摘要
通过重塑土的一维物理试验研究了软土注气增压排水效果的内在机理。试验系统包括增压装置、软土压密(劈裂)观测装置、排水量测量装置等。随后观测了软土沉降、排水过程及裂隙发育特征。结果表明:压力气体通过孔隙水的驱替与孔隙的弹塑性扩张实现土体排水压密与劈裂,同时结合表层土体的明显薄弱特征(或裂隙)、平整密实程度,可将注气增压作用下的软土排水增效机理分为排水且劈裂、排水并压密与排水且贯通3种排水增效机制。
港口、码头、海上机场等大型工程往往需要耗费大量的疏浚泥土以形成地基,这些土的最大特点是含水量高、抗剪强度低、渗透性差。因此,对吹填所形成的软土地基进行加固改造,使其达到相应承载力要求,将是首要任务。
依靠软土地基自重和堆载预压实现土体加固的效率是很有限的,因此促进土体固结的快速方法如真空预压
目前对真空预压联合注气法的研究主要集中在工程应用和试验验证上。在工程应用方面,Shen
不同学者对真空预压联合注气法中压力气体辅助真空预压时的加固机理有不同看法。由雷华阳
针对压力气体辅助真空预压时的加固效果,通过重塑土的一维物理试验,模拟了注气增压作用下气驱排水3个阶段全过程,并结合各阶段的土体沉降与排水数据对3个阶段进行了科学划分,研究了多工况下的排水增效表现。通过储水管内的水位变化进行水压力动态测试,得到了排水量变化的全过程。通过排水数据,分析了提升气体压力、土体初始裂隙所能带来的排水增效表现,研究了土体表面覆水逐渐减少直至气体进入土体内部的过程、土体沉降特征与排水量的关联度,以及土体表面孔、空腔或裂缝的形成机制。注气增压作用下的软土排水增效机制很复杂,探究了压力气体对土体的劈裂作用及排水增效表现,有利于更深层次地认识与利用真空预压联合注气的地基处理方法。
试验在同济大学水利港口综合实验室进行,试验用土(灰色淤泥质黏土)取自上海某河道整治工程,取样深度约为10 m,基本土性参数如
含水率/% | 天然重度/(kN | 孔隙比 | 渗透系数/(cm | 固结快剪参数 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
kh | kv | c/kPa | φ/(°) | |||
49.9 | 16.8 | 1.402 |
1.22×1 |
9.24×1 | 11 | 11.5 |
注: kh为水平渗流系数;kv为竖向渗流系数;c为黏聚力;φ为内摩擦角。
为保证试验的科学性与可重复性,室内模型试验采用重塑土,取原状土后,根据常规的烘干、粉碎、筛分等过程制备重塑土样以备试验之用。试验装置采用自主研制的试验设备(见

图1 试验装置
Fig.1 Experimental device
土体固结过程中压力气体可起到搅拌作用、增压作用与劈裂作用,而在实际应用中主要利用压力气体的增压作用与劈裂作用。试验方案的设计需充分兼顾以下3点:①为了体现压力气体的增压作用与劈裂作用,设置不同气压值;②为了模拟土体表面的气‒水界面变化过程,在已制好的土样表面滴上一定质量的水进行覆盖;③考虑到土体表面往往具有初始缺陷,故设置了一个土样表面存在微裂缝的试验组。共设置7组试验,气压为15~35 kPa,按5 kPa递增,具体试验方案如
试验组别 | 气体压力/kPa | 是否存在微裂缝 |
---|---|---|
1 | 0 | 否 |
2 | 15 | 否 |
3 | 20 | 否 |
4 | 25 | 否 |
5 | 25 | 是 |
6 | 30 | 否 |
7 | 35 | 否 |
试验主要包括以下步骤:
(1)试验所用的原状土烘干、碾碎、过筛。为了使土样充分烘干,烘干时间在24 h以上,每隔12 h取样进行称量,直至相隔2次土的质量之差在0.01 g以内。之后,碾碎烘干的土样,并过0.5 mm的筛,目的是将其中的粗颗粒、草根等去除。
(2)采用泥浆制样
(3)在制备好土样后,用滴管吸取31.4 g水慢慢滴入土样,使每个土样表面覆水(高度大约4 mm左右),目的是模拟土体表面的气‒水界面变化过程中压力气体对软土排水驱动力的转变过程。
(4)利用空压机对气囊充气以形成增压,使之达到试验所需压力,同时将集水监测系统中的储水管清空、水压力传感器清零,然后开始试验,直至气体穿破土体便停止试验。
在试验进行过程中,监测储水管中的水压力变化,并以固定间隔时间拍照(间隔时间根据注气压力大小适当调整),便于后期分析。
根据储水管中的水压力变化与定时定点照片,分析压力气体驱使土体排水(简称为气驱排水)而产生的沉降过程,然后根据排水量与土体沉降定量分析压力气体的作用。结合土体破坏形态,讨论压力气体作用下的气驱排水增效机理。
无论土体表面是否存在微裂缝,气驱排水沉降过程都基本相同,以35 kPa气压下的土体排水沉降过程为例,土体排水沉降过程如

图2 35 kPa下土体排水沉降过程
Fig.2 Drainage and settlement process of the soil at 35 kPa
土体表面一旦覆水,则其排水沉降过程必将经历实际工程中土体表面的气‒水界面变化过程。气驱排水所经历的过程为:阶段一(
依据储水管规格,将试验中所测得的水压力变化过程转换成累积排水量过程,该排水量包含土面覆水的31.4 g水。由于试验停止是以压力气体击穿土体为准,因此0 kPa下的自重排水沉降所用时间最长,为890 min。为了整体图形的整齐性与可比性,在绘制图形时,将其他气体压力下的时间延长至890 min,如15 kPa的试验时间为386 min,在第386 min的排水量为65.598 1 g,而后从387 min至890 min的排水量保持不变,为65.598 1 g。不同压力下气驱排水沉降的总排水量如

图3 不同气体压力下总排水量
Fig.3 Total water discharge at different values of boosted air
试验组别 | 气体压力/kPa | 总排水量/g | 气驱排水增量/g |
---|---|---|---|
1 | 0 | 7.00 | |
2 | 15 | 32.20 | 25.20 |
3 | 20 | 65.40 | 33.20 |
4 | 25 | 87.55 | 22.15 |
5 | 25 | 60.66 | |
6 | 30 | 96.74 | 9.19 |
7 | 35 | 102.95 | 6.21 |
由
为进一步描述不同气压下气驱排水效果,定义排水效率(Ri)为相邻两时间点[ti,ti+1]的排水量[wi,wi+1]之差与其时间之差的比值,即:
(1) |
取时间间隔为1 min,即ti+1-ti=1 min,以20 kPa下第200 min的排水效率为例,将w201= 85.830 3 g,w200=85.704 3 g代入

图4 不同气体压力下排水效率
Fig.4 Drainage efficiency at different values of boosted air
由
以气体压力25 kPa、25 kPa(存在微裂缝)、30 kPa、35 kPa下的气驱排水量为例,根据定时定位照片确定压力气体直接作用于土体表面的时间点,以该时间点确定阶段一、二和阶段三的持续时长,其中排水量包含土面覆水的质量(31.4 g),具体如
试验组别 | 阶段一、二 | 阶段三 | ||
---|---|---|---|---|
持续时长/min | 排水量/g | 持续时长/min | 排水量/g | |
4 | 95 | 67.57 | 135 | 51.38 |
5 | 105 | 64.32 | 65 | 27.24 |
6 | 80 | 70.34 | 714 | 57.80 |
7 | 90 | 93.63 | 77 | 40.70 |
由
由

图5 25 kPa下土体表面有无微裂缝的排水效率
Fig.5 Drainage efficiency of the soil surface with or without microcrack under 25 kPa
为定量对比分析,通过排水量与照片分别估算试验组别4、5、6与7的土体总沉降,如
试验组别 | 排水量换算/mm | 照片换算/mm |
---|---|---|
4 | 11.08 | 7.5 |
5 | 7.72 | 7.0 |
6 | 12.02 | 7.0 |
7 | 12.80 | 7.5 |
由照片换算的土体沉降为7.0~7.5 mm,相差不大,由排水量换算的沉降都大于照片所体现的宏观沉降。结合

图6 不同气体压力下土体破坏(左为俯视图,右为侧视图)
Fig.6 Soil damage at different air pressures(top view on the left and side view on the right)
观察
以具体的新近吹填土增压式真空预压现场工

图7 增压管打
Fig.7 Installation of boosted pipe
上述提及的3种气驱排水模式,可以为真空预压联合注气法的砂井固结理论推导中的假设合理性提供试验支持,具体如

图8 压力气体作
Fig.8 Effect of boosted ai
除此之外,在真空预压联合注气排水的实际应用中,应注意可能残留在土体中的气体,应及时设法处理,如雷华阳
(1)压力气体可以驱使土体中的孔隙水更快排出,实现形式主要包括孔隙水的驱替与孔隙的弹塑性扩张,但最终排水量与土体状态(土体密实情况、孔隙分布、接触面薄弱位置分布等)息息相关,排水效率主要决定于所施加的气体压力大小。
(2)压力气体直接作用于土体时,不利于实现整体性的土体沉降,易贯穿破坏土体,主要分为3种情况:①裂缝+空腔组合。排水的同时贯穿土体而形成排水优势通道,即排水且劈裂;②土表面平整+空腔组合。排水的同时压密土体,即排水并压密土体;③土表面孔+空腔组合。排水的同时形成“不易观察到”的排水通道(连续),即排水且贯通土体。该气驱排水机制可为基于砂井固结理论求解真空预压联合注气法的固结提供试验支撑。
(3)对于气体增压联合真空排水的地基处理技术,其工程应用需要特别注意可能残留在土体中的气体,应及早处理。如:在注气处将注入的空气重新抽出来;在增压完全结束后,继续抽真空直至位移稳定,避免气体赋存于土体中而造成的工后沉降。
作者贡献声明
梁泽龙:论文初稿撰写,试验设计与实施,数据处理。
谢立全:试验设计与指导,论文修改及润色。
顾宽海:论文修改与润色及试验指导。
江 波:试验支持与指导。
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