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真空降水与强夯联合处理软土地基的试验研究

罗来芬  
【摘要】: 本论文运用现代土质学和土力学理论,按学科综合交叉思路,研究了软土地基的工程特性、土的微结构特征以及动力排水固结法处理软土地基的原理,并对青岛大炼油工程真空降水与强夯相结合加固软土地基方案设计以及试验结果进行了研究,得出如下几点主要结论: 1、青岛大炼油工程软土地基土的母岩成分主要为花岗岩,x射线分析结果表明:矿物成分主要是石英和长石,总量约50~60%;少量绿泥石和云母,含量约30~40%;含极少量的闪石、方解石、白云石及石膏等。绿泥石等黏土矿物是由长石风化而成。颗粒组成以粉粒为主,约占60%,粘粒与砂粒约各占20%左右。 2、软土地基的渗透能力是影响真空降水效果的主要因素。研究区软土地基的渗透性主要决定于土中的粉粒含量;砂粒的含量与渗透系数呈反比关系,这一点与其它参考资料不同,这是因为粘粒包裹着砂粒,使其以单个颗粒形式存在,单个颗粒嵌入粉土层中,改变了水流线的渗透方向。软土地基的渗透系数为2.0×10-6cm/s~8.0×10-~(-5)cm/s之间,一般为2.0×10~(-5)cm/s。 3、青岛大炼油工程软土地基土粘粒含量c%与塑性指数IP的相关关系式为:IP=0.6601c+1.3918;粘粒含量c%与孔隙比e的相关关系式:e=0.0319c+0.3281;粘粒含量c%与含水量w%的相关关系式:c=0.5506w-1.1065;含水量w%与孔隙比e的相关关系式:e=0.0255w+0.0186;含水量w%与塑性指数IP的相关关系式:IP=0.4184w-1.3476。渗透系数k(*10-5cm/s)与粘粒含量c的相关关系式为:k=0.6597c+16.271;渗透系数k(*10-5cm/s)与粉粒含量f的相关关系式为:k=1.1523f-43.895;渗透系数k(*10-5cm/s)与砂粒含量s的相关关系式为:k=-0.941s+44.754;渗透系数k(*10-5cm/s)与孔隙比e的相关关系式为:k=5.2672e-0.3469。建立土的试验指标间的相关关系可以达到用简单试验项目的结果预测复杂试验项目结果的目的,从而可以大大节约工期和成本。 4、经过扫描电镜观察发现:青岛大炼油工程软土地基土的微结构主要由碎屑颗粒组成,含少量的聚集体充填于碎屑颗粒之间;絮凝体形成于颗粒表面,可能是由于长石颗粒风化析出黏土矿物。土层中由于有絮凝体(粘粒)的存在,降低了土层的渗透性,在夯击作用下孔隙水不能迅速排出,形成超孔隙压力。比较青岛大炼油工程利用真空降水与强夯相结合处理软土地基土,处理前后软土地基土微结构的变化主要是夯后土颗粒的排列更有序、更紧密;土体中大孔隙明显减少,而小孔隙却有所增加,但总的孔隙体积大大的降低,夯后土中大颗粒边缘明显出现破碎,棱角出现圆滑现象。 5、研究发现:横向上,离夯点距离越远,孔隙水压的增量越小,监测点距夯点10m,夯击能对监测点处的孔隙水压影响很小;纵向上,在一定深度软土地基内(一般6.5m),不同深度处的孔隙水压力增量大致相同,超过一定深度后(大约7m),孔隙水压力增量则随深度的增加而有所减小。土体结构遭到破坏的较土体结构未遭到破坏的软土地基在相同夯击条件下超静孔隙水压力峰值高且孔压消散时间长。冲击能大小不同对孔隙水压力的影响在夯击次数N8时较为显著,当N8时,孔压增长趋于平缓并向某一极限值发展,此研究成果在实际工程中可作为确定每遍夯击次数时参考。 6、真空降水,即采用大功率真空泵抽吸地下水的方法,创造性的解决了孔隙水压力的快速消散问题,将土体中的自由水快速排出,并能在土体中形成一定的真空度,产生一定的负压,增加固体颗粒之间的有效应力,拉近土颗粒之间的距离,从而达到快速固结的目的。从试验结果表明:在相同夯击能作用下,不设任何排水系统情况下孔隙水压力消散时间一般为8~10d以上;插入塑料排水板可以缩短为3~5d,而在软土中设置真空降水系统后孔隙水压力消散时间可以缩短为1~2d,所以,在软土地基中设置真空降水系统可以大大缩短超孔隙水压力消散时间,从而达到缩短工期的目的效果非常明显。 7、高真空降水与强夯相结合处理软土地基方法符合土的固结原理,属于动静耦合复合作用下软土渗透与固结,其固结计算是一个十分复杂而又有意义的课题,一般是将不排水条件下动荷载作用下的孔压发展模式与Terzaghi固结理论或者Biot固结理论加以耦合来定量求解孔隙水压力的演化过程。然而,动荷载作用下的孔压发展过程本身要受到静孔压地影响,而且动孔压和静孔压的消散是两个不同的固结过程。 8、研究采用强夯法处理软土地基在我国才刚刚起步,从公开发表的资料来看这种方法大多是强夯法与塑料排水板或砂井降水相结合处理软土地基。砂井在静压法中排水效果较好,但砂井在夯击过程中容易受挤压变形,使得水流不畅而影响排水效果。高真空降水与强夯相结合处理软土地基方法尚属首次,并在青岛大炼油工程试验过程中取得成功,从各项检测指标来看,完全满足地基设计要求;它的成功应用大大的丰富了软土地基处理的想象空间和手段。从经济上来看,高真空降水与强夯相结合处理软土地基的方法和传统软土地基处理方法相比,节约成本大约10~20% ,工期仅为传统处理方法的1/3,因此,它具有速度快、费用相对低廉的特点,值得广泛的推广应用。


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