真空預(yù)壓在港口工程陸域軟基處理中的應(yīng)用

謝輔義 廣州港股份有限公司

近十年來，隨著沿海發(fā)達(dá)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國建設(shè)了一大批港口工程。大部分港口工程陸域都是通過疏浚吹填形成，然后對陸域進(jìn)行軟基處理，提高地基承載力，以滿足堆場的正常使用要求。中國沿海地區(qū)的底土由飽和的軟粘土的厚層組成。但是，隨著該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速增長，在這種巖土條件下對基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的需求不斷增加。必須加強(qiáng)這種低抗剪強(qiáng)度和高可壓縮性的軟土，以增加承載力并減少過度沉降。在各種可行的軟基改良技術(shù)中，真空預(yù)壓在實(shí)踐中仍然被認(rèn)為是最流行，最具成本效益的替代方法之一。有效的預(yù)加載壓力可以通過附加材料或真空壓力來實(shí)現(xiàn)。與超載預(yù)加載相比，使用真空壓力具有幾個優(yōu)點(diǎn)。在真空預(yù)加載中沒有故障的可能性。真空預(yù)加載引起的沿垂直排水口的吸力增加了朝向排水口的徑向水力梯度，從而加快了固結(jié)速率，最大程度地降低了剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

1.工程概況

項(xiàng)目新建臨時圍堰，通過吹砂作業(yè)，形成項(xiàng)目所需陸域，面積約76.0ha。后期擬建設(shè)散貨碼頭和配套堆場。由于場地周圍的軟土層較厚，物理力學(xué)性能較差，考慮到散貨堆場裝卸設(shè)備對軌道變形的要求較高，設(shè)備基礎(chǔ)以及堆場對地基承載力提出了更高的要求。因此采取一定的工程措施，提高地基承載力，減少工后沉降。本工程真空預(yù)壓施工前，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試塊在基礎(chǔ)處理區(qū)內(nèi)選擇，50m×50m，面積2500平方米。

表1 儀表安裝深度

2.工程地質(zhì)條件

地基處理區(qū)的主要地質(zhì)條件如下：（1）粉質(zhì)粘土：灰色、流塑性、厚層狀、略微層理、高壓縮性。土壤不均勻，從上到下都有淤泥團(tuán)。（2）粉質(zhì)粘土：灰色，流塑，厚層狀，稍具層理，壓縮性高，含粉土團(tuán)塊，薄層及薄膜。土質(zhì)稍不均勻，自上而下混有少量粉粒，逐漸變?yōu)榉圪|(zhì)粘土。另外，真空預(yù)壓施工前進(jìn)行了吹砂作業(yè)，砂層厚度為4米。

3.真空預(yù)壓設(shè)計(jì)施工

面積為90m2的正方形區(qū)域進(jìn)行真空預(yù)壓測試。附加載荷預(yù)加載測試位置與真空處理區(qū)域相鄰，尺寸為60 m×60 m。在這兩個測試中，都將0.5 m厚的沙毯放在地面上，作為在真空預(yù)壓測試中放置水平多孔管的工作平臺，并在附加預(yù)壓測試中作為水平排水層。將橫截面為100 mm×4 mm，長度為20.0 m的PVD以1.1 m的間隔安裝成三角形。PVD的產(chǎn)品排放量為800 m3/yr。

在-0.29 m至-3.86 m的高程下，該底土具有9.45×10-5cm/s的相對高滲透率的黏土淤泥。為了使由于具有相對較高的滲透性的黏土淤泥和邊界效應(yīng)而導(dǎo)致的真空損失最小化，安裝了帶有兩排圓柱的混合漿壁以密封邊界。混合漿料塔的長度為10，直徑為700 mm，相鄰塔之間的重疊部分為200 mm。沿真空處理區(qū)域的邊界建造了一個粘土圍堰。圍堰的波峰寬度高度為1.0 m，斜率為1H：1V，高度為2.0 m。一層不可滲透的膜被用來覆蓋測試區(qū)域。

4.儀器儀表

在這兩個測試（如表1）中，沉降板，分層沉降計(jì)和測壓計(jì)均安裝在測試區(qū)域的中心，靠近側(cè)面和角落，距離側(cè)面約8m。下表列出了安裝在地下土壤中的分層沉降計(jì)和壓力計(jì)的具體深度。所述測斜儀外殼被安裝在1.5米的邊的中央點(diǎn)到遠(yuǎn)離30.0米的地面的深度的距離。

圖1 地面沉降：（a）真空預(yù)壓；（b）附加預(yù)載。

圖2 沉降率隨平均固結(jié)度的變化

在真空預(yù)加載測試中，真空泵在7天內(nèi)開始將膜下的真空壓力降低至-85 kPa。然后將水泵入高至1.5 m的堤壩封閉區(qū)域。加載和合并的總時間為100天。根據(jù)測量結(jié)果，真空壓力幾乎平均分布在膜下，平均-85 kPa。包括1.5 m的高液壓，用于真空預(yù)壓測試的總預(yù)壓壓力約為100 kPa。在附加預(yù)壓試驗(yàn)中，將破碎的石料用作附加材料。的附加的填充是在三個階段構(gòu)成高達(dá)6米的高度72天，然后保持56天的土壤固結(jié)。預(yù)加載總時間為128天。碎石的單位重量為16.5 kN/ m3，因此總附加壓力約為100 kPa，與真空預(yù)壓試驗(yàn)中施加的壓力相對應(yīng)。

5.現(xiàn)場監(jiān)測及成果分析

圖1（a）（b）顯示了測試過程中測得的地面沉降。為了進(jìn)行比較，還包括了加載歷史記錄。在真空預(yù)壓測試中，中心沉降（T1SP3）略大于靠近測試區(qū)域邊緣和拐角處的中心沉降（T1SP2和T1SP3），而以T1SP2和T1SP3表示的沉降幾乎相同。圖1（b）顯示了附加預(yù)載測試中地面沉降隨時間的變化。T2SP1的數(shù)據(jù)在此未顯示，因?yàn)槌两蛋逶谑┕み^程中被損壞。在裝載施工過程中，沉降迅速增加，隨后由于固結(jié)逐漸增加。

另一方面，在真空預(yù)載中，T1SP1和T1SP3之間以及T1SP2和T1SP3之間的差異沉降分別為125 mm和112 mm，這顯著小于附加預(yù)加載中T2SP3和T2SP2之間的差異554 mm。可以解釋為，在真空預(yù)壓下，底土幾乎各向同性地固結(jié)，由于安裝了混合泥漿壁，邊界上的真空損失有所減輕。堤壩預(yù)應(yīng)力的不均勻沉降是由于路堤填土下應(yīng)力分布不均造成的。研究者提出基于實(shí)驗(yàn)室的里程表測試，真空壓力引起的沉降與相應(yīng)的附加壓力引起的沉降比在0.81至1.0的范圍內(nèi)。在現(xiàn)場測試中，由于測試區(qū)域的對稱性，可以認(rèn)為中心的沉降類似于一維固結(jié)。按照Asaoka方法（1978年），在真空預(yù)壓和超載預(yù)壓試驗(yàn)中，試驗(yàn)區(qū)中心的最終沉降量（即T1SP3和T2SP3）分別為938 mm和1137 mm。因此，現(xiàn)場計(jì)算的沉降比為0.825，在Chai等人提出的范圍內(nèi)。（2005年）。但是，應(yīng)該指出的是，在里程表測試中，土壤樣品足夠薄，因此可以將附加應(yīng)力（即真空壓力和附加壓力）視為土壤中的均勻分布，而在現(xiàn)場，真空壓力的分布附加壓力隨深度而分散。

圖2給出了半對數(shù)坐標(biāo)系中相同平均固結(jié)度下真空預(yù)壓和附加預(yù)壓之間沉降比的變化。可以看出，分散的趨勢是沉降率隨平均固結(jié)度的增加而降低。通過使用線性擬合方法，最佳擬合線方程為，其中SR是在相同平均固結(jié)度下真空預(yù)壓與附加預(yù)壓的沉降比 。延伸最佳擬合線時，截距分別為0.896和0.822。最終結(jié)算比率（即0.822圖2中擬合曲線預(yù)測的）與Asaoka方法（1978）預(yù)測的0.825非常吻合。

合并程度通常以實(shí)際時間為時間t處的結(jié)算與最終結(jié)算的比率來計(jì)算。使用Asaoka方法（1987）預(yù)測最終沉降。在兩個測試中，在預(yù)加載結(jié)束時，固結(jié)度均大于90%，并且真空預(yù)加載獲得的固結(jié)度略大于附加加載的固結(jié)度。但是，由于在很短的時間內(nèi)施加了真空壓力，因此真空預(yù)壓測試中的總預(yù)壓時間比附加預(yù)壓的總預(yù)壓時間少22%。

6.結(jié)論

進(jìn)行了比較分析，以研究真空預(yù)壓改良的陸域軟基在真空壓力和等效附加荷載下的性能。真空預(yù)加載大大減輕了地面的差異沉降。隨著半對數(shù)坐標(biāo)系中平均固結(jié)度的增加，沉降率幾乎呈線性下降。基于原位測試，在影響深度和土壤強(qiáng)度方面，真空預(yù)壓和附加力預(yù)壓的改善效果相似。