吹填超軟土直排式真空預(yù)壓現(xiàn)場試驗(yàn)研究

劉健 周文皎 孫帥勤 萬軍利

（1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100100；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100091）

為適應(yīng)沿海地區(qū)港口建設(shè)土地資源短缺的需求，陸域形成常常采用疏浚淤泥作為吹填料，經(jīng)水力吹填形成場地。吹填超軟土含水率高，呈浮～流泥狀，孔隙比大，基本沒有強(qiáng)度［1-2］，須經(jīng)過加固處理才能滿足使用要求。通常采用真空預(yù)壓法、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓進(jìn)行處理［3］。真空預(yù)壓法以低廉的施工成本、較短的預(yù)壓時(shí)間、較少的土石方用量、穩(wěn)定的加載過程等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用［4］，但在處理吹填超軟土?xí)r也存在很多問題。

大連一處吹填超軟土工程在經(jīng)過常規(guī)真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓處理后，淤泥含水率仍然很大，強(qiáng)度提高很小，處理效果不佳，仍須進(jìn)行二次處理。原因是：①場區(qū)吹填超軟土微觀特性有其特殊性，黏土礦物含量較高，黏土礦物中伊利石含量占2/3 以上，其次為伊蒙混層礦物、綠泥石和高嶺石；②常規(guī)真空預(yù)壓法真空荷載能量傳遞衰減快，排水效率低，導(dǎo)致處理深度有限；③塑料排水板影響半徑有限，按照傳統(tǒng)塑料排水板間距設(shè)計(jì)達(dá)不到要求的處理效果。

針對本場區(qū)吹填超軟土的工程特性，本文采用直排式真空預(yù)壓法［5］進(jìn)行地基處理，開展了現(xiàn)場對比試驗(yàn)，結(jié)合各種監(jiān)測、檢測成果，對塑料排水板不同打設(shè)間距的加固效果進(jìn)行研究，推薦最佳處理方案，為場區(qū)大面積施工及類似工程提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

該工程吹填總面積約66 萬m2，吹填材料為港池航道疏浚淤泥，形成陸域表層2～6 m 為流泥，含水率85%～159%，平均含水率為125.8%，黏粒含量約為52%；下層為2～5 m 的淤泥，平均含水率為67.3%。上述地層具有高黏粒含量、高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透系數(shù)的工程特性，屬典型吹填超軟土地基。土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 主要處理土層物理力學(xué)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

根據(jù)JTS 147-2—2009《真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程》要求，排水板間距宜為0.7～1.3 m。但當(dāng)吹填土以超軟土（含水率＞120%、塑性指數(shù)＞20 的軟黏性土）為主時(shí)，采用常規(guī)真空預(yù)壓法處理效果不佳。加固過程中排水量大，加固后排水板中心處地基土上部強(qiáng)度增長明顯，而沿徑向和深度方向強(qiáng)度衰減明顯，導(dǎo)致地基整體強(qiáng)度增長小，甚至沒有變化，地基處理效果難以滿足使用要求。為此，需要對傳統(tǒng)的處理方法進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)針對處理土層的工程特性，有區(qū)別地進(jìn)行塑料排水板間距設(shè)計(jì)，即對塑料排水板有效影響半徑進(jìn)行研究。

本文現(xiàn)場試驗(yàn)采用直排式真空預(yù)壓法進(jìn)行軟土地基處理。該工法是在常規(guī)真空預(yù)壓法基礎(chǔ)上的改進(jìn)與創(chuàng)新［6］，主要用密閉真空管網(wǎng)代替常規(guī)真空預(yù)壓法的水平砂墊層和濾管、濾膜，在節(jié)省了中粗砂等稀缺資源同時(shí)消除了真空壓力通過水平砂墊層、濾管和濾膜傳遞過程中所產(chǎn)生的真空能量損耗，從而提高了真空荷載的能量利用率，縮短了加固時(shí)間，提高了加固效果，降低了工程造價(jià)。

試驗(yàn)區(qū)總面積1 800 m2（60 m×30 m），劃分為3 個(gè)區(qū)（圖1）。塑料排水板采用國標(biāo)B 型規(guī)格，正方形布置，打設(shè)至穿透處理土層。根據(jù)試驗(yàn)前對場地的鉆孔探摸情況，排水板平均打設(shè)深度10.0 m。地基處理要求為經(jīng)加固后地基承載力不小于80 kPa，工后沉降小于30 cm。

圖1 試驗(yàn)分區(qū)布置示意（單位：m）

試驗(yàn)區(qū)的3 個(gè)區(qū)除塑料排水板間距不同外，其余試驗(yàn)步驟、措施均相同，并同步開始抽真空。為減少試驗(yàn)區(qū)邊界效應(yīng)的影響，防止軟基加固沉降后周邊淤泥涌入試驗(yàn)區(qū)，在試驗(yàn)區(qū)四周10 m 范圍進(jìn)行過渡處理，打設(shè)長3.0 m塑料排水板，間距0.8 m。

3 現(xiàn)場對比試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

1）鋪設(shè)工作墊層

為滿足輕型設(shè)備施工，在原軟土泥面上自下而上鋪設(shè)1 層編織布、2 層土工格柵和1 層臨時(shí)竹竿網(wǎng)，形成工作墊層。

2）打設(shè)塑料排水板

塑料排水板打設(shè)采用輕型振動式打設(shè)機(jī)，1 區(qū)—3 區(qū)排水板間距分別為0.4，0.6，0.8 m。

3）布設(shè)真空排水管網(wǎng)

直排式真空排水管網(wǎng)分為主管、支管、連接管3種，主管直接與真空射流泵連接，支管與主管連接。

在塑料排水板頂端安裝排水板板頭連接器，通過PU 管將板頭連接器與支管結(jié)點(diǎn)密閉連接（圖2），排水板板頭連接器和支管連接管通過工廠標(biāo)準(zhǔn)化加工而成，可大批量生產(chǎn)，提高作業(yè)效率。

圖2 真空排水網(wǎng)與塑料排水板連接方式

4）鋪密封膜，布置射流泵，抽真空

真空排水管網(wǎng)鋪設(shè)完成后開挖壓膜溝。密封膜采用2 層聚氯乙烯薄膜。在鋪膜前鋪設(shè)1 層土工布，以保護(hù)密封膜不被刺破。設(shè)計(jì)抽真空130 d，真空預(yù)壓滿載后進(jìn)行聯(lián)合堆載，堆載2.0 m厚碎石土。

5）卸載

試驗(yàn)區(qū)卸載標(biāo)準(zhǔn)：①按實(shí)測沉降曲線推算地基土固結(jié)度不小于85%；②連續(xù)10 d 實(shí)測沉降速率不大于2.0 mm/d。

該方案原設(shè)計(jì)抽真空時(shí)間為130 d。到達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明1區(qū)沉降速率已小于2.0 mm/d；而2區(qū)沉降速率達(dá)5.0 mm/d，此時(shí)，延長抽真空時(shí)間40 d，即抽真空170 d，2區(qū)滿足卸載標(biāo)準(zhǔn)；但170 d時(shí)3區(qū)仍未達(dá)到卸載標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮時(shí)間成本，對3 個(gè)區(qū)在抽真空170 d后同時(shí)卸載。

3.2 試驗(yàn)成果分析

為控制試驗(yàn)質(zhì)量并檢驗(yàn)軟土加固效果，對試驗(yàn)進(jìn)行了過程監(jiān)測與檢測。過程監(jiān)測包括：地基土體變形、孔隙水壓力、地下水位變化及真空壓力傳遞情況；試驗(yàn)結(jié)束后，通過取原狀土進(jìn)行土工試驗(yàn)、原位十字板剪切試驗(yàn)，檢驗(yàn)地基加固效果。

3.2.1 監(jiān)測結(jié)果分析

1）膜下真空度

膜下真空度的大小直接反映真空度的傳遞能力，直接影響加固效果。試驗(yàn)區(qū)從開始正式抽真空后，泵口壓力保持在95 kPa 以上。為監(jiān)測真空度的傳遞，分別在抽真空主管管路中和膜下布設(shè)了真空度測頭，真空度隨時(shí)間變化曲線見圖3。可知，管路中真空度和膜下真空度均保持在80～90 kPa，真空管路中真空度略高于膜下真空度。這表明真空度的傳遞效果良好。

圖3 真空度隨時(shí)間變化曲線

2）地表沉降

地表沉降直觀反應(yīng)排水固結(jié)的效果，其觀測包括施工瞬時(shí)沉降和抽真空期間沉降2 部分。實(shí)測沉降過程見圖 4。可知，實(shí)測沉降 1 區(qū)＞2 區(qū)＞3 區(qū)，卸載前 10 d，1 區(qū)沉降速率為 0.5 mm/d，2 區(qū)為 1.8 mm/d，均小于2.0 mm/d，沉降趨于穩(wěn)定，滿足卸載標(biāo)準(zhǔn)②的要求，而3 區(qū)為3.1 mm/d 大于2.0 mm/d，尚未達(dá)到卸載標(biāo)準(zhǔn)②的要求。

圖4 各分區(qū)沉降隨時(shí)間變化曲線

排水固結(jié)法固結(jié)度的計(jì)算方法很多，本文采用了JTS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》推薦的較為先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)雙曲線法。結(jié)合實(shí)測沉降曲線，利用JTS 147-1—2010 中的方法計(jì)算地基土固結(jié)度。地表沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。可知，排水板間距最小的1區(qū)固結(jié)度最大，達(dá)到91.8%，2 區(qū)固結(jié)度達(dá)到88.2%，1 區(qū)、2 區(qū)均滿足卸載標(biāo)準(zhǔn)①的要求，同時(shí)均滿足工后沉降要求；3 區(qū)固結(jié)度僅69.2%，遠(yuǎn)未達(dá)到卸載標(biāo)準(zhǔn)和理想的處理效果。

3）孔隙水壓力消散規(guī)律

以具有代表性的2區(qū)實(shí)測孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線為例，研究不同深度孔壓的消散規(guī)律。2 區(qū)孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線見圖5。可知，隨著真空度的上升孔隙水壓力一直處于下降狀態(tài)，在聯(lián)合堆載后，孔隙水壓力有所上升，但隨著堆載后土體逐漸穩(wěn)定及真空和堆載壓力的傳遞，孔隙水壓力又逐漸下降，最大下降值約100 kPa，抽真空后期漸趨穩(wěn)定。孔隙水壓力隨時(shí)間的消散趨勢，表明土體逐漸固結(jié)，地基強(qiáng)度不斷增加。針對4 m 深度處的孔壓計(jì)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定現(xiàn)象，可能是因?yàn)樘幚磉^程中土體壓縮導(dǎo)致孔壓計(jì)與排水板距離之間變化。

表2 各分區(qū)沉降

圖5 2區(qū)孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線

孔隙水壓力消散一部分是因?yàn)槌o孔隙水壓力，主要是因?yàn)榈叵滤幌陆狄鸬撵o水壓力的降低值。在試驗(yàn)區(qū)周邊的地下水位管埋設(shè)后地下水會沿管口外溢也說明了這一問題。

3.2.2 檢測結(jié)果分析

1）土工試驗(yàn)

地基加固前后分別在現(xiàn)場取原狀土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，比較加固前后的土性物理力學(xué)指標(biāo)變化情況，結(jié)果見表3。可知，地基加固后的物理力學(xué)指標(biāo)得到了不同程度的改善，地基加固效果明顯。地基處理前因土樣太軟不能成樣而無法進(jìn)行直剪快剪試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，處理后土樣力學(xué)指標(biāo)均有大幅提高。

表3 主要處理土層加固前后物理力學(xué)指標(biāo)對比

為檢測排水板的有效影響半徑，采取土樣的位置均選取在各區(qū)布置排水板的形心位置處。

2）十字板剪切試驗(yàn)

加固前、后十字板剪切強(qiáng)度對比曲線見圖6。可知，地基加固后十字板剪切強(qiáng)度有較大幅度的增長，地基加固效果顯著。加固前，軟土十字板剪切強(qiáng)度平均不到 2 kPa。加固后，1 區(qū)為 30.7 kPa，增幅達(dá) 15 倍；2區(qū)為26.7 kPa，增幅達(dá)14倍；3區(qū)為16.1 kPa，增幅達(dá)7.7 倍。1 區(qū)、2 區(qū)提高幅度很大，處理效果明顯好于3區(qū)。

圖6 加固前后十字板剪切強(qiáng)度對比曲線

3）承載力計(jì)算

依據(jù)港口行業(yè)相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，按照含水率、塑性指數(shù)查表得各區(qū)表層容許承載力見表4。

表4 根據(jù)物性指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)提供地基承載力

依據(jù)港口行業(yè)相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，按十字板剪切強(qiáng)度計(jì)算容許承載力f，計(jì)算式為

式中：Cu為十字板抗剪強(qiáng)度，kPa；r為基礎(chǔ)地面以上土的加權(quán)平均重度，kN/m3；D為基礎(chǔ)埋置深度，m。

計(jì)算各區(qū)容許承載力見表5。

表5 據(jù)十字板抗剪強(qiáng)度計(jì)算地基承載力

從表 4、5 可以看出，加固后試驗(yàn) 1 區(qū)、2 區(qū)地基承載力均達(dá)到80 kPa以上，完全符合設(shè)計(jì)要求，而3區(qū)承載力未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對比表3中軟土各項(xiàng)物理力學(xué)性指標(biāo)，同樣說明了1區(qū)、2區(qū)加固效果顯著。

4 結(jié)論與建議

直排式真空預(yù)壓現(xiàn)場研究試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法處理場區(qū)超軟土效果顯著，通過研究改變塑料排水板間距，經(jīng)過一次軟基處理能夠達(dá)到要求的效果，避免了二次處理所帶來的處理費(fèi)用高、施工周期長等問題，為指導(dǎo)大面積施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

1）從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上綜合考慮，推薦場區(qū)大面積吹填超軟土地層采用直排式真空預(yù)壓法排水板間距60 cm為宜。

2）塑料排水板間距對于加固土層處理效果影響很大。處理不同類型的土層時(shí)，應(yīng)根據(jù)加固土層的工程特性，有針對性地進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，設(shè)計(jì)合適的排水板打設(shè)間距。

3）地基處理效果的好壞及方案的選擇，根本在于對處理土層工程特性的認(rèn)識。本次試驗(yàn)對吹填超軟的化學(xué)成分、固結(jié)特性等方面做了一些研究，但尚未形成土體規(guī)律性的研究成果。因此，建議后續(xù)試驗(yàn)中探究諸多影響因素與塑料排水板間距之間的相關(guān)性，如軟土固結(jié)參數(shù)、次固結(jié)參數(shù)與排水板間距之間的關(guān)系等，為快速選擇技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)方案提供參考。