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《天津大学》 2017年
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超软吹填土地基真空预压加固改进机理及沉降预测研究

刘景锦  
【摘要】:随着公共交通基础设施大规模的开发建设,土地资源紧缺问题已经成为世界范围内共同关注的一个重要工程问题。为实现大面积陆域的增加,围海造陆逐渐成为利用海洋资源解决工程用地问题的重大举措。目前的吹填造陆区域以利用周边港池及航道的废弃疏浚土料吹填为主而形成。疏浚土料本身颗粒细密,加之吹填过程中的水力分选作用,导致吹填形成地基土上部为具有一定厚度的超软土。这一类具有超高含水率和较高浮泥含量的超软土地基,土体本身黏土颗粒细小,固结系数较小,渗透性能较差,特别是土体颗粒之间没有形成稳定结构,进行常规真空预压处理时,往往加固效果十分有限。如何实现对于此类具有高含水率超软土地基的快速固结,解决目前面临的工期长、加固效果不明显等严峻的工程问题,成为真空预压领域的一个重要研究方向。本文围绕天津滨海地区吹填形成的超软土地基处理工程,针对目前传统真空预压技术应用于具有超高含水率和浮泥含量较大的新近吹填超软土地基时,存在需二次插板、设置砂垫层等处理工期长、耗能量高且加固效果不明显等问题开展研究,主要研究内容及取得成果如下:(1)针对天津地区本身的沿海区域特性,进行以天津滨海地区高含水率超软土地基为研究对象的一系列模型试验研究和微细观结构测试,从内因、外因两方面入手,根据土体颗粒级配组成(内因)和真空预压加载方式(外因),进行真空预压加固改进机理的研究与分析。结果表明相同颗粒级配组成的情况下,距排水板径向距离近孔隙比小,土体内部渗透路径较少;相同真空荷载作用下,黏粒含量较高土体在真空预压过程中不易在短时间内发生排水管路颗粒聚集而淤堵的现象,排水固结效果更好。(2)在高含水率超软土地基改进真空预压理论研究基础上,进行一系列真空预压加固改进措施室内模型试验研究,结合微细观结构测试,从土体结构性状渐进破坏演化过程出发,基于内、外因素的改进影响机理,通过注气增压方法、深浅层超软土同步处理方法以及无膜真空预压处理地基方法,进行了真空预压加固改进措施的研究与分析,定量揭示和评价真空预压加固改进措施,实现对于高含水率超软土地基高效环保、快速节能处理的技术研究。研究结果表明:注气增压真空预压法可以增加真空预压实施过程中土体内部的排水路径,加快排水固结的发生,缩短加固时间;深浅层同步处理真空预压方法可以间歇更改土体内部颗粒运移方向,从而减小细颗粒聚集现象的发生,同时可以提升地基土处理均匀度,有效防止土柱环绕排水板现象,避免地基土不均匀沉降的发生;无膜真空预压方法可以降低工程施工成本,达到高效环保与节能的理念,与传统相同模式下有膜真空预压方法能够达到相似的地基处理效果,可以在工程中推广应用。(3)针对真空预压法方法处理吹填超软土过程中容易出现真空荷载流失、排水板淤堵、处理地基不均匀沉降、施工环境维护困难等各种工程问题,进行详细的分析与原因探讨。在天津滨海临港工业区围海造陆区域进行了四组不同类型真空预压改进方法现场试验研究,涵盖对于真空预压地基处理过程中无砂直连排水技术、淤堵层气压劈裂技术、注气增压技术、水气分流高效节能真空设备应用的改进真空预压现场试验验证和理论分析。现场试验结果表明:具有高含水率和较高浮泥含量的吹填超软土地基,采用分级加载真空预压方法和注气增压式真空预压法,可以有效地预防施工过程中土体细颗粒迁移聚集而造成排水系统淤堵现象的形成,提高真空预压最终处理效果。(4)以某大型真空预压地基处理项目的现场实例为依托,通过改进真空预压措施和方法在施工过程中的孔隙水压力消散过程、沉降变化规律和地基处理后土体各项强度指标的研究分析,提出使用分级加载真空预压方法和大型水气分离系统,可以高效且环保的完成超软土地区大型真空预压项目,为今后在高含水率超软吹填土地基的工程处理问题上提供了理论和实际依据,对改进真空预压方法进行了工程实例验证。(5)以天津滨海地区真空预压处理前后的新近吹填超软土地基和正常沉积软土地基为研究对象,通过宏观力学试验,探讨和揭示了不同类型超软土地基的固结及次固结特性;利用工程实测沉降结果和Asaoka法反演计算得到真空预压处理后期超软土地基的固结系数;利用曲线拟合法中的双曲线法、指数曲线法和Asaoka法分析得到了适用于真空预压处理后吹填超软土地基的固结变形最终沉降计算结果。根据实测结果,考虑到吹填超软土地基本身特殊的工程特性,本文认为利用双曲线法更加适用于天津滨海高含水率吹填超软土地区的沉降预测和分析计算。
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