硬壳层在吹填土真空预压中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)天津大学建筑工程学院 作者:闫澍旺

  用真空预压法加固吹填土地基需要利用大型机械插入塑料排水板。提出在吹填土上吹填一层粉细砂形成硬壳层,以提高地基的承载能力,来满足插板机的承载力要求的新工艺。首先通过小比尺模型试验验证硬壳层地基对于提高地基承载力的有效性,探讨具有硬壳层的地基的承载特性和机制,采用PLAXIS 有限元分析软件对硬壳层厚度与荷载宽度和承载力关系进行系统的分析计算,将数值计算结果与Vesic 公式计算结果比较,对具有粉细砂形成的硬壳层对上硬下软的地基承载力的贡献做出定量的研究,并给出塑性区和位移场的开展状况,为该工艺提供理论依据。

  1、引言

  随着天津滨海新区的快速发展,为缓解用地紧张矛盾,大量土地需通过围海造陆形成,总面积约为477 km2。围海造陆所用吹填土一般采用港池和航道的疏浚淤泥,强度及承载力极低,需经加固处理才能形成人工地基。采用真空预压法对吹填土进行加固时,首先要用插板机在吹填土上打设排水板,但承载力极低的吹填土不能承受插板机的重力,必须在插板前提高地基的极限承载力。传统的工艺是通过2~3 a 晾晒形成一个硬壳层,再铺土工布和2 m左右厚的好土(相对于吹填土而言,指一般的素土),才能进行插板机的操作。硬壳层曾在公路地基进行优化处理得到应用,也有学者研究过硬壳层的封闭作用对双层地基承载力的影响。

  受此启发,笔者将硬壳层理论应用在吹填土真空预压加固的实际工程中,在吹填土上吹填一定厚度粉细砂,增加地基的承载能力,来满足插板机的安装需求。不同于公路地基,吹填土的含水量更高,承载力更低。所以真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为要对吹砂厚度H以及插板机载荷宽度B 进行细致研究,来保证安全和避免浪费。本文通过模型试验直观地验证了硬壳层的提高承载力的效果,并分别通过理论和数值计算对硬壳层的作用机制进行解释。

  2、硬壳层地基的承载机制

  在强度极低的吹填土上铺设粉细砂,使得地基形成由上下2 层土体性质差别很大的成层土。荷载作用于上层硬土时,会将应力扩散至整个下卧层。而目前规范上对于层状地基承载力的计算采用扩散角的方法,但土质的差异性较大,计算过于保守。

  本文结合Meyerhof,Hanna 和Vesic 对成层土的特性的研究,提出了相应的计算理论。该理论假设地基基础中软弱土层上部的较硬土层发生剪切破坏并假定剪切破坏面为竖直向下(见图1)。

Meyerhof-Hanna 的冲剪破坏理论模型

图 1 Meyerhof-Hanna 的冲剪破坏理论模型

  6、结论

  通过本文的试验可以直观发现硬壳层能够提高地基承载力。在理论分析和研究计算结果后可知,荷载宽度B 与硬壳层厚度H 比值B/H = 0.5 时,地基承载力最大。有限元模拟土层破坏时的应力场和位移场,得到成层土的3 种破坏模式下的硬壳层地基的变形特性,并分析了其破坏机制。分析表明,在强度极低的吹填土上铺设一层粉细砂可以大大提高成层土地基的极限承载力,这种新工艺不仅能够满足插板机等机械的施工要求,而且可以立即进行吹填土的加固,从而大大缩短了工期。该工艺已在天津滨海新区围海造陆工程中得到广泛应用。

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