孔隙变化对吹填土地基真空预压固结的影响

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

  吹填地基真空加固过程中,吹填土由液体泥浆变为固态土体,其孔隙降低非常大。由于土体的渗透性和压缩性是孔隙比的函数,因此,吹填土在固结过程中固结系数变化很大,而现行设计方法中固结系数取为常数,这导致预测结果和实际结果差异较大。为考虑固结过程中孔隙变化对固结过程的影响,推导了真空荷载作用下土体固结系数与有效应力的关系,并将该关系应用于巴隆固结理论,从而建立吹填土地基真空固结分析模型。通过室内模型试验,验证了该模型的合理性。计算结果表明,考虑孔隙变化的影响时,吹填土地基前期固结速度快,而在后期逐渐变慢。由于排水面附近土体渗透系数迅速降低,阻碍了周围土体中孔隙水向排水面排出,因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为与现行固结设计方法计算结果相比,吹填土地基后期固结速度慢,总体固结时间长。

  引 言

  吹填造陆已经成为天津造陆的主要途径。吹填刚完成时,吹填淤泥孔隙比非常大,含水率很高,处于流动状态,需要进行加固处理,而真空预压是处理吹填土地基最有效的加固方法,且其施工工艺已相对成熟,因此,真空预压处理吹填地基的方法广泛应用于天津沿海地区围海造陆工程实践,并取得良好的经济效益。

  为了取得理想的预压效果和控制施工质量,在真空预压软土地基设计中需要分析真空荷载作用下吹填土地基的固结变形过程。目前的计算方法主要有解析法和数值法。陈环等、闫澍旺等提出负压作用下地基固结度的计算公式与正压作用下相同;叶柏荣等、董志良在砂井固结理论的基础上,推导了真空预压以及真空联合堆载预压加固地基的固结解析解。在Biot 固结理论基础上,陈环等利用差分法,闫澍旺等采用线弹性有限元法,沈珠江等、彭劼等、刘加才等、陈小丹等采用弹塑性有限元法,林丰等用边界元法对真空预压地基工程进行了二维固结分析;刘加才等、董志良等、陈平山等、孙立强等采用弹性有限元,陈析等采用黏弹塑性有限元,刘汉龙等、徐立新等采用弹塑性有限元进行了三维固结分析,并与监测结果进行了对比。在这些计算方法中,软土地基真空预压固结计算的模型和参数基本是沿用堆载下的固结理论和参数,因此,计算过程中的渗透系数和固结系数等参数保持为常数,只是计算模型的边界条件采用真空压力。

  为了考虑渗透系数对固结的影响,董志良等采用三维Biot 固结理论研究了真空预压条件下考虑渗透系数变化时地基的固结过程,结果表明,在此情况下地基有沉降小、固结过程较慢、相应的固结时间长等特点。但该方法针对一般软土地基,计算结果表明,考虑渗透系数变化时其效果不是很明显,因此,在一般的软土地基固结过程中考虑渗透系数变化的意义不是很大,且该分析结果没有得到有效验证。

  与一般的软土加固不同,吹填土在加固过程中经历了从液态到固态的变化过程,孔隙比有显著的改变。大量的试验结果表明,土体的渗透系数和固结系数等参数与固结压力以及孔隙比有密切的关系,因此,吹填土在真空固结过程中的渗透系数和固结系数将发生显著的改变,如果采用现行固结设计方法将无法得到正确的固结过程。吹填土现场测试的结果也表明,无论是固结沉降量还是沉降过程预测,理论计算值与实际沉降值都有较大的差异。因此,迫切需要建立合理的真空荷载作用下吹填土地基的固结模型。

  为了解决理论与实际结果不一致的现象,本文通过研究真空荷载作用下吹填土的变形、渗流特性,在巴隆轴对称固结理论基础上,建立考虑固结参数随孔隙比变化而变化的吹填土真空预压固结计算模型,并通过室内模型试验证明该模型的合理性。

  结论

  通过该模型和现行固结设计模型的分析、对比,得到如下结论:

  (1)在固结的初始阶段,由于土体的孔隙比较大,土体的渗透系数和压缩系数都比较大,且土体的固结系数大,因此,土体的固结速度非常快。随着固结的进行,土体孔隙比减小,土体渗透系数和压缩系数都降低,固结系数也在降低,因此,固结速度逐渐变慢。

  (2)土体在固结过程中,随着离排水板径向距离的增加,土体的渗透系数逐渐增加。在离排水板距离非常近的位置,渗透系数降低非常快,这相当于在排水板附近形成一透水性较小的土层。

  (3)由于排水板附近透水性较小的土层会阻碍周围土体的孔隙水排出,变参数模型计算得到的固结速度总体要慢,固结时间更长,计算的结果更符合模型试验结果。

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