CF-真空排水预压加固软基中的孔隙水压力消散规律

1、 2004年 8月水 利 学 报SH UI LI X UE BAO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 122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 ,

2、 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

3、 。试验段位 于路桥至泽国一级公路浃里陈大桥两侧桥头段 K 0+657K 0+722, 采用真空堆载联合预压法处理 。试 验场地面积约为 3600m 2, 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

4、采用的孔压计为振弦式孔压计 , 型号为 KY J 231, 分辨率小于 0105%。用 ZXY 22型振弦频率 读数仪测读孔压计的频率 , 该仪器的分辨率为 ±011H z 。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 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

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 zk

6、4 、 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 (ge 0s rV cm s K H (cm s 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

7、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 ,

8、 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 。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 Mandel 2Cryer 效应 1 , 但不是很显著 。

9、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 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

10、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 2 ky21ky23组孔隙水压力

11、最大消散值统计 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

12、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 加载初期丆 孔隙水不降反升 开始阶段 ,21m 深处的孔隙水压力不仅不消散 , 反而上升 , 出现 Mandel 2Cryer 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 ,

13、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 213 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

14、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

15、 可知 , 真空度对砂井的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

16、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

17、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 311mm s 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

18、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 T ang M ,Shang J Q. Vacuum preloading co

19、ns olidation of yaoqiang airport runwayJ.G eotechnique ,2000,50(6 :613-623.7 Chu j ,Y an S W ,Y ang h. S oil im provement by the vacuum preloading method for an oil storage stationJ.G eotechnique , 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 so

20、ft foundation reinforcedby vacuum drainage preloadingZH U Jian 2cai , WE N X iao 2gui , G ONG X iao 2nan(Zhejiang Univer sity , Hangzhou 310027, China Abstract :Thestrength of s oil can be im proved by dissipating the pore water pressure by means of vacuum drainage preloading. In this paper ,the in

21、2situ experimental data of a bridge pier foundation is used to analyze the dissipation law of pore water pressure in silt and sand in the process of preloading. The result shows that the dissipation of pore pressure consists of tw o parts. One is formed by the direct effect of vacuum and the other i

22、s due to the lowering of groundwater table. The dissipation of pore water pressure in 721 silt is resulted from lowering of the groundwater table ,while in sand well and in the vicinity of plastic drainage plate it is resulted from the effect of vacuum. The degree of dissipation does not change alon

23、g the depth but the effect of dissipation will be maintained even in the depth of 4 5m below the plastic drainage plate. Consequently ,the plastic drainage plate is the best way for reinforcement of foundation. Key words : reinforcement of soft foundtation ; vacuum drainage preloading ; pore water p

24、ressure ; 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 . 1998 世界发展报告 M . 北京 : 中国财政经济出版社 ,2000. 99 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 withdra w al quota per ten thousand Yuan GDP ( Nanjing Institute of Hydraulic Research , Nanjing 210029 , China Abstract : The water withd