增壓式真空預壓在連云港軟土地基處理中的應用

林巖，李彪，諸葛愛軍

（1.連云港港口工程設計研究院有限公司，江蘇連云港 222042；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津港灣工程質量檢測中心有限公司，天津 300222）

增壓式真空預壓在連云港軟土地基處理中的應用

林巖1，李彪2，諸葛愛軍2

（1.連云港港口工程設計研究院有限公司，江蘇連云港 222042；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津港灣工程質量檢測中心有限公司，天津 300222）

通過在對連云港地區軟地基處理中增壓式真空預壓和直排式真空預壓應用情況的對比試驗，探討了增壓式真空預壓和直排式真空預壓的區別。根據孔隙水壓力監測及工后檢測結果，研究了增壓式真空預壓在增壓段內的孔隙水壓力變化，并對兩種真空預壓方式的處理效果進行對比，結果表明：增壓管在真空預壓過程中能夠傳遞真空壓力；在增壓過程中，高壓空氣從增壓管處向上進入膜下，導致膜下和正常排水板處真空壓力降低，并沒有達到增壓的預期目的；兩種真空預壓方式對于地基的加固效果相當；增壓式真空預壓的加固原理及施工方法還有待進一步研究和改進。

增壓式真空預壓；直排式真空預壓；孔隙水壓力；固結沉降；十字板剪切強度；孔隙比

0 引言

直排式真空預壓和增壓式真空預壓都是在常規真空預壓基礎上發展而來，和常規真空預壓相比，它們都具有真空利用率高、原材料省、工程造價低和對環境友好等特點[1-3]。直排式真空預壓和增壓式真空預壓加固軟基的原理同常規真空預壓加固相同，只不過直排式真空預壓取消了常規真空預壓中的水平排水砂墊層，將軟基中的垂直塑料排水板和真空抽氣管直接連接，消除了真空壓力傳遞過程中的水平排水砂墊層中的能力損耗，提高了排水板內的真空壓力和真空作用能效[3]，增壓式真空預壓在直排式真空預壓的基礎上布置增壓系統，在抽真空后期適時增壓。增壓采用間歇式增壓，首先保持膜下真空度在80 kPa以上，然后逐步加正壓至200 kPa并2 h后停止增壓，改為正常抽真空模式，具體增壓壓力與持續時間可根據現場實際情況做適當調整。軟土地基中的自由水在真空壓力作用下，向排水板移動，孔隙水壓力減小，有效應力增加，土體發生固結。但由于淤泥土的滲透系數很小，黏粒含量很高，導致真空預壓后期，加固效果不明顯[1-2]。增壓時，增壓管內為正壓，排水板內為負壓，自由水在增壓管和排水板之間的壓差作用下向排水板定向流動，加速了自由水的排出速度，進而使土體的有效應力增加，加速土體固結[1-2]。

本文介紹增壓式真空預壓和直排式真空預壓在連云港地區的應用情況，研究了增壓式真空預壓在增壓段內的孔隙水壓力變化，并對兩種真空預壓方式的處理效果進行對比。

1 工程簡介

本工程位于連云港旗臺作業區，北側為30萬t航道（連云港區）及相應碼頭泊位，南側為旗臺山與南防波堤。本項目的地基土為Q4后期沉積土和近期人工吹填土，主要土層有流泥、淤泥及粉質黏土等。這種土由于沉積歷史較短，具有含水率高、壓縮性大、強度低、透水性差的特點，同時地基土在自重作用下未達到完全固結，處于欠固結狀態。地基土層由上到下依次為：

①1流泥：近期人工吹填而成，灰色，高壓縮性，流塑。場區普遍分布。

①2淤泥：近期人工吹填而成，灰色，高壓縮性，軟塑。由人工吹填形成，主要以淤泥為主，部分加固區含有粉土夾層。

②淤泥：海相沉積土層，灰色～灰青色，高壓縮性，軟塑，場區普遍分布。

③粉質黏土：海相沉積土層，灰褐色，中等壓縮性，硬塑。部分加固區為黏土。

由以上地質情況可知，淤泥的物理力學性質較差，必須經地基處理后才能滿足沉降和穩定的要求。真空預壓是處理吹填土地基最常用的方法，鑒于常規真空預壓在連云港地區遇到的瓶頸，試驗段優先考慮直排式真空預壓和增壓式真空預壓進行加固，為比較增壓式真空預壓和直排式真空預壓在加固效果及經濟上的優劣，以及為以后地基加固工程提供設計依據，設立試驗段進行驗證分析。增壓式真空預壓和直排式真空預壓主要設計參數如表1所示。增壓式真空預壓工藝斷面布置圖見圖1。

表1 加固區主要設計參數Table 1 Main design parameters of reinforcement area

圖1 增壓式真空預壓工藝斷面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of section layout of the vacuum preload ing w ith air pressure boost

增壓式真空預壓施工工藝為：先在待處理區域鋪設1層150 g/m2編織土工布與1層竹笆，然后鋪設0.6 m風化砂墊層，待鋪設完工后，插打防淤堵型塑料排水板（深度25 m），塑料排水板間距為0.8 m，正方形布置，插板完成開始打設增壓管（總長度為5 m，埋深大于2 m，與其相應位置排水板搭接長度不小于3.0 m，排水板板頭反彎進淤泥不少于1.5 m），待增壓管和排水板全部施工完畢后，再依次鋪設真空管（用四通手型接頭與排水板相接）與增壓管（與氣壓管相接）、1層150 g/m2編織土工布、1層200 g/m2高密度寬幅短絲針刺無紡土工布與2層PVC密封膜，鋪設完成后開始抽真空。

直排式真空預壓方案施工工藝為：先在待處理區域鋪設1層150 g/m2編織土工布與1層竹笆，然后鋪設0.6 m風化砂墊層，待鋪設完工后，插打防淤堵型塑料排水板（深度25 m），塑料排水板間距為0.8 m，正方形布置，插板完成半個月后，再依次鋪設真空管（用四通手型接頭與排水板相接）、1層150 g/m2編織土工布、1層200 g/m2高密度寬幅短絲針刺無紡土工布與2層PVC密封膜，鋪設完成后開始抽真空。

2 增壓過程中監測數據分析

本工程1區（增壓式真空預壓區）鋪膜完成后15 d真空壓力達到85 kPa，在抽真空103 d后開始增壓，增壓壓力為800 kPa（空壓機處），18 d后增壓結束，增壓完成后繼續抽真空直至卸載。為了分析增壓過程中高壓空氣的去向和是否達到增壓的目的，特在增壓區中布置1個增壓監測斷面，分別在增壓管、排水板和增壓管、排水中間土體內延深度方向埋設孔隙水壓力測頭，具體埋設位置如圖2所示，觀測結果如圖3～圖6所示。

圖2 增壓式真空預壓增壓監測斷面布圖Fig.2 Pressure boost monitoring section layout of the vacuum preloading w ith air pressure boost

圖3 增壓管處真空壓力-時間曲線Fig.3 Vacuum pressure-time curve of the booster tube

圖4 排水板處真空壓力-時間曲線Fig.4 Vacuum pressure-time curve of the Plastic drain board

圖5 孔隙水壓力（S1）-時間曲線Fig.5 Curve of pore water pressu re(S1)-time

圖6 孔隙水壓力（S）-時間曲線Fig.6 Curve of pore water pressure(S)-time

由圖3和圖4可以看出，當正常抽真空時，增壓管連接負壓源也可以將真空壓力傳遞到其相同位置的排水板內，只是真空壓力在這個傳遞過程中較正常排水板損失大。

通過圖4和圖5可以看出正常抽真空時地表測頭的真空壓力（約為50 kPa左右）要比排水板內的真空壓力低。其原因有二：一是由于在打板過程翻漿及打板后地下水隨排水板滲出，導致場地泥漿滿布，地表側頭處于泥漿中；二是由于增壓式真空預壓為直排式，膜下壓力要低于排水內壓力。

由圖3～圖6可以看出，在增壓時，增壓管處排水板和正常排水板內的真空壓力有很大變化（增壓管處排水板內真空壓力降低了20 kPa左右，排水板內真空壓力降低了40 kPa左右），并且地表的真空壓力也降低約15 kPa左右，但埋在土體中的孔隙水壓力并沒有變化且在增壓結束后也沒有明顯變化。

現假設兩種情況，一種是增壓過程中，高壓空氣沒有穿透土體，只是在土體側面形成正壓，增大排水板和增壓管之間的壓差，使土體中的自由水向排水板方向移動，加速自由水的排出（如圖7中第一種情況所示），另一種情況是增壓過程中，高壓空氣穿透了土體，將自由水帶到排水板內排出（如圖7中第二種情況所示）。如果增壓過程中正壓傳遞同第一種情況一樣，那么土體中的孔隙水壓力測頭會有先上升后下降的趨勢，而排水板內的真空壓力不會變化；如果增壓過程中正壓傳遞同第二種情況一樣，那么土體中的孔隙水壓力測頭會出現先上升，增壓結束后孔隙水壓力測頭迅速下降的趨勢，排水板內的真空壓力會迅速減小。但現場觀測結果表明，在增壓時增壓管處排水板內的真空壓力和正常排水板內的真空壓力都迅速減小，土體內的孔隙水壓力沒有上升或下降的變化，增壓結束后也沒有消散加快的趨勢，這表明正壓沒有像假設的一樣對土體固結排水起到作用，而是穿過增壓管上部土體進入膜下，導致膜下和正常排水板處真空壓力降低。

圖7 增壓過程正壓傳遞示意圖Fig.7 Schematic diagram of positive pressure transfer in pressurization process

3 檢測數據分析

真空預壓加固前后分別在1區和2區進行了現場十字板剪切試驗和現場取土及室內試驗。

3.1 加固前后土的物理指標的變化

加固后1區（增壓式真空預壓區）和2區（直排式真空預壓區）的土體含水率、孔隙比均有所降低。加固前后土的物理指標有明顯變化，其變化情況如表2所示。

表2 加固前后土的物理性質指標變化統計Table 2 Index changes of physicalproper ties of soilbefore and after the reinforcement

通過表2可以看出，加固前含水率：1區（增壓式真空預壓區）為75.8%，2區（直排式真空預壓區）為74.5%；孔隙比：1區為2.082，2區為2.046。由此可見，加固前土性基本一樣，差別不大。加固后增壓式真空預壓區含水率降低了13.6%，孔隙比降低了0.337；傳統真空預壓區含水率降低了13.8%，孔隙比降低了0.346。

由以上對比可知，真空預壓結束后土的物理指標均有很大改善，考慮土質均勻性差別和檢測誤差，可以認為在本工程中兩種真空預壓方式的加固效果大致相同。

3.2 加固前后十字板剪切強度的變化

加固前后十字板剪切強度均值見表3，加固前后十字板剪切強度如圖8所示。

表3 加固前后十字板剪切強度變化統計Table Changes of the cross p late shear strength before and after the reinforcement kPa

圖8 十字板剪切強度隨加固深度變化曲線Fig.8 Changing curve of the cross p late shear strength w ith the reinforcementdepth

通過表3和圖8可以看出加固后土體的抗剪強度均有所提高。1區十字板剪切強度均值為21.3 kPa，2區為22.0 kPa，加固前兩個區十字板剪切強度均值相差不大。加固后1區、2區、十字板剪切強度均值分別為36.0 kPa、37.1 kPa。由此可見增壓式真空預壓區和傳統直排真空預壓區加固前后十字板剪切強度增長量相當。

4 結語

通過對增壓式真空預壓和直排式真空預壓的現場對比試驗，可以得出以下結論：

1）增壓管在抽真空時能夠傳遞真空壓力，但真空壓力隨深度衰減較正常排水板處大；

2）本試驗中，增壓式真空預壓在增壓過程中，高壓空氣從增壓管處向上進入膜下，導致膜下和正常排水板處真空壓力降低，并沒有達到增壓的預期目的；

3）增壓式真空預壓和直排式真空預壓對于地基的加固效果相當；

4）增壓式真空預壓的加固原理及施工方法還有待進一步研究和改進。

[1]劉浩，余學鵬，崔俊杰，等.增壓防堵真空預壓加固吹填土對比試驗研究[J].鐵道標準設計，2014，58（1）：28-33. LIU Hao,YU Xue-peng,CUI Jun-jie,et al.Comparative experiment study on the strengthening of dredger fill using vacuum preloading method based on pressurization and anti-clogging technology[J].Railway Standard Design,2014,58(1):28-33.

[2]丁海龍，郭志鵬，范開翼，等.增壓式真空預壓軟基處置的對比試驗研究[J].地下空間與工程學報，2015，11（S1）：16-18. DING Hai-long,GUO Zhi-peng,FAN Kai-yi,et al.Comparative experimenton softsoil treatmentby air-boosted vacuum preloading [J].Chinese Journalof Underground Space and Engineering,2015, 11(S1):16-18.

[3]夏玉斌，陳健，陳允進.直排式真空預壓軟基加固效果及經濟性分析[J].水運工程，2011（9）：224-229. XIA Yu-bin,CHEN Jian,CHEN Yun-jin.Effect and economic analysis of direct vacuum preloading method for consolidation of softground[J].Port&Waterway Engineering,2011(9):224-229.

[4]孫立強，閆澍旺，何洪娟，等.吹填土地基在真空預壓插板期間的沉降計算[J].水利學報，2010，41（5）：588-594. SUN Li-qiang,YAN Shu-wang,HE Hong-juan,et al.Calculation of vacuum preloading settlement for soft soil foundation during PVDs installation[J].Journal of Hydraulic Engineering,2010,41 (5):588-594.

[5]JTS 147-1—2010，港口工程地基規范[S]. JTS 147-1—2010,Code for soil foundations of port engineering [S].

App lication of air-boosted vacuum preloading on soft soil foundation treatment in Lianyungang

LIN Yan1,LIBiao2,ZHUGE Ai-jun2
（1.Lianyungang Port Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222042,China;2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory ofPort Geotechnical Engineering,Ministry ofCommunication,Key Laboratory of Geotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin Harbor Engineering Quality Testing Center Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Through the contrast test of the vacuum preloading with air pressure boost and the direct vacuum preloading in the soft ground treatment in Lianyungang area,we discussed the difference between the two methods.According to the pore water pressure monitoring and test results after work,we studied the change of pore water pressure of the vacuum preloading with air pressure boost,and compared the treatment effectof the two kinds of vacuum preloading method.The results show that:booster tube in the process of vacuum preloading can transfer vacuum pressure;during the pressurization process,the high pressure air from the booster tube enters the vacuum system,leading to the reduction of the vacuum pressure of the vacuum system and the expected goal of the air pressure boost is notachieved;the two kinds of vacuum preloading method for the consolidation effect of the foundation is quite;the reinforcement principle and construction method of the vacuum preloading with air pressure boost stillneeds further research and improvement.

vacuum preloading with air pressure boost;direct vacuum preloading method;pore water pressure;consolidation settlement;vane shear strength;void ratio

U655.544.4；TU472.33

A

2095-7874（2016）11-0046-06

10.7640/zggw js201611011

2016-06-13

2016-08-26

林巖（1982— ），男，河北石家莊人，碩士，工程師，主要從事巖土工程地基處理等方面的工作。E-mail：19820411linyan@163.com