真空加载方式对吹填流泥加固效果及土颗粒移动的影响研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海大学 土木工程系 作者:武亚军

  考虑加载方式的影响开展室内模型试验,对4 组相同性质的泥浆试样(含水率为100%)分别采用不同的加载方式,即-80 kPa、-60 kPa→80 kPa、-40 kPa→-80 kPa、-20 kPa→-80 kPa 进行加载,加载过程中对试样的出水量、沉降量和侧向变形进行跟踪监测,并对处理后土体的含水率、塑性指数和十字板剪切强度等的空间分布与变化规律进行研究。试验结果表明,(1)真空加载方式对吹填流泥的固结具有比较明显的影响;(2)初始真空荷载为-20 kPa 时所得到的土体沉降量最大、强度最高,始终保持-80 kPa 荷载情况下所得到的土体沉降量最小、强度最低;(3)从塑性指数的分布特征来看,土颗粒随着土中水的排出发生移动,初始真空荷载越大,这种趋势越明显,部分土颗粒会聚积在排水板周围而导致土体渗透性能的降低,严重时会影响土体的后续固结。建议在流泥淤泥的真空固结过程中采用低初始荷载方式进行加载。

  1、引言

  随着我国经济的迅速发展,土地的需求量日益增大,特别是沿海地区通过吹填方式形成陆域的工程逐年增加,同时,吹填造陆往往与航道疏浚同时进行,因此,吹填造陆常被作为一举两得的造陆方式而被广泛采用。真空预压法是新近吹填软土地基处理的一种有效方法,具有加固效果好、造价低和工艺简单等特点。

  基于真空预压法的基本原理,许多学者还进行了各种探索性研究,如Chai 等[1]发现前期固结应力较低时真空荷载比堆载所产生的沉降量要小,前期固结应力较高时二者沉降量基本一致。王建勋等通过向淤泥中掺入一定量的生石灰后再进行真空预压加固处理,取得了较好的效果。武孟琼等进行了底部抽真空加固淤泥的试验,认为底部抽真空的加固效果要优于上部抽真空。冯军等通过室内模型试验研究,认为饱和软土中黏粒含量高,对孔隙水的吸附作用大,是导致真空预压加固流泥效果较差的原因之一。高志义等进行了真空预压和真空联合电渗加固法加固软土的室内模型试验,认为真空联合电渗法能提高淤泥质土的加固效率。李丽慧等进行了立体式真空降水法室内试验,认为该方法能使淤泥土的自然沉淀和加固同时进行,从而缩短地基的加固时间。朱平等通过试验对相同条件下可控通气真空预压和常规真空预压进行了对比研究,认为可控通气真空预压加固高含水率软土地能够缩短加固时间,比常规真空预压加固效果要好。颜永国等采用改进的真空预压试验模型研究了颗粒级配对吹填土加固效果的影响,表明颗粒级配对吹填土的加固效果影响很大。

  关于真空预压法加固吹填流泥的研究主要有:孙立强等进行了超软土的真空预压室内模型试验,认为二次插板可以改善土体的加固效果冯会芳采用浅层与深层相结合的两次真空预压先后对新近吹填淤泥形成的超软土地基进行了加固处理,认为两次加固效果明显,且成本偏高。Myint等在单向固结试验中研究了不同正压加载速率(0.66~6.66 Pa/s)对沉降和孔压的影响,并认为线性加载与瞬时加载对地基的加固效果存在差异。董志良等针对天津滨海新区吹填淤泥地基进行了浅层加固技术的现场试验研究。

  综上,目前对真空预压加固流泥(超软土)的研究主要集中在土体性质改善状况和现场常规设计参数优化等方面,但关于真空加载方式对土体固结影响方面的研究还未见有所报道,笔者曾提出植物垫层真空预压法,经现场试验验证了其可行性,同时发现加载特性对淤泥加固效果可能有一定影响,并进行了初步分析,为了进一步验证和揭示加载方式的影响,本次进行了不同初始真空荷载下流泥加固的室内模型试验研究,从机制上探讨初始真空荷载对流泥固结和变形的影响,并对工程实践提出指导性建议。

  2、室内模型试验

  2.1、试样的制备

  试验中所采用的土样取自上海地区第④层灰色淤泥质黏土,取回后先在泥浆池中充分浸泡,兑水稀释,并充分搅拌均匀,搅拌过程中去除杂质,以含水率为100%进行控制,试样制成物理指标如表1所列。

表1 试样物理力学性质指标

试样物理力学性质指标

  2.2、模型装置

  模型试验装置如图1 所示,主要装置包括模型箱、调压系统、排水系统和量测系统。模型箱为圆柱形塑料桶,直径为60 cm,高90 cm,共4 个。调压系统是SMC 真空调压阀,用于控制所施加真空荷载的大小。排水系统由真空泵、塑料排水板和硬质排水管组成,排水板设置在圆柱形模型箱内正中央(见图2),排水板顶端通过塑料管与真空泵相相连。量测系统包括刻度尺、真空表、量筒和带刻度的水汽分流瓶等,刻度尺用来测量泥面沉降,真空表用来测量膜下、排水板内以及土样内的真空度,量筒和带刻度的水汽分流瓶用来测量真空预压处理过程中的出水量。

真空加载方式对吹填流泥加固效果及土颗粒移动的影响研究

图1 模型试验装置示意图(单位:mm)

真空加载方式对吹填流泥加固效果及土颗粒移动的影响研究

图2 排水板和土工布

  2.3、模型试验目的与内容

  本次试验探讨真空加载方式对流泥加固效果及土颗粒移动的影响规律。具体采用4 种不同的真空加载方式:(1)80 kPa(计为L1);(2)60→ 80kPa(计为L2);(3)40→80 kPa(计为L3);(4) 20→ 80 kPa(计为L4),分别在4 个模型箱内对性质相同的流泥进行真空固结试验,通过比较不同加载方式下各自的沉降量、出水量、含水率、孔隙比、颗粒级配和土体强度等的空间分布与变化规律,研究真空加载方式对流泥加固效果以及土颗粒移动的影响。

  4、结论

  (1)初始真空荷载较低时得到的土样的沉降量大,出水量也大,进一步说明土样更密度、强度更高。

  (2)不同加载方式所得到的这些指标的分布与变化是不同的,初始真空荷载越低,土样的强度越高、各项指标的分布越均匀。

  (3)不同真空加载方式引起土颗粒不同程度的移动与聚积,这些移动与聚积又导致了土体在固结过程中各项指标的不同变化特点。建议在吹填流泥的真空加固过程中应该控制加载速率,采用分级加载。

  本次试验是在塑料桶内进行的,其优点是操作简单、改变施工参数快速容易、便于模拟不同工况、排水固结效果快捷直观、且周期快。缺点是模型边界和实际工况有一定偏差,加载后期可能会出现局部漏气现象,关于这一点拟在后续研究工作中采用大尺寸的模型箱,以减小边界效应并消除漏气现象。

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