黃驊港區(qū)軟土路基真空預(yù)壓加固效果分析

丁長生

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

我國真空預(yù)壓法的室內(nèi)試驗(yàn)研究起始于1957年，現(xiàn)場探索性試驗(yàn)研究起始于1980年初。當(dāng)時(shí)天津港有大面積的軟基需要加固，常規(guī)堆載預(yù)壓法難以滿足天津港發(fā)展的需要，迫切需要找到一種更加適合天津港實(shí)際情況的地基處理方式，真空預(yù)壓法應(yīng)運(yùn)而生。在廣大科技和施工人員近40 a的不懈努力下，該項(xiàng)技術(shù)日趨成熟與完善，成為軟基加固的首選方法之一。通過抽真空形成的局部負(fù)壓源，以降低土體中的孔隙水壓力而使孔隙水排出、有效應(yīng)力增加，土體壓密，使軟土在短期內(nèi)得到固結(jié)，承載力得到提高。

目前在真空預(yù)壓法的加固機(jī)理以及加固深度方面仍然存在一定的爭議。龔曉南等[1]認(rèn)為真空預(yù)壓加固軟土的作用包括兩個部分，一是真空滲流場引起的真空預(yù)壓作用，二是地下水位下降引起的排水固結(jié)作用。閆澍旺等[2]利用彈簧裝置闡述了加固軟黏土地基的真空預(yù)壓方法作用機(jī)理，并通過工程實(shí)例證實(shí)真空預(yù)壓的有效加固深度可以超過 10 m。董志凌等[3]根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，認(rèn)為真空預(yù)壓在埋深10 m 范圍內(nèi)，負(fù)壓損失較小且加固效果良好；其有效影響深度在10 m 以下也是存在的，但隨著深度增加而逐漸減弱，在排水板底部5 m 范圍內(nèi)的深層土體加固效果不明顯。劉仲軍[4]結(jié)合工程試驗(yàn)資料，認(rèn)為有效加固深度能達(dá)到塑料排水板底部，且不受地下水位限制。張華慶等[5]研究表面，當(dāng)膜下真空度較大，地下水位埋深淺，真空混合流體密度比較小，豎向排水體井阻很小的情況下，抽真空作用便可在不同深度土體形成較大的有效應(yīng)力增量，從而使地基能夠得到有效加固。

在現(xiàn)場試驗(yàn)方面，婁炎[6-7]和高志義[8]對真空預(yù)壓法所涉及的各種監(jiān)測、檢測手段進(jìn)行了深入的研究。監(jiān)測方面，對真空度、地下水位、孔隙水壓力、分層沉降等方法的測試原理及注意事項(xiàng)進(jìn)行了系統(tǒng)的說明；原位測試方面，對加固前后室內(nèi)土工試驗(yàn)對比指標(biāo)的選擇，原位測試數(shù)據(jù)處理與分析等關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，并提出了有效的解決方法。

本文依托渤海新區(qū)黃驊港綜合港區(qū)某道路地基處理工程，場地卸載后采用鉆孔取土及室內(nèi)土工試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等手段，通過加固前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和對比，檢驗(yàn)真空預(yù)壓的加固效果，確定真空預(yù)壓的影響深度。

1 工程概況

圖1 場地典型地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological profile of the site

本工程位于渤海新區(qū)黃驊港綜合物流園區(qū)內(nèi)，是黃驊港碼頭泊位建設(shè)以及綜合物流園區(qū)和港口物流的基本通道。道路總長3.67 km。根據(jù)建設(shè)要求劃分為兩個標(biāo)段，其中一標(biāo)段長2 126.4 m，二標(biāo)段長1 542.4 m。道路紅線寬度為60 m，車行道寬度為34 m。

根據(jù)地勘報(bào)告，本工程地基處理深度范圍內(nèi)，地基從上至下主要由沖填土(成分以淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主)、淤泥質(zhì)粘土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土組成。軟土層厚度超過10 m，物理力學(xué)性質(zhì)較差，具有觸變性、高壓縮性等特點(diǎn)，可能造成基礎(chǔ)沉降過大，出現(xiàn)差異沉降等問題。本場地典型地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

根據(jù)真空預(yù)壓設(shè)計(jì)方案，本工程分為兩個標(biāo)段，其中一標(biāo)段包含8個真空預(yù)壓區(qū)，二標(biāo)段包含5個真空預(yù)壓區(qū)。砂墊層厚度為0.4 m，塑料排水板采用正方形布置，間距1 m，打設(shè)深度約為16～18 m。加固區(qū)邊界設(shè)置粘土密封墻。膜下真空度不小于85 kPa，抽真空時(shí)間90 d左右，要求卸載時(shí)固結(jié)度不小于90%。卸載后要求對地基進(jìn)行鉆孔取土、原位測試及室內(nèi)土工試驗(yàn)，檢驗(yàn)地基處理效果。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 工后檢測數(shù)據(jù)分析

表1 十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of vane shear test

表2 加固前后十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果對比Tab.2 Comparison of results of vane shear test

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每個加固區(qū)中間位置一組工后檢測試驗(yàn)點(diǎn)。十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

真空預(yù)壓地基處理后，各加固區(qū)不排水抗剪強(qiáng)度平均值為19.0～25.5 kPa，場地淺層3 m吹填土不排水抗剪強(qiáng)度平均值為22.0 kPa，且數(shù)值離散性較小，說明淺層3 m深度范圍內(nèi)土體強(qiáng)度均勻性較好，土體強(qiáng)度較高。

加固深度范圍內(nèi)，處理后的標(biāo)貫擊數(shù)比較高。其中黏性土試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)為156個，不同深度的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為3.8～7.0擊，平均值為4.6擊；粉土試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)為36個，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為8.0～18.5擊，平均值為12.0擊。

2.2 工前工后對比分析

加固前后黏性土標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比見圖2，十字板剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比見表2，主要物理、力學(xué)指標(biāo)對比見圖3。

圖2 標(biāo)貫擊數(shù)-深度曲線Fig.2 Curves of the number of standard penetration test-depth

通過工前、工后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析可知，地基經(jīng)過真空預(yù)壓加固后：

(1)原泥面以下4～18 m范圍內(nèi)軟土層強(qiáng)度基本都有增長，僅17 m深度處的工后標(biāo)貫擊數(shù)比工前略有降低，應(yīng)該與工前、工后試驗(yàn)點(diǎn)位存在一定偏差有關(guān)。可以看出，隨著深度的增加，土體強(qiáng)度提高幅度逐漸降低，10 m深度范圍內(nèi)地基處理效果較好，1～3 m沖填土不排水抗剪強(qiáng)度大幅增長，增長幅度大于等于700%；4～6 m淤泥質(zhì)土標(biāo)貫擊數(shù)增長幅度均超過100%，7～10 m淤泥質(zhì)土標(biāo)貫擊數(shù)增長幅度均超過50%， 11～18 m深度范圍也有一定的加固效果，標(biāo)貫擊數(shù)增長幅度為5%～45%不等。

(2)從土工試驗(yàn)結(jié)果反映出：經(jīng)地基加固后，加固深度范圍內(nèi)土體的主要物理、力學(xué)指標(biāo)得到不同程度地改善，大部分淤泥及淤泥質(zhì)土已轉(zhuǎn)化為黏土或粉質(zhì)粘土。在負(fù)壓的作用下，土體發(fā)生排水固結(jié)，土體的承載力、壓縮模量和抗剪強(qiáng)度明顯增長，含水率、孔隙比顯著降低。

圖3 加固前后物理力學(xué)指標(biāo)對比Fig.3 Contrast of physical and mechanical indexes

3 結(jié)論

本文根據(jù)渤海新區(qū)黃驊港綜合港區(qū)某道路地基加固工程，結(jié)合場地特征及真空預(yù)壓施工工藝，利用現(xiàn)場原位試驗(yàn)及室內(nèi)土工試驗(yàn)對其加固效果進(jìn)行評價(jià)，并重點(diǎn)探討了真空預(yù)壓的影響深度，得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)工前、工后檢測數(shù)據(jù)可知，經(jīng)地基加固后，土體發(fā)生排水固結(jié)，土性指標(biāo)明顯改善。土體壓縮模量和抗剪強(qiáng)度明顯增長，含水率、孔隙比顯著降低。在加固深度范圍內(nèi)，各土層力學(xué)性能得到不同程度的提高，其中1～3 m沖填土不排水抗剪強(qiáng)度大幅增長，增長幅度大于等于700%，4～6 m淤泥質(zhì)土標(biāo)貫擊數(shù)增長幅度均超過100%，7～10 m淤泥質(zhì)土標(biāo)貫擊數(shù)增長幅度均超過50%，11～18 m標(biāo)貫擊數(shù)增長幅度為5%～45%。

(2)本次工后檢測結(jié)果符合真空度向下傳遞的一般規(guī)律。隨著深度的增加，土性指標(biāo)的改善幅度逐漸降低。原泥面下10 m范圍內(nèi)，土體的物理力學(xué)指標(biāo)明顯改善，地基加固效果顯著；對于原泥面下10 m以下范圍土體，物理力學(xué)指標(biāo)也有一定程度的提高，加固效果一般。

(3)本工程真空預(yù)壓軟基加固取得了較好的效果，真空預(yù)壓有效加固深度不小于15 m。采用原位測試與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行工后檢測，可以直觀、可靠地判斷真空預(yù)壓地基處理效果，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)，改進(jìn)施工工藝。