CN103953023A - 一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法，通过对多个工作状态时段的沉降量实测值s_it获得各个工作状态时段的固结系数C_td，通过对各个工作状态时段的固结系数C_td求数学平均值的方式获得等效固结系数并求出该地基土层在固结过程中任意时刻固结度U，最后即可求出该地基土层在任意时刻的固结度。本发明的沉降量的测量方法简便易行，测量精度能满足工程实际需求，仅需要地基土层的基本土工参数即可有效计算真空联合载堆法土体在任意时刻的固结沉降量，可利用该测量方法可较准确计算场地、道路或相似条件下的沉降量，从而能够准确的预估预压法施工时的填方工程量，对设计和施工有一定指导意义，从而保证工程质量且合理预估工程工期。

Description

一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法

技术领域

本发明涉及一种岩土工程领域，特别是一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法。

背景技术

目前，我国沿海地区和内陆平原或山区都广泛的分布着各种软土地层。软土地层的特点是含水量大、压缩性高、强度低，透水性差。由于其强度低，地基承载力合稳定性往往不能满足工程需要。在软土地基上的场地、道路或其他类似填筑工程，往往采用预压法进行地基处理。

真空联合堆载预压法将真空预压和堆载预压两种方法结合而成，先按真空预压的工艺要求，铺膜，埋管，挖沟，当膜下真空度稳定后，即可按堆载工艺的要求，在薄膜上堆载。该法可增大压差，并将大气压和堆载变为有效应力，从而加速了土体中水的排出，加大了土体的压密率，使强度进一步提高，沉降进一步消除。

我国沿海地区和内陆平原或山区都广泛的分布着各种软土地层。软土地层的特点是含水量大、压缩性高、强度低，透水性差。由于其强度低，地基承载力合稳定性往往不能满足工程需要。在软土地基上的场地、道路或其他类似填筑工程，往往采用预压法进行地基处理。

真空联合堆载预压法作为一种新颖的处理方式，因具有加固土体沉降快，加固土体强度增长明显，工后沉降小，且工程质量容易控制，施工简便，无噪音，不污染环境等优点，具有广泛的应用前景。但其理论研究远远落后于工程实践，不少理论问题至今没有很好的解决。

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）、《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）和《建筑地基处理技术规范》（DBJ15-38-2005）加固土体固结沉降量均采用分层总和法进行测量，该方法将土体三维固结问题简化为一维固结问题，测量过程相对简便但其结果受经验系数取值的影响，往往与工程实际情况产生较大偏差，精度无法满足工程实践的要求。若按三维固结条件考虑渗流和土体变形协调等因素，可以采用Biot三维固结方程求得理论精确解。但该固结方程式需要使用较多的土工参数参与计算，而工程实际情况中土体自身性质复杂、土工实验的缺陷等因素影响，无法准确提供符合实际情况相应参数，并且实际工程与Biot固结理论的边界条件存在一定差异，计算时往往只能进行简化处理，导致理论计算的结果与实际情况相差甚远。

发明内容

为解决上述问题，本发明通过深入研究预压法的加固机理，利用近年工程实践数据，结合土力学的固结理论公式进行研究，目的在于提供一种能准确测量加固土体任意时段沉降量的方法。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法,其特征在于包括以下步骤：

步骤1，采集对基地进行真空联合堆载预压施工的前期实测工程场地数据，确定需要进行堆载预压施工的地基土层；

步骤2，根据施工要求及前期实测数据获得当前地基土层的最终沉降量s_∞；

步骤3，对该地基土层进行进行真空联合堆载预压施工，同时测量多个工作状态时段的沉降量实测值s_it；

步骤4，根据多个工作状态时段的沉降量实测值s_it和最终沉降量s_∞，分别获得各个工作状态时段的固结系数C_td；

步骤5，对各个工作状态时段的固结系数C_td求数学平均值获得该地基土层的等效固结系数

步骤6，根据等效固结系数获得该地基土层在固结过程中任意时刻固结度U，其中

步骤7，根据任意时刻固结度U获得该地基土层任意时刻的沉降量S_t，S_t=US_∞。

进一步，步骤4中首先根据多个工作状态时段的沉降量实测值s_it和最终沉降量s_∞计算出各个工作状态时段的固结度U_td,其中再根据各个工作状态时段的固结度U_td获得各个工作状态时段的固结系数C_td，其中 $C_{\mathrm{td}}=-\frac{{4H}^2}{{\mathrm{\π}}^2}\frac{\ln \frac{{\mathrm{\π}}^2}{8}(1-U_{\mathrm{td}})}{t}.$

进一步，步骤2中采用分层总和法来计算出所述的最终沉降量s_∞。

进一步，为了得出更加真实的测量数据，步骤3中一共取4个以上的工作时间段。

申请人通过土力学固结理论公式将三维边界条件下土体固结计算问题简化等效为Terzaghi固结理论的一维方程式，结合实际工程中地基实测沉降数据，计算出各个时刻的沉降固结度U_td，得出土层的等效固结系数C′_V，然后用Terzaghi固结方程反推出一个等效简化的沉降计算方法。根据预压法的加固机理可知，利用上述简化公式S_t=US_∞及其测量方法，可用于较准确的计算出相近地质条件下预压法施工时地基在任意时刻的沉降量S_t。以下为上述简化公式的理论推导过程：

1.三维边界条件下固结系数计算的等效简化

预压法施工时一般采用袋装砂井或塑料排水带作为竖向排水体，顶部设排水砂垫层以连通竖向排水体。土体固结度由竖向排水固结度和径向排水固结度构成，三维边界条件下的固结度Urz可按下式计算：

U_rz=1-(1-U_r)(1-U_z)   （1）

其中U_r——径向排水固结度；

U_z——竖向排水固结度。

1）当固结度U_z>30%时

竖向固结度U_z的计算可按单向固结公式进行计算：

$U_z=1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2{C}_V}{{4H}^2}t}---\left(2\right)$

径向固结度公式U_r可按下式计算：

$U_r=1-e^{-\frac{8C_{\mathrm{Vh}}}{F\left(n\right)d_e^2}t}---\left(3\right)$

$F\left(n\right)=\frac{n^2}{n^2-1}\ln \left(n\right)-\frac{{3n}^2-1}{{4n}^2}$

其中C_Vh——径向固结系数；

t——加固时间；

n——井径比，n=d_e/d_w；

d_e——竖向排水体影响范围圆柱体的直径；

d_w——竖向排水体有效直径，m。

将式（2）和（3），代入式（1）得：

$\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{rz}}=1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^z}{e}^{-(\frac{{\mathrm{\π}}^2{C}_V}{{4H}^2}+\frac{{8C}_{\mathrm{Vh}}}{F\left(n\right)d_e^2})t}\\ =1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2{C}_V^{\′}}{{4H}^2}t}\end{array}---\left(4\right)$

根据等效固结度的概念，得

$C_V^{\′}=C_V+\frac{{32H}^2{C}_{\mathrm{Vh}}}{F\left(n\right)d_e^2}$

由上式可知预压法工程地基在三维边界条件下的固结度计算可以简化为一维边界条件下的固结度计算问题。

2）对于竖向排水体未打穿压缩土层时，其固结度公式的计算可采用近似公式：

$\stackrel{\‾}{U}=\mathrm{\ρ}\×U_{\mathrm{rz}}+(1-\mathrm{\ρ})\×U_z,$

其中ρ——竖向排水体打入深度与整个压缩层的厚度之比。

根据等效固结过程公式（4），地基固结度计算也可同样等效简化为一维边界条件下的固结度计算问题。

2.土体等效固结系数的计算方法

通过实测土层各个时间点的沉降量和最终沉降量，可算出土层不同时刻的固结度，再按Terzaghi理论推求不同时刻的固结系数，进而得出土层等效固结系数，据此，设计人员可反算出预压法加固地基任意时刻的沉降量、固结度和剩余沉降量。

在观测结果中选取不同工况作用条件下的沉降值，得出该时刻的固结度U，代入固结度公式（4），反算出C_V，取其平均值即为该土层的等效固结系数，公式为下式：

$U=1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2\stackrel{\‾}{C_V^{\′}}}{{4H}^2}t}---\left(5\right)$

某土层某一时刻的沉降量为下式：

s_it=U_is_i∞     （6）

其中：s_it——第i层土体在t时刻的沉降量

s_i∞——第i层土体的最终沉降量

根据上式可计算出所有压缩土层任一时刻的沉降量之和，即为该时地基的沉降量。

3.地基等效固结系数C′_V的推导过程

某土层在t时间段的沉降量s_t为下式：

$S_t={\mathrm{US}}_{\∞}=(1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2{C}_V^{\′}}{{4H}^2}t})S_{\∞}---\left(7\right)$

$s_t=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{\mathrm{it}}=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i{s}_{i\∞}=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2\stackrel{\‾}{C_V^{\′}}}{{4H}^2}t})s_{i\∞}---\left(8\right)$

由（7）、（8）得

$(1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2{C}_V^{\′}}{{4H}^2}t})S_{\∞}=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2\stackrel{\‾}{C_V^{\′}}}{{4H}^2}t})S_{i\∞}---\left(9\right)$

由（9）式，得

$\begin{array}{c}{C}_V^{\′}=-\frac{{4H}^2}{{\mathrm{\π}}^{2}t}\×\\ \ln \left[\frac{{\mathrm{\π}}^2}{8}(1-\frac{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2\stackrel{\‾}{C_V^{\′}}}{{4H}^2}t})}{s_{\∞}})s_{i\∞}\right]\end{array}---\left(10\right)$

4.近似计算公式的得出

将式（10）代入式（6），由固结度计算公式即可得出地基任意时刻沉降量的近似计算公式：

$s_t={\mathrm{US}}_{\∞}=(1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2{C}_V^{\′}}{{4H}^2}t})s_{\∞}---\left(11\right)$

其中：s_t——地基t时刻的计算沉降量；

s_∞——地基最终沉降量。

本发明为真空联合堆载法沉降计算的一种新的测量方法，在此将（11）式命名为：“设计简化沉降计算公式”。

本发明的有益效果是：本发明采用的一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法，通过对多个工作状态时段的沉降量实测值s_it获得各个工作状态时段的固结系数C_td，通过对各个工作状态时段的固结系数C_td求数学平均值的方式获得等效固结系数并求出该地基土层在固结过程中任意时刻固结度U，最后即可求出该地基土层在任意时刻的固结度。本发明的沉降量的测量方法简便易行，测量精度能满足工程实际需求，仅需要地基土层的基本土工参数即可有效计算真空联合载堆法土体在任意时刻的固结沉降量，可供设计人员在施工图阶段利用该测量方法可较准确计算场地、道路或相似条件下的沉降量，从而能够准确的预估预压法施工时的填方工程量，对设计和施工有一定指导意义，从而保证工程质量且合理预估工程工期。简化公式概念明确，简单适用，特别能较好地预测砂性较大土的地基沉降。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明真空堆载联合预压法标准横截面图。

具体实施方式

参照图1所示，现结合某真空联合堆载预压法地基处理工程实例，对本发明一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法和过程进行详细说明。

真空联合堆载5预压法在需要加固的软土地基内设置沙井1，作为竖向排水通道，然后地面上铺设沙垫层2作为水平排水层，并在其上覆盖不透气的密封膜3使与大气隔绝，通过埋设于沙垫层2中吸水通道，用真空装置从抽气管道4处进行抽气，将密封膜3内空气排出，从而膜内外产生一个气压差，这部分气压差即变成作用于地基上的荷载，随着膜内空气的不断排出，压差逐渐增大，并通过竖向沙井1传递到地基深处，地基中的水、气不断排出而发生固结，为了使地基固结的效果更好，在密封膜3上设置堆载5，增加对地基的压力。这时地基在固结的过程中会陈生沉降，而测量地基在任意时刻的沉降量对于施工人员对地基的承载力了解、施工工期的调整及施工质量的控制有重大的意义。

1，采集对基地进行真空联合堆载预压施工的前期实测工程场地数据，确定需要进行堆载预压施工的地基土层：

工程场地原始地貌单元为滨海沉积地貌，地形平坦，场地自然标高介于0.39m～1.59m之间。根据区域地质资料，结合本次勘察结果，场地内埋藏的地层自上而下依次描述为：1）植物层①（Qpd）（①为地层编号，下同）：灰黄色，主要由粘性土混少量植物根系组成，该层系新近堆填而成，尚未完成自重固结，结构呈松散状态，层厚0.3～0.50米。

2）淤泥②：深灰、灰黑色，含有机质及少量贝壳碎屑，具臭味，无摇震反应，光泽反应光滑，干强度及韧性高，呈饱和、流塑状态，层厚20.30～22.10米。

3）粘土③：褐黄色，主要成分为粘粒，质纯，无摇震反应，光泽反应光滑，干强度及韧性较高，呈饱和，可塑状态，层厚5.40～8.20米。

4）燕山期（γy）花岗岩：肉红、灰白色，主要组成矿物为石英、长石及黑云母，粗粒结构，块状构造。

本次勘察测得潜水稳定水面埋藏深度变化于0.50～0.60米之间，水位标高介于0.99～1.00米之间。

由于本工程地质条件，淤泥层厚度为15m～18m，考虑排水板插入粘土层，插塑板长度按20m计算。

2，根据施工要求及前期实测数据，采用采用分层总和法计算出当前地基土层的最终沉降量s_∞=3748mm。

3，对该地基土层进行进行真空联合堆载预压施工，本工程真空联合堆载预压法进行地基处理，主要处理地基第②层淤泥土层，厚度达20m，同时测量多个工作状态时段的沉降量实测值sit，该层预压法施工时各时段的沉降量实测值详见下表：

表1淤泥土层的沉降量实测数值统计表

4，根据实际情况及沉降量实测值s_it和最终沉降量s_∞，选取计算反映不同工况作用下四个时点（20天，60天，120天和300天）的固结系数C_td，具体计算过程如下：

1）当t=20d时，沉降量S_20实测=1162mm，固结度为：

根据固结系数根据式：

$\begin{array}{c}{C}_V^{\′}=-\frac{{4H}^2}{{\mathrm{\π}}^{2}t}\×\\ \ln \left[\frac{{\mathrm{\π}}^2}{8}(1-\frac{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2\stackrel{\‾}{C_V^{\′}}}{{4H}^2}t})}{s_{\∞}})s_{i\∞}\right]\end{array}$ 可得：

$C_{(t=20d)}=-\frac{{4H}^2}{{\mathrm{\π}}^2}\frac{\ln \frac{{\mathrm{\π}}^2}{8}(1-U)}{t}=-151\×\frac{\ln 1.2337\×(1-31\%)}{20\×24\×60\×60}=1.41\×{10}^{-5}{m}^2/s$

2）当t=60d时，沉降量S_60实测=2631mm，其固结度为：

同理可得

$C_{V(t=60d)}=-\frac{{4H}^2}{{\mathrm{\π}}^2}\frac{\ln \frac{{\mathrm{\π}}^2}{8}(1-U)}{t}=-151\×\frac{\ln 1.2337\×(1-70.2\%)}{60\×24\×60\×60}=2.94\×{10}^{-5}{m}^2/s$

3）当t=120d时，沉降量S_120实测=3571mm，其固结度为：

同理可得

$C_{V(t=120d)}=-\frac{{4H}^2}{{\mathrm{\π}}^2}\frac{\ln \frac{{\mathrm{\π}}^2}{8}(1-U)}{t}=-151\×\frac{\ln 1.2337\×(1-95.3\%)}{120\×24\×60\×60}=4.06\×{10}^{-5}{m}^2/s$

4）当t=300d时，沉降量S_300实测=3678mm，其固结度为：

同理可得

$C_{V(t=300d)}=-\frac{{4H}^2}{{\mathrm{\π}}^2}\frac{\ln \frac{{\mathrm{\π}}^2}{8}(1-U)}{t}=-151\×\frac{\ln 1.2337\×(1-98\%)}{300\×24\×60\×60}=2.16\×{10}^{-5}{m}^2/s$

5，对各个工作状态时段的固结系数C_td求数学平均值获得该地基土层的等效固结系数即：

$\stackrel{\‾}{C_V^{\′}}=\frac{C_{V(t=20d)}+C_{V(t=60d)}+C_{V(t=120d)}+C_{V(t=300d)}}{4}=2.64\×{10}^{-5}{m}^2/s;$

6，预压法处理的该土层在不同工况作用下的三维固结计算问题等效简化为固结系数为的固结方程：

$U_2=1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2\stackrel{\‾}{C_V^{\′}}}{{4H}^2}t}=1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-1.75\×{10}^{-7}t}$

7，上述方程可用来计算第②层土的固结过程中任意时刻的固结度。将上述U₂代入 $s_t=U_2{S}_{\∞}=(1-\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2{C}_V^{\′}}{{4H}^2}t})s_{\∞}$ 中即可算出该地基土层在任意t时刻的沉降量。其计算结果与实测的沉降量对比详见下表：

表2近似计算公式沉降计算值与地基实际沉降量对比表

由表2可看出，本发明推导出的沉降测量方法概念清晰，计算过程比较简便，计算精度能满足设计的要求。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法,其特征在于包括以

下步骤：

步骤1，采集对基地进行真空联合堆载预压施工的前期实测工程场地数据，确定需要进行堆载预压施工的地基土层；

步骤2，根据施工要求及前期实测数据获得当前地基土层的最终沉降量s_∞；

步骤3，对该地基土层进行进行真空联合堆载预压施工，同时测量多个工作状态时段的沉降量实测值s_it；

步骤4，根据多个工作状态时段的沉降量实测值s_it和最终沉降量s_∞，分别获得各个工作状态时段的固结系数C_td；

步骤5，对各个工作状态时段的固结系数C_td求数学平均值获得该地基土层的等效固结系数

步骤6，根据等效固结系数获得该地基土层在固结过程中任意时刻固结度U，其中

步骤7，根据任意时刻固结度U获得该地基土层任意时刻的沉降量S_t，S_t=US_∞。

2.根据权利要求1所述的一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法,其特征在于：步骤4中首先根据多个工作状态时段的沉降量实测值s_it和最终沉降量s_∞计算出各个工作状态时段的固结度U_td,其

中再根据各个工作状态时段的固结度U_td获得各个工作状态时段的固结系数C_td，其中

3.根据权利要求1所述的一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法,其特征在于：步骤2中采用分层总和法来计算出所述的最终沉降量s_∞。

4.根据权利要求1所述的一种真空联合堆载预压法沉降量的测量方法,其特征在于：步骤3中一共取4个以上的工作时间段。