真空加載方式對(duì)吹填流泥加固效果及土顆粒移動(dòng)的影響研究
考慮加載方式的影響開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)4 組相同性質(zhì)的泥漿試樣(含水率為100%)分別采用不同的加載方式，即-80 kPa、-60 kPa→80 kPa、-40 kPa→-80 kPa、-20 kPa→-80 kPa 進(jìn)行加載，加載過(guò)程中對(duì)試樣的出水量、沉降量和側(cè)向變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，并對(duì)處理后土體的含水率、塑性指數(shù)和十字板剪切強(qiáng)度等的空間分布與變化規(guī)律進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，(1)真空加載方式對(duì)吹填流泥的固結(jié)具有比較明顯的影響；(2)初始真空荷載為-20 kPa 時(shí)所得到的土體沉降量最大、強(qiáng)度最高，始終保持-80 kPa 荷載情況下所得到的土體沉降量最小、強(qiáng)度最低；(3)從塑性指數(shù)的分布特征來(lái)看，土顆粒隨著土中水的排出發(fā)生移動(dòng)，初始真空荷載越大，這種趨勢(shì)越明顯，部分土顆粒會(huì)聚積在排水板周?chē)鴮?dǎo)致土體滲透性能的降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響土體的后續(xù)固結(jié)。建議在流泥淤泥的真空固結(jié)過(guò)程中采用低初始荷載方式進(jìn)行加載。
1、引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，土地的需求量日益增大，特別是沿海地區(qū)通過(guò)吹填方式形成陸域的工程逐年增加，同時(shí)，吹填造陸往往與航道疏浚同時(shí)進(jìn)行，因此，吹填造陸常被作為一舉兩得的造陸方式而被廣泛采用。真空預(yù)壓法是新近吹填軟土地基處理的一種有效方法，具有加固效果好、造價(jià)低和工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
基于真空預(yù)壓法的基本原理，許多學(xué)者還進(jìn)行了各種探索性研究，如Chai 等[1]發(fā)現(xiàn)前期固結(jié)應(yīng)力較低時(shí)真空荷載比堆載所產(chǎn)生的沉降量要小，前期固結(jié)應(yīng)力較高時(shí)二者沉降量基本一致。王建勛等通過(guò)向淤泥中摻入一定量的生石灰后再進(jìn)行真空預(yù)壓加固處理，取得了較好的效果。武孟瓊等進(jìn)行了底部抽真空加固淤泥的試驗(yàn)，認(rèn)為底部抽真空的加固效果要優(yōu)于上部抽真空。馮軍等通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，認(rèn)為飽和軟土中黏粒含量高，對(duì)孔隙水的吸附作用大，是導(dǎo)致真空預(yù)壓加固流泥效果較差的原因之一。高志義等進(jìn)行了真空預(yù)壓和真空聯(lián)合電滲加固法加固軟土的室內(nèi)模型試驗(yàn)，認(rèn)為真空聯(lián)合電滲法能提高淤泥質(zhì)土的加固效率。李麗慧等進(jìn)行了立體式真空降水法室內(nèi)試驗(yàn)，認(rèn)為該方法能使淤泥土的自然沉淀和加固同時(shí)進(jìn)行，從而縮短地基的加固時(shí)間。朱平等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)相同條件下可控通氣真空預(yù)壓和常規(guī)真空預(yù)壓進(jìn)行了對(duì)比研究，認(rèn)為可控通氣真空預(yù)壓加固高含水率軟土地能夠縮短加固時(shí)間，比常規(guī)真空預(yù)壓加固效果要好。顏永國(guó)等采用改進(jìn)的真空預(yù)壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛祟w粒級(jí)配對(duì)吹填土加固效果的影響，表明顆粒級(jí)配對(duì)吹填土的加固效果影響很大。
關(guān)于真空預(yù)壓法加固吹填流泥的研究主要有：孫立強(qiáng)等進(jìn)行了超軟土的真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)，認(rèn)為二次插板可以改善土體的加固效果馮會(huì)芳采用淺層與深層相結(jié)合的兩次真空預(yù)壓先后對(duì)新近吹填淤泥形成的超軟土地基進(jìn)行了加固處理，認(rèn)為兩次加固效果明顯，且成本偏高。Myint等在單向固結(jié)試驗(yàn)中研究了不同正壓加載速率(0.66～6.66 Pa/s)對(duì)沉降和孔壓的影響，并認(rèn)為線性加載與瞬時(shí)加載對(duì)地基的加固效果存在差異。董志良等針對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)吹填淤泥地基進(jìn)行了淺層加固技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。
綜上，目前對(duì)真空預(yù)壓加固流泥(超軟土)的研究主要集中在土體性質(zhì)改善狀況和現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化等方面，但關(guān)于真空加載方式對(duì)土體固結(jié)影響方面的研究還未見(jiàn)有所報(bào)道，筆者曾提出植物墊層真空預(yù)壓法，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)加載特性對(duì)淤泥加固效果可能有一定影響，并進(jìn)行了初步分析，為了進(jìn)一步驗(yàn)證和揭示加載方式的影響，本次進(jìn)行了不同初始真空荷載下流泥加固的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，從機(jī)制上探討初始真空荷載對(duì)流泥固結(jié)和變形的影響，并對(duì)工程實(shí)踐提出指導(dǎo)性建議。
2、室內(nèi)模型試驗(yàn)
2.1、試樣的制備
試驗(yàn)中所采用的土樣取自上海地區(qū)第④層灰色淤泥質(zhì)黏土，取回后先在泥漿池中充分浸泡，兌水稀釋?zhuān)⒊浞謹(jǐn)嚢杈鶆颍瑪嚢柽^(guò)程中去除雜質(zhì)，以含水率為100%進(jìn)行控制，試樣制成物理指標(biāo)如表1所列。
表1 試樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
2.2、模型裝置
模型試驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要裝置包括模型箱、調(diào)壓系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)。模型箱為圓柱形塑料桶，直徑為60 cm，高90 cm，共4 個(gè)。調(diào)壓系統(tǒng)是SMC 真空調(diào)壓閥，用于控制所施加真空荷載的大小。排水系統(tǒng)由真空泵、塑料排水板和硬質(zhì)排水管組成，排水板設(shè)置在圓柱形模型箱內(nèi)正中央(見(jiàn)圖2)，排水板頂端通過(guò)塑料管與真空泵相相連。量測(cè)系統(tǒng)包括刻度尺、真空表、量筒和帶刻度的水汽分流瓶等，刻度尺用來(lái)測(cè)量泥面沉降，真空表用來(lái)測(cè)量膜下、排水板內(nèi)以及土樣內(nèi)的真空度，量筒和帶刻度的水汽分流瓶用來(lái)測(cè)量真空預(yù)壓處理過(guò)程中的出水量。
圖1 模型試驗(yàn)裝置示意圖(單位：mm)
圖2 排水板和土工布
2.3、模型試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容
本次試驗(yàn)探討真空加載方式對(duì)流泥加固效果及土顆粒移動(dòng)的影響規(guī)律。具體采用4 種不同的真空加載方式：(1)80 kPa(計(jì)為L(zhǎng)1)；(2)60→ 80kPa(計(jì)為L(zhǎng)2)；(3)40→80 kPa(計(jì)為L(zhǎng)3)；(4) 20→ 80 kPa(計(jì)為L(zhǎng)4)，分別在4 個(gè)模型箱內(nèi)對(duì)性質(zhì)相同的流泥進(jìn)行真空固結(jié)試驗(yàn)，通過(guò)比較不同加載方式下各自的沉降量、出水量、含水率、孔隙比、顆粒級(jí)配和土體強(qiáng)度等的空間分布與變化規(guī)律，研究真空加載方式對(duì)流泥加固效果以及土顆粒移動(dòng)的影響。
4、結(jié)論
(1)初始真空荷載較低時(shí)得到的土樣的沉降量大，出水量也大，進(jìn)一步說(shuō)明土樣更密度、強(qiáng)度更高。
(2)不同加載方式所得到的這些指標(biāo)的分布與變化是不同的，初始真空荷載越低，土樣的強(qiáng)度越高、各項(xiàng)指標(biāo)的分布越均勻。
(3)不同真空加載方式引起土顆粒不同程度的移動(dòng)與聚積，這些移動(dòng)與聚積又導(dǎo)致了土體在固結(jié)過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)的不同變化特點(diǎn)。建議在吹填流泥的真空加固過(guò)程中應(yīng)該控制加載速率，采用分級(jí)加載。
本次試驗(yàn)是在塑料桶內(nèi)進(jìn)行的，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、改變施工參數(shù)快速容易、便于模擬不同工況、排水固結(jié)效果快捷直觀、且周期快。缺點(diǎn)是模型邊界和實(shí)際工況有一定偏差，加載后期可能會(huì)出現(xiàn)局部漏氣現(xiàn)象，關(guān)于這一點(diǎn)擬在后續(xù)研究工作中采用大尺寸的模型箱，以減小邊界效應(yīng)并消除漏氣現(xiàn)象。
