真空預壓法處理吹填超軟地基10 a進展及展望

李明東, 潘耀森, 郎鈔棚, 戴仁輝， 董金奎， 牛 剛， 柴新軍

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院,南昌 330013；2.中煤第三建設(集團)有限責任公司，宿州 234000)

填海造陸是沿海國家拓展空間的重要手段,具有緩解人地沖突、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境、保障糧食安全、促進經(jīng)濟發(fā)展等重要作用[1]。荷蘭、日本、中國、美國、新加坡、印度和馬來西亞等[2-4]都開展了大量填海造陸工程,如表1所示。大量港池、航道、污染河湖需要進行清淤。美國年均航道疏浚量約2×108m3,英國年疏浚量約4 000×104m3,日本年均港口疏浚量約1 800×104m3,2017 年中國疏浚量突破10×108m3[5]。這些吹填疏浚土也常用造陸的方法來處理,同時提供建設用地。由于吹填土含水率極高、抗剪強度極低、壓縮性極大,吹填地基屬于超軟地基,其承載力低、后期沉降大、沉降過程緩慢,需要對地基進行處理,以改善地基性能。

表1 部分國家(地區(qū))吹填造陸規(guī)模和典型工程

瑞典學者Kjellmen于1952 年提出用真空預壓法處理地基,通過抽真空在土體內(nèi)部形成局部負壓,降低孔隙水壓力,增加有效應力,達到壓密土體的目的。真空預壓地基處理系統(tǒng)由抽氣系統(tǒng)、排水(氣)系統(tǒng)和密封系統(tǒng)三部分組成,排水系統(tǒng)由豎向排水體和水平濾管構成,如圖1所示。傳統(tǒng)真空預壓法采用真空泵或射流泵作為抽氣系統(tǒng),采用內(nèi)置水平濾管的地面砂墊層作為水平排水體,采用袋裝沙井或塑料排水板作為豎向排水體,上覆塑料薄膜并將四周埋入密封溝形成密封系統(tǒng)。隨著射流泵的采用、塑料排水板的推廣和密封技術的日趨成熟,真空預壓法的技術經(jīng)濟優(yōu)越性逐漸展現(xiàn),被廣泛應用于公路、港口、水利等軟基加固工程[9]。

圖1 真空預壓技術原理圖Fig.1 Schematic diagram of vacuum preloading technology

21世紀初,中國開展了大量的圍填海工程,采用真空預壓處理這種吹填超軟地基時,遇到了吹填土表面不具備機械施工條件、排水板淤堵、排水板彎折、真空度隨深度嚴重衰減等問題,導致處理效果不理想。近十年來,針對這些問題開展了大量研究,研發(fā)了新產(chǎn)品,改良了工藝,探索了聯(lián)合處理技術?？偨Y歸納近10 a來真空預壓法處理吹填超軟地基的進展,指明各種技術的特點,對新吹填工程地基處理方案的選擇具有指導意義；分析可能的研究發(fā)展方向,供科研和工程人員參考。

1 真空預壓法處理吹填超軟地基的施工工藝

1.1 吹填超軟地基表面施工工作面搭建工藝

圖2 砂被墊層三維示意圖Fig.2 Three-dimensional diagram of sand-bed

新近吹填土淤泥地基表面承載力極低[10，11],無法直接實施真空預壓地基處理的插板等工作。為解決這個問題,常規(guī)做法是自然晾曬2～3 a,表層自然干化后形成可以承受人工甚至機械的硬殼層,再進行深層真空預壓。自然晾曬存在時間長、多雨地區(qū)效果差的問題[12],需要尋找快速有效的處理方法。中交四航工程研究院研發(fā)了“二次處理技術”[13],即先進行30 d的淺表層真空預壓預處理,同時水力吹填1.0 m的粉細砂墊層并機械鋪設0.5 m的中粗砂墊層,再真空恒載45 d后卸載,形成厚度為15～30 cm的硬殼層[14],可以作為承載排水板施工設備的工作面,然后再進行傳統(tǒng)真空預壓[15]。相對于傳統(tǒng)方法,該法極大地縮短了工期,成本稍有增加,適合于砂源豐富的地區(qū)。也可采用一種大面積砂被墊層,如圖2所示,它包括整體性較強的扁平結構體和限制土體側向流動的復合式柔性結構。砂被墊層與下臥吹填泥構成一個整體承力體系,承載力高,可用作新近吹填淤泥地基一次性真空預壓處理的工作平臺[15]。砂被墊層法一次性排水處理就能進行深層排水板施工工期短、效果好。泡沫浮橋法采用高密度平板式泡沫在泥面上連續(xù)鋪設臨時浮橋,接著鋪設無紡布,在浮筏上人工插設排水板[16]。每兩排塑料排水板間鋪設濾管,在其上鋪設一層三維復合土工排水網(wǎng)[17],鋪設密封膜、安裝射流泵后即可進行真空預壓。由于浮橋、三維復合土工排水網(wǎng)等材料可以重復利用,泡沫浮橋法的成本僅為傳統(tǒng)真空預壓的58.8%[17]。目前砂被墊層法和泡沫浮橋法的設計還處于半經(jīng)驗階段,尚需對設計計算方法開展系統(tǒng)研究。

1.2 避免淤堵的施工工藝

傳統(tǒng)真空預壓過程中易出現(xiàn)排水板淤堵問題,出現(xiàn)淤泥抱團[18]、土柱等現(xiàn)象,導致排水固結效率降低、工期延長、排水板周圍土體強度隨著水平距離增加而衰減等問題,問題迫切需要解決。研究發(fā)現(xiàn)淤堵主要原因包括細顆粒隨水流在排水體處逐漸累積[19],真空荷載不分級,或者分級梯度過大[20]。發(fā)現(xiàn)對相鄰豎向排水體在同一時間施加不同的真空度,實現(xiàn)對超軟土的異步真空吸水預壓,試驗結果表明,異步真空吸水法的排水量較傳統(tǒng)真空預壓法提高了29.3%,處理后土體含水率較傳統(tǒng)方法降低了4.5%,十字板剪切強度提高了30%,處理后效果優(yōu)于傳統(tǒng)真空預壓法仍須加強對異步真空預壓真空度的優(yōu)化研究,以進一步降低淤堵的影響,并探究異步真空預壓的防淤堵機理[21-22]等。

1.3 底部抽真空施工工藝

傳統(tǒng)真空預壓法中真空由土層頂面向深部傳遞,底部抽真空則是將真空壓力直接傳輸?shù)降撞?再由底部向上傳遞,如圖3所示。采取底部真空預壓對土層進行處理,相比傳統(tǒng)真空預壓法,新方法使土層含水率降低了10%,干密度增大了11%,不排水抗剪強度提高了35%,排水量較傳統(tǒng)方法增加了38.5%[23],沉降量比傳統(tǒng)增加了30%，最終沉降增加了22%[24]。還有一種吹填淤泥造陸的預壓結構及方法,即將豎向排水體與降水管結合[25],如圖3所示,能降低地下水位,提高自重應力,改善處理效果[26]。底部抽真空預壓法目前尚處于試驗研究階段,在實際的大尺度工程實踐中,真空度隨深度的傳遞規(guī)律、加固土體性能沿深度的變化規(guī)律等尚有待研究,為技術推廣應用提供依據(jù)。

圖3 底部抽真空預壓地基的結構布置圖Fig.3 Schematic diagram of the structure for vacuum preloading from bottom

2 真空預壓法處理吹填超軟地基的材料

2.1 豎向排水體的改進

豎向排水體(預制塑料排水板,PVDs)是真空預壓中必備材料,其中塑料排水板最常用[27-29]，其主要優(yōu)點包括排水能力良好[30]、經(jīng)濟實惠[31]、使用方便[32]。原有普通豎向排水體易出現(xiàn)淤堵、彎折問題,導致加固效果下降、工期延長。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)塑料排水板濾膜孔徑在0.01 ～0.075 mm最易發(fā)生淤堵[33]。分別用孔徑120 μm 的整體式排水板和普通排水板 (孔徑40 μm)進行水力梯度為i=10的梯度比試驗,發(fā)現(xiàn)前者梯度比大于3開始出現(xiàn)淤堵,最終穩(wěn)定在3.35,輕微淤堵。后者梯度比最終穩(wěn)定在12.5,嚴重淤堵,表明了適當擴大濾膜孔徑可以減輕淤堵。過大的濾膜孔徑對整體式排水板效果的提升并不明顯,且容易造成土顆粒過量流失[34]。一種防淤堵排水板[35],它的濾膜采用親水性材斜、新型結構,并與芯材黏結在一起。對比試驗發(fā)現(xiàn)防淤堵排水板的真空度在3 d內(nèi)由50 kPa線性增加到90 kPa,增速達到普遍排水板高兩倍以上。真空預壓處理后的含水率下降量比普通排水板提高10%。室內(nèi)試驗和現(xiàn)場調查表明,周圍淤泥過大的沉降可能導致PVDs嚴重彎折,如圖4所示,不利于真空度的傳導和超靜孔隙水應力的消散[36-38]。研究豎向排水板的變形對真空預壓的影響,發(fā)現(xiàn)z形變形使預壓淤泥的抗剪強度降低了36.4%,s形變形為10.0%[39]。從圖4可以看出,部分PVDs在預壓后仍然保持直線[37]。沉降自適應排水通道,如圖5所示,骨架設有兩段可壓縮波紋軟管,能適應淤泥層沉降而不發(fā)生彎折,確保排水通暢,提高了排水能力[40]。設置了與普通排水板連接的借口,方便與普通排水板連接；植物秸稈也可作為排水體,采用直徑為45 mm的棉花秸稈捆進行室內(nèi)試驗,發(fā)現(xiàn)12 d沉降達到30 mm,表層含水率最大降幅為70%[41]。采用小麥秸稈作為排水體得到的地基沉降、土體含水量,不排水抗剪強度與傳統(tǒng)真空預壓的加固效果相近,且與傳統(tǒng)方法相比,小麥秸稈用106.09元/m2,傳統(tǒng)為144.5元/m2,總成本可節(jié)約26.58%[42]。研發(fā)沉降自適應排水通道、秸稈排水體的生產(chǎn)設備和施工機械,對于技術推廣至關重要。采用透水管樁進行了室內(nèi)試驗,安裝透水管樁實驗組的超靜孔壓消散速度比普通樁要快15%[43],經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)使用透水樁作為排水體進行真空預壓,兼具復合地基和真空預壓的功能,使軟弱地

圖4 變形的PVDsFig.4 Deformed PVDs

圖5 沉降自適應排水通道 Fig.5 Settlement-adaptive drainage channel

基處理后承載力達到普通樁的70%[44-45]。圖6為透水管樁模型,由塑料水管經(jīng)沖壓鉆孔加工而成,水管表面貼濾布,端口固定錐形塑料接頭。尚可對排水樁與淤泥的界面作用開展研究,探究固結過程中樁土界面荷載發(fā)展過程和機理。

圖6 透水管樁 Fig.6 Permeable pipe pile

2.2 砂墊層、密封膜的改進

砂墊層在傳統(tǒng)真空預壓法中具有排水層作用,它將真空度傳遞到排水體上,有助于在軟黏土上形成具有一定承載力的工作面[46]。塑料薄膜通常作為密封膜用來密封整個區(qū)域,從而形成一個密閉環(huán)境。由于一次只能放置有限尺寸的薄膜,大面積吹填工程需要進行場地劃分,使用內(nèi)堤來分隔和錨定膜[47]。修筑內(nèi)堤造價高且費時,直接用水平排水管帶連接排水板來取代密封膜,氣密性不好[48]，用一層黏土漿料覆蓋在水平真空管頂部,如圖7所示,排水體使用特殊設計的連接器連接到水平真空管,來替代砂墊層。試驗驗證發(fā)現(xiàn)固結度僅比砂墊層法小2%,節(jié)約了砂墊層成本[47]。采用無砂墊層真空預壓現(xiàn)場試驗,抽真空預壓72 d,極限承載力由6 kPa上升到112 kPa,滿足了設計要求[49]。研究發(fā)現(xiàn)調整砂墊層位置也能促進加固效果,即在吹填前在原始地表先設置砂層,再通過PVDs對砂層進行抽真空,可提高真空預壓的效果。對比試驗發(fā)現(xiàn)在100 d時改進方法的真空度提高了20 kPa。密封膜的環(huán)保性能越來越受到重視,研發(fā)可降解密封膜或可回收密封膜意義重大。

圖7 排水體連接器示意圖 Fig.7 Schematic diagram of drainage connectors

3 真空預壓聯(lián)合法處理吹填超軟地基

3.1 真空堆載聯(lián)合預壓

對于承載力要求較高的建筑物,采用傳統(tǒng)真空預壓法往往難以達到要求。采用真空堆載聯(lián)合預壓對連云港礦石堆場軟土地基進行處理,發(fā)現(xiàn)含水率減少了13.1%,孔隙減小了0.533[50],進行室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn),含水率下降比傳統(tǒng)真空預壓大15.77%,最終沉降比傳統(tǒng)真空預壓增加了30%[51]。主要原因在于真空堆載聯(lián)合預壓能增大預壓荷載,從而加速孔隙水的排出,增強加固效果。

3.2 真空電滲聯(lián)合預壓

圖8 真空-電滲-堆載聯(lián)合預壓系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of preloading via vacuum-electroosmosis-stowage system

電滲法是一種新興加固方法,具有加固速度快的優(yōu)勢,對滲透系數(shù)小、固結緩慢的淤泥、黏土等有良好效果,在工程中得到應用[52-54]。用電滲處理含水率100%的軟土7.5 d后,含水率下降為36.2%,土樣中小于0.005 mm 顆粒粒徑從38%降至22%,塑性指數(shù)由15.16降至12.78[52]。但是電滲法存在陽極腐蝕嚴重、耗能高、地基土體性質處理不均的缺點。電極和土體接觸面電阻很大,僅土壤-電極接觸中,大約有21%的電壓損失[55]。在真空-電滲聯(lián)合法[56]的基礎上使用EKG (electro-kinetic geosynthetics)電極材料的電極、不易腐蝕的導電塑料排水板進行了真空電滲聯(lián)合試驗研究,發(fā)現(xiàn)真空-電滲陽極處經(jīng)處理后強度為26 kPa,比真空預壓陽極處的強度提高了81.8%,電極腐蝕程度相比電滲法也大大減小[57]。真空-電滲-堆載聯(lián)合預壓系統(tǒng)將電滲、真空預壓和堆載預壓三種地基處理方法同時組合使用,優(yōu)勢互補,如圖8所示[58]。現(xiàn)場試驗[59]研究發(fā)現(xiàn)吹填土地基處理后各項物理力學性能得到明顯改善,處理120 d后承載力達到110 kPa 。室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn),經(jīng)電滲后若有超一半面積含水率不變時,可以將陽極向陰極移動1/3的電極間距,這將提高電滲停止后的處理效果,陽極pH提高,腐蝕性減弱[55]。電滲可能只適用于真空預壓最后階段,經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)48 h電極周圍土含水率從80%下降5%～10%,96 h后為含水率為55%,試驗效果明顯,其能耗占真空預壓能耗的8%[60]。

3.3 真空化學聯(lián)合預壓處理

吹填淤泥顆粒細小、透水性差,使用化學方法改善提高其透水性,將大大改善預壓效果。將SS-330和SS-331H加入淤泥后,淤泥的抗剪強度因化學反應增加了4～5倍,預壓后的抗剪強度提高5～6倍[61]。加入高分子絮凝劑和脫水劑后,真空預壓28 d的淤泥含水率下降量增加了6.9%[62],用氯化鐵對軟土地基進行預處理,發(fā)現(xiàn)淤泥的固結系數(shù)隨著氯化鐵加入量的增加不斷增大,增加4～9倍[63]。真空預壓前,在吹填土中加入2%石灰,表層土體的抗剪強度由20 kPa增加到26 kPa,60 cm深度處的抗剪強度值由8 kPa提高到20 kPa[64],整體沉降量增加了53.5%[65]。按室內(nèi)試驗結果推算,可節(jié)約工期和施工用電50%以上[65]。加入1%的代號為“S320”化學劑,真空預壓14 d后表層土體的抗剪強度由4.8 kPa提高到30 kPa[66],研究發(fā)現(xiàn)主要原因是加入化學劑后土顆粒聚合成了大顆粒。研究發(fā)現(xiàn),加入1%的代號為“S320”化學劑后,上清液pH超過11[67],需考慮由此可能造成的環(huán)境影響。現(xiàn)場水力吹填土體量大,尚需進一步研究混合工藝,以提高化學劑分布的均勻性[66]。

4 結論與展望

4.1 結論

總結了近10 a來利用真空預壓處理吹填淤泥超軟地基的進展,主要結論如下。

(1)二次處理技術、砂被墊層法和都能夠構建吹填淤泥表面施工作業(yè)面,在砂源充足的情況下可選用二次處理技術,砂被墊層法用砂較少,泡沫浮橋法不需要砂源。

(2)排水體彎折和淤堵是真空度衰減的主要原因,嚴重影響真空預壓的固結效果及工期。防彎折排水通道具有沉降自適應性,有利于減小真空度的衰減。采用秸稈作為排水體的優(yōu)點是取材方便、成本低,還能緩解秸稈棄置焚燒等問題。防淤堵排水板使用效果好,可以加強推廣。透水樁滲透系數(shù)大、強度和剛度高,透水樁聯(lián)合真空預壓地基能促進超靜孔隙水壓力的消散,兼具復合地基的功能,大幅提高地基承載力、減少工后沉降。

(3)采用無砂墊層的真空預壓方法與傳統(tǒng)真空預壓方法處理效果相近,特別適用于缺少砂源的地區(qū)。

(4)當?shù)鼗休d力目標較高時,根據(jù)地基土特征選擇適合的聯(lián)合預壓能夠改善處理效果,促進目標的實現(xiàn)。

(5)在對吹填淤泥中加入絮凝劑、高價金屬離子、脫水劑有利于預壓處理,主要原因在于土顆粒聚合成了大顆粒。

(6)底部抽真空能夠實現(xiàn)更好的加固效果,在工藝成熟后應加強推廣。

4.2 展望

為了進一步改善真空預壓處理吹填淤泥超軟地基技術,建議開展以下工作。

(1)研究砂被墊層法、泡沫浮橋法、底部抽真空法的設計計算方法,編制技術規(guī)程,指導工程應用。

(2)研發(fā)沉降自適應排水通道、秸稈排水體、砂被墊層的生產(chǎn)設備和施工機械,促進技術推廣。研發(fā)耐腐蝕電極,降低電滲成本。

(3)研究底部抽真空預壓法在實際的大尺度工程實踐中,真空度隨深度的傳遞規(guī)律、加固土體性能沿深度的變化規(guī)律,為技術的推廣應用提供依據(jù)。

(4)評估密封膜、化學劑的污染特性,研發(fā)可降解密封膜或可回收密封膜、篩選綠色環(huán)保的化學劑。

(5)尋找適用于不同土體的化學劑及相應的最優(yōu)添加量,形成技術指南,指導工程實踐。

(6)加強對異步真空預壓真空度的優(yōu)化研究,進一步降低淤堵的影響,探究異步真空預壓的防淤堵機理。

(7)對排水樁與淤泥的界面作用開展研究,探索固結-承載過程中樁土界面荷載發(fā)展過程,揭示機理。