吹填超软土浅层真空预压加固处理前后的固结特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)天津大学土木工程系 作者:雷华阳

  超软土固结特性在吹填土地基处理设计中至关重要,针对“浅层真空预压加固处理”前后的超软土开展室内分级加载固结试验,研究了不同状态、不同方向下超软土的固结特性以及固结系数随固结荷载的变化规律。试验结果表明,超软土在低应力水平下,固结系数维持在一个较低的水平;随着固结压力的增加,固结系数虽有所增加,但增量比逐渐减小;与正常沉积土不同,超软土的径向与竖向结构屈服应力的比值明显大于正常沉积土;当固结压力超过结构屈服应力时,超软土的径向固结系数与竖向固结系数相差不大,这一特点与正常沉积土有较大的差别。

  随着天津滨海地区的快速发展,对土地的需求量越来越大,仅天津港一处的陆域面积从10 a前的40平方公里到2012年已达到121平方公里,加上正在规划中的东疆二岛,几年后天津港陆域面积将达到200平方公里以上。为了实现大面积陆域的增加,吹填造陆已成为城市开发土地资源的重大举措。由于对海洋环境保护的要求日益严格,吹填场地主要利用周边港池和航道疏浚土料吹填完成,这些土料的颗粒较细,又由于吹填过程中水力分选的作用,会形成一定厚度的超软土;超软土主要指含水率较高的流泥(85%<w<150%)和浮泥(w>150%)。这层超软土常常由于建设工期紧迫来不及自然排水固结,含水率较高,强度极低,对后续的施工造成了极大的困难。施工现场常采用“浅层超软土加固+深层真空预压”的二次处理方案来处理超软土地基,其中“浅层超软土加固”(以下简称“浅层加固处理”)是为了使场地表层具有一定的承载力,从而满足后续施工对场地的要求。因此对“浅层加固”处理前后的超软土的固结特性进行研究具有显著的实用价值。

  国内外学者对超软土的固结特性进行了相应的研究。Weber曾在1969年报道了建于超软土地基上的堤坝在固结期间压缩层厚度减少了80%,这显然不能够满足传统固结理论中固结系数恒定的基本假定。随后,Duncan又指出,固结系数的不确定性使得传统固结理论在土体变形计算中受到限制。Mikasa和Gibson等将传统的固结理论推广到了大变形固结理论。Bo等又提出了利用基本的物性指标来计算超软土沉降量的经验公式。朱耀庭等、文海家等基于室内试验重点研究了超软土的固结系数及排水固结机理等固结特性。张明等对深圳湾吹填超软土的固结系数进行了统计分析,提出了固结系数的估算方法。前人对超软土的研究主要集中在建立能够估算超软土沉降量的经验公式;对于能够直接反应超软土排水加固速率的固结系数尤其是其在低应力水平(0~20kPa)下的变化特点的研究相对较少;另外,对“浅层加固处理”后的超软土的固结特性方面的研究也很少见于报端。

  本文结合天津临港工业区吹填场地,考虑真空预压法地基加固方法中径向排水固结占重要地位,开展“浅层加固处理”后吹填土的竖向和径向固结特性分析,同时探讨超软土固结系数随固结荷载的变化规律。

  1、试验简介

  1.1、工程背景

  天津滨海新区临港工业区吹填土层厚度在4.5~5.2 m之间,吹填土料主要来自于附近港池和航道的疏浚淤泥,吹填完成后场地表层大约有0.8 m深的超软土,含水率在85%~125%之间。吹填完成后即进行“浅层加固处理”,具体做法是人工插设4.5 m深塑料排水板作为竖向排水体,表层直接铺设一层无纺土工布代替砂垫层作为水平排水通道, 同时增加了排水板头与滤管之间的绑扎连接,并维持膜下真空度为60 kPa,真空预压时间为45 d。

  1.2、试验仪器

  常规的WG型高压单杠杆固结仪能够施加的最小一级固结荷载为12.5 kPa,在这一固结压力作用下流泥状的超软土容易压出;本次试验在原有的WG 型高压单杠杆固结仪基础上进行了相应的改装,整套设备主要包括试样盒、砝码、千分表及与其配套的数据采集系统,能够自动采集试验数据,具体见图1。改装后的固结仪能够对试样施加的最小固结压力为2 kPa,最大固结压力为20 kPa。

改装后的低压固结仪

图1 改装后的低压固结仪

  1.3、现场取样、制样方法及加荷方案

  本次试验所用土样取自于“浅层加固处理”完成后的临港工业区吹填场地和相邻的轻纺城经济区的正常沉积场地,土质均匀,取样深度范围内未见明显分层。由于取样场地土质松软,触变性较大,故采用薄壁取土器来减小钻探对其结构性的扰动。

  为了研究超软土与一般重塑土固结特性的区别,将临港工业区原状土烘干粉碎后过2 mm 筛去除贝壳等杂物,配置成含水率为45.53%,56.14%的2 种吹填重塑土和含水率为86.83%,103.83%和123.85%的3种超软土,提前1 d 预制后待用。

  本次试验采用“横向制样法”来获取径向固结系数Cr,具体做法是将土样横向切样,即垂直于土体正常沉积固结方向制样。为了制备与两种不同场地原状土具有相同含水率和密度的重塑土,取适量原状土放入橡皮膜内,反复挤压以破坏其原有的结构性,根据环刀的体积(60 cm3)和原状土的密度称取一定量的土样,利用压样器制备试样。试样编号和物性指标如表1 所示。

表1 土样编号及其物性指标

土样编号及其物性指标

  低压阶段(0~20 kPa)采用改装后的固结仪,其中含水率为103.83%和123.85%的试样加荷序列为2,4,6,10,18 kPa,共5 级荷载,而其他含水率的试样的加荷序列为3,5,10,15 kPa,共4 级荷载。试样高度为2 cm,试样面积为30 cm2,双面排水固结,每级荷载的作用时间为72 h,稳定标准为0.001 mm/h。当试样在低压固结仪上达到最大一级固结荷载稳定后将试样卸载后移至常规的WG 型高压单杠杆固结仪上,在低压阶段的最大一级固结压力作用下再次固结达到稳定,以消除卸荷回弹对试样变形的影响,每级固结荷载作用下的稳定标准同低压阶段。

  4、结论

  针对“浅层加固处理”前后的超软土进行了分级加载固结试验,得到了如下3 点结论。

  (1)较小的固结压力能够引起超软土大幅度的固结沉降。超软土在真空预压工况下所受到的固结应力状态不同于正常沉积土,因此导致经过“浅层加固处理”后的超软土的径向结构屈服应力与竖向结构屈服应力的比值明显大于正常沉积土。

  (2)在低应力水平作用下,超软土的固结系数随固结压力的增加并没有较大的变化;当固结压力较大时,随着固结压力的增加,固结系数有所增加,但增量比却逐渐减小。

  (3)经过“浅层加固处理”后的超软土的固结系数随着固结压力的变化趋势和正常沉积土大体一致,“浅层加固处理”后的超软土的固结系数较同等固结压力作用下超软土要大的多,当固结压力超过结构屈服应力时,径向固结系数与竖向固结系数相差不大,这一特点与正常沉积土有较大的差别。

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