巩跃龙

(山西省晋城高速公路有限责任公司,山西晋城 048000)



动力排水固结法在淤泥质黏土地基中的应用研究

巩跃龙

(山西省晋城高速公路有限责任公司,山西晋城 048000)

摘要:结合某高速公路深厚淤泥质黏土地基处理工程,探讨动力排水固结法对饱和软土地基的处理效果。通过分析加固过程中地基土孔隙水压力和土体变形量的现场试验数据,得出设计参数选取合理的情况下动力排水固结法可较好地处理淤泥质黏土地基。

关键词:公路;动力排水固结法;淤泥质黏土;孔隙水压力;土体变形

软土地基因其天然孔隙率大、渗透性差等特点,成为高速公路建设中的一大难题。传统强夯法在处理饱和软土地基时,夯击动力在土中产生超静孔隙水压力,由于饱和软土层含水量高、渗透性差,超静孔隙水压力无法快速消散,使得土体有效应力降低、抗剪强度丧失,不仅无法有效加固土体,甚至会发生“橡皮土”现象,处理效果较差;排水固结法作为处理软土地基的常用方法,存在工期较长的缺点。动力排水固结法是将动力强夯法和静力排水法相结合,利用强夯动力和人工设置的排水体系处理饱和软黏土地基。该方法首先根据场地条件、工程状况进行排水体系设计,通过铺设砂垫层和埋设排水盲沟等方式构成水平向排水体,通过打插塑料排水板、砂袋或砂井组成竖向排水体,水平和竖向排水系统结合强夯动力荷载下土体产生的裂隙通道组成空间排水体系,在强夯动力荷载及填土堆载静荷载作用下促使软土加速排水固结,改善了动力强夯和排水固结法的不足,在软土地基处理中逐渐得到应用。

但由于强夯加固机理较复杂,并且软土在动力荷载下的变形特性仍需进一步研究,动力排水固结法处理饱和软黏土地基仍然处于经验积累阶段。该文结合某高速公路淤泥质黏土地基加固工程,对施工过程中饱和软土地基孔隙水压力和土体竖向、侧向变形量进行监测,分析超静孔隙水压力与土体变形的变化规律,为动力排水固结法加固机理研究及工程设计参数选取提供借鉴。

1 工程概况

根据场地勘察结果,该高速公路地基土自上往下土层为:1)吹填砂,以中粗砂粒为主,稍密,厚度约4 m;2)淤泥质黏土,主要以软塑为主,具有高孔隙比、高压缩性,层厚约5.5 m,是地基处理的主要对象;3)粉质黏土,可塑～硬塑状,干强度和韧性高,局部含碎石及砂颗粒;4)碎石粉土,以碎石混粉质黏土为主,含大量砂颗粒,颗粒不均匀。

2 淤泥质黏土地基处理方案设计

该高速公路地基淤泥质黏土具有高孔隙比、低渗透性、高压缩性、高敏感性等特点,经过经济技术对比分析,选择动力排水固结法处理方案。地基吹填砂层可作为天然排水层,在砂层内设盲沟、集水井;竖向打插塑料排水板,插板按1.5 m×1.5 m的间距布置,排水板插设至淤泥质黏土层下,打插深度为10 m。以高能级强夯作为动力荷载对软土地基进行夯击,第1遍夯击能量为1 000 k N·m,击数为3击。第2遍夯击能量为2 000 k N·m,击数为4击。第1和第2遍夯距均为4 m,夯点错开设置使夯击能均匀分布。第3遍为普夯,夯击能量为900 k N·m。各遍夯击的间隔时间根据土体超静孔隙水压力的消散情况选取。

3 孔隙水压力和变形规律

3.1 测试手段与方法

(1)孔隙水压力观测。孔隙水压力计沿淤泥质黏土层自上而下布置,间隔为3.0 m,要求每个钻孔埋设一个孔压测头。采用608A型孔隙水压力接收仪进行观测。

(2)土体分层沉降。分层沉降仪同样沿淤泥质黏土层自上而下布置,淤泥质黏土层底面和顶面即埋深为4和7 m处各布置一个,淤泥质黏土层中间部位布置一个。采用CY-82型深层分层沉降接收仪观测地基中各个测点的沉降变形。

(3)土体侧向位移。钻孔埋设测斜管。测斜管布置在预压土坡脚,要求测斜管插入淤泥质黏土下卧层2.0 m以上深度,在插板完成后设置。采用CX-01数显测斜仪,通过测量相对于底端垂线偏斜量观测地表以下不同深度土层的侧向变形。

(4)水位观测。对施工处理区域边界外的地下水位进行监测。沿地基改良边界线每50～100 m设置一个地下水位观测孔,钻孔成孔后使用管箍将水位管连接至设计长度,水位管内灌清水至与钻孔中水面一致,封闭水位管并拔出套管。水位管埋设后,采用SWJ-8090型水位仪观测地下水位的变化,结合孔隙水压力,分析地基土的固结情况。

3.2 测点布置

该高速公路深厚淤泥质黏土地基处治范围为78 500 m2,形状近似方形。处治过程中地基土孔隙水压力和土体变形量监测点布置如图1所示。

图1 孔隙水压力和土体变形量监测点布置

3.3 孔隙水压力变化规律

在夯击过程中,同一位置不同深度处孔隙水压力增量随时间的变化如图2所示,同一深度不同位置处孔隙水压力增量随时间的变化如图3所示。

图2 同一位置不同深度处孔隙水压力增量-时间曲线

由图2可见:8.0 m深度处土体在第1、2、3遍夯击时孔压分别增长9、4和2 k Pa,说明同一夯击能量下后一遍夯击造成的土体孔压增幅比前一遍夯击的小;5.0 m深度土体在第一次夯击时孔隙水压力增量明显,而后2次夯击孔隙水压力变化不明显,说明5 m深度处为砂层和淤泥质黏土的交互层,土体靠近排水边界,发生更快的排水固结。在第1遍夯击结束后7 d,夯击产生的超静孔压基本消散完成,同样在7 d左右第2遍夯击后产生的超静孔压消散完成,故可将2遍夯击之间的时间间隔设置为1周。

图3 同一深度不同位置处孔隙水压力增量-时间曲线

由图3可以看出:同一深度不同位置土体孔压变化基本一致,并且在同一能量下后期夯击与前期夯击相比孔压增幅小。孔隙水压力增量的变化说明动力排水固结法下淤泥质黏土层的超静孔压能较快消散,从而加速土体的固结。

3.4 土体竖向变形

土体表层沉降曲线如图4所示,地基土体的分层沉降如图5所示。

图4 不同位置处土体表层沉降曲线

图5 同一位置土体分层沉降曲线

由图4可见:不同位置土体的表层沉降曲线呈一致形状,随着孔压的消散,最后累计沉降趋于350 mm;前期沉降速度快,后期沉降速度逐渐缓慢,趋于平坦。

土体分层沉降监测与孔隙水压力监测同步进行。从图5可知:不同深度处土体沉降量大小不同,4 m深度处淤泥质黏土靠近砂层排水边界,固结速度较快,故沉降增长速度最快;7.0 m处次之,说明淤泥质黏土层中间部位也发生了较为明显的沉降; 11 m深度处土体达到粉质黏土层,排水条件差,导致土体沉降量不明显,沉降量变化最慢。通过预设合理的排水体系,每遍夯击后淤泥质黏土层的超孔隙水压力能较快消散,土体排水固结,土层发生明显沉降,得到有效加固。同时虽然打插了竖向排水体系,但随着深度的增加,土体沉降量逐渐减小,说明土层排水边界对淤泥质黏土层的排水仍有重要影响,在设计过程中,若饱和软土层较厚,需适当加大排水板的打插密度,以达到设计的排水效果。

3.5 土体侧向变形

土体在竖向沉降的同时伴随有侧向挤出,结合侧向位移监测数据可分析判断饱和软土在强夯荷载下是否会发生结构性破坏。采用测斜仪测量深层土体的水平位移,土体的侧向变形如图6所示。

图6 土体水平位移-深度关系曲线

由图6可见:土体的最大侧向位移发生在地表以下2～3 m处,并且随着夯击次数的增加土体侧向变形量增加。在3 m深度以下,土体的侧向位移明显减小,说明淤泥质黏土层没有明显侧向挤出;并且随着夯击的进行,淤泥质黏土层的侧向位移基本一致,说明随着夯击遍数的增加,淤泥质黏土层侧向变形开展很小,排水体系设置有效防止了“橡皮土”现象的发生。

3.6 水位变化

同一深度不同位置处地下水位随时间的变化如

图7 同一深度不同位置处地下水位-时间关系曲线

由图7可见:在同一夯击下,不同位置处地下水位随时间的变化曲线呈一致走向,并且与土体孔隙水压力的涨消呈现一定相关性。

4 结论

该文在工程实践的基础上,综合分析了强夯和排水固结法的加固效果,检测和监测结果表明强夯排水固结法处理淤泥质黏土地基是可行的,具有快速、高效的特点。

动力排水法处理饱和软土的关键在于严格控制夯击能和间歇时间。合理的设计参数和施工方案,既能避免强夯对饱和软土结构性的破坏,即“橡皮土”现象的出现;又能使高孔隙水压迅速消散,达到快速排水固结的目的,充分发挥强夯动力荷载的加固作用。夯击能和夯击间隔时间的控制可通过土体孔隙水压力的变化确定,进而判断土体的固结程度和结构破坏程度,为指导施工提供依据。

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收稿日期:2015-09-29

中图分类号:U416.1

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0123-03