吹填土快速固结方法试验研究

［文章编号］1002-8528（2012）11-0058-04

建筑科学Vol.28，No.11Nov．2012

BUILDINGSCIENCE

吹填土快速固结方法试验研究

丁贞东，武亚军（上海大学土木工程系，上海200072）

［摘要］针对吹填淤泥质土渗透性差和含水量较高带来的处理时间长，难度大等突出特点，设计室内模型试验，采用真空井点降水并结合低能强夯对吹填土进行处理，在试验过程中对土体真空度、孔隙水压力等进行了测量记录分析，总结吹填淤泥质土中真空度和排水量在试验过程中变化规律。通过数值计算软件模拟室内模型试验，进一步分析本次试验过程，得出真空井点降水结合低能强夯方法对吹填淤泥土有较好的加固作用。

［关键词］真空井点降水；低能强夯；模型试验；数值计算［中图分类号］TU36+3；TU41［文献标识码］A

StudyonRapidConsolidationMethodforDredgerFill

DINGZhen-dong，WUYa-jun（DepartmentofCivilEngineering，ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China）

［Abstract］Takingtheoutstandingtraitsoflowpermeabilityandhighwatercontentfordredgerfillintoaccount，itwillcostmuchtimeandmucheffortonfoundationconsolidationimprovement．Inindoormodeltest，thevacuumdewateringandlow-energydynamiccompactionondredgerfillareapplied，thesoilvacuumdegreeandporewaterpressureinexperimentprocessarerecord，andtherulesonthedredgerfillaresummarized，thenumericalcalculationsoftwareisusedtosimulatetheindoormodeltest，furtheranalysisofthetestismadeonsomeparameterssuchasvacuumdegree，settlement，andporewaterpressure，moreover，thecorrespondingchangingprinciplesareinvestigated．Throughthetest，thismethodcanbeusedforthedredgerfill．

［Keywords］vacuumwelldewatering；low-energydynamiccompaction；modeltest；numericalsimulation

1引言2室内模型试验

由于岩土工程的复杂性，模型与原型不可能在

［4］

近年来沿海一带利用滩涂围海造地工程越来越孔隙比大、压缩性多。新近吹填土具有含水量高、

强度低、渗透性差和承载力低等特性，通常不能高、

满足工程建设需求，必须进行地基处理。软土地基如低能量强夯法处理的加固方法很多，压法

［2］

［1］

每个方面都满足相似原理，只能根据实际研究的

问题，在主要条件上满足相似原理的要求。分析现发现影响真空井点降水和低能强夯试场施工过程，

验主要因素有：真空降水土层中的真空度、井点管的间距、布置在土层排水软管的半径以及低能夯击能量。真空井点降水联合低能强夯原型试验条件受到并且原型试验耗资大施工因素影响难于控制，

［5］

、真空预

［3］

、真空井点降水法等等。传统的吹填土加

固方法已经不能满足现代经济社会建设发展的需要，实际工程中越来越多的采用两种或两种以法能够充分发挥井点上的地基处理技术，将它们有机的结合起来，不仅处理效果大大加强，工期缩短，而且也产生了可观的经济价值。真空井点降水联合低能强夯就是这种新的复合式地基处理方法。该法能够充分发挥真空井点降水和低能强夯的技术优势。

［收稿日期］2012-06-21

［基金项目］上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金（编号

A．07-0118-07-002）

［作者简介］丁贞东（1984-），男，硕士［联系方式］zhendongding@yahoo．cn

。

通过改变土层井点管中真空度研究在真空降水时吹排水量的变化规律笔者在上一篇填土内真空压力、文章

［6］

中已进行过讨论。本次模型试验主要介绍

经过降水后吹填土在低能强夯作用下的孔隙水压力的变化规律。2.1

模型试验设备

（1）模型箱：采用钢化玻璃制成，厚度为12mm，长宽高为100cm×80cm×80cm。

（2）孔压计：采用TEN系列机械式孔压计，90cm和40cm长度的各一只，60cm长度的两只。

第11期丁贞东，等：吹填土快速固结方法试验研究

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（3）真空表：电接点可控式真空表两只，可以控制真空泵的运转情况，将真空度始终维持在某一设定值。还有普通真空表若干只。

真空泵的出口真空度，采用普通真空表测量滤头处的真空度；

（2）孔隙水压力：测量井点管滤头处的孔隙水测量水平距离井点管滤头5cm、深度25cm处压力、

土中的孔隙水压力以及测量水平距离井点管滤头10cm、深度25cm处土中的孔隙水压力；

（3）含水量：采用烘干法对模型试验前后土样的含水量进行量测；

（4）粘聚力和内摩擦角：采用直剪试验对模型试验前后土样的粘聚力和内摩擦角进行测试。

图1模型试验模型箱

3.2试验结果与分析

图2所示是设定井点管中真空压力为80kPa

2.2模型试验方案

为了模拟吹填饱和软粘土地基处理，取上海软

时，模型箱中土表层沉降随时间的变化。真空井点排水过程中，土样表面沉降量变化比较平缓，2700min后沉降量约36mm，在2700min时，施加低能强夯一次，沉降量有突变，平均增加量达30mm，在夯击一次后继续抽真空降水至试验结束时（3000min）沉降总量可达75mm。试验照片如图3所示。

土第4层土—灰色淤泥质粘土，土样取回后先在泥浆桶内兑水稀释并搅拌均匀，制成物理性质如表1所示的仿吹填土样，然后再将拌匀的土样装入模型箱中，厚度达45cm，表面抹平，土样体积约0.36m。井点管采用直径为8mm的塑料软管，总长为60cm，管下部为25cm钻孔并用土工布包裹好作为透水滤头，插入试样中埋深40cm，外露20cm，外露端直接与抽真空系统（真空泵和气水分离器）的总管连接。

表1

指标土样

含水量

w/%56.73

3

土样物理力学性质

－3

密度·cmρ/g1.63

孔隙比

e1.37

粘聚力c/kPa12

内摩擦角φ/°

9

通过电接点式真空表控制井点管中的真空度维持在80kPa进行试验。连续抽真空降水2700min后进行强夯试验，满夯一遍，继续进行真空降水至3000min。强夯能量初步定为1N·m。选择夯锤重为500g，底面直径为22mm，锤底静压力13.2kPa。在实际工程中软粘土强夯一般采用锤重约60～100kN、直径2.2～2.4m的轻型夯锤，夯锤锤底静压力一般为13～26kPa，与模型试验的锤底压力相当，故本模型试验可模拟现场工况。

图2动力排水固结法处理沉降－时间曲线

图3低能强夯法处理

3

3.1

模型试验结果与分析

试验测试方法

在模型试验过程中进行真空度、孔隙水压力、土

土样物理力学性质改善情况见表2。试验进行至2700min时与原土样相比含水量降低了26.2%，孔隙比减小了24.8%。施加低能强夯后继续进行真空降水至3000min，各项指标与原土样相比改善更为明显，含水量降低了32.6%，孔隙比减小了

体内聚力及内摩擦角多项测试，具体方法如下：

（1）真空度：采用可控式真空表测量以及控制

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建筑科学第28卷

33.6%，其余各项指标也相应得到了不同程度的提高。由此看出，真空井点排水联合低能强夯处理吹填土的效果还是十分明显的。

表2

指标试验前2700min时3000min时

真空井点排水法联合低能强夯处理效果对比

含水量

w/%56.7341.8638.24

密度·cmρ/g1.631.1.94

－3

孔隙比

e1.371.030.91

粘聚力c/kPa1218.129

内摩擦角φ/°

916.817.7

图55cm处试验值与数值模拟值

4

4.1

数值模拟

基本假定及有限元计算模型基本假定为：

（1）模拟范围内的地基为均质各向同性弹塑性

体；

（2）选择Mohr-Coulomb弹塑性模型；（3）不考虑地下水及地下水面的影响；（4）在计算中仅考虑重力的作用；

（5）真空荷载通过改变边界孔隙水压力来实现。

根据室内模型试验的尺寸，建立长（X）×宽（Z）×高（Y）为100cm×80cm×40cm的模型，如图4所示。

图6

10cm处试验值与数值模拟值

度为70kPa和80kPa时，模拟值与试验值变化趋势相同，但数值相差较大，初步分析原因可能是真空压力传递过程中有损失，当真空度为90kPa时，模拟值说明真空压力越大时，井点周围与试验值基本一致，的土体加固范围越大。4.2.2

低能强夯模拟结果

本次数值模拟中，夯锤从20cm的高处自由落体下落，在瞬时对接触夯锤的土体产生很大的动能，使夯锤底部的土体得到不同程度的压密。在强夯动力荷载作用下，夯锤下土体受到比较强烈的冲击，产单点夯沉量不仅生较大竖向位移。在实际工程中，

同时又是决是强夯有效加固深度大小的重要参数，

定夯击次数的标准。从图7中可以看到监测点在夯击1s后瞬间沉降为2.83cm，而室内试验中瞬间沉降为3cm。孔隙水压力在试验中没有显著上升主

图4有限元单元

4.24.2.1

数值模拟结果真空压力比较

对应室内模型试验，在数值模型相同位置中设

置监测点，图5和图6中分别为距井点5cm和10cm6］。处的真空压力。其中试验值参见文献［

由图5可见，在5cm监测点处模拟数值与试验数值很接近，试验初期真空压力下降的曲线都比较陡，接近40kPa后，真空压力变化逐渐趋缓。

由图6可见，在10cm监测点处，当井点管真空

图7

夯击沉降图

第11期丁贞东，等：吹填土快速固结方法试验研究

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要是抽真空仍然在继续，导致测点的孔压变化不是很明显，不过在数值模拟过程中，在1/3s内还是有见图8，随即逐渐降低。图7所示为模型单升高的，

元在单次夯击下的Y方向沉降。图8所示为强夯后短时间内孔隙水压力的消散。

5结语

本文通过室内模型试验与数值分析相结合对真空井点降水联合动力固结处理吹填淤泥质土进行了可以得出以下结论：较深入的研究，

（1）动力排水固结法在真空井点排水的基础上不仅可以进一步压密土体中的空隙，增加夯击工艺，

直接提高土体强度，而且还可以产生较高的超孔隙随着时间的增长强度再进一步提高。水压力，

（2）在真空井点降水一段时间后结合使用动力夯击，土体内的孔隙水压力有明显的上升，土体内渗流的现象也加强了。

（3）建立了与室内试验的数值模型，比较数值模拟结果和室内试验数据，二者较为吻合，类似的室内试验可以用数值模拟进行验算。

［参考文献］

［1］钱家欢，浅学得，赵维炳．动力固结的理论与实践［J］．岩土

8（6）：1～17．工程学报，1986，

［2］Zhoujian，Suyan，Jiamin-cai，Liuyang，In-situtestson

vacuumdynamicconsolidationtoimproveahydraulicfillground［J］．ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2005，27（9）：1091～1096．

［3］武亚军，张孟喜，徐士龙．高真空击密法吹填土地基处理试验

研究［J］．港工技术，2007（1）：43～46．

［4］袁文忠．相似理论与静力学模型试验［M］．成都：西南交通

1998．大学出版社，

［5］王安明，黄志全，李彰明．动力排水固结模型试验设计研究

［J］．地下空间与工程学报，2007，3（6）：1081～1084．

［6］丁贞东，武亚军，邹道敏．吹填淤泥质土井点降水模型试验研

26（7）：22～25．究［J］．建筑科学，2010，

图8监测点的在夯击瞬间的孔隙水压力变化图

4.2.3渗流影响变化

强夯对土体内的渗流影响还是很明显的，对比图9和图10，只进行真空井点降水时，受真空压力和重力影响上部的渗流比较弱，中下部较强。而在施加强夯的一段时间内，土体受夯锤冲击力的作用，上部渗流明显加强，渗流速度、渗流量都出现了增大。

图9真空降水渗流图

（上接第57页）

［4］GB50007－2011建筑地基基础设计规范［S］．［5］JGJ106－2003建筑基桩检测技术规范［S］．

［6］张延庆，苑辉，屈展，高华东．挤扩支盘桩抗拔性能试验研究

［J］．工程力学，2008，25（z1）：82～85．

［7］钱德玲．支盘桩抗压和抗拔特性的研究［J］．岩土力学，

2003，22（3）：517～520．

［8］黄占芳，刘永强．上拔荷载作用下挤扩支盘桩试验与荷载传

图10真空降水联合动力固结渗流图

递机理的分析［J］．建筑科学，2010，27（7）：17～21．

［9］李枫，宋焕豹，周云东．挤扩支盘桩的承载特性［J］．河海大

学学报，2010，38（2）：202～205．