充水预压法处理非饱和土地基

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1、充水预压法处理非饱和土地基戚银生1?李凤琴2? 丁素琴3( 1. 中国石化集团勘察设计院? 河北?保定? 0710512. 河北农业大学城乡建设学院? 河北?保定?071001? 3. 承德恒达监理公司? 河北?承德? 067000)提要? 软弱非饱和土地基, 常采用复合地基加固, 但费用较高, 采用充水预压加固可达到提高地基强度、 减少工后沉降的目的, 并可有效降低工程造价。该文简单阐述非饱和土地基充水预压的加固机理, 结合油罐工程实例介绍充水预压荷载分级、 沉降监测的方法以及处理效果。关键词? 地基?非饱和土? 预压? 承载力? 沉降Treatment of Unsaturated Soi

2、l Foundation with Water- Filled Preload MethodQi Yinsheng1? Li Fengqin2? Ding Suqin3( 1. Geotechnical Investigation and Design Institute, SINOPEC2. Civil Engineering College of Hebei Agricultural University ? 3. Chengde Hengda Supervision Company)Abstract ? To reinforce the soft unsaturated soil fou

3、ndation, the composite foundation is usually used. Butthe engineering cost is high. The water- filled preload method can be used to come up to reinforce thefoundation,reduce the settlement and lower the cost effectively. The paper briefly discusses thereinforced mechanism of the unsaturated soil fou

4、ndation with the water- filled preload, based on an example of the oil tank engineering, introduces the load grades of the water- filled preload, the ways ofsettlement observation and the treatment results.Keywords? foundation; unsaturated soil; preload; bearing capacity; settlement作者简介: 戚银生, 男, 196

5、4 年生, 工学硕士、 高级工程师, 长期从事岩土工程的设计与施工。收稿日期: 2002- 12- 181?前言加载预压法作为处理饱和软土地基的常用方法已被列入规范1。根据饱和土固结理论, 可预测每级荷载下地基土强度的增长, 已进入实用阶段, 但规范中明确指出, 加载预压法适用于处理淤泥质土、 淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。而在我国北方许多地区地下水位较深地基土的饱和度小于 85%, 属非饱和地基土, 地基土由气、 液、 固三相组成, 有时承载力不能满足上部结构设计要求, 那么如何挖掘非饱和土地基的潜力一直是人们所关注的问题, 采用预压法加固非饱和土地基是一种有效的方法。非饱和土地基预压与饱和

6、土地基预压比较具有以下特点:1) 饱和土地基预压过程中排出的是水, 而非饱和土地基排出的是空气和水, 固结过程不只是孔隙水的消散过程, 还伴随孔隙气压力的消散, 在固结过程中饱和度会有所变化。2) 饱和土地基的排水途径一般是水平薄层砂层或设置竖向排水体( 如砂桩、 排水板等) , 而非饱和土地基中不一定具备渗透系数较大的排水途径。3) 饱和土地基的预压固结已有理论公式和规范作为设计依据, 而非饱和土地基由于孔隙气压力难以定量化使问题复杂化。对于油罐工程在建设期间边安装边充水或在试水期间, 可用水作为预压荷载对地基进行预压固结, 密度增大, 强度提高, 而且由于水的重度大于油的重度, 可实现超载

7、预压, 减少工后沉降。而且, 油罐充水速率易于控制、 沉降易于监测, 可实现信息化施工。石家庄某油库区地基土为非饱和土, 成功利用充水预压法进行地基处理, 提高了地30? ? ? ? ? ? ? ? ? 勘 ? 察 ? 科 ? 学 ? 技 ? 术 ? ? ? ? ? ? 2003年第 3 期基承载力, 并在该地基上建造了 21m 高的油罐,在工程实践上做了有益的尝试, 所得经验可为类似工程提供参考。2? 非饱和土地基的预压加固机理众所周知, 饱和土的预压固结机理是通过加载给地基土施加总应力, 促使饱和土中液体排出, 孔隙水压力消散, 使得颗粒间有效应力增大, 从而提高土的强度。非饱和土则在荷载

8、作用下, 排出空气和水, 颗粒间的有效应力同样增大, 弗雷德隆 德提出双变量理论 , 其非饱 和土的抗剪强度公式如下 2?ff= c + ( ?f- Ua)ftg + ( Ua- Uw)ftg b? ( 1)式中? ( Ua- Uw)f! ! 地基土破坏时在破坏面上的基质吸力; c ! ! 有效粘聚力;( ?f- Ua)f! 破坏时破坏面上的净法向应力;! 与净法向应力状态有关的内摩擦角;b! ! 表示抗剪强度随基质吸力增加而增加的速率。由( 1) 式不难看出, 当基质吸力为零时, 孔隙水压力接近孔隙气压力, 式( 1) 则变为饱和土的抗 剪强度公式; 当施加预压荷载后, 总应力增加, 孔隙水

9、压力和孔隙气压力消散后, 土粒间的有效应力增大, 抗剪强度相应提高。由于目前孔隙气压力难以量测和计算, 因而无法定量预测地基土强度的增长, 所以石家庄某 油库区工程借鉴饱和土的工程经验, 制定了预压加荷计划, 而且加强预压期间的沉降监测, 避免地基破坏现象发生。3? 工程概况石家庄某油库区拟建 12 个内浮顶油罐, 容积为1?5 104m3, 直径 30m, 高度 21m, 采用环墙式基础, 基础高度 2?3m, 基础埋深 1?0m, 基础底面设计最大压力为 240kPa, 根据规范*, 环墙基础! s? L # 0?0025( ! s 为罐周边相邻观测点之间的沉降差, L 为罐周边相邻观测点

10、之间的弧长) , 基础 直径方向沉降差不大于 180mm。4? 场地的工程地质条件场地地层属第四系冲积层, 上部土质较松软, 下部逐渐变硬, 各土层的物理力学性质如表 1 所示。主要加固层是 、 % 层, 层为粉土, 局部夹粘土薄层, 褐黄色, 有姜石, 含氧化铁和云母, 可 塑。 % 层为粉质粘土及粉土, 黄褐色及灰绿色条纹, 含氧化铁, 有针状孔隙, 土质不均匀, 软塑 ! 可塑。地下水位 20m, 基础底面以下 加荷速率太慢, 影响工期。为了确保充水预压成功, 首先在 T102 罐进行充水试验, 然后再用于其它罐, 根据已有饱和土的工程经验, 充水速 率控制在 200 400mm? h

11、之间, 本工程充水加荷分为5 级, 具体加荷计划如表 2, 总充水高度 21m, 加载历时 332h, 考虑环墙基础和罐体的自重后, 绘 制加荷分级曲线如图 1。表 2? 充水加荷计划充水级别充水速率mm ? h充水高度m充水周期h14006632400663330046142003635200382图 1? 加荷分级曲线7? 沉降监测7?1? 沉降观测点的布置充水预压属信息化施工, 基础沉降监测是其重要环节, 首先在环墙基础上预埋沉降观测点, 其分布如图 2。图 2? 沉降观测点分布7?2? 沉降控制参数充水预压期间, 沉降观测数据是指导充水加 荷的依据, 加荷期间应满足如下控制参数:1)

12、沉降速率控制不超过10mm? d;? ? 2) 每级荷载下沉降稳定标准为 24h 内沉降小 于 3mm;3) 当总荷载下固结度达到 80% 时, 放水卸荷。固结度的计算依公式 U= sct? sc 3( 其中 sct为某时刻的固结沉降; sc为土层的固结沉降) , sc可用规范法进行计算, 根据实测的每级荷载下的沉 降值 sct和计算得到的 sc, 从而可计算出各级荷载下的固结度如表3 所示。为防止地基失稳, 当出现下列情况时停止充水:1) 周围地面明显隆起或有裂缝出现。 2) 荷载增加时沉降量急剧增加。3) 稳压期间, 沉降无衰减迹象。7?3? 沉降观测沉降观测按二等水准进行, 每天观测一次

13、, 每 级荷载作用下达到稳定标准时的沉降观测数据如表 3。表 3? T102罐沉降观测数据水位高度mm不同观测点的沉降值? mm123456789101112平均沉降值mm固结度%637383540434644474542474242211272777283909491969388968987441610210698115126127124137138129134132122621914515013814215516116016716415916216115578211641591591551621711671701661661731661658301611581571541621701651

14、69164164171163163828? 预压效果预压后地基承载力设计值达到 240kPa, 较天然地基提高了约35% 。预压过程中, 环墙基础沉 降表现为摇摆下沉, 基础最大沉降差发生在 3#与4#测点之间, 为 17mm, 直径两端最大沉降差发生32? ? ? ? ? ? ? ? ? 勘 ? 察 ? 科 ? 学 ? 技 ? 术 ? ? ? ? ? ? 2003年第 3 期在10#与 4#测点之间, 为 11 mm, 相邻观测点沉降差和直径两端最大沉降差均满足规范要求。放水后总预压荷载下固结度达到 82% 。按规范法 计算使用荷载下的固结沉降量为 189mm, 则经计算其工后沉降值为 25

15、mm。根据表 3 中数据可绘制 s- t 曲线如图 3 所示, 曲线呈缓变形, 未出现地基破坏迹象。目前此油罐已投用 2 年, 使用正 常。图 3? s t 曲线9? 结语1) 非饱和地基采用充水预压法加固, 可提高地基承载力, 减少工后沉降。充水预压法处理非饱和土地基的成功应用拓展了预压法的应用范围, 可为类似工程提供参考。 2) 沉降监测是预压法的关键步骤, 预压期间应及时分析沉降观测结果, 用以调整加荷计划和防止地基破坏现象发生。3) 非饱和土地基在预压过程中排出空气和 水, 饱和土地基预压只排水。本文只是工程应用,而非饱和土地基预压荷载的分级计算、 孔隙气压力和孔隙水压力的计算以及土的

16、性质对预压效果 的影响等问题有待进一步研究。参考文献1? 中国建筑科学研究院. JGJ79- 91? 建筑地基处理技术规范. 北京: 中国计划出版社, 19912? 弗雷德隆德 D G, H 拉哈尔佐著. 非饱和土土力学. 陈仲颐等译. 北京: 中国建筑工业出版社, 19983? 华南理工大学等四院校合编. 地基及基础. 北京: 中国建筑工业出版社, 1998.注册岩土工程师专业考试复习要点和模考练习/ 一书即将出版? ? 由清华大学陈轮编著的.注册岩土工程师专业考试复习要点和模考练习/一书将于 2003 年 8 月由清华大学出版社出版发行, 并在各大书店出售。参加执业资格专业考试的岩土工程师, 来自工业与民用建筑岩土工程专业领域, 考试内容涵盖岩土工程勘察、 浅基础、 深基础、 地基处理、 土工结构! 边坡与支挡结构! 基坑与地下工程、 特殊条件下的岩土工程、 地震工程以及工程经济与管理等八个专题。在比较紧张的考前准备中, 需要学习和复习的内容很多, 为在较短时间内较全面、 熟练地掌握这八