真空预压下土体强度增长机理及其计算方法研究

真空预压下⼟体强度增长机理及其计算⽅法研究
真空预压下⼟体强度增长机理及其计算⽅法研究
赵明华向臻锋曾⼴冼
(湖南⼤学岩⼟⼯程研究所长沙市 410082)
提要在真空预压法加固过程中,⼟体产⽣等向固结压⼒。

简单地将真空预压等同堆载作⽤的处理⽅法不尽合理,将导致计算⼟体抗剪强度时出现较⼤偏差⽽不宜忽视。

该⽂采⽤摩尔应⼒圆来阐述⼟体受等向固结应⼒和K 0固结应⼒的不同特点,从⽽导出⼆者⼟体抗剪强度增长偏差的解析解。

实例分析表明,该⽅法较常规⽅法更准确可⾏。

关键词
真空预压堆载预压等向固结压⼒抗剪强度
S tudy on Mechanism and Calculation of Shear Strength
of Soil Body Consolidated by Vacuum Preloading
Zhao Minghua Xiang Zhenfeng Zeng Guangxian (Institute of Geotechnical Engineering,Hunan University)
Abstract In the preceeding of vacuum preloading,soil is c onsolidated by isotropic consolidation pressure,which is different from consolidation pressure K 0in superload preloading.The method of vacuum preloading pressure being treated simply as overburden c onsolidation pressure is not suitable.Their differences are ex -pounded by Mohr stress circle in the paper and the formula of the differences can be deduced.The results of the e xample show that this method is more precise than common method.
Keywords vacuum preloading;pile preloading;isotropic consolidation pressure;shear strength
作者简介:赵明华,男,1956年⽣,博⼠、教授,博⼠⽣导师。

主要从事桩基础及软⼟地基处理研究。

收稿⽇期:2005-09-20
1 概述
真空预压法最早由瑞典地质学家杰尔曼教授
(Kjellman)[1]
于1952年提出。

经过国内外⼏⼗年来的不断探索和研究,该法已⼤⾯积使⽤,成为⽬前加固软⼟地基的⼀个实⽤⽅法。

⽬前⼯程界通常把真空预压施加的荷载等同于相同荷载的堆载作⽤进⾏简化处理。

甚⾄现⾏港⼯地基规范 (JTJ219-87)亦认可该简化法(详见其第6 3 7条及第6 5 4条)。

然⽽众多⼯程实测结果表明该简化⽅法得到的⼟体抗剪强度增长值偏⼩。

娄炎[2]和麦远俭[3]
两位学者都对真空预压作⽤下软粘⼟抗剪强度增长机理进⾏了探讨,并提出了相应的计算⽅法。

本⽂拟对真空预压下影响软粘⼟抗剪强度的因素作进⼀步分析,以便在深⼊研究这些因素的作⽤机理基础上,提出⼀种新的⼟体强度计算⽅法。

2 真空预压下⼟体强度增长机理
2 1 ⼟体的受⼒分析
真空预压法是在不施加外荷的前提下,以降低垂直排⽔通道中的孔隙⽔压⼒,使之⼩于⼟中原有孔隙⽔压⼒,形成所需⽔⼒梯度,从⽽加速排⽔固结,提⾼地基承载⼒;⽽堆载排⽔预压法则是通过施加外荷载,增加总应⼒及软⼟中孔隙⽔压⼒,并使之超过垂直排⽔通道中的孔隙⽔压⼒,使⼟中的⽔向垂直排⽔通道中汇流。

⼆者引起⼟中的⽔发⽣渗流的原因存在本质的不同。

这种不同必然会反映到⼟体的受⼒中。

真空预压作⽤下的⼟体是等向固结的,因⽽真空预压过程中,地基⼟体的强度和稳定性不断增长,不存在失稳的可能性,从⽽迅速预压⾄较⾼的荷载,加快施⼯进度。

真空预压和堆载预压过程中地基⼟体的受⼒特性具有如下特点。

堆载预压法中,上部荷载在地基中形成的附加应⼒在⽔平向和竖直向是不等的(图1),⽽真空预压过程中产⽣球应⼒(图2),是等向固结[4]。

32006年第1期勘察科学技术
图1 堆载预压法附加应⼒
图2 真空预压法附加应⼒
2 2 强度增长机理分析
从太沙基的有效应⼒原理来看,真空预压法加固的整个过程是在总应⼒没有增加,即( =0)的情况下发⽣的。

加固中降低的孔隙⽔压⼒就等于增加的有效应⼒,即
=- u
⼟体就是在该有效应⼒作⽤下得到加固。

从有效应⼒路径分析来看,由于孔隙⽔压⼒是⼀个球应⼒,所以在各个⽅向增加的有效应⼒相等。

如图3所⽰,A 圆是天然应⼒状态,B 圆、C 圆分别是堆载排⽔预压法和真空排⽔预压法加固中某⼀时刻的应⼒圆。

C 圆的半径与A 圆是相同的。

随着有效应⼒的增加,⼟体的强度相应增长。

若要使真空预压下⼟体在相同的竖向附加应⼒作⽤下达到破坏,则需减⼩侧压⼒使图中 2= 1,可得到真空加固下⼟体极限应⼒圆D , EF 即为相同竖向附加应⼒作⽤下两
种加固⽅法的⼟体强度差。

图3 两种不同加固⽅法强度的增长
2 3 影响强度增长的主要因素
真空排⽔预压法中,⼟体有效应⼒的增长是靠负的超静⽔压⼒的形成来实现的,随着真空度的增⼤,负的超静⽔压⼒增⼤,有效应⼒也增⼤,⼟体强度亦增长,卸压后⼟体处于超固结状态。

因此,研究⼟体内的真空度变化规律对把握⼟体强度的计算⽅法有重要意义。

真空度越⼤,⼟体的抗剪强度增长越⼤。

⼀般地,我们可以从不同深度和同⼀深度的不同相对位置两⽅⾯来分析真空度的变化规律。

1)深度的影响。

⽂献[2]对连云港碱场加固A 区的实测真空度沿深度变化进⾏了分析,认为其真空度损失来⾃两⽅⾯:⼀是垂直排⽔通道如袋装砂井的上部与砂垫层的联结上,也就是真空度从砂垫层进⼊垂
直排⽔通道如袋装砂井时产⽣的局部阻⼒;⼆是垂直排⽔通道内的沿程阻⼒。

局部阻⼒与砂井上部的封闭⽅式有关,沿程阻⼒也与袋装砂井的渗流等性质有关。

⽽通常计算⽅法中,有效应⼒增量被当成附加应⼒采⽤弹性理论来计算,这显然没有体现出上述真空
度的传递机理。

因此,作者认为有效应⼒增量采⽤现
场的实测值才能准确计算⼟体强度值。

2)研究表明真空度在同⼀标⾼的平⾯的传播并⾮均匀的[2]
,离加固区中⼼越近,真空度越⼤。

反之亦然。

测点距离加固区中⼼越近,强度增长越⼤,反之,强度增长越⼩;加固区外的⼟体强度还有增加,说明真空度扩散到区外造成了影响;从加固区边缘到中⼼各点的强度增长基本上呈直线关系,但各加固区直线的斜率不同,固结度⾼者,斜率偏⼤。

3 真空预压下⼟体强度计算⽅法
3 1 概述
⽬前⼯程界通常把真空预压施加的荷载等同于相同荷载的堆载作⽤进⾏简化处理,直接采⽤堆载⼟体强度公式计算真空排⽔预压法的⼟体强度。

计算公式为:
= ( 0+U t z tan cu )
(1)
式中: 0 天然地基抗剪强度;
z 地基中某点某时刻的实测真空应⼒,或
⽤弹性理论计算;
U t 地基中某点某时刻的固结度;
堆载荷载时,考虑剪切蠕变及其他因素
的综合影响的折减系数,取值范围为0 75~0 90。

此法显然没有考虑真空预压下⼟体等向受⼒的机理。

计算结果是偏保守的。

南京⽔科院专家娄炎也对真空预压作⽤下软粘⼟抗剪强度增长机理进⾏了深⼊探讨,并提出了计算
⽅法。

公式与上述⽅法的公式⼀致,但是其从的取值范围的变化来体现等向受⼒机理,并通过⼤量⼯程实例反算得出了真空预压作⽤下的取值范围为1 10~1 30,固结度⼤时取较⼤值。

此法推导严密科学,具有很好的指导意义。

3 2 考虑等向固结的⼟体强度计算⽅法
实际上,我们以摩尔应⼒圆为基础,可以直接导出因等向固结不同于K 0固结⽽产⽣的两种⽅法的强度差值的解析解,使问题定量化。

图3说明了具有相同的竖向有效应⼒增量时,两
4 勘察科学技术 2006年第1期
种⽅法的不排⽔强度增长的差异。

E、F的强度之差即为两种⽅法的强度差。

我们认为,计算加固中某时刻的抗剪强度,把真空预压施加的荷载等同于相同堆载作⽤时,应该再加上因等向固结不同于K0固结⽽产⽣的两种⽅法的强度差。

通常我们计算加固中某时刻的抗剪强度公式为式(1),如果我们将等向固结不同于K0固结⽽产⽣的两种⽅法的强度差考虑进去,则抗剪强度计算公式应为: = ( 0+U t z tan cu)+ EF(2)式中: EF 等向固结不同于K0固结⽽产⽣的两
种⽅法的强度差;
由图3可推导出E、F强度差值计算公式为:
EF=1-k-k sin
con -1-k
2
tan(1+sin ) z
(3)
将式(3)代⼊式(2)得:
= ( 0+U t z tan cu)+
1-k-k sin
con -
1-k
2
tan(1+sin ) z
(4)
对⼀般饱和软粘⼟,可取k=0 5~0 6。

此即为考虑了等向固结的⼟体强度计算⽅法。

4 计算实例
现以连云港碱⼚A、B两真空预压加固区为例来验证本⽂⽅法的可⾏性。

A区上层淤泥⼟厚9 7m,B 区上层淤泥⼟厚10 0m,两区淤泥物理⼒学性指标基本相同,根据实验资料,A、B区的 cu、分别为14 和24 5 。

取为0 85~0 9,k值为0 56。

其余计算参数见表1,计算结果见表2。

对⽐实测数据, z采⽤现场实测值时,由等效堆载法和本⽂⽅法计算精度,即误差平⽅和s分别为217 98和2 98。

从表2中计算强度与现场实测强度的⽐较可以看出,⽬前常⽤的等效堆载法计算结果偏保守,⽽本⽂所提出的⽅法计算值与实测值较相符。

表1 ⼟体计算参数资料
加固区域计算点
深度
m
天然
强度
kPa
弹性理论
计算
z
kPa
现场实测
z
kPa
U t
38 2085 6147 600 78
A611 2084 2247 600 65 918 3074 1247 600 48 56 6083 5275 00 89 B77 8079 3478 00 85
表2 计算结果⽐较
加固
区域
计算点
深度
m
等效为堆载的⼟体强度
弹性理论计算
z
kPa
实测
z
kPa
本⽂计算
⼟体强度
kPa
实测⼟体
强度
kPa 321 1314 9619 0519 70 A621 1016 0720 1620 60 924 4621 625 6926 50
521 3419 7426 1926 90 B720 9020 6627 3728 30 921 1020 0725 9226 50
此外,表2还表明,以弹性理论计算的 z值⽤于等效为堆载时的⼟体强度计算,与实测值⽐较,其误差更⼤,难以准确描述⼯程实际情况。

因此,以弹性理论的布⾟奈斯克(J Boussine sq,1885)解解释实际上真空度的传递在理论上是不太合适的。

5 结语
本⽂通过对真空预压⼒⼟体强度增长机理的深⼊分析,可得出如下主要结论:
1)真空预压法中⼟体受到等向固结压⼒作⽤,简单将其等同为堆载作⽤来处理是存在偏差的。

2)等向固结压⼒与K0固结压⼒相⽐,其侧向压⼒不同。

可以⽤摩尔应⼒圆将因等向固结不同于K0固结⽽产⽣的两种⽅法的强度差值表⽰出来。

3)本⽂求出上述差值的解析解,从⽽提出了⼀种新的⼟体强度计算⽅法。

实例分析表明,该⽅法准确可⾏。

4)⼟体中真空度沿深度的衰减主要取决于排⽔井的封闭⽅式和垂直排⽔通道的性质两⽅⾯。

当上部的封闭⽅式和垂直排⽔通道相近时,其真空度的衰减也相近,以此分类收集的真空度衰减资料对于其它⼯程有较好的参考价值。

参考⽂献
1 Kjellman W.Consolidati on of clay by mean of atmospheric pres-
sure.Conference on soil s tabilization.MIT.1952
2 娄炎.真空排⽔预压法加固软⼟技术.北京:⼈民交通出版
社,2002
3 麦远俭.真空预压加固中软⼟不排⽔剪切强度的增长.⽔
运⼯程,1998,(12):53~57
4 张勇.真空联合堆载预压处理软⼟路基的理论与实践.长
沙:湖南⼤学出版社,2003
5 赵明华.⼟⼒学与基础⼯程.武汉:武汉⼯业⼤学出版社,
2000
6 杨顺安,等.软⼟理论与⼯程.北京:地质出版社,2000
5
2006年第1期勘察科学技术。