無砂墊層真空預壓法處理湖相吹填淤泥效果評價

周衛文 朱棟梁

(湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北 武漢 430056)

鄂州梧桐湖新區離島新近吹填超軟淤泥土具有含水率高、壓縮性大、強度極低等特征，吹填土區域一般深度在3m以上，最深處6m。由于采用絞吸式挖泥船施工，原湖底土體結構被破壞，吹填之后土體的初始承載力接近零，且靜置時間超過30天后，土體仍然呈現流塑狀態，人員和機械無法進入。因此必須先經過表層硬化處理，才能作為工程建設場地使用。由于砂源限制及吹填淤泥的流塑狀態，無法采用以中粗砂作為施工和排水墊層的常規真空預壓工藝。因此，替之以無砂墊層處理超軟淤泥土真空預壓工藝，不僅可以避免常規真空預壓方法中砂墊層荷載超過吹填區域的地基承載力，而且節省了大量的中粗砂資源。無墊砂層真空預壓工藝的特征是將豎向塑料排水板和膜下無紡土工布及真空管路連接后，再與真空系統連接[1-3]，其中水平管路與無紡土工布構成的排水系統代替傳統砂層起到水平排水的作用。

由于無砂墊層真空預壓處理后的淤泥土一般承載能力相對較低、易變形，在取樣、運輸、切樣及試驗的過程中非常容易因擾動而破壞其形成的結構，故要評估鄂州梧桐湖新區離島無砂墊層真空預壓法處理超軟淤泥土的效果，還需以平板荷載試驗、靜力觸探試驗、十字板剪切試驗等原位測試數據為依據。我國在20世紀80年代以后，原位測試技術出現了前所未有的發展，應用范圍不斷擴大，技術也不斷成熟[4-5]。《真空預壓加固軟土地基技術規程》(JTS 147-2—2019)[6]指出“軟土地基加固前、后應進行現場原位強度檢測和現場取土及室內試驗，必要時應進行加固后的地基承載力檢測”。

本文進行了平板荷載試驗、靜力觸探試驗、十字板剪切試驗等原位測試，計算和分析了對應的貫入阻力、十字板抗剪強度、地基基本承載力特征值等多項指標，以期為湖相吹填超軟淤泥土區域地基處理的設計、施工、檢測等提供支撐或參考。

1 工程背景

1.1 試驗場地

鄂州梧桐湖新區離島吹填土區采用絞吸式挖泥船進行多點多次吹填而成，吹填面積約200萬m2，吹填淤泥土厚度約3～6m(見圖1)，新近吹填河湖相淤泥具有含水率高、壓縮性大、透水性差、初始承載力極低的特點，且靜置數月后仍為流塑狀態。

圖1 鄂州梧桐湖新區離島軟基處理工程場地

該場地內所取的試驗土樣的含水率為80%～160%，比重2.6～2.7，天然密度平均值為1.42g/cm3。試驗時，將多處土樣混合并攪拌均勻，攪拌后土樣的顆粒組成為0.075～0.005mm，顆粒占比51.4%，粒徑小于0.005mm的占46.5%，Al2O3/SiO2為0.31，液限69.0%，塑限38.5%，塑性指數30.5。

1.2 無砂墊層真空預壓法處理方法

無砂墊層真空預壓處理方法主要工作內容包括浮筏和搭建浮橋組裝、工作墊層鋪設、豎向排水體(塑料排水板)打設、水平真空管網的鋪設與水平塑料排水板連接、無紡布鋪設、土工布密封膜施工、密封溝開挖及回填、真空泵安裝和抽吸等工序。無砂墊層真空預壓處理施工工藝見圖2。

圖2 無砂墊層真空預壓處理施工工藝

2 原位測試方法與方案

表面沉降速率是反映真空預壓處理地基階段沉降效果的最重要指標之一。通過設置沉降板進行觀測，獲得的沉降速率如圖3所示，當沉降速率基本達到穩定時，進行原位測試來評估處理效果。

圖3 試驗區沉降速率-時間曲線表

2.1 原位測試方法

2.1.1 淺層平板載荷試驗

平板載荷試驗是一種測定變形特性的原位測試方法，能夠反映承壓板下1.5～2.0倍承壓板直徑或寬度范圍內地基土強度、變形的綜合性狀。依據《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)[7]，本次淺層平板載荷試驗采用剛性承壓板，承壓板面積為 0.5m2，試驗過程中采用8～10級分級加載；每級荷載施加后，間隔10 min、10 min、10 min、15 min、15min測讀一次沉降，以后間隔 30 min測讀一次沉降。當出現下列情況之一時，終止試驗：?承壓板周邊的土出現明顯側向擠出，周邊巖土出現明顯隆起或徑向裂縫持續發展；?本級荷載的沉降量大于前級荷載沉降量的5倍，荷載與沉降曲線出現明顯陡降；?在某級荷載下24h沉降速率不能達到相對穩定標準；?總沉降量與承壓板直徑(或寬度)之比超過0.06。做出p-s曲線后，可以用來確定地基土承載力的特征值以及地基土的變形模量。

2.1.2 靜力觸探試驗

靜力觸探是指利用壓力裝置將有觸探探頭的探桿以一定速度壓入試驗土層，通過量測系統測量土的貫入阻力等指標[5,7-9]，來確定土體基本物理力學特性的方法，本次測試采用輕型靜力觸探儀進行，貫入速度為(1.2±0.3)m/min。

2.1.3 十字板剪切試驗

十字板剪切試驗是將十字板頭以靜力壓入軟土中以均勻的速度轉動直至土體破壞，通過測得轉動力矩計算出軟土的抗剪強度的方法[5,7-9]。本次采用電測式十字板剪切儀，轉動剪切速率為1°～2°/s。

2.2 試驗方案

將試驗場地分為五個區域，并在每個區域內均勻布點，且保證每區域測點數目不小于三個，淺層平板載荷試驗點編號及場地區域劃分見圖4。

圖4 試驗點分布示意圖

3 試驗結果與分析

3.1淺層平板荷載試驗的p-s曲線

不同區域平板載荷試驗p-s曲線見圖5。

圖5 不同區域平板載荷試驗p-s曲線

3.2 地基承載力特征值

依據相關規范[7-8]，地基承載力特征值按下列三種方式確定：?當p-s曲線上有比例界限時，取比例界限所對應的荷載；?當極限荷載小于對應比例界限的1/2時，可取極限荷載的一半；?當不能按上述兩款要求確定時，按相對變形值確定，即取s/b=0.01～0.015所對應的荷載，但其值不應大于最大加載量的一半。同一土層參加統計試驗點不小于三點，當試驗實測值的極差不超過其平均值的30%時，取其平均值作為該土層地基承載力特征值。

所獲得的不同區域的淺層平板載荷試驗結果見表1。

表1 平板載荷試驗結果統計

本次無砂墊層真空預壓地基處理承載力特征值設計值為50kPa，由平板載荷試驗得承載力特征值均值均達到該要求，證明無砂墊層真空預壓處理大面積超軟淤泥行之有效。

3.3 地基變形模量分析

淺層平板荷載試驗的變形模量E0可按下式計算：

式中I0——剛性板的形狀系數，本次試驗采用方形承壓板，取值0.886；

μ——泊松比，梁子湖地區取0.38；

d——層壓板邊長，本次試驗為0.707m；

p——p-s曲線線性段的壓力,kPa；

s——與p相對應的沉降,mm。

計算的地基變形模量見圖6。

圖6 變形模量分布

不同區域、不同檢測點承載力特征值和變形模量差別較大，這一方面與處理效果有關，另一方面與試驗檢測點位置有關：在疏浚淤泥管道的地基管口，根據斯托克斯定律，重力作用下顆粒下沉的速度和顆粒直徑的平方成正比，靠近管口處顆粒直徑較大，變形模量、地基承載力特征值均較大。在試驗場區，最小變形模量僅有2.35MPa，最大變形模量高達12.7MPa。

3.4 靜力觸探貫入曲線分析

此外，為了驗證無砂墊層真空預壓的效果，還進行了靜力觸探測試，靜力觸探的結果以1號、2號、3號點為例，獲得的貫入曲線見圖7。

圖7 靜力觸探貫入曲線

貫入曲線的橫坐標為探頭貫入阻力，縱坐標為深度。靜力觸探結果表明，在表層0.2m內，由處理前貫入阻力接近于零，到處理后比貫阻力為200～400kPa，表明土體在表層0.2m范圍內的強度有了明顯的提高，但隨著深度增加，土體強度提高的效果明顯減弱，在1.0m左右出現拐點，此后各個深度比貫阻力的大小基本穩定，在3.9m左右時為原始地基，因此比貫阻力顯著增大。總體來看，無砂墊層真空預壓法處理湖相吹填淤泥土地基在1.0m深度內能形成硬殼層，可以滿足后期機械進場等要求，但由于真空度沿深度方向衰減等因素，導致1.0m以下淤泥土強度改善效果不如淺層好，這是因為梁子湖地區土粒徑較小(小于0.005mm顆粒占比50%以上)，滲透性較低，真空損失大，深層范圍的水不易被排出。

3.5 十字半剪切強度與靈敏度分析

由于無砂墊層真空預壓處理的地基效果主要在表層硬殼層，通過十字半剪切試驗，可以測得表層硬殼層土體的不排水抗剪強度Qu(見表2)。

表2 十字半剪切強度與靈敏度統計

表2的結果表明，超軟淤泥土在無砂墊層真空預壓處理后結構強度提高；當其結構被十字板板頭破壞之后，土的強度再度降低。工程上常用靈敏度St來衡量土體結構性對強度的影響，其中St=Qu/Q′u。目前，十字板剪切試驗是測量土靈敏度的主要方法，真空預壓處理后的超軟淤泥土的靈敏度見表2。靈敏度反映的是土體的結構性，此次所測的地基土靈敏度都小于2，均為低靈敏度土體，說明土的結構性較弱，表明無砂墊層真空預壓處理后的土體，其結構性尚不顯著。十字板現場剪切試驗減少了室內試驗土樣擾動帶來的影響，所求指標可靠，方法簡便、快速，可以認為十字板測試結果更能準確地反映實際狀況。因此，在求軟土靈敏度的方法中，應首先考慮十字板現場剪切試驗。

此外，不同于一般自然沉積土，抗剪強度與地下深度并沒有簡單的正相關關系，這是因為真空預壓的局限，只形成了一定厚度的硬殼層，在1.5m及以下，土體為塑性甚至流動狀態，顯示出不同于自重沉積土的特性。由表2還可發現VST-1點1.0m處抗剪強度明顯偏大，結合該處靜力觸探發現該處地基在1.0m左右的端阻力較大，這是因為在該深度范圍內存在夾層。

4 結 論

通過對無砂墊層真空預壓后的吹填超軟淤泥土場地進行平板荷載試驗、十字剪切試驗、靜力觸探試驗等一系列原位測試和分析，得到了如下結論：

a.經過無砂墊層真空預壓后，吹填超軟淤泥土場地的地基承載力、不排水抗剪強度均有明顯提高，其物理力學性能均有了明顯改善，說明無砂墊層真空預壓法處理加固大面積高壓縮性淤泥土行之有效，可以為進一步的施工提供作業面。

b.由貫入曲線可知，在表層1m內加固效果良好，隨著深度的加大，加固效果顯著減弱。

c.由十字剪切板試驗可知，無砂墊層真空預壓后土體為低靈敏度土體，表明處理后的土體結構性并不顯著。

d.隨著城市和農村河湖水環境治理、運維的常態化，河湖疏浚底泥堆放場地處理和二次開發利用成為敏感話題。研究堆場無砂墊層真空預壓后土層力學改善效果，發現1m厚度范圍內物理力學性質得到極大改善，超過1m深土層承載力改善不明顯。改善后淺土層可為今后園林綠化種植、淺埋地下管線(電力、通信、燃氣、給水等)提供地基土墊層。較深土層結構力學性能較差，存在流動易擾動問題。今后場地開發過程中可結合載荷要求，對深地基土進行局部加固處理，采用局部真空降水預壓、換土回填、鉆孔注漿、樁基等針對性加固方式。本文試驗研究成果可為河湖底泥吹填場地二次開發利用提供扎實的地基土力學評價基礎，助力因地制宜、因地施策地進行場地地基處理。