真空联合堆载预压下竖井地基固结解析解

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)云南省交通规划设计研究院 作者:郭 彪

  考虑真空度沿竖井的发展是一个深度的函数,同时堆载所引起的附加应力既随时间变化也随深度变化,还考虑了地基的径竖向渗流以及扰动区土体水平渗透系数的3 种变化模式,推导了真空联合堆载预压下竖井地基固结度的一个较普遍的解析解,并分析了在真空度沿竖井线性下降,堆载线性施加和附加应力沿深度梯形分布等情况下的地基固结性状。结果表明,荷载线性施加时,真空度对地基固结度有较大影响,真空度越大,沿深度衰减越慢,固结越快;而在荷载瞬时施加时,真空度对固结度没有影响。在地基井径比和水平渗透系数与竖向渗透系数之比较小时,地基的竖向渗流对地基的固结度有较大的影响。

  引言

  真空预压法是由瑞典皇家地质学院Kiellman在1952 年提出的一种有效的软土地基处理方法,并可与堆载预压联合应用。要达到相同的处理效果,真空联合堆载预压可有效减小所需的堆载荷载;并且真空预压时土体的有效应力是等轴增大的,对应的侧向变形表现为向内压缩,因此可有效降低地基剪切破坏的风险。

  在早期的研究中,真空预压被当作均匀分布在地基表面的作用力,但试验表明,真空度会沿着竖井向地基深处传递,但真空度不断减小。Indraratna 等考虑了这一因素,推导了只考虑地基径向渗流情况下地基的固结解析解。Rujikiatkamjorn 等考虑了地基的径向和竖向组合渗流,得到了解析解,但假设真空度沿竖井深度均匀分布。

  在目前的研究中,均假设堆载是瞬时施加的,并且其所产生的附加应力沿深度不变。但真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为实际上堆载施加往往需要经过一段时间,所产生的附加应力也是沿深度变化的。

  针对以上情况,本文考虑真空度沿竖井的发展是一个深度的函数,同时考虑堆载所引起的附加应力既随时间变化也随深度变化,还考虑了地基的径竖向渗流以及扰动区土体水平渗透系数的3 种变化模式,推导了真空联合堆载预压下竖井地基固结度的一个较普遍的解析解。并分析了在真空度沿竖井线性下降,堆载线性施加和附加应力沿深度梯形分布情况下的地基固结性状。

  1、固结方程及求解条件

  图1为真空联合堆载预压下砂井地基固结简化模型。在本文的推导过程中,做了以下假定:①土体是完全饱和的;②土颗粒和水都不可压缩,土体的变形完全由孔隙水的排出引起;③土体压缩模量以及竖向渗透系数保持不变;④土中水渗流服从Darcy 定律;⑤等应变条件成立;⑥真空预压瞬时施加,在砂井中沿深度的传递函数为- p(z);⑦堆载在地基中引起的附加应力为深度和时间的函数(z,t)。

真空联合堆载预压竖井地基固结简化模型

图1 真空联合堆载预压竖井地基固结简化模型

  6、结论

  本文考虑真空度沿竖井的发展是一个深度的函数,同时考虑堆载所引起的附加应力既随时间变化也随深度变化,还考虑了地基的径竖向渗流以及扰动区土体水平渗透系数的3 种变化模式,推导了真空联合堆载预压下竖井地基固结度的一个较普遍的解析解。并分析了在真空度沿竖井线性下降,堆载线性施加和附加应力沿深度梯形分布情况下的地基固结性状。得到以下5 点结论。

  (1)本文按应力定义的竖井地基固结度等于按变形定义的地基固结度。

  (2)在单面排水条件下,砂井地基顶面的附加压力越大,固结越快,底面附加应力越小,固结越快,附加应力呈正三角形分布时固结最慢,呈倒三角形分布时固结最快。

  (3)在最终堆载相同的情况下,达到最终堆载的时间越长,固结越慢。

  (4)在荷载瞬时施加时,无论是否采用真空预压,真空度或大或小,其沿深度的衰减速度或快或慢,固结度始终不变。而荷载线性施加时,采用真空联合堆载预压比只采用堆载预压固结要快,真空度越大,沿深度衰减越慢,固结越快。并且堆载达到最终值所用的时间越长,真空度对固结度的影响越大。

  (5)在地基H/er和km/kv较小时,地基的竖向渗流对地基的固结度有较大的影响。

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