动力排水固结法加固吹填黏性土的模型试验研究.pdf
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1、J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质 学报 1 0 0 4 9 6 6 5 2 0 1 0 1 8 ( 6 ) 一 0 9 0 6 0 7 动力排水 固结法加 固吹填黏性土的模型试验研究 王珊珊 李丽慧 胡瑞林 刘 凯 魏 欣 ( 中国科学院工程地质力学重点实验室 中国科学院地质与地球物理研究所北京 1 0 0 0 2 9 ) ( 建设综合勘察研究设计院有限公司北京1 0 0 0 0 7 ) ( 北京市水文地质工程地质大 队北京1 0 0 1 9 5 ) 摘要为了研究动力排水固结法加固吹填土地基的效果, 研发了大比
2、例尺的室内模拟试验装置并开展了试验。重点对夯 沉量、 土体内孔隙水压力的瞬时和长期变化进行了监测和分析, 得到如下结论: 夯击产生的能量以波的形式向土体内部传播, 由于波的作用造成土体拉伸形成裂隙, 这些裂隙成为初期的排水通道;孔隙水压力的动态变化具有明显的脉动特性, 夯击瞬 间出现负增长, 然后再累积增长; 不同深度土体的孔隙水压力增幅不一样; 土体表面铺设的砂垫层不仅可以用做排水, 还可 以作为静力荷载, 有助于土体的排水固结。 。 关键词 动力固结吹填土排水 系统孔隙水压力 中图分类号: P 6 4 2 1 3 文献标识码: A RES EARCH oN I NDooR EXPERI M
3、 ENTAL M oDEL FoR DYNAM I C CoN SOLI DATI ON oF DREDGED CLAY W ANG S h a n s h a nLI Li h u i HU Ru i l l nL I U Ka i WEI Xi n ( ( K e y L a b o r a t o r y ofE n g i n e e r i n g G e o m e c h a n i c s , I G G C A S , B e ij i n g 1 0 0 0 2 9 ) ( C h i n a I n s t i t u t e o f G e o t e c h n i
4、c a l I n v e s t ig a t i o n a n d S 咖 , B e ij i n g 1 0 0 0 0 7 ) ( H y d r o g e o l o g y a nd E n g i n e e r i n g G e o l o g y T e a m ofB e ij i n g , B e ij i ng 1 0 0 1 9 5 ) Ab s t r a c t Th i s p a p e r s t u d i e s t h e r e i n f o r c e me n t o f s o f t c l a y b y d y na mi c
5、 c o ns o l i d a t i o n wi t h d r mna g e I t d e v e l o ps a l a r g e s c a l e i n d o o r s i mu l a t i o n e qu i p me n t a n d c o n d u c t s s o me t e s t s I t i s f o c u s e d o n t h e mo n i t o r i n g a n d a na l y z i n g f o r s e t t l e me n t o f t a mp i n g p o i n t s
6、a s we l l a s i n s t a n t a n e o u s a n d l o n g - t e r m v a ria t i o n s o f p o r e wa t e r p r e s s u r e T h e fin d i n g s a r e t h a t t h e wa v e g e n e r a t e d b y t a mp i n g s p r e a ds i n wa r d t h e s o i l a n d i t c a n f o rm s t r e t c h e r fis s u r e s Th e
7、fis s u r e s b e c o me t h e fi r s t dr a i n a g e c h a n n e 1 Th e v a ria t i o n o f p o r e wa t e r p r e s s u r e ha s flu c t u a t i o ns At t h e t a mp i n g t i me i t a p p e a r s n e g a t i v e g r o wt hTh e n i t a c c u mu l a t e s u pwa r d Th e i n c r e a s i n g r a n g
8、 e o f po r e wa t e r pr e s s u r e i s r e l e v a n t wi t h d e pt h Th e s a n d b e d d i n g c a n b e us e d f o r d r a i n a g e a s we l l a s s t a t i c l o a d for c o n s o l i da t i o n Ke y wo r d s Dy n a mi c c o n s o l i d a t i o n,S o f t c l a y,Dr a i n i ng s y s t e m ,P
9、o r o wa t e r p r e s s u r e 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 3 0 1 ;收到修改稿 日期 : 2 0 1 0 0 4 2 4 基金项目: 本成果受中国地质调查局项 目( 编号 : 1 2 1 2 0 1 0 8 1 4 0 0 5 ) 和中国科学院知识创新方向性项 目( K Z C X 2 一 Y w一 1 1 3 ) 资助 第一作者简介: 王珊珊 , 主要从事软黏土岩土工程方面的研究 E m a i l :s h i mi n a l i 1 6 3 c o m 1 8 ( 6 ) 王珊珊等 :动力排 水 固结法加 固吹填黏性土的模 型试验研 究 1
10、引 言 动力排水固结法是一种综合性的饱和软黏土地 基加固方法, 它将动力 固结法与堆载预压法结合 , 利 用夯锤对地基土施加冲击荷载 , 在土体中形成超静 孔隙水压力 , 同时通过在地基 中设置排水体 ( 如砂 桩、 袋装砂井 、 塑料 排水板 等) , 加速 孔隙水压力 的 消散 , 引起地基土快速 固结 , 从而达到地基加固的 目 的 1 。工程实践表明, 该方法加固软 弱地基具有 效果明显 、 施工速度快、 经济易行等优点 , 已在我 国 沿海地 区( 深圳 、 上海 、 广州、 汕头、 江西等 ) , 以及 内 陆地区( 山西 、 甘肃等 ) 得到了成 功的应用 , 特别适 用于大面积
11、软黏土地基( 如机场 、 大型厂房、 高速公 路、 铁路等地基) 的处理 。 由于场地的限制 , 众多学者对其加 固机理和效 果进行了室 内模型试验研究 , 取得 了重要的成果。 孟庆山 在应变式三轴剪力仪基础 上增加 冲击荷 载装置, 分析孔隙水压力和土压力的变化特征 , 研究 了饱和软黏土对不同夯击参数的响应 。但 由于三轴 仪的局限性 , 实验成果并不能反映土体的真实性状。 白冰和刘祖德 9 设计 了允许试样侧 向变形 的动力 排水固结装置 , 通过不同围压 、 不同冲击能的组合试 验 , 研究饱和黏土 的变形 、 孑 L 隙水压 力的增长和消 散、 再 固结体应变 的发生和强度增长等问
12、题。曾庆 军等 。 。 设计了小 比例尺的模型箱 ( 直径 2 6 c m、 高度 3 4 c m的圆形铁桶) , 进行 了排水动力 固结法的一维 模型试验 , 研究不同夯击参数下饱和软黏土的孑 L 压 增长和消散规律 。薛茹等 通过室 内模型试验 、 数 值模拟、 微结构分析等手段 , 对动力排水固结法加固 软土地基的机理及软土固结过程进行了研究 , 发现 了加 固过 程 中土体 孔 隙水 压 力 的长 消规 律 , 对 动 力 排水固结法的加 固过程 、 加固机理及加固过程 中土 体微结构的变化进行 了综合分析。上述模 型试验 , 由于只能进行一维 、 半模或 1 4模试验 , 且为单点夯
13、 试验 , 与现场实际工况有较大的差距。 基 于以上考虑 , 本文设计 了大尺度动力排水 固 结模型( 9 6 c m 9 6 c m 1 2 0 c m) 试验装置, 期望对动力 排水固结试验机理能有更深入的了解和认识。模型 试验装置可实现半模 和全模试验 , 对孑 L 压 、 位移、 土 应力等进行实时监测和采集 , 进行冲击荷 载作用下 饱和软黏土的变形、 孔隙水压力的增长和消散、 再 固 结体应变的发生和强度增长等相关问题的研究 。 2 模 型试验装置 设计的试验装置主要包括 : 模型槽 、 起 吊装置 、 排水系统和监测及数据采集系统等 ( 图 1 ) 。 图 l 模型试验装置 图
14、Fi g1 Th e ma p o f t h e mo d el t e s t e q ui pme nt 1 模型槽 ; 2 支撑架; 3 轨道 ; 4 横梁 ; 5 吊具 ( 电葫芦) ; 6 电磁 式 A动脱锤装置 ; 7 夯锤 ; 8 定位杆 ; 9 转动手柄 ; 1 0 支撑底座 模型装置中布设排水系统和垂直排水系统。其 中水平排水系统 由模型箱底部和顶部 的砂垫层 构 成 , 并在底部砂垫层 中铺设 四根排水管用于导水。 垂直排水系统由多根 自制 的排水管组成 , 选取直径 为 1 6 ra m的塑料软管 , 按照孔径 5 m m问距 3 0 m m穿 孑 L , 制作成试验用
15、的排水管 。在砂垫层和试样之间 铺设土工织物 , 防止土砂混杂 , 起到隔离和反滤作 用 。排水管用土工织物包裹 , 防止淤堵排水孔 。 监测设备主要包括: 土压力计 、 孔隙水压力计 、 沉降标和集水器等。本次试验主要对孔隙水压力进 行监测, 选用 的孔压计为 Y T 一 3 0 0 A标准型钢弦式渗 压计( 外径 为 3 0 7 0 mm) 。沉降标和集水器均 由 有机玻璃制成 , 数据采集仪为 Y D一 2 8 A型动态电阻 应变仪和北京波谱 WS U 6 0 1 1 6数据采集仪。 为使模 型准确地反映工程实际效果和机理 , 首 先要根据相似原理和量纲分析 , 选择 合适 的相似 系
16、数 。模型相似主要包括正确选择模型的材料 、 尺寸 、 荷载及试验方法 , 并能将试验结果进行合理 的分 析 处理, 要求各同类 量之 间按一常量进行换算 。本 次 模型试验装置各参数的相似系数见表 1 。 3 试验步骤 试验土样为天津某场地吹填土饱和试样 , 采取 水平与垂直联合排水 系统。所选夯锤夯锤重 1 2 0 N ( 直径 2 0 0 mm) , 落距 1 2 m, 试验中对夯沉量和孔 隙 水压力进行监测。 J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报2 0 1 0 表 1 模型试验装置各物理量相似 系数 Ta
17、 b l e 1 T h e s i mi l a r i t y c o e f fic i e n t o f p a r a me t e r u s e d i n mo de l t e s t a n d s i t e wo r k 3 1 试样准备 土样取 自天津某吹填场地。试验前对试样加水 充分搅拌 , 薄膜密封静置 2 d后用环刀取样测试物理 性质, 试验成果见表 2 。孔隙比为 1 4 , 饱和度达到 9 8 2 。 表 2 天津某场地吹填 土的物理性质 T a b l e 2 P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s
18、 o f t c l a y f r o m T i a n j i n 土 样 密 度 含 水 率液 限土 粒 垫 旦 坌 ! 编 号 g cm ( ) ( ) 比 重 _52; O02057 5 。 0 070 o5 5 0 0 05 0 0 1 1 7 l 5 0 7 4 4 7 2 7 4 0 3 3 4 6 1 3 3 5 0 3 2 铺设水平排水垫层 模型箱底部铺 1 0 c m左右厚 的砂垫层 , 砂层 内 等间距埋设 4根水平排水管, 并与玻璃槽侧板 的排 水孔相连 , 在砂垫层上铺设土工织物以分隔砂垫层 和土样。排水孔直接与集水器相连。 3 3 土样填筑及监测仪器的布设 待水
19、平排水垫层铺设完成后 , 填筑土样。填筑 时采用从 一边逐 渐推 进 的方法 , 填筑 完后 , 静 置 2 4 h 。在土样填筑过程中进行监测仪器的布设 , 主要 为孔压计 , 分别 在土样 填筑高度为 2 0 c m、 5 0 c m 和 8 0 c m处 , 埋设三层传感器 ( 图2 ) 。 3 4 垂直排水系统的布设 装好 土样 后, 插入 4根 竖 向排 水 管 ( 间距约 3 5 0 m m) 。在土样上面再覆盖土工布, 并铺设 1 0 c m 厚的砂垫层。竖向排水管与上下砂垫层相连, 组成 水平和垂直联合排水系统。 图2 模型箱传感器布设图( 单位: m i l1 ) F i g
20、 2 Th e s k e t c h o f t h e d i s t r i b u t i o n o f s e n s o r s 3 5 夯击参数 夯击时采用群夯, 夯击遍数为 3遍, 按照图 3设 计的夯点位置和顺序进行夯击。锤重 1 2 k g , 落距 1 2 m 。根据公式( 1 ) 计算, 得到本次试验的单击夯 击能为 1 4 1 1 2 J 。 E=Q g h ( 1 ) 式中: E为单击夯击能 ( k J ) ;Q为锤质量( t ) ; g为 重力加速度( g=9 8 m s ) ; h为落距( m) 。 图 3 夯点示意图 F i g 3 T h e s k e
21、t c h o f t h e d i s t ri b u t i o n o f t a mp i n g p o i n t s 1 8 ( 6 ) 王珊珊等: 动力排水固结法加固吹填黏性土的模型试验研究 3 6静、 动态数据采集系统 试验前对仪器进行 调试 , 并标定 传感器 系数。 由传感器、 动态 电阻应变仪和数据采集器 、 P C机构 成动态数据采集系统 , 主要对孔压 的动态变化进行 采集。采集时问从夯击开始持续到夯击结束 。数据 动态采集结束。后期进行孔压静态观测 , 持续监测 孔压变化 , 直到孔压完全消散。 试验过程 中的排水量通过集水器来量测 ; 夯沉 量通过表面沉降标
22、来进行量测 , 量测夯坑底面标高 , 与夯前夯点的标高之差 即为此击的夯沉量。 4 试验结果及分析 4 1 土体夯沉量 试验过程中, 每一次夯击完毕, 使用 自制的沉降 标记录表面沉降量 ( 图 4 、 表 3 ) 。现场试验 可以看 到 , 夯锤落下时, 表面土体由于受到强烈冲击产生振 动。夯点处有较大 的竖 向位 移, 夯坑周 围 l O c m范 围内表面稍有隆起 , 隆起量约为 0 51 c m。 图4 沉降标测量表面沉降量 Fi g4 Us i n g s c a l e pl a t e f o r me a s u r i n g s e t t l e me n t 从各夯点不
23、同夯 击遍数对应 的夯沉量 ( 图 5 ) 可以发现 , 随着夯击遍数的增加 , 夯沉量在减少 , 且 各夯点的沉降量越来越接近 , 即随夯击遍数 的增加 土体变形量减小 , 平面各点的沉降量趋于一致 。 4 2 孔 隙水 压力 变化规 律 动力排水 固结法加固软土地基是一个瞬态响应 问题 , 夯击过程中孔隙水压力 的消散过程大致分为 表 3 各夯 击点沉降量表 Ta bl e 3 Se t t l e me n t s o f e a c h t a mp i n g p o i n t 图 5 各夯点位置处不同夯击遍数对应的夯沉量 F i g 5 S e t t l e me n t o
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