多数情况下，f ，与c 。的原位值存在许 多不确定性。竖直向排水路径的长度需根据软土层中有无连续的天然排水层而 定，这使确定竖直向排水路径长度变得困难。通常可以根据现场试验判断竖直向 排水是否能够显著加速土体的固结。 1 7 第：章地基浅层加固方法的理论研究 竖直向排水系统的设计中所需的工程地质资料包括以下几点： ( 1 )沉积物的应力历史预固结压力或超固结度。 ( 2 ) 水平向渗流的固结系数( c 。) 及竖奁向渗流的固结系数( c ，) 。 ( 3 )涂抹区域范围d 。及其它安装效应的影响范围。 ( 4 ) 涂抹区域内重塑土的渗透系数k ，。 ( 5 ) 土体不排水抗剪强度c 。及不排水条件下的杨氏模量e 。 ( 6 ) 回弹指数或回弹模量。 ( 7 ) 排水设施的排水量留。及其随总侧向压力及时间的变化情况。 最大的不确定性和难点在于确定固结系数c ，和气及涂抹区域的范围和区域 内土体的性质。除c 。外所有的参数可由常规室内试验或现场试验得出。c a m b i n ( 1 9 8 7 ) 建议按照以下方法确定c h 值： ( 1 ) 做固结试验确定c v 并根据地质资料确定c 。值，( 通常介于l 和1 0 之间) 。 ( 2 ) 在中间设置竖直向排水设施的大压力室中测量值。室内试验确定q 值的主要难点之一是：为了获得原状土体的真实指标，多数情况下需 要大体积的土样。 ( 3 ) 做固结试验确定q 及七，并在现场测量，即可由c h c ，= 屯丸得出c 。 值。 ( 4 ) 由沉降的观测数据进行反分析。 2 3 1 2 基本方程 土体中竖直向与径向排水的固结方程： 竖直向渗流 警= q 7 ， 水平向与竖直向渗哮强等鸲( 争七警) 沼8 ， 固结土层整个厚度上的平均固结度玩( l a m b e 和w h i t m a n ，1 9 6 9 ) ： l - ，v 名! m ：p 州2 ( 2 9 ) 上式可近似表达为( s i v a r a m 和s w a m e e ，1 9 7 7 ) ： 第一二章地基浅层加固方法的理论研究 玩2 器 亿 2 3 1 3b a rr o n 解及c a r - i10 方程 插板时，超孔隙水压力将随地下水的径向及竖直向渗流而消散，b a r r o n 解在 减小径向排水路径长度的同时增大了竖直向排水路径长度，因此应用这一方法进 行计算更加快捷。在一圆柱状土体单元中，计算由竖直向与径向组合排水引起的 超孔隙水压力消散的偏微分方袒如式2 8 所示。实际上，超孔隙水压力比甜，由 单纯竖直向渗流( 式2 7 ) 和单纯径向渗流( 式2 - 8 中去掉q ，a 2 u 。瑟2 项) 情况 下分别计算得出，然后与c a r i l l o 方程联立( 1 9 8 1 年m i t c h e l l 和k a t h ) ： 一点处 吼u e = 卧。 协 平均值 讷= ，。 或 一点处 平均值 式中： ( 1 一己，0 ) = ( 1 - 址) ( 1 一) ( 1 一u v h ) - - 0 一玩) ( 1 一玩) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 矿单纯竖直向排水的固结度； 玩单纯水平向排水的固结度； 泸单纯竖直向渗流条件下深度z 处的固结度； u 。单纯径向渗流条件下的固结度； 下标v 和h 分别代表竖直向和水平向( 径向) 渗流。巩的值随着该点与排水 设施的径向距离及时间变化。 在式( 2 8 ) 的基础上分析打设排水板粘土层中的一个土体单元。将土体单 元理想化的等效为一个以以为直径的圆柱形土条，土条外表面不透水，内部有 一圆柱形的排水设施。排水板等效直径d 。为使圆柱状排水井与原排水板具有相 同周长的直径( 如图2 5 所示) ，即： 丸= 2 【口+ b ) l z r ( 2 - 1 5 ) 1 9 第二责地基浅层加固方链的理论研究 式中 度 口6 排水板的宽度和厚度 雏 扑 图2 5 圆柱彤土体单元衽向排水的b a 衄解 根据b 叶r o n 的等应交解，可咀根据f 式计算仅由径向渗流引起的平均固结 u 。= 唧 南 ( 2 1 6 ) 删= 击砷m 垒掣汕”0 7 5 公扪_ 1 7 ) 式中： 一井径比伸d 以。 2 嚣 通常玩对瓦的贡献远小于玩对瓯的贡献 所需的时间。 ( 2 1 8 用试算法计算达到预期的盯0 第二章地基浅层加固方法的理论研究 值得注意的是t e r z a g h i 等人( 1 9 9 6 ) 在定义径向渗流无量纲时间因数时采用 圆柱状土条的半径匕代替直径也： z ：掣 ( 2 1 9 ) 应用这一定义，平均固结度可表示为： 卟- , 一l f 雨- 2 r 7 协2 。， 式( 2 1 6 ) 和式( 2 2 0 ) 在各自的时间系数式( 2 1 8 ) 和式( 2 1 9 ) 下是一 致的，计算所得结果相同。 根据排水板布置方式的不同，等效排水直径可由下式得出。如果排水板按照 正方形网格模式布置， 间距2 = 万望4 ， 因此吐= 1 1 2 8 间距 ( 2 - 2 1 ) 如果排水板按照三角形网格模式布置，等效排水直径为： 间距2 s 证6 0 。= 万譬， 因此吮= 1 0 5 x 间距 ( 2 - 2 2 ) 2 3 1 4 固结度计算 由式( 3 8 ) 和式( 3 ，1 0 ) 可以得出： 瓦；l 一( 1 一玩) e x p - s t , f ( n ) = 一。一玩) e x p 一8 l ，f 。) c 2 - 2 3 ， - - 1 一( 1 一玩) c x p 【- 弛】 式中 五：姜互：妻三肇 (224)n 肚雨i 2 雨：两 u 。 假设竖直向渗流和水平向渗流的固结时间相同( 即竖直向渗流的开始与水平 向渗流的开始之间没有时间滞后) 。 式( 2 2 3 ) 中的玩可由式( 2 - 9 ) 或其近似式( 2 1 0 ) 计算得出，故式( 2 2 3 ) 中的瓦为z ，和无量纲参数a 的函数。 2 3 1 5 涂抹效应的影响 2 l 第二章地基浅层加固方法的理