孔隙水压力观测在高速公路软土地基处理施工中的应用.pdf

'检测与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVo.l12No.9孔隙水压力观测在高速公路软土地基处理施工中的应用崔爱明(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000)摘要唐津高速(二期)软土地基孔隙水压力观测历时5年,对塑料排水板和深层搅拌桩处理软土地基施工、运营过程中的典型桩位孔隙水压力变化规律进行分析,利用实测孔隙水压力推算软土地基的各时间段的固结度分析地基处理效果,运用指数函数配合法反算软土地基的固结参数()、固结系数,供同行参考。关键词软土地基孔隙水水压力固结度固结系数中图分类号:TV413.7文献标识码:A文章编号:1009-5098(2009)09-0060-07度,根据唐津高速公路(二期)设计、总监办要求,对0前言施工过程中软土地基的稳定性进行动态观测。随着国家经济迅猛增长,沿海一带高速公路的兴1.1工程地质特征建尤为迅速。沿海地带大多为软土地基,因此高速公唐津高速(二期),均在天津塘沽境内,平均距路路基的处理效果尤显重要。软土地基处理通常采现有海岸线15~20km,属渤海坳陷区,为自第四纪用:排水固结预压法(塑料排水板、沙井等)加速软以来沉积巨厚的海陆相交错沉积地层,在不同时期[1]土地基排水固结过程;加固土桩法(深层搅拌桩有不同生物生长,多有各种贝壳、牡蛎、苇草等沉积法、粉喷桩法等)使土体桩和桩间软土形成复合地基其中,给地层划分带来明显标志。在路基勘探深度[2]提高地基承载力,进而减小路基总沉降量。范围内,土层均为第四系全新统(Q4)和上更新统高速公路软土地基施工过程中的动态观测尤为(Q3)河流相及浅海相交互沉积,由粉质黏土、淤泥重要,作为路基稳定性观测项目的孔隙水压力的观质粉质黏土、黏土、粉土和粉细砂层组成。路段地层测其主要目的是判断软土地基的稳定性,评价软土由上至下各主要土层特征和物理力学参数见表1、2。地基的固结状况,保证公路施工的正常进行。1.2地下水简况本文着重分析唐津高速(二期)路段典型桩位该路段软土地基浅层地下水为第四系孔隙潜的孔隙水压力变化规律,反算软土地基各施工阶段水,属潜水型,略带承压性,地下水的来源主要是大的固结状况,以及软土地基典型桩位的固结参数气降水补给和河流渗透补给,排泄以蒸发方式为主,()、固结系数。水位随季节有所变化。1工程概况1.3路基评价由表1、2及图1可见,在唐津高速(二期)路基唐津高速(二期)工程,是唐津高速公路天津界多为软土地基,土质为素填土、淤泥质粉质黏土、粉内南延部分的一段,北起永定新河南至津塘公路,全质黏土、粉土,埋深在10.0~11.8m以上的淤泥质长约16km。该路段多为软土地基,土质为素填土、粉质黏土层分布连续,其天然含水量、孔隙比、液性淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉土,多呈流塑-软塑指数和压缩系数等较大,而压缩模量、承载力偏小,状态,且厚度不一,其工程地质特征为含水量较大、都呈流塑-软塑状态,为中、高压缩性土,为工程不孔隙比大、高压缩性,而压缩模量、承载力偏小,抗剪良地质地段。能力低,固结慢等特征,为工程不良地质地段。为了有效地掌握施工过程路基荷载作用下软土地基的变1.4软土地基处理形动态,及时了解软土地基受力特性,控制加荷速唐津高速(二期)的跨线桥两端路堤填筑高度收稿日期2009-04-0760 岩土工程界第12卷第9期检测与分析表1路基土层分布规律及特征成因层序地层名称层厚/m地层特征第人工填土层Qml素填土0.30~1.50黄褐色,以粉质黏土为主,可塑,局部软塑,含植物根系。4第一陆相层Qal粉质黏土0.70~2.20黄-灰色,可-软塑,局部呈流塑状态,分布连续,属于高压缩性土。四4灰-深灰色,湿-很湿,稍-中密,含贝壳碎片,局部夹粉质黏土薄层,属系-1粉土2.50~5.80中-高压缩性土。全淤泥质第一海相层Qm-23.20~9.30灰-深灰色,流塑,夹粉土薄层含贝壳碎片,分布连续,属于高压缩性土。4粉质黏土新灰-深灰色,湿-很湿,稍-中密,局部夹粉质黏土层,分布连续,属中--3粉土5.30~6.90高压缩性土。统al灰白-灰黄-黄色,可塑,局部软塑,夹粉土薄层,上部含腐殖质,分布连第二陆相层Q-1粉质黏土3.20~5.20Q43续,属于中压缩性土。黄褐-黄绿-灰黄色,可塑-硬塑,夹粉土薄层,具锈染,下部含少量贝壳第-2粉质黏土5.90~8.20碎片,分布连续,属于中压缩性土。四m第二海相层Q3系灰-灰褐色,可塑-软塑,夹粉土褐粉细砂薄层,含贝壳碎片,分布连续,粉质黏土3.20~6.50更属于中压缩性土。新统-1粉土2.50~5.20黄色,湿,中密-密实,含姜石,夹粉质黏土层,分布连续,属中压缩性土。第三陆相层QalQ33-2粉细砂粉细砂,黄色,饱和,中密-密实,夹粉质黏土透镜体,分布连续。表2路基土层的主要物理力学参数指标天然含水量天然密度天然孔隙比液性指数压缩系数压缩模量固结系数/10-3cm2.s-1承载力标准值层序地层名称w/%/kNm-3eIa/MPa-1E/MPa竖向C径向Cf/kPal1-2svhk粉质黏土30.518.60.9110.690.484.341.511.4793.2-1粉土30.319.00.8571.250.3511.601.961.97110.0-2淤泥质粉质黏土40.117.91.1261.240.762.972.662.0467.7-3粉土26.419.50.7730.820.297.651.981.97123.2-1粉质黏土23.319.80.6610.750.267.552.251.79123.2-2粉质黏土27.319.10.7890.640.277.252.021.95126.8粉质黏土28.819.20.8300.650.317.422.081.93127.2-1粉土21.720.30.6190.390.1810.622.471.66166.1-2粉细砂16.920.20.5190.1017.544.50220.0注:取各钻孔物理力学参数的平均值2软土地基孔隙水压力观测唐津高速(二期)软土地基孔隙水压力观测桩位都设置在跨线桥的两端,此次观测根据岩土工程勘察资料,每个桩位埋置3个孔隙水压力计,深度分别为:3.0m(粉土层)、9.0m(淤泥质粉质黏土层)、15.0m(粉质黏土层)。2.1孔隙水压力计埋设图1唐津高速公路(二期)软土地基剖面示意图此次孔隙水压力计采用钢弦式压力计,压力计[3]埋设采用单孔埋设法(见图2),确保每个孔隙水均大于5.0m,软土地基大多采用塑料排水板、深层压力计的成活率。在路基中间逐个打孔,用导向线搅拌桩处理。塑料排水板处理深度为16.0m,为梅将孔隙水压力计放至设计深度,用膨胀土封孔,测量花形布孔,间距为1.0m,排水板进入两层土工布所导线引至路基中心线并加以保护。包50cm厚的砂垫层中;深层搅拌桩处理深度为12.0m,为正方形布桩,桩间距为1.5m。软土地基2.2孔隙水压力观测与计算处理后进行路堤施工,然后进行预压荷载施工。孔隙水压力计埋设稳定后提取初值,然后依据61 检测与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVo.l12No.9图2孔隙水压力计埋设示意图路堤施工进度进行测量。测量时用频率计(SS-2型频率计)读取每个压力计的频率读数,然后利用图3排水板处理地基荷载-孔隙水压力-公式(1)计算出压力值:时间关系曲线图22u=K(f0-f1)(1)K为压力计传感系数,由生产厂家提供实际有一个峰值(图4),出现在填筑预压土结束后。其试验资料推算得出;他时间段的孔隙水压力变化与排水板处理地基较为f0大气压下,压力计的钢弦自振频率;相似,只是变化幅度相对稍小。f1压力计在孔隙水压力为u时刻的钢弦自振频率。通过测定不同时间压力计的钢弦自振频率f1,便可得到不同时刻各个压力计相应深度处的孔隙水压力。软土地基在荷载作用下,地基孔隙水压力增量的消散过程实质是土体压缩(沉降)固结过程,故也可以图4深搅桩处理地基荷载-孔载水压力-利用孔隙水压力的消散度来定义土体的固结度(U):时间关系曲线图ut-u0U=1-(2)umax-u0(3)不同深度土层的孔隙水压力变化幅度不同,u0初始静水压力;塑料排水板处理地基9m处(淤泥质粉质黏土层)的ut实测预压荷载完工后t时刻实测孔隙水压力;孔隙水压力随路堤填筑而增长、停顿而消散的变化尤umax实测预压荷载完工后的最大孔隙水压力。为明显,表明淤泥质粉质黏土层排水状况较好,而3由上式,可推算出预压荷载完工后各地层土体tm(粉土层)、15m(粉质黏土层)处孔隙水压力随路堤时刻的固结度。填筑、停顿变化的幅度稍小,这种现象与土质有关。2.3施工过程孔隙水压力变化特征(4)预压荷载施工结束后,孔隙水压力值稍后在路堤施工过程中,由各桩位观测的荷载-孔达到最大值,随着土体的排水固结,孔隙水压力逐渐[4]隙水压力-时间关系曲线看,两种方法处理软土地消散,这种现象称为曼代尔-克雷尔效应。基的孔隙水压力变化规律如下:2.4地基固结度的推算(1)排水板处理桩位孔隙水压力曲线大多有两利用固结度定义公式(2),对所观测桩位的软个峰值(图3),第一峰值出现在塑料排水板插入后,土地基固结度进行了推算,统计数据见表3。其后迅速消散;第二个峰值出现在填筑预压土后,随表3可见:预压180天时,大多数桩位3个层位着软土的排水固结,孔隙水压力逐步消散;加荷时间的土体固结度平均值大于80%,3个层位土体固结段,孔隙水压力随着路堤填筑而增长,随路堤填筑停度平均值小于80%桩位为5+660、9+800、10+顿而消散。路堤卸载后,各层位孔隙水压力降到了735,其地表沉降观测数据推算结果也是如此,故这低点,但随着路堤的结构施工,孔隙水压力又明显增些路段延长了预压时间,待土体固结度大于80%后大,然后又逐渐变小。才进行卸载施工。结构施工结束时,所观测桩位的(2)深层搅拌桩处理桩位的孔隙水压力曲线只3个层位土体固结度平均值均在84%以上。62 岩土工程界第12卷第9期检测与分析表3不同时间段孔隙水压力推算软土地基固结度统计表观测桩号(预压180天时)压力计深度2+7503+8503+9004+5805+6608+0259+2659+80010+73512+67513+0053m处88%82%87%84%52%100%100%78%66%70%100%9m处100%84%100%100%76%94%87%71%69%100%100%15m处100%86%84%100%42%94%100%71%100%100%100%平均值96%84%90.3%94.7%56.7%96%95.7%73.3%78.3%90%100%压力计观测桩号(结构施工结束时)深度2+7503+8503+9004+5805+6608+0259+2659+80010+73512+67513+0053m处100%100%100%100%90%100%100%88%90%100%100%9m处100%97%100%100%95%100%91%86%100%100%100%15m处100%100%97%100%84%100%100%78%100%100%100%平均值100%99%99%100%89.7%100%97%84%96.7%100%100%孔隙水压力推算的土体固结度和地表沉降观测数据推算的土体固结度非常接近,只是前者稍大一点,其原因主要是孔隙水压力推算结果为软土地基某个层位的土体排水固结状况。故各层孔隙水压力推算土体固结度的平均值能近似反映出软土地基的固结状况。2.5营运期的孔隙水压力变化特征高速公路竣工通车后,地基孔隙水压力观测延续了3年(2001~2003),从连续观测数据可见(图5、6),孔隙水压力总体变化趋势仍处在消散阶段,表明深部软土层还在进一步压缩,其孔隙比进一步减小。但随着年度内季节变化潜水位的抬高,孔隙水压力增图6深搅桩处理地基孔隙水压力变化曲线图量明显,随着潜水位的下降,孔隙水压力消散明显。从孔隙水压力曲线变化趋势也能反映出今后路基沉降变化状况(表4):(1)排水板处理路基孔隙水压力,2001~2002年内消散明显,只是在每年的7~9月份雨水多、潜水位抬高的情况下压力有所跳动,但随着潜水位的降低,孔隙水压力明显变小。2003年孔隙水压力消散趋势不明显,表明路基处于应力稳定状态。结合这3年内的路基沉降量分析,2003年内排水板处理地基沉降较小,表明软土固结度较高,残余沉降量较小。(2)深层搅拌桩处理路基,孔隙水压力3年内消散趋势不明显,其孔隙水压力主要受其地基处理性质影响。由3年内的沉降量可看出,各桩位沉降量较均匀,逐渐变小。在2003年度的沉降量平均值大于排水板处理地基的沉降量平均值,决定其今后的残余沉降量将大于排水板处理地基。(3)2001~2002年度孔隙水压力和地基沉降变化呈相关性(图7),孔隙水压力和地基沉降随着季图5排水板处理地基孔隙水压力变化曲线图节有明显变化,当孔隙水压力处于消散阶段时,地基沉降尤为明显,当孔隙水压力处于增长阶段时,地基63 检测与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVo.l12No.9表42001~2003年度内路基沉降量统计表单位:cm桩号(排水板处理)桩号(深搅桩处理)年度2+7503+8503+9004+5808+0259+80010+7359+26512+67513+00520012.051.781.512.182.664.584.521.482.571.7120023.112.641.851.642.291.763.291.302.012.1520031.531.320.551.081.260.931.531.101.311.73沉降较小。孔隙水压力的低点在每年的6月份,孔式中u1、u2为相应时间t1、t2的实测孔隙水压隙水压力的高点在每年的8月份。孔隙水压力变化力值,由上式解出固结参数值:在每年的8月份到来年的6月份处在一个消散阶1u1=ln(6)段,每年的6~8月份处在增长阶段,但总的变化趋t2-t1u2势在逐渐变小。地基沉降在孔隙水压力消散阶段尤排水板处理地基的固结系数可有下式计算得出:2为明显,但在孔隙水压力增长阶段地基沉降变化较8ChCv=2+2(7)小。2003年度孔隙水压力随季节变化较小,表明地F(n)de4H基应力稳定,地基固结度高、沉降较小。H最大排水距离;Cv竖向固结系数,Ch径向固结系数。3.1观测资料反算固结参数结果利用孔隙水压力-时间关系曲线资料,反算部分桩位进入预压期后前3个月内的地基固结参数值、径向和竖向固结系数见表5,反算径向固结系数[5,6]均远大于试验室试验测得的径向固结系数,而反算的竖向固结系数比试验测得的竖向固结系数小,表明排水板处理地基主要是径向排水固结。(1)反算软土地基固结参数值(平均值):排水板处理地基为0.0167~0.0411(1/d),平均值为0.0295(1/d);深搅桩处理的软土地基为0.0136~0.0155,平均值为0.0146(1/d)。图7孔隙水压力和地基沉降变化统计对比图(2)反算软土地基径向固结系数(平均值):排-32-1水板处理地基为5.73~12.73(10cms),平-32-1均值为9.1410cm.s,是试验室测的径向固3孔隙水压力观测资料反算地基固结系数结系数平均值的5倍;深搅桩处理地基为4.01~路堤填筑完毕后,进入预压期,根据观测资料可利-32-1-32462(10cms),平均值为4.3210cm.用曾国熙提出的指数函数配合法反算地基固结系数。-1s,是试验室测的径向固结系数平均值的2倍多。根据土层平均固结度的普遍表达式:(3)排水板处理地基反算各个地层的径向固结-tU=1-e,预压期内任意时间t1和t2土层的系数具体反映出各软土层的排水固结速率,其排水固结度分别为:板为软土层提供良好的排水通道,加速了软土地基-t1U1=1-e(3)固结。此次塑料排水板处理方式(深度、间距、材料-t2U2=1-e等),达到加快软土地基固结目的,为以后同类工程解得:设计提供了宝贵的资料。1-U1(t2-t1)(4)深搅桩处理地基反算各个地层的径向固结=e(4)1-U2系数较为接近,原因是预压荷载下的软土没有良好根据固结度定义即可求得:的排水通道,其软土固结速率相对较小,是其处理性u1(t2-t1)=e(5)质所决定。u264 岩土工程界第12卷第9期检测与分析表5孔隙水压力-时间关系曲线反算地基的固结系数处理方法排水板处理深层搅拌桩处理桩号2+7503+8503+9008+0259+26513+005土体层位3m9m15m3m3m3m3m9m15m3m9m15m3m9m15m3m9m15m反算值0.01980.04890.05460.03540.02620.02220.01290.02120.01590.02020.02980.04160.01640.01760.01270.01230.01620.0123(1/d)(的0.04110.02790.01670.03050.01550.0136平均值反算Ch6.1415.1416.9010.968.16.865.736.544.926.259.2312.874.585.363.913.304.923.80反算C的h12.738.645.739.454.624.01平均值试验室C1.472.041.971.472.041.971.472.041.971.472.041.971.472.041.971.472.041.97h试验室Ch1.831.831.831.831.831.83的平均值反算Cv0.071.614.990.130.862.020.010.71.450.070.983.80.060.581.160.040.531.12反算Cv2.221.000.721.620.590.55的平均值试验室Cv1.512.661.981.512.661.981.512.661.981.512.661.981.512.661.981.512.661.98试验室Cv2.052.052.052.052.052.05的平均值固结系数单位:10-3cm2.s-13.2反算固结参数值比较与路堤填筑之间没有间隙期;3+850路堤填筑是按设计逐层完成的,而预压荷载是一次性完成的,上预众所周知软土固结参数值直接反映了地压荷载之前有一段间隙期;3+900路堤和预压荷载基固结的快慢,从值的物理意义可知,其本身都是按设计逐层完成的,且上预压荷载之前有较长不但包含固结系数,而且还包括排水距离,同一的间隙期。地区的值积累多了,其本身就是一个具有实用显然反算的地基固结参数值是随路基加荷状意义的经验指标,可以简便地用来估算该地区地况变化的,唐津二期的排水板地基固结参数值应基的固结度。在0.022(1/d)左右、深搅桩地基固结参数值应在为此将本工程地表沉降-时间变化曲线和孔隙0.014(1/d)左右。水压力-时间变化曲线资料反算的固结参数值进行统计(见表6)。4结语表6不同观测方法实测资料推算值对比表(1/d)(1)唐津二期路堤填筑阶段均按设计逐层施工,观测的孔隙水压力值未有突变,软土地基应力稳根据实测S-t曲根据实测孔隙水压力-时间曲线桩号线反算值反算值(3个层位平均值)定,保证了施工的正常进行。施工2年、营运3年的2+7500.04550.0411观测资料较为丰富,为孔隙水压力变化特征的分析3+8500.03010.0279提供了依据。3+9000.01750.0167(2)此次排水板处理软土地基孔隙水压力资料同桩位两种实测资料反算的值较为接近,表反算的径向固结系数的平均值是试验室测得数据平明两种观测资料反算的成果均能真实反映地基固结均值的5倍,而深搅桩处理地基是2倍多。反算结的快慢,两者相互印证。果真实地反映了地基固结变化规律,排水板为软土而从反算固结参数值的大小看,其排序为:2提供了良好的排水通道,加速地基的固结速率,缩短+750>3+850>3+900。这个排序与路基加荷状了工程的施工工期。况存在明显的关系:2+750路堤填筑是按设计逐层(3)此次两种处理地基孔隙水压力资料反算的完成的,而预压荷载是一次性完成的,且上预压荷载固结参数均真实反映出软土地基的固结规律,反算的65 检测与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVo.l12No.9固结参数值是随路基加荷状况变化的,唐津二期的[3]孔德金等.软基加固检测孔隙水压力分析[J].港工技术,2000,(3).排水板地基固结参数值应在0.022(1/d)左右、深[4]王祥.软基处理中孔隙水压力变化规律及固结分析[J].路搅桩地基固结参数值应在0.014(1/d)左右。基工程,2001,(2).参考文献[5]姜远文,等.由实测孔隙水压力数据推算软黏土的固结系数和[1]龚晓南,等.地基处理手册(第二版)[M].北京.中国建筑工业固结度[J].路基工程,2001,(2).出版社,2000.[6]林政,等.一种现场测定地基固结系数与渗透系数的方法[2]公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ01796)[S].[J].岩土工程学报,2004,(4).北京:人民交通出版社,1997.(上接第52页)定表2所示两种计算工况计算评价滑坡稳定性。选致,计算结果可信,为此滑坡在减载后仍需要治理。择主滑剖面2-2,并对其开挖前后、减载前后的稳4结语定性进行计算。计算结果见表2,3。(1)此滑坡滑坡周界基本形成,基本形成滑带,表2开挖前后滑坡稳定性系数属牵引式滑动,开挖前开挖后工况稳定性系数Ks稳定性系数Ks(2)人工开挖是滑坡发生的直接原因,地形、岩工况天然状态11850987性、水、人类工程活动为其诱因。工况连续降雨10750888(3)滑坡在开挖前处于稳定状态,开挖后未减载时在天然、降雨工况下均处于不稳定状态,减载后表3减载前后滑坡稳定性系数在连续降雨情况下处于失稳状态。滑坡整体稳定性减载前减载后工况稳定性系数K稳定性系数K分析结果与滑坡实际情况基本吻合。ss工况天然状态09871095参考文献工况连续降雨08880989[1]张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质稳定性评价出版社,1994.[2]王恭先,徐峻龄,刘光代,等.滑坡学与滑坡防治技术[M].北开挖前滑坡在天然条件下处于稳定状态,连续降京:中国铁道出版社,2004.雨条件处于基本稳定状态,减载前滑坡在天然条件,[3]谢守益,徐卫亚.降雨诱发滑坡机制研究[J].武汉水利电力大连续降雨或地震条件处于不稳定状态;减载后滑坡在学学报,1999,32(1):21~23.天然条件下处于基本稳定状态,而在连续降雨条件下[4]重庆市设计院.建筑边坡工程技术规范(GB50330-2002)处于不稳定状态,上述计算与滑坡目前所处状态一[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.66'