预排水动力固结法处理新近吹填土

河北建设勘察研究院有限公司河北省岩土工程技术研究中心聂庆科2013年4月于昆明预排水动力固结法(PDDCM)处理新近吹填土地基的机理与现场试验河北建设勘察研究院有限公司河北建设勘察研究院有限公司河北建设勘察研究院有限公司预排水动力固结法（Pre-drainingDynamicConsolidationMethod-PDDCM)的基本原理“预排水动力固结法（Pre-drainPDDCM）”是将井点排水、动力碾压及强夯联合的一种综合性软土地基快速处理新技术。它吸收了三者的优点，有机的结合并相互补充和促进。本技术的研究目的是如何将强夯动力固结技术应用于渗透系数极低、含水量很高的极软弱的地基加固，使其能够为吹填造地工程服务。河北建设勘察研究院有限公司PDDCM其机理的核心是促使软土排水，首先通过强制排水使软土产生第一轮一定的渗透固结，再辅之以动力碾压迫使一定的孔隙水排除，激发软土产生第二轮的渗透固结，最终的强夯不仅可在软土中激发出相当高的超孔隙水压力（称之为动力诱致孔隙水压力），迫使土体中更多的孔隙水得以排出促成软土第三轮渗透固结，该超孔隙水压力还可触发软土结构产生新的变化（颗粒重新排列），从而使软土具有长效的固结机制，最终达到提高软土地基固结的目的。河北建设勘察研究院有限公司井点降水----有三个作用：一是强制排除软土中的水，降低地基中的地下水位，同时为动力碾压和强夯动力固结的实施创造条件。二是尽快消除动力固结过程中的超孔隙水压力。三是提高地基土强度。动力碾压----有两个作用，一是提高排水量和排水速度，促使土体渗透固结；二是提高一定深度的表层土的强度，为进一步的强夯动力固结创造条件。强夯动力固结----有两个作用，一是提高地基土的强度，这是主要的；二是辅助提高地基土的排水量和排水速度，加速地基土的固结。河北建设勘察研究院有限公司PPDCM法机理可概括为：以排为主，以动促排；排水是本，动力是辅；排是内因，动为外因；无排莫动，排动相应；河北建设勘察研究院有限公司PPDCM的关键是排水，必须在软土地基中设置强制排水设施，促使第一轮的渗透固结，否则不可能实现动力固结过程；PPDCM的动力碾压应在预排水一定时间后进行，通过碾压施加于软土上的压力促使水的排出，加速软土的第二轮动力固结。碾压能量和碾压遍数需现场试验确定；PPDCM的强夯作用不同于传统意义的强夯，其压密作用不是地基土强度提高的主因，“动载诱致渗透固结”，才是软土地基强度提高的主因。强夯能量首先通过瞬时动力作用使局部土体骨架颗粒结构产生损伤，从而引起土骨架结构上的有效应力降低，土体内超孔隙水压力增长，由此引起“动载诱致渗透固结”，之后一段时间内才完成压密作用。PPDCM的强夯激发出的超孔隙水压力增量可能达到的最大值不应超过强夯施加时的那一时刻土体中某点的“实时有效静压力”。并非是任何动载都可产生后效的固结压密效果，动力固结的施工参数，合适的强夯能量、夯击次数、夯击遍数应通过试夯选择。河北建设勘察研究院有限公司每遍强夯之间的间隔时间控制及夯点移动的平面位置轨迹的设计均能影响PPDCM工法的加固效果，设计时应给予重视。夯锤的形状、海边工程的潮涨潮落对强夯动力固结效果具有一定影响。夯锤形状建议尽可能选用“扁平”形状，有利于夯击应力向下均匀扩散，增大压缩应力，减小剪切应力；低潮位是夯击的最佳时刻，此时土体中有效应力最大，可激发出最大的超孔隙水应力，压密固结的效果也会最大。试验项目及过程河北建设勘察研究院有限公司主要现场试验如下：1真空井点降水试验1）单井、单排井、多井及井深、井点间距、真空度等对降水效果的影响。2）利用数值模拟技术分析了井深、井点间距、真空度等对降水效果的影响。2利用室内土工试验模拟了在循环荷载和冲击荷载作用下的吹填软土的应力应变变化规律；3PPDCM现场试验与测试4砂桩+PPDCM的现场试验与测试河北建设勘察研究院有限公司试验是结合东营某电厂进行，厂区吹填面积为380000m2，组合场地及临建场地为2700000m2，共计650000m2。试验分两个区域，第1阶段试验区面积为30m40m，第2阶段试验区面积为20m50m。河北建设勘察研究院有限公司1、现场勘察资料表明，场地上部地层主要为近期吹填的软土层，其塑限、液限和塑性指数分别为wP=20.2%,wL=28.9%,IP=8.7，属于粉土。厚度一般在3.0m~3.5m之间，平均厚度约3.3m。。2、现场软土的含水量为w=31.8%,重度为21.2kN/m3。结合液塑限试验结果，液性指数IL=1.33，为流塑状态。3、根据常水头室内渗透试验，测定的渗透系数为k=1.8104cm/s。河北建设勘察研究院有限公司轻型井点及监测点布置河北建设勘察研究院有限公司深层位移监测点河北建设勘察研究院有限公司孔隙水压力的埋设河北建设勘察研究院有限公司水位管的埋设河北建设勘察研究院有限公司自行设计的新型井点管特点是：过滤效果好，出水量大、不於井。河北建设勘察研究院有限公司预排水过程河北建设勘察研究院有限公司单位时间出水量随时间的变化过程出水量随时间的累积变化过程0.00.20.40.60.81.01.21.41.6020406080100120时间（hour）单位时间出水量（m3/hour）单位时间出水量停止抽水19.5小时开始换旧泵抽水05101520253035020406080100120时间（hour）出水量（m3）停止抽水19.5小时开始换旧泵抽水重新开始抽水河北建设勘察研究院有限公司水位随时间的变化过程0.00.51.01.52.02.53.03.54.00102030405060时间(hour)水位离地表深度(m)离井点1m远离井点2m远河北建设勘察研究院有限公司降水前降水后020.04.08.012.016.00.01.02.03.04.05.06.07.0深度(m)锥头阻力qc(MPa)010.04.08.012.016.00.01.02.03.04.05.06.07.0深度(m)锥头阻力qc(MPa)河北建设勘察研究院有限公司履带式推土机碾压河北建设勘察研究院有限公司用自重为50t的夯机进行碾压河北建设勘察研究院有限公司图5.1单位时间出水量变化0.00.51.01.52.02.53.0020406080100120140160180200抽水时间（h）出水量（m3/h）二次碾压一次碾压三次碾压抽水时间（h）碾压的作用下单位时间出水量变化出水量（m3/h）河北建设勘察研究院有限公司加固前静力触探试验结果降水、碾压后静力触探试验结果040.04.08.012.016.00.01.02.03.04.05.06.07.0深度(m)锥头阻力qc(MPa)050.04.08.012.016.00.01.02.03.04.05.06.07.0深度(m)锥头阻力qc(MPa)河北建设勘察研究院有限公司强夯过程河北建设勘察研究院有限公司强夯诱致的渗透固结（夯坑内开始出水）河北建设勘察研究院有限公司强夯诱致的渗透固结河北建设勘察研究院有限公司第1遍强夯后的场地河北建设勘察研究院有限公司第2遍强夯后的场地河北建设勘察研究院有限公司强夯过程中单位时间出水量随时间变化0.00.51.01.52.02.53.03.5020406080100120时间(小时)单位时间出水量(m3/hour)第1遍强夯后第2遍强夯后第3遍强夯后河北建设勘察研究院有限公司孔压观测孔K1-10010203040506070050100150200250300时间(小时)孔压(kPa)深度2m深度4m深度6m第1遍强夯后第2遍强夯后第3遍强夯后河北建设勘察研究院有限公司孔压观测孔K2-10010203040506070050100150200250300时间(小时)孔压(kPa)深度1m深度3m深度3m第1遍强夯后第2遍强夯后第3遍强夯后河北建设勘察研究院有限公司孔隙水压力沿径向距离分布水平距离6m-1001020304050600510水平距离(m)孔压(kPa)深度1m深度2m深度3m深度4m深度5m深度6m河北建设勘察研究院有限公司夯点中心孔隙水压力变化曲线-10010203040506001234567深度(m)孔压(kPa)第1击第2击消散5.3小时消散7.3小时消散49.5小时深度5m河北建设勘察研究院有限公司强夯过程中不同深度沉降随时间变化-2024681012141618050100150200250时间(小时)深层沉降(cm)深度1.9m深度2.9m深度3.9m深度4.6m第1遍强夯后（700KNm)第2遍强夯前（1000KNm)第3遍强夯前(800kNm)河北建设勘察研究院有限公司三轴冲击试验00.511.522.533.50123456每一击轴向变形量（mm）冲击次数多次冲击每一击轴向变量形大小关系曲线围压25kPa冲击应力50kPa冲击3次围压25kPa冲击应力50kPa冲击5次围压25kPa冲击应力70kPa冲击3次围压25kPa冲击应力70kPa冲击5次围压50kPa冲击应力50kPa冲击3次围压50kPa冲击应力50kPa冲击5次围压50kPa冲击应力70kPa冲击3次河北建设勘察研究院有限公司00.511.522.533.544.555.50123456累积竖向变形量（mm）冲击次数累积轴向变形量关系曲线围压25kPa冲击应力50KPa围压25kPa冲击应力70KPa围压50kPa冲击应力50KPa围压50kPa冲击应力70KPa河北建设勘察研究院有限公司1相同的冲击力和冲击次数的情况下，土样的侧向约束越大，则轴向冲击变形量也就越小，冲击后土样的抗剪强度普遍较高。2不一定是冲击累积轴向变形量越大冲击后土样的抗剪切能力越强。冲击变形量对抗剪强度的影响，还取决于轴向变形能力与侧向约束能力的联合作用，不能仅从轴向变形量一方面盲目判断剪应力强度提高的大小。对PPDCM的指导意义---在软土地基上，不能盲目的以增加夯击能，或增加夯沉量，以期提高夯击后的土体强度，在夯击能过大的情况下，由于土体的结构可能遭到了破坏，未必就达到了较好的夯实效果。处理效果河北建设勘察研究院有限公司施工工况说明地表累积沉降量(cm)地表沉降增加量(cm)降水及碾压17.817.8第1遍强夯31.513.7第2遍强夯39.68.1第3遍满夯50.811.2地表沉降变化情况河北建设勘察研究院有限公司土样类型含水量w(%)重度(kN/m3)干密度d(g/cm3)孔隙比e液性指数IL状态原始土样31.820.51.560.741.33流塑状态降水60cm22.719.71.610.680.29可塑状态降水120cm23.519.81.600.690.38可塑状态碾压后表层8.8硬塑状态强夯后22.520.61.680.610.26可塑状态现场土物理指标的变化河北建设勘察研究院有限公司不同工况下的e-logp曲线0.40.50.60.70.81101001000固结压力(kPa)孔隙比降水120cm原始状态降水60cm强夯一次弯曲点河北建设勘察研究院有限公司抗剪强度包线及拟合方程y=0.3029x+3.6214R2=0.982y=0.2398x+5.3163R2=0.9956y=0.2209x+5.8265R2=0.9892y=0.2323x-0.3128R2=0.98590102030405060020406080100120140160固结压力(kPa)抗剪强度(kPa)降水120cm降水60cm原始状态强夯一次河北建设勘察研究院有限公司静力触探和现场荷载板试验结果表明，处理后地基土的强度得到明显改善，深度5m范围内土层的平均锥尖阻力达到4.0-4.5MPa以上，加固深度和加固效果非常明显。地基承载力特征值可达到150kPa以上。河北建设勘察研究院有限公司降水+碾压+3遍强夯降水+碾压+1遍强夯静力触探试验结果降水+碾压河北建设勘察研究院有限公司河北建设勘察研究院有限公司048121620242803060901201