新近吹填淤泥地基表面沉降變形監(jiān)測及其分析

摘要：新近吹填淤泥地基的特殊工程特性使得其沉降變形不同于一般的軟土地基，沉降觀測方法也存在一定程度的差異。通過真空預(yù)壓排水固結(jié)法處理某吹填淤泥地基工程項目，詳細(xì)介紹地表沉降觀測的測點(diǎn)布置、儀器埋設(shè)和觀測方法以及值得注意的事項，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)深入分析了真空預(yù)壓荷載作用下新近吹填淤泥地基沉降發(fā)展過程和變形規(guī)律。結(jié)果表明，新近吹填淤泥的沉降量較大，具有階段性和大變形特征，沉降發(fā)展與膜下真空壓力的持續(xù)穩(wěn)定密切相關(guān)，根據(jù)沉降量推求抽真空90天左右地基土層平均固結(jié)度達(dá)到80%以上，真空預(yù)壓處理效果明顯。

關(guān)鍵詞：真空預(yù)壓；吹填淤泥地基；地表沉降；固結(jié)度；軟土地基

中圖分類號：TU472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）31-0066-04

1 概述

我國沿海地區(qū)隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，可利用土地資源日益緊張，圍海造陸工程為解決這一問題開辟了新途徑。海底疏浚淤泥不僅為此類工程提供了大量的材料來源，而且減少了對周圍環(huán)境的污染，而如何使新近吹填淤泥地基盡快排水固結(jié)成具有一定承載力的地基，為后續(xù)施工創(chuàng)建良好的平臺是關(guān)鍵問題。

一般軟土地基常用的地基加固技術(shù)主要有排水固結(jié)法（真空預(yù)壓法或堆載預(yù)壓法）、強(qiáng)夯置換法、高真空擊密法、深層攪拌法、沉管碎石樁法、加筋土法等。而吹填淤泥地基在吹填過程中經(jīng)物理、化學(xué)及力學(xué)作用的改造使得其工程特性極差，如含水量極高、壓縮性極大、孔隙比極大、靈敏度極高、結(jié)構(gòu)性極差、固結(jié)程度極低、承載力極低等特點(diǎn)，這些獨(dú)有的特點(diǎn)導(dǎo)致一般軟土地基的加固技術(shù)不適用，而真空預(yù)壓法無需堆載材料，加卸荷方便，可一次連續(xù)加載至設(shè)計值，且不存在地基失穩(wěn)等問題，因此，采用真空預(yù)壓法對吹填淤泥地基進(jìn)行加固處理。

真空預(yù)壓法加固呈泥漿狀態(tài)的新近吹填淤泥地基，隨著大量的自由水和部分弱結(jié)合水被抽出地表，地基表面所產(chǎn)生的固結(jié)沉降是顯著的。對于軟土地基加固工程而言，開展地表沉降觀測是分析軟基沉降的變化規(guī)律和加固效果、驗證設(shè)計參數(shù)的一個重要指標(biāo)。新近吹填淤泥不同于一般的軟土地基，故制定合理的監(jiān)測方案并實(shí)時進(jìn)行地表沉降監(jiān)測，對于研究和揭示吹填淤泥土的固結(jié)變形特性，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，檢驗各處理方案的加固效果具有重要意義。

本文結(jié)合溫州濱海新區(qū)某吹填淤泥地基進(jìn)行真空預(yù)壓處理的現(xiàn)場試驗，介紹了地表沉降監(jiān)測布置方案、監(jiān)測方法，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，研究了真空預(yù)壓排水固結(jié)作用下淤泥表面的沉降變化過程、規(guī)律和特性以及淤泥土層的固結(jié)效果。

2 工程概況

某工程結(jié)合溫州民營經(jīng)濟(jì)科技產(chǎn)業(yè)基地臨時航道疏浚工程，將航道疏浚淤泥吹填至本工程圍區(qū)，采用改性真空預(yù)壓法進(jìn)行地基淺層處理，形成工業(yè)用地。地基處理的有效深度為3m左右的吹填淤泥層，其加固處理后的場地地基承載力≥55kPa。具體施工工藝如下：

（1）以30×30m的網(wǎng)格布點(diǎn)進(jìn)行勘探，以了解加固區(qū)域內(nèi)各處的土質(zhì)情況，確定塑料排水板的打設(shè)深度。

（2）排水主管、次管均采用波紋濾管，其中主管外徑63mm，支管外徑50mm，排水主管的間距為12m，次管的間距與排水板的間距一致，B型塑料排水板呈梅花形布置，其間距為0.8×0.8m；“板-管”

一體式插入預(yù)加固區(qū)域。

（3）排水板打設(shè)完畢、管路系統(tǒng)連接好之后，清理場地并鋪設(shè)200g/m2無紡?fù)凉げ迹又佋O(shè)2層厚為0.12mm的真空密封膜。

（4）埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備，膜下真空表為1個/

1000m2，沉降測點(diǎn)為1個/2000m2，為監(jiān)測工作做好前期準(zhǔn)備，同時布置抽真空設(shè)備，連接電源。

（5）接通電源試抽10～15天開始正式加載，正式加載時間不少于90天。

3 新近吹填淤泥土地基表面沉降觀測方法

新近吹填淤泥地基呈泥漿狀態(tài)，具有極高的含水量，固結(jié)變形所產(chǎn)生的地表沉降顯著，與一般軟土地基相比，地表沉降的水準(zhǔn)點(diǎn)布置及校核頻率、觀測精度、觀測頻率等各方面不盡相同，有其獨(dú)有的特點(diǎn)。

3.1 測點(diǎn)的布置

臨時水準(zhǔn)點(diǎn)、后視點(diǎn)及加固區(qū)域內(nèi)各測點(diǎn)的布置既要方便監(jiān)測工作，又要均勻分散布置，保證區(qū)域內(nèi)各測點(diǎn)具有一定的監(jiān)測精度。布置于區(qū)塊之間的密封溝處的后視點(diǎn)采用長6mФ20mm鋼筋打入原狀土，頂部做好保護(hù)，避免人為沉降或傾斜。

某預(yù)加固區(qū)域分為24個區(qū)塊，編號為B1～B24，其附近固有的水準(zhǔn)點(diǎn)有三個，編號為HS1～HS3，編號為HS4～HS6的臨時水準(zhǔn)點(diǎn)由固有水準(zhǔn)點(diǎn)引出，測站的編號為1～6及HS4～HS6，每個測站控制其周圍一定范圍內(nèi)的測點(diǎn)，具體情況見圖1和圖2：

（以某區(qū)塊為代表）

3.2 儀器設(shè)備與監(jiān)測實(shí)施方案

3.2.1 監(jiān)測設(shè)備：采用蘇光DSZ2型和拓普康DS32型精密水準(zhǔn)儀各一臺及配套的5m長塔尺進(jìn)行水準(zhǔn)觀測。

3.2.2 測點(diǎn)埋設(shè)：將水位尺固定在預(yù)先澆注的底座上，水泥底座要用柔軟材料包裹好以免戳破密封膜，待密封膜鋪設(shè)完成后均勻分散地布置在加固區(qū)域內(nèi)，為避免抽真空期間沉降標(biāo)傾斜，沉降板底座應(yīng)平放在較平穩(wěn)的點(diǎn)上，同時用足夠重量的砂袋固定底座，禁止將底座壓在排水管路和排水板上以免影響抽排水及壓力傳遞工作。加固處理前期，由于吹填淤泥的特殊性地基表面稀軟，監(jiān)測時各測點(diǎn)人工扶尺子不僅影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且監(jiān)測效率低，同時，長期踩踏場地會造成密封膜破損，進(jìn)而影響真空維護(hù)工作，采用水位尺作為沉降測點(diǎn)的高程標(biāo)示帶來了很大的方便。

3.2.3 監(jiān)測精度：由于新近吹填淤泥地基的固結(jié)變形較大，沉降監(jiān)測精度不像公路、房屋建筑那么高，精確到0.01m即可。但是臨時水準(zhǔn)點(diǎn)及后視點(diǎn)應(yīng)每周復(fù)核一次，調(diào)整監(jiān)測結(jié)果，以免引起較大誤差，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不真實(shí)，同時已有的固定水準(zhǔn)點(diǎn)、臨時水準(zhǔn)點(diǎn)及后視點(diǎn)最好建成閉合的高程網(wǎng)，互相校核后視點(diǎn)的高程，同時也防止了某一測點(diǎn)出現(xiàn)不測的意外。

3.2.4 監(jiān)測頻率及計劃：根據(jù)設(shè)計要求加固期約為三個月，在抽真空期間泵上和膜下真空度為每12小時一次，地表沉降的監(jiān)測在抽真空開始的第一個月內(nèi)為一天一次，第二個月為兩天一次，第三個月為三天一次，按照各加固階段的監(jiān)測頻率進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

3.2.5 資料整理及分析：對每天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時整理分析，確保數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，如有異常數(shù)據(jù)，須結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況分析原因，指導(dǎo)施工方案，以使地基達(dá)到預(yù)期效果。

3.3 監(jiān)測注意事項

3.3.1 加固區(qū)域內(nèi)地表沉降量顯著，對后視點(diǎn)及臨時水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)定期頻繁校核，使得所測地表沉降更為準(zhǔn)確可靠。

3.3.2 與一般軟土地基相比，沉降速率更快一些且具有明顯的階段性，而階段性的監(jiān)測頻率可以更好地探索地表沉降變化規(guī)律。

3.3.3 監(jiān)測結(jié)果若出現(xiàn)沉降量為負(fù)值、真空壓力較低等反常現(xiàn)象，及時分析原因指導(dǎo)施工，否則所有的監(jiān)測工作、抽真空工作都將成為無用功。

3.3.4 對于突遇停泵、大面積漏氣、惡劣天氣來臨前等異常情況，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和記錄，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的連貫性和準(zhǔn)確性。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 地表沉降量和真空度的監(jiān)測結(jié)果及分析

為保證加固區(qū)域的抽真空工作順利進(jìn)行，并且使其在設(shè)計工期內(nèi)達(dá)到預(yù)期效果，抽真空期間對加固區(qū)內(nèi)各區(qū)塊的膜下真空度、地表沉降進(jìn)行連續(xù)觀測，便于及時發(fā)現(xiàn)問題及時指導(dǎo)施工。以某一典型區(qū)塊的各測點(diǎn)的累計地表沉降量和其泵上及膜下平均真空度監(jiān)測結(jié)果為例，具體情況如圖3和圖4

所示：

4.1.1 該區(qū)的泵上及膜下平均真空度的變化趨勢基本一致，說明區(qū)域內(nèi)的密封效果良好。試抽真空期間真空壓力逐漸上升有利于形成順暢的抽排水系統(tǒng)，避免了因受力不均或受力過猛而導(dǎo)致波紋管吸癟現(xiàn)象嚴(yán)重；真空能量的傳遞符合能量守恒定律，膜下真空壓力低于真空泵上的壓力也是顯然的。試抽真空工作兩周后保持70%～90%的開泵率正式加載，真空壓力的持續(xù)穩(wěn)定有利于土體的排水固結(jié)而達(dá)到預(yù)期加固效果，施工期間真空壓力受諸多因素如密封溝漏氣、密封膜破損及臨時停電等的影響有所波動。

4.1.2 整個加固期內(nèi)，地表沉降基本可以分為三個階段：第一階段為0～30天，第二階段為30～80天，第三階段為80～100天。第一階段，由于抽排出的是大量的沉淀水及自由水，沉降速率較大，最大達(dá)28mm/d，累計沉降量增加較快；第二階段，沉降速率趨緩，累計沉降量平穩(wěn)增長，各測點(diǎn)的差異沉降逐漸明顯；第三階段，沉降速率和累計沉降量基本趨于穩(wěn)定，沉降速率小于2mm/d。

4.1.3 地表累計沉降的變化規(guī)律連續(xù)性較好，新近吹填淤泥沉降變形呈明顯的大變形特征。保持良好的區(qū)域密封性能，使得膜下真空度持續(xù)穩(wěn)定在高水平狀態(tài)下，對于消除淤泥沉降，提高土層平均固結(jié)度，縮短抽真空時間，效果十分明顯。

4.1.4 抽真空初期泥面沉降幾乎呈線性變化，第一個月累計沉降量達(dá)到40～50cm，說明對于含水量超高的新近吹填淤泥而言，抽真空初期的排水固結(jié)效果明顯。抽真空第2個月和第3個月沉降繼續(xù)發(fā)展，抽真空3個月的累計沉降量占總沉降量的90%以上，3個月后沉降收斂穩(wěn)定趨勢明顯。

4.1.5 各測點(diǎn)之間存在差異沉降，最大達(dá)23.7cm，主要是由于吹填淤泥極不均勻、厚薄不一，而且隨著土體的排水固結(jié)，其結(jié)構(gòu)和密實(shí)度處于不斷的調(diào)整當(dāng)中，導(dǎo)致不同位置的固結(jié)狀況不盡

相同。

4.2 最終沉降量的推求和固結(jié)度的計算

由各測點(diǎn)的累計沉降曲線變化規(guī)律可以看出，吹填淤泥地基的地表沉降大致可分為快速沉降階段、沉降發(fā)展階段、基本穩(wěn)定階段等三個階段。綜合加固區(qū)內(nèi)的吹填淤泥的工程特性和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，采用三點(diǎn)法和雙曲線法由實(shí)測地表沉降監(jiān)測結(jié)果推求最終地表沉降量，進(jìn)一步計算出由變形定義的加固區(qū)內(nèi)的土層固結(jié)度。

由表1中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)由三點(diǎn)法推求的土體固結(jié)度大于由雙曲線法推求的固結(jié)度，綜合二者的計算結(jié)果可知，土體的平均固結(jié)度>80%，真空預(yù)壓法處理新近吹填淤泥地基的加固效果顯著。

5 結(jié)語

由于新近吹填淤泥的土骨架尚未形成，真空預(yù)壓法加固處理時可能引起土顆粒向排水板積聚，產(chǎn)生淤泥抱團(tuán)現(xiàn)象，與一般軟土地基真空預(yù)壓相比，真空壓力在吹填淤泥內(nèi)的傳遞速度較慢、傳遞范圍較小，從而造成吹填淤泥中的有效應(yīng)力及強(qiáng)度改善速度遠(yuǎn)低于一般軟土地基。通過分析新近吹填淤泥的沉降觀測方法及加固區(qū)域內(nèi)的真空壓力、地表沉降等現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，得出如下結(jié)論：

（1）新近吹填淤泥地基的“三高三低”工程特性使得沉降監(jiān)測工作不同于一般軟土地基，臨時水準(zhǔn)點(diǎn)及后視點(diǎn)應(yīng)頻繁校核，并建立閉合的高程網(wǎng)以便相互之間復(fù)核，且階段性的監(jiān)測頻率有利于探索地表沉降的變化發(fā)展規(guī)律；由沉降監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)沉降的發(fā)展變化呈現(xiàn)明顯的三個階段：快速沉降階段、沉降發(fā)展階段、基本穩(wěn)定階段。

（2）由現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，真空壓力的持續(xù)穩(wěn)定有利于土體的排水固結(jié)和地表沉降的規(guī)律性增長，由實(shí)測的地表沉降量推求的土層固結(jié)度>80%，真空預(yù)壓排水固結(jié)法加固效果顯著。

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作者簡介：鄧才林（1962-），男，湖南邵東人，湖南省地質(zhì)調(diào)查院院長，高級工程師，研究方向：變形監(jiān)測理論與應(yīng)用、基于低空遙感平臺攝影測量技術(shù)及應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：周加轉(zhuǎn)）