真空预压加固土体变形机理及工程应用

1真空预压加固土体变形机理及工程应用胡利文1.吴宏伟2(1.中交第四航务工程局有限公司，广州中国;2.香港科技大学,香港,中国)摘要：本文研究了真空预压加固原理，对不同边界条件下真空预压从概念上探讨了竖向和水平向土体固结行为。根据边界条件从K0固结和各向等压固结条件出发，探讨了在真空排水固结下土体有效应力的变化及变形的发展。通过在大面积软基加固工程中的应用，证实该原理的正确性和有效性，并发现土体的行为受真空排水边界条件影响。对于大面积真空预压加固区中部来说，土体有效应力的改变不是各向等量改变，而可能是按K0固结改变。关键词：真空预压，竖井，固结，原理1前言自Kjellman(1952)提出真空预压法以来，真空预压一直被认为是各向等压加载，并在工程实践中证实了真空预压时土体竖向总应力不变，由此，孔隙水压力的减小值等于有效应力的增加值。各向等压或近似各向等压固结理论被大部分学者接受，如Chaietal.,2005;Cognon,1991;Imai,2005;Leongetal.2000;TranandMitachi,2008。基于该理论，Chaietal.(2005)过高的估计了真空预压时土体向内侧向变形。从沉降角度出发，部分学者通过部分工程和试验发现当预压压力大小相同时，真空预压与堆载预压产生的沉降大小基本一致(MohamedelhassanandShang,2002;Shangetal.,1998;Wooetal.(1989)。然而，Choa(1989),TangandShang(2000)及Chaietal.(2005)发现真空预压时沉降相对小一些；实际上，在TangandShang(2000)的文章中真空预压与堆载预压产生的沉降差异并不大。软基加固的的另一个问题是固结速率，MohamedelhassanandShang(2002)和Mahfouzetal.(2006)报道了在真空预压时土体固结系数与在堆载预压时相同，Chaietal.(2009)却观察到真空预压时孔隙水压力消散更快。从前述具有争论性的议题来说，在真空预压的理论分析与基于经验的技术方面还存在较大差距(Charles,2002)，有必要从理论出发重新审视真空预压土体变形机理。本文首先分析了在特殊边界条件下真空预压时土体有效应力变化，然后给出了真空预压土体在K0固结和各向等压固结情况下沉降表达式，最后，通过分析一个现场案例证实本文提出的真空预压变形机理。2真空预压机理2.1总应力变化在真空预压时，土体的固结过程可以采用弹簧模型表示，如图1。为便于理解，图1中的压力值以相对大气压pa等于0为基准。pv于是为负值，如果存在水头差，土中的水和空气可以被抽出。图1中的土样假设为各向同性材料与弹簧置于假想固结仪中，固结仪具有不同的刚度，并且土体在抽真空前是经历K0固结的正常固结土，在土样与假想固结仪侧壁之间没有摩擦。当真空压力均匀的施加于整个透水石界面上时，有效应力的改变由施加的荷载和边界面的反作用确定。于是根2据固结仪的刚度和加载条件土样有效应力的改变示意于图1中。对于具有刚性侧壁的固结仪和不可移动的透水石情况，图1(a)示出土体孔隙水压力的改变等于总应力的改变。如果是具有气泡的非饱和土，在抽真空初期将因气泡周围压力降低而膨胀，促使水面升高；当气泡全被抽出后，水面将下降。如果土体初始是饱和土，将不会发现任何现象。图1(b)示出土样置于顶部具有可移动透水石的刚性壁固结仪中。当真空均匀的施加于整个透水石上，在竖向将形成总水头差，孔隙水在总水头差作用下仅在竖向流动，弹簧S1将被压缩，而水平应力为被动力，其大小由侧壁边界条件决定。作用于刚性侧壁上的水平总应力将发生变化以维持刚性侧壁不发生侧向变形，于是弹簧S2水平长度保持不变。至于柔性侧壁固结仪，土样固结过程示于图1(c)中，固结仪侧壁将因侧壁内外压差变形，在每一微小压力增量下，可以假设壁内压力与壁外压力相等，于是壁内水平向总应力不变，孔隙水压力的降低值同时等于土体水平向有效应力增加值，于是弹簧S1和S2都将因土体有效应力的改变而发生压缩现象。从以上分析可知，总应力不变的假设仅适用于主动作用方向（竖向），由于被动作用方向（横向）受边界条件制约，不能保证被动作用方向假设成立。当真空预压加固的土体边界是柔性的，有效应力的增加可发生在土体任何方向。因此可以预期在柔性边界下土体的孔隙比降低值比存在刚性壁情况大，但沉降比存在刚性壁的小。Chaietal.(2005)采用MarutoMultipleOdeometer对土体进行真空预压，发现压缩量比相同荷载堆载预压小。然而Mohamedlhassan&Shang(2002)采用一维固结仪对重塑土进行试验，发现真空预压时土体的沉降和固结系数与堆载预压几乎一样。Chaietal.(2005)得到的结果差异可能归因于重塑土没有完全饱和，其B值等于0.9，饱和度按Black&Lee(1973)推算为93%。由于土样没有完全饱和并可能存在不均匀孔隙结构，固结过程中不但在竖向，而且在水平向存在水力梯度造成不均匀固结现象。RigidboxMembraneMembraneFlexibleboxSoilSoilPorousstonePorousstonePorousstoneSoilMembraneRigidboxRigidhangerS2S1S1S2S2S1timetimetimetimetimetimevPhvvhvPvPwuvwuwuvhvPvPvP(a)(b)(c)图1固结仪中真空预压固结试验(a)刚性壁，透水石不可移动;(b)刚性壁，透水石可移动;(c)柔性壁。32.2孔隙水压力变化孔隙水压力变化与施加真空大小及竖井埋设模式有关。对于工程应用，其孔隙水压力沿深度公布可见图2。由图2所示，真空密封膜上初始水压力为0wwpD,表明加固土表面在水深为D时的水压力。当D为0时，则为陆上真空预压，而当D大于0时，则在机理上为水下真空预压。如果在密封膜上还有堆载，则为真空联合堆载预压。图2(a)给出陆上真空预压，其中竖向总应力v和初始孔隙水压力uw0（示为线①）。当施加真空时，竖向总应力假定保持不变，孔隙水压力不断下降，膜下最终孔隙水压力为pv。最终孔隙水压力线具有坡度w被命名为“吸力线”(Chuetal.,2000)，在图中示为线②。然而，如果在加固区底部存在透水层并在真空作用下产生向上渗流，膜下孔隙水压力为pv，则加固区底部孔隙水压力衰减至pv，意味着真空损失存在。图2(b)给出水下真空预压装置原理示意图。膜上初始孔隙水压力为0wwpD，以表示加固土表面在水下深度Dw。在图1(b)中，线①为初始静水压力线，线②为真空泵置于水面时最终孔隙水压力线，而线③表示真空泵置于土表面时最终孔隙水压力线。2.3有效应力路径由于土体初始条件和边界条件不能象上述理想弹簧模型准确确定，实际应用真空预压时，土体行为变化是相当复杂的，于是参考弹簧模型可假定现场真空预压时土体特定点有效应力路径示于图3。SoftsoilMembraneDrainSuctionline12021Vacuumpumpvpvpv0wu(a)陆上真空预压1230D321SuctionlineDrainMembraneVacuumpumpSoftsoilDv0wpDvp0wpvpv(b)水上真空预压(根据Imai,2005修改)图2真空预压示意图4基于弹簧模型的变形行为，图3中点A和A处在v-h或p-q应力平面路径接近或正好在K0固结线上。对低应力水平来说，A点的应力路径与其到加固区边界的距离有关。当与加固区边界距离大于2.5倍加固深度，土体行为变化与在K0固结状态至少在变形方面相似（Hu,2010）。在B点，应力最可能按各向等压增量路径发展。而在C点，即在加固区外靠近密封膜处，平均有效正应力减少，主要是水平向有效应力减小，而竖向有效应力基本不变。2.4有效应力增加a)加固区中部的应力变化图4给出真空压力作用于加固区土体表面，其测试值为pv(陆上真空预压时通常为负值，水下真空预压时，测值也可能为正值)。在中部，有效应力可以表示为00vvtwvvupp(1)hchtwvcuK(2)式中，vt和ht是在固结时间t时刻总竖向应力和总水平应力；K是真空预压或水下真空预压时，水平向有效应力与竖向有效应力的比值，随深度而变化，Kt是t时刻的比值。对p0=0的陆上真空预压来说，加固区内的土压力系数可以表示为，00000()(1)tvvvvKKKpKKp(3)在一维固结状态下，K=K0，于是000(1)vtvpKKK(4)XVerticaldrainimprovedzoneCentreoftreatedzoneHMembraneABCrackCA'B'C'FailurezoneFailurezoneBCA'HalftreatedzoneInitialboundaryA'CB1MCSLSettlementtrough0k1Ikpkhvakpq0NC图3工程应用真空预压土体应力路径示意图5b)边界上的应力变化为简便起见，假设真空预压或水下真空预压时，没有产生裂缝，边界面内孔隙水压力降低值可以表示为000,)2,)2vwvvwppuppzzMDMDppuzMD(5)因此，竖向有效应力可表示为00002(),)2,)2vinvvvvinvMDzppzMDMDppzMD(6)膜为柔性结构，可假设其两面的水平向总应力相等，于是有0(),hintvoutvhinvinMDzKppzMDMDKzMD(7)对zMD和zMD土压力系数可以分别表示如下式（8）和式（9）：0000()(1)2()(12)ttvvvvKzzKppMDMDKppzMD(8)0000()2()2hvvvppKpp(9)在式(8)中，Kt是深度与时间的函数。当施加的真空足够大，Kt可以达到Ka出现主动破坏区。XCentreoftreatedzoneHMembraneCrackHalftreatedzone:BInitialboundaryFinalboundaryPossiblefailurezoneVacuumpumpMDMDIncentre(suctionline)AtedgeInitialhydrostaticlineInsidemembraneOutsidemembranehinvinhoutvout00vcvvhcvcppk0voutvhoutoutvoutukhcvcvpvp0pzwu图4真空预压工程应用应力变化示意图63竖向沉降分析通常来说土体变形主要是塑性的，塑性变形方向主要受应力状态影响，而不是受应力增量影响。根据Wood(1990)，土体的弹性变化可表示为：0013epeqdpdpdGdq(10)土体塑性变化按剑桥模型可表示为：2222222()224()()pppqdMdMdpdqpM(11)土体变形随应力路径变化，就真空预压来说，两个典型的应力路径示于图5中。图5中，K0固结的应力路径为Path1，各向等压增量条件下应力路径为Path2。正如前述分析，K0固结可发生在大面积加固区的中部或深层土体。各向等压加载可发生在加固区边界角。3.1各向等压加载条件各向等压加载条件较易在三轴试验中实现，