考虑排水板土柱效应的软土地基固结特性研究_张振.pdf

DOI:10.12170/20220614002张振，米占宽，朱群峰，等.考虑排水板土柱效应的软土地基固结特性研究 J.水利水运工程学报，2023（2）：70-79.（ZHANGZhen,MI Zhankuan,ZHU Qunfeng,et al.Study on consolidation characteristics of soft soil foundation considering soil columneffect of PVDsJ.Hydro-Science and Engineering,2023（2）:70-79.（in Chinese）考虑排水板土柱效应的软土地基固结特性研究张 振1，米占宽1,2，朱群峰1，占鑫杰1，许小龙1(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.水利部水库大坝安全重点实验室，江苏 南京 210029)摘要:近年来，在真空预压工程中发现排水板附近的细小土颗粒抱团聚集导致排水板淤堵、排水性能急剧降低的现象，即土柱效应。该现象大多发生在处理新近疏浚和吹填淤泥的软基工程中，在天然沉积软土中尚不多见。基于松嫩平原某软基处理工程中遇到的深层软土固结缓慢问题，结合土柱效应开展数值分析，通过对土柱区渗透系数的反演分析给出其衰减系数，认为天然沉积软土在满足特定条件后也会产生土柱效应，其原因在于受软土的高含水率、强流动性、粒径级配与排水板孔径不适配等综合因素的影响。研究结果可为类似工程的地基加固提供借鉴。关键词：真空联合堆载预压；软基处理；土柱效应；数值模拟；排水固结中图分类号：TU470 文献标志码：A 文章编号：1009-640X(2023)02-0070-10 自瑞典 Kjellman 于 1952 年提出真空预压这一技术以来，随着密封和抽气问题的解决及 PVDs（塑料排水板）的发明，真空预压技术得到了快速发展和大规模运用。大量工程实践证明，该技术可以有效改善软土地基的排水性能、加速其排水固结过程、缩短工程工期，但也会遇到地基土层强度增长缓慢，固结效果不佳的问题1-2，某一深度土体强度增长远低于其他土层，其产生原因尚未得到合理解释。在疏浚淤泥吹填工程中，有不少工程遇到了类似问题。学术界提出采用土柱效应来解释吹填淤泥因板周淤堵而产生的固结缓慢现象。在抽真空的过程中，如表 1 所示的孔隙比大、含水率高、颗粒较细和流动性较大的淤泥，土颗粒很容易随孔隙水一起流动，迁移吸附在排水板周围，随着抽真空的持续进行，排水板周围的土颗粒会越聚越多，最终形成一个紧紧包裹住排水板的泥柱，泥柱将外围土体与排水板之间的径向排水通道基本隔绝，使泥柱以外的土体不能排水固结。唐彤芝等3通过现场“油桶试验”证明了这一现象的存在；鲍树峰等4通过室内真空预压试验模拟固结失效过程，将其原因归结为排水体的反滤层孔径与淤泥黏粒粒径大小不匹配及真空加载速率过快；Deng 等5通过压汞法探究了土体孔隙大小随时间的变化，指出土柱的形成原因是土体中的胶体颗粒填充了土柱孔隙；蔡袁强6利用 PIV 和 PIT 技术对土柱的形成过程进行了研究，认为含水率越高、土颗粒越细的淤泥所形成的土柱越密实，其周围土体的孔压消散速率就会越慢。不同于涂抹效应所形成的涂抹区，土柱区内渗透系数的下降过程所持续的时间较长，随着板周孔隙不断被细颗粒填充，其渗透性也随之下降，涂抹区的渗透系数一般为外围区域的 1/31/5，而土柱区的渗透系数仅为外围区域的 1/100 甚至更低。目前，关于“土柱”现象的研究大多基于疏浚淤泥及吹填淤泥，因天然沉积的河湖淤泥中这种现象并不多见，但可以推测，若能满足“土柱”的形成条件，不论是吹填淤泥还是自然沉积的河湖淤泥，皆可能由 收稿日期：2022-06-14基金项目：江西省水利厅科技项目（202124ZDKT06）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（Y320005）作者简介：张振（1996），男，安徽滁州人，硕士研究生，主要从事土工数值计算研究。E-mail： 通信作者：米占宽（E-mail：）第 2 期水利水运工程学报No.22023 年 4 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERINGApr.2023于板周土柱效应而导致排水固结缓慢。在对松嫩平原某软基工程进行真空联合堆载加固时，发现坝基部分土层孔压难以消散、土体强度增长缓慢的现象，本文在比较分析该地基土物理特性的基础上，基于土柱效应分析地基固结缓慢的原因，可为类似工程的地基加固提供借鉴。1 工程概况 1.11.1工程地质条件研究工程位于松嫩平原，最大坝高 17.1 m，坝址区地层主要有第四系全新统湖沼沉积的壤土、砂壤土、淤泥质黏土和黏土，地基土层分布情况及加固前后原位十字板强度试验结果如图 1 所示。3和4淤泥质黏土层，具有高孔隙比、高含水率、高压缩性、低强度和高有机质含量的软土典型特性，其强度及承载力无法满足正常施工及使用要求，设计采用真空联合堆载预压方法对坝基软土地基进行处理。从加固前后的原位十字板强度测试结果来看，3和4土层土质虽类似，但3土层强度增幅较为明显，而4土层强度增幅较小。经长达 2 年的固结，4土层强度仍未达到可以正常使用的标准，这一现象与理论计算结果及以往的工程经验相去甚远。含水率沿深度的分布见图 2。可见，05 m 的浅层地基及 20 m 以下的深层地基土体含水率较低，均在20%30%，520 m 土层的含水率急剧上升，其中 1015 m 含水率超过了 90%；3和4虽均为淤泥质黏土，但3土层含水率均值在 50%左右，4土层含水率均值在 70%左右，4土层含水率明显大于3土层。液性指数沿深度的分布见图 3，可见3土层大部分和4土层全部处于流塑状态，具有较强的流动性。表 1 疏浚、吹填淤泥土体的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of dredging andblow-fill sludge资料来源含水率/%液性指数黏粒质量分数/%文献783.61.620.0文献878.03.217.5文献983.52.235.3文献10105.02.240.0文献1190.01.641.3文献1295.03.043.0 地层编号地层名称柱状图(1200)孔压测点黏土壤土砂壤土淤泥质黏土淤泥质黏土十字板强度测点层底高程/m土层厚度/m123.80118.30117.00113.40106.70101.804.906.703.601.305.50024681012141618202220406080100 12012341加固前十字板强度/kPa加固后十字板强度/kPa 图 1 土层分布及加固前后十字板强度对比Fig.1 Soil layer distribution and comparison of vane shear strength before and after reinforcement 第 2 期张 振，等：考虑排水板土柱效应的软土地基固结特性研究713和4土层的级配曲线见图 4，粒径主要集中在 0.0050.075 mm，0.005 mm 以下黏粒含量约为40%，级配不良，3和4土层没有明显差别。1.21.2堆载施工过程采用 100-C 型塑料排水板，穿透4土层进入下部1土层 1 m，平均深度为原地面以下 18 m，间隔1 m 正方形布置。排水板打设完成后，从 2020 年8 月 8 日开始抽真空，60 d 后开始堆载。坝体填筑过程大致可分为 3 个阶段：第 1 阶段为 2020 年10 月至 2020 年 11 月，荷载从 0 堆至 86.5 kPa，冬歇期静置固结约半年；第 2 阶段为 2021 年 5 月至2021 年 7 月，荷载从 86.5 kPa 堆至 193.2 kPa，雨季静置固结约 1 个月；第 3 阶段为 2021 年 5 月至2021 年 10 月，荷载从 86.5 kPa 堆至 295.8 kPa，之后静置固结约 200 d，整个堆载施工过程持续约 600 d，堆载过程如图 5 所示。1.31.3真空预压施工过程真空联合堆载预压断面图见图 6。采用无砂垫层真空联合堆载预压法，塑料排水板以 1 m1 m 间距布设，直接采用手型接头与水平真空支管连接，水平真空支管和主管均为高强度 PVC 螺旋型弹性钢丝管，真空泵为大功率的节能型集成真空泵，同时在场地布置集水井与真空泵连接。膜下真空度的时间曲线见图 7。该工程于 2020 年 8 月 8 日开始抽真空，在 15 d 内真空度逐级加至并基本稳定在最大值 80 kPa，于 2021 年 12 月 1 日结束抽真空，冬季受环境温度影响停泵。工程后期膜下真空度曲线虽受施工过程中一些不可控因素影响出现了震荡，但开泵期间基本维持在 80 kPa，密封良好。深层土体真空度尤其是地下水位以下的真空度无法准确测量，但其表现形式与孔压的变化具有相关性，可结合超静孔隙水压随时间的变化过程综合分析。025201510501020含水率/%深度/m3040506070801009034 图 2 含水率沿深度变化曲线Fig.2 Variation curve of water content along depths 0.480.75 1.0910111213141516170.6 0.8 1.0 1.2 1.4液性指数可塑软塑流塑1.6 1.8 2.0 2.2深度/m34 图 3 液性指数沿深度变化曲线Fig.3 Variation curve of liquid index along depths 0.0750.005砂粒粉粒黏粒1.00204060801000.10.010.001粒径/mm小于某粒径的土质量占土样总质量的百分率/%34 图 4 3和4层粒径级配曲线Fig.4 Particle size grading curve of 3 and 4 soil layers 2020-08-020501001502002503002021-02-282021-09-262022-04-24日期堆载/kPa 图 5 堆载-时间过程曲线Fig.5 Load-time curve 72水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 4 月 1.41.4超静孔压发展过程分析一般而言，超静孔压随着上覆荷载的作用发生变化，抽真空使孔隙水压迅速下降，土体内部产生负的孔隙水压，当真空荷载稳定后，孔隙水在真空负压作用下排出，孔压快速消散，有效应力增大，地基土强度随之提高，在上部加载后重复这一过程，稳定后地基强度继续增加，这一过程体现了排水固结作用的有效应力原理13。孔压测点位置如图 1 所示，在原地面以下 018 m每 3 m 设置 1 个测点，背水侧测点超静孔压变化过程如图 8 所示。可以看出，不同深度超静孔压的发展规律不尽相同，其规律主要表现为如下 3 种形式：浅层 3 和 6 m 处的孔压消散迅速，且在抽真空作用下呈现负压，这说明该部位土层固结效果较理想；9、12 和 15 m 处的孔压在堆载过程中快速升高，且后续消散缓慢，这3 个监测点全都位于4土层中，说明此土层的固结效果不理想，该现象与十字板原位强度测试结果一致；深度 18 m 处在抽真空初期呈现负压状态，后期基本维持在较低水平，这说明此处孔压消散较快，真空作用可以传递至排水板底部但存在一定的衰减，也说明在整个固结过程中排水板尚未因淤堵或弯折等原因出现排水失效。分析表明中下部淤泥质黏土层的孔压无法消散与排水板板周形成了土柱有关。壤土编织布1原地面线排水板 1 m1 m布置坝轴线140.40123.80130.00复合土工膜1无纺土工布1密封膜3无纺土工布1编织布1水平真空管砂壤土淤泥质黏土(软塑)淤泥质黏土(流塑)黏土12341 图 6 真空联合堆载预压断面（部分）（单位：m）Fig.6 Section of vacuum combined surcharge preloading(part)(unit:m)020膜下真空度/kPa4060801002020-08-082021-04-