真空井点降水联合等载预压在桥坡路基加固中的对比试验研究

1、真空井点降水联合等载预压在桥坡路基加固中的对比试验研究第 23 卷第 15 期2004年 8 月 岩石力学与工程ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering 23(15):25792584Aug.,2004 真空井点降水联合等载预压 在桥坡路基加固中的对比试验研究 汪中卫宰金璋(同济大学地下建筑与工程系上海 200092) 摘要通过对真空井点降水联合等载预压这种加固新方法在加固过程中土体应力 路径特征 ,加固影响深度及加固后的土体固结变形机理的分析 ,揭示了在该加固方法条件下地基土中应力变化及 其相应的变形规律 ,并与注浆加固进行土体物理力学指标和工后

2、沉降对比 ,从而闸明了该方法在桥坡路基加固中 较传统注浆加固方法更具有合理性与经济性 .关键词土力学 ,真空井点降水 ,有效应力 ,应力路径 ,影响深度 ,固结沉降分类号 U443.1 文献标识码 A 文章编号 1000?6915(2004)15-2579?06RESEARCHoNCoMPARATIVETESTSoFREINFoRCEMENTFoRBRIDGE.SLoPESUBGRADEBYV ACI 【MWELL P0TDELTERGCoMBINEDWITHEQUALPRELOADWangZhongwei,ZaiJinzhang (DepartmentofGeotechnicalEngine

3、ering,TongiUniversity,Shanghai200092China)AbstractBasedontheanalysisofstresspathcharacteristics,influencedepthofreinforcement andmechanismof consolidationdeformation.thispaperrevealsthecharacteristicsofstressanddeformationint hebridge?slope subgradereinforcedbyvacuumwell?pointdewateringcombinedwithe

4、qualpreload.Bycom parisonofthe settlementsdeterminedbyconventionalgroutingmethodandbyproposedmethod,itisprove dthattheproposedmethodiSreasonableandeconomica1.Keywordssoilmechanics.vacuumwell?pointdewatering,effectivestress,stresspath,influe ncedepth,consolidationsettlement1 前言 软土地区修筑高速公路 ,一方面由于路堤填土

5、较高,软土地基压缩性大 ,渗透性小,固结速度慢 , 其沉降稳定需要很长时间 ;另一方面由于经济发展 的需要 ,道路建设工期一般较短 ,以至在运营过程 中 ,道路的工后沉降常常大于规范允许值 ,尤其在 桥头接坡处 ,跳车现象普遍存在 .上海地区从 1988年建成我国第一条高速公路以来 ,已陆续建成了许 多条高等级公路 ,但桥坡沉降问题 ,至今尚未完满 解决 .龙东大道是浦东国际机场的市政配套工程 , 做好桥坡路基加固 ,消除跳车现象 ,对保障将龙东 大道建成与浦东国际机场相称的高水准工程具有重 要意义 .在龙东大道已全面开工的现实条件下 ,为 探索有效 ,可行的桥坡路基加固技术 ,经专家论证 ,

6、 2002年 11月 7目收到初稿 ,2003年 1月15目收到修改稿 . 作者汪中卫简介 :男 ,3O 岁 ,现为博士研究生 .主要从事地基处理 ,深基坑工程等方 面的理论与应用研究工作 ?E-maihwzw_ ernailsohu.corn.?2580?岩石力学与工程 2004 证 选定龙东一远东立交桥 B 匝道与 G 匝道进行桥坡路 基加固方法的初步对比试验研究 .2加固试验段施工方法简介 试验段选在龙东一远东立交桥匝道口 ,其地基 土的物理力学性质指标见表 1.立交桥桥坡填土高度约3.3m,纵向坡度为2%, 路面宽度约13m.各试验段平面位置如图1所示. 图 l 试验段平面位置Fig.

7、1Planoftestarea 在立交桥 B 匝道的龙东段桥坡 (BK0+223 BK0+235) 和远东段桥坡 (BK0+506BK0+522) 采用压密注浆技术对路基进行加固 .其中 ,龙东段 注浆深度为12m,远东段注浆深度为10.85m,由 于注浆时桥坡填土两侧均已建成挡墙和防撞墙 ,为 防止注浆使挡墙和防撞墙发生平移和转动 ,注浆从 挡墙底板下5m以下开始压密注浆,5m以上无压密注浆.注浆从 1997年 8月 31日开始,至 1997 年 9 月 17 日结束 .在立交桥 G 匝道的龙东段桥坡采用真空井点降 水联合等载预压技术进行桥坡路基加固 ,该技术系 运用通过泥水分离器与降水井点

8、相连的机械真空泵 于降水的同时在土中形成稳定的真空负压 ,再利用 路堤自身堆载实现联合等载预压加固桥坡地基 .试验 中沿桥坡 (GK0+724-*GK0+735) 的南北两侧各布 置一排轻型真空井点管，井点管深度为7.5m,间距 为1.5m,配置一台W-4机械真空泵.桥坡南侧轻 型真空井点于 1997年 9月 8日埋设完毕 ,9月9日 开始抽水 ;桥坡北侧轻型真空井点于 1997年9月 18 日埋设完毕 ,9月 1 9日开始抽水 .真空度经过初期段波动后，逐渐稳定在一 7X 10Pa负压),由于工 期紧，故抽水只持续了 38d至10月15日结束, 水位下降约3.3m.在试验段施工期间，布置测点

9、进 行了相应的长期沉降观测 .测点平面位置如图 2所示.图中 LF5 为分层沉降标点 ,其他点为地表沉降测点 .55408900709024图 2 真空降水试验段测点平面位置Fig.2Planofmonitoringpointinvacuumdewateringtest area3 加固机理分析 压密注浆技术加固的原理就是通过对有效压缩 层的一定深度范围内注入水泥浆 ,使水泥与水 ,土 发生物理化学反应 ,以改善该位置土体物理力学性 质,使其压缩性减小 ,从而达到减小沉降的目的 .而真空井点降水联合等载预压是在真空预压 ,降水 裹 1 地基土物理力学性质指标Table1Physieo-meeh

10、aniealindexofsubgradesoil?2582?岩石力学与工程 2004 在图 4 真空降水加固附加应力沿深度变化规律 Fig.4Distributionregularityofadditionalstressalong depthwithreinforcementbyvacuumdewatering 从地面等载作用来看 ,由于是分布在地表的面 积荷载 ,其所引起的附加应力沿深度方向呈指数形 式衰减，其变化规律如图4(a)所示:由真空引起的 负压 ,根据目前相关的研究【 11,其向下吸气的影响 深度可由提水高度确定 ,真空度沿井点管周围变化 近似呈线性变化，如图4Co)所示;而降

11、水作用在总 荷载基本不变的条件下 ,由于静水压力的变化 ,沿 深度方向各位置的土体最终有效应力均会增加到 h,如图4(c)所示.总的来看，对道路建成使用 后，其最终有效附加应力就是如图4(a)所示为cr2, 其地基最终竖向应力为crO+,对地基土主要压缩 层0-20m范围内某点，在加固期间，其有效附 加应力为U2+【厂2(,h+),有效应力为 cro+U2+【厂2(,h+),在真空降水停止以后， 自地下水位以下的土体就处于超固结状态 .从图中 可以看出 ,在有效压缩厚度范围内随着深度的加大 (+o-,)/o-:的比值基本没有衰减，这说明在等 效荷载相等的条件下 ,采用真空降水联合等载预压 加固

12、软基的方法 ,其加固影响深度要明显大于堆载预压.真空井点降水区分层沉降变化曲线如图 5 所 示.从图 5可以看出 ,在不同时间所测得的分层曲 线大体上平行 ,没有太明显的偏离 .这表明 ,在工 后期内一 20m 以上土体所发生的沉降占总沉降的比 重不是占绝大部分 ,一 20m 以下土体沉降占了所发 生量的相当一部分 .从分层曲线上可以看出 ,在 1997年11月20日（道路竣工日为1997年12日初） 到1998年7月12日期间,0一 20m总沉降约9mm,20m以下沉降约8mm.可以看出，桥坡填土所引 起的附加荷载在一 20m 以下部位已经有很大衰减的 情况下，一 20m以下部位土体的沉降变

13、形仍占了 工后期土体变形的近一半左右 ,从这个角度也验证 了一 20m以上的土体得到了有效加固.沉降量 /mm!00E-5趣聪一l015201.2024 l】 l2 图 5 真空井点降水区分层沉降变化曲线 Fig.5Curvesoflaminarsettlementinthereinforcedareaby vacuumdewatering3.3 真空井点降水后土体的固结变形分析 对上海地区软土而言 ,桥坡路基的工后沉降可 分为固结沉降与次固结沉降 .PlgP 曲线如图 6 所示. 从图 6 可以看出 :加荷后土中有效应力由点增加 到点 ,在加固完毕后 ,其应力又返回到点 : 在工后期内由路基

14、荷载引起的附加应力全部固结 后,其应力由点增加至点 .可见,经加固后 , 使路基下土发生明显的超固结作用 ,当其应力由 点增加至点时，其相应的孔隙比改变量为, 如土体未经加固 ,其对比的孔隙比改变量为 Ae, 显然 Ae,<Ae. 因此,经加固后在路堤荷载作用下 的工后沉降明显变小 .FFlFFlgp 图 6P?lgp 变化曲线 Fig.6Curveofe-lgp第23卷第15期汪中卫等.真空井点降水联合等载预压在桥坡路基加固中的对比试 验研究?2583?由于淤泥质粘土及淤泥质粉质粘土具有典型的 蠕变性,因而在超孔隙水压力消散后 ,在有效应力 基本不变的情况下 ,仍然存在着相当数量的次固

15、结 沉降.一般而言,土体的次固结变形沉降与加荷的 荷重等级和土体的超固结比 OCR 有关,一般规律 是:荷重量级与 OCR 愈大【51,其次固结沉降愈小 . 由于前期的真空降水作用 ,使得土体在真空降水施 工结束后处于超固结状态 ,从图 4,5可以看出,真空降水预压可以有效地使0一 20m位置土体处于 超固结状态 .同时 ,由于真空降水作用使得桥坡路 基土在加固期间的荷重量级比在正常使用期间要 大,从这两方面分析可知 ,真空井点降水作用可以 减小使用期间的该部位土体的次固结沉降 . 4桥坡路基加固效果评价4.1 加固后土工指标评价立交桥 B 匝道的桥坡试验段经压密注浆加固 后 ,使桥坡路基土的

16、性质得到改善 :(1)土的孔隙 比e:砂质粉土从0.9减小为0-8,减小约11%;淤 泥质粘土从 1.171.40减小为 1.01.2,减小了 17%12%.(2)土的压缩模量E.:砂质粉土从11 MPa提高到13MPa提高了 18.2%:淤泥质粘土从 2.43.1Maa 提高到 2.73.6MPa,提高了 12.5% 16%.(3)标准贯入击数W 6,:砂质粉土从6增加到 14,增加了 133%;淤泥质粘土从 13 增加到 27, 增加了 1o0% 133%.立交桥 G 匝道的龙东端桥坡经真空降水预压加 固后,也使桥坡路基土的性质得到改善 :(1)土的 孔隙比e:砂质粉土从O.92减小为O.

17、85减小约6%, 淤泥质粘土从 1.11.15减小为 1.01.05,减小了 10%.(2)土的压缩模量最 :砂质粉土从 5.7MPa 提高到6.7MPa提高了 17%;淤泥质粘土从2.O 2.3MPa 提高到 3.O3.1MPa提高了 35%.(3)标 准贯入击数W 6,:砂质粉土从5增加到9,增加了 80%;淤泥质粘土从 12 增加到 24,增加了 100%.为便于对比 ,两试验段经加固后各项对比指标 如表 2 所示 .从图 7,8可以看出 :在真空井点降水区 ,加固 后的孔隙比与压缩模量变化曲线大体上与加固前的 变化曲线平行 ,这说明真空井点降水联合等载预压 的加固效果比较均匀 ,而且影

18、响深度比较大 ,主要 孔隙比 P 孔隙比 P0246 乓8 磺l0l2l4l6(a)真空井点降水区(b)注浆加固区 图 7 土孔隙比变化对比曲线Fig.7Comparisonforvoidratiocurve 压缩模量 E,IPa 024680r r r r 1 246E 遗8 聪l012l4l60lc 一 35聪一 ,9l1l3 l5压缩模量 E,IPa5l0l5(a)真空井点降水区(b)注浆加固区图 8 土压缩模量变化对比曲线Fig.8Comparisonforcompressionmoduluscurve表 2 加固试验区各项指标加固前后对比Table2Comparisonofindex

19、esbeforeantiafterreinforcementattestarea?2584?岩石力学与工程 2004 包压缩区0一 20m范围内都得到有效加固；而有注 浆加固区 ,加固后的孔隙比与压缩模量得到明显提高，而在0一 5m以及一 15m以下范围内均没有明 显变化.4.2 工后沉降评价对路基土的工后沉降 ,可通过规范公式推算其 最终工后沉降 ,推算数据 ,可以取各试验段大体相 同位置处的沉降观测数据进行工后沉降比较 ,各区 沉降测点变化时程曲线见图 9（观测时间是 1997 年 9 月5日至1998年7月12日）.重世斌050l00l502002503oo350时间,d（a）真空井点降

20、水区（b）注浆加固区图9各区沉降测点变化时程曲线 Fig.9Time?settlementcurvesformonitoringpointineach alea对 B 匝道压密注浆加固区 ,观测点 BH4 的平均 实测工后沉降为 22IfLITI, 平均推算工后沉降为 30.3 mm.1997年12初（道路竣工日）时的平均沉降速率为0.32mm/d,l998年7月12日时,其平均沉降速率为 0.03mm/d.对G匝道真空井点降水区，试验段与B匝道基 本相应位置观测点 GH5 的平均实测工后沉降为17.2mm,推算平均工后沉降为22.1mm.1997年l2 月初（道路竣工日 ）的平均沉降速率为

21、0.07mm/d, 到 l998 年 7 月 l2 日 ,其平均沉降速率已接近于 0mm/d. 而根据同期未加固桥坡的观测点 GA13 沉降观 测资料，其1997年12月初(道路竣工日)的平均沉 降速率为0.6mrn/d,到1998年7月12日，其平均 沉降速率为 0.1mm/d.可见,经加固后 ,桥坡的工后沉降显着减小 , 通过 2 种加固方法的对比 ,发现 2种加固方法加固 效果基本相当 ,真空井点降水联合等载预压试验段 工后沉降略小 .但由于工期紧的原因 ,真空降水只 维持了一个多月 ,未能充分发挥降水效果 ,如果适 当加长其降水时间 ,其效果显然优于压密注浆 .另 外,从工程造价角度考

22、虑 ,一套真空井点每月运行 成本约 4万元,而压密注浆 lITI. 造价约为 80 元, 二者相比 ,真空降水费用明显要比压密注浆费用低 , 经济效益更显着 .5 结论 通过对立交桥桥坡路基加固的对比试验 ,可以 得出如下结论 :真空井点降水联合等载预压加固软 土地基 ,能够有效加固有效压缩层厚度范围内的软 弱土体 ,并且加固效果比较均匀 ,能够有效消除由 于地基沉降所引起的桥头跳车现象 .如果施工工期 能维持在23个月，其加固效果将远远好于压密注 浆,同时能大幅度降低软土地基的加固费用.参考文献1侯钊，陈环，钱征等天津软土地基【M】天津:天津科学 技术出版社 .1978陈环.鲍秀清.负压条件下