真空預壓法處理淺層吹填疏浚土效果分析與研究

張呂華 寧波舟山港股份有限公司

張浩 南京瑞迪建設科技有限公司

1.引言

隨著國家沿海經濟帶的快速發展，土地資源需求量越來越大，圍海造地工程成為一種目前常用的方法。我國海岸線超過1.8萬km，沿線土地資源分布極不均衡，圍海造地工程對拋填料需求巨大，隨著多年圍海造地工程的開展和生態環境保護的要求，作為圍海造地首選原材料的砂石料極度匱乏，而航道疏浚、清淤等產生的疏浚土無處排放。近年來，對采用吹填疏浚土并經加固處理后形成陸域的思路已從研究階段進入實施階段，并取得了較好的成效。但在實踐過程中，仍然存在較多的工程問題，本文依托某吹填疏浚土圍海造地工程，對采用真空預壓處理淺層疏浚土的各項參數及效果進行分析，提出修正優化參數，為類似工程提供經驗借鑒。

2.工程概況

2.1 項目概況

本工程位于浙江省臺州港某新建港區，陸域形成總面積約38萬m2，其中吹填形成陸域面積約25萬m2。吹填土土質差，開挖深度淺，吹填后吹填區土體含水率高，泥漿容重小，經短時間落淤晾曬后容重無明顯變化，為滿足進一步陸域地基處理施工的要求，設計采用真空預壓法對淺層5m范圍內吹填土進行預處理，將預處理后的硬殼層作為工作面層再對下部的吹填土和軟土進行處理。工程平面布置圖見圖1。

圖1 工程平面布置圖

2.2 設計參數及施工方案

設計首先采用拋填宕渣形成圍堤，在圍堤內吹填疏浚土，吹填厚度約為9.6m，靜置落淤沉降3個月，然后表層鋪設一層土工布，進行人工插設排水板，如圖2～3所示。排水板長度5.5m，間距0.8m，在插設前預先將其與排水濾管連接；上覆密封膜，進行淺層真空預壓，預壓期間膜上覆水。設計真空預壓3個月，加固深度范圍內地基承載力達到40kPa。

圖2 排水板與濾管

施工工藝流程：施工準備→搭設浮橋→鋪設編織土工布→打設排水板、布設濾管→鋪設無紡土工布、密封膜→布設真空泵→抽氣加載→加固效果檢測→卸載。

2.3 監測與檢測方案

為監控淺層疏浚土真空預壓過程，施工期間布置了沉降板、孔隙水壓力計等監測儀器，對沉降、真空壓力傳遞等進行實時動態跟蹤，以指導施工。為評估淺層疏浚土真空預壓效果，采用十字板、靜力觸探和鉆孔取土試驗等方法對處理深度范圍內疏浚土進行檢測。現場監測儀器平面布置圖如圖4所示，原位試驗平面布置圖如圖5所示。

圖3 人工插排

圖4 監測儀器平面布置圖

圖5 原位試驗平面布置圖

3.效果分析

通過對淺層真空預壓施工過程的深入研究，本文將從淺層真空預壓處理深度、真空壓力傳遞、沉降及固結度分析、預壓時間、處理后強度等方面進行分析。

3.1 真空壓力傳遞及衰減度分析

吹填疏浚土一般黏粒含量很高，塑性指數超過20，滲透系數在10-6～10-7cm/s，滲透性很差，真空壓力在其內部傳遞衰減很快。本工程排水板間距0.8m，真空預壓處理深度5m，在施工過程中，按照豎向間距埋設了孔隙水壓力計觀測土中超靜孔隙水壓力，來反映真空壓力在土中的傳遞情況，監測數據見表1。

由表1可知：監測得到的超靜孔隙水壓力能夠反映真空壓力在土中的傳遞情況，真空傳遞效率隨處理深度的增大而降低，同時也隨著距離排水板的間距增大而降低。真空壓力在5m深度監測范圍內均能夠監測到有效數據，說明真空壓力遍布整個淺層地基處理區域，且最小孔隙水壓在20kPa以上，0.8m的排水板間距能夠滿足淺層真空預壓處理對真空壓力衰減的要求；從超靜孔隙水壓力的數值規律來看，超靜孔隙水壓力受處理深度、距離排水板間距共同影響，總體呈現處理深度越小，距離排水板間距越近，超靜孔隙水壓力越接近真空壓力，真空衰減度越小；處理深度越大，距離排水板間距越遠，超靜孔隙水壓力越小，真空衰減度越大。

表1 真空預壓區超靜孔隙水壓力統計表

3.2 沉降及固結度分析

疏浚土采用水力法吹填，落淤沉降后上部含水率超過200%，呈泥水狀態。沉降監測初始值以泥水面為基準，待密封膜吸緊并排出表層水后（約5～10天），布置沉降板進行沉降觀測，此時泥面下降量約1m左右，該部分沉降量直接計入總沉降量中。表2給出了土體地表累計沉降量，圖6～7給出了兩個典型斷面沉降隨荷載、時間的變化曲線。

從表2和圖6～7可知：在真空壓力80kPa作用下，淺層疏浚土前期沉降速率較快，最大沉降速率為45.5mm/d，真空預壓約兩個月左右，沉降速率降低，累計沉降曲線趨于收斂，最大累計沉降量在2.2～3.0m之間。該工程真空預壓處理時間為三個月，后期一個月沉降量對地基處理效果影響很小，此類工程建議根據現場實測沉降收斂情況確定卸載時間。

圖6 CJ-Q2-1-2斷面地表沉降荷載時程線

吹填疏浚土具有高含水率的特性，疏浚土壓縮沉降的過程主要是土中水分被擠出，表3給出真空預壓處理前后的含水率，忽略少量的氣體影響，根據含水率變化計算沉降量與表2中的實測沉降量基本吻合。

表2 土體累計沉降量和固結度統計表

表3 疏浚土處理前后的含水率

3.3 處理效果分析

3.3.1 十字板剪切試驗

真空預壓結束后，采用十字板剪切試驗對處理范圍內的疏浚土進行強度檢測，地基承載力特征值參照相關規范，采用式（1）進行計算，十字板剪切試驗數據及計算得到的地基承載力特征值見表4。

式中：fak—地基承載力特征值（kPa）；cu—土的十字板剪切強度；γ—土的天然重度（kN/m3），取15kN/m3；

h—基礎埋置深度（m），當h＞3.0m時，宜根據經驗進行折減。

由表4可知：淺層進行真空預壓預處理后，處理范圍內吹填疏浚土十字板剪切強度有明顯提高，處理后最大值為36.3kPa，由公式（1）計算得到的地基承載力最小值為46.4kPa，預處理區域均滿足設計要求的40kPa。

表4 預壓區處理后各斷面十字板剪切試驗及地基承載力特征值

3.3.2 土工試驗

真空預壓結束后，采用室內試驗對現場鉆孔取土試樣進行檢測，土工試驗數值見表5，可以看出淺層吹填疏浚土經真空預壓處理后性質指標有很大提高，平均含水率降低至40.4%，粘聚力提升至6.5kPa。表5給出了真空預壓處理后的土工試驗值。

表5 真空預壓處理后的土工試驗平均值

3.3.3預處理深度驗算

淺層真空預壓的目的是使表層一定深度內的吹填疏浚土固結排水，形成硬殼層，便于后續處理深部軟土地基時施工機械行走、工作，該工作面不僅需要一定的承載力，而且應有一定的厚度。本節對真空預壓預處理厚度進行復核，該工程中預處理厚度為5m，本節參照相關規范，采用式（2）進行抗沖切驗算：

式中：Fl—地基土凈反力設計值；βhp—受沖切承載力截面高度影響系數，當h不大于800mm時，βhp取1.0；當h大于或等于2000mm時，βhp取0.9；ft—基礎的抗拉性能，按土體粘聚力取值；am—沖切破壞最不利一側計算長度，am=(at+ab)/2；h0—基礎沖切破壞的有效高度。

根據履帶式液壓插板機參數，插板機自重取16t，履帶尺寸取5×0.5m，考慮插拔排水板套管反作用力，支撐插板機的地基土凈反力約為40kPa，該工程的計算參數見表6。

由表6可知，預處理硬殼層的最小厚度為2.96m時，插板機械站立在預處理工作平面上才不至于產生沖切破壞。由3.2節淺層真空預處理的沉降數據可知，處理區域的最大沉降量在2.2～3.0m之間，5m的淺層真空預壓處理明顯無法滿足抵抗沖切破壞的最小有效厚度。為了抗沖切破壞的安全性，考慮1.2倍的安全系數，淺層真空預壓工作平面處理后的最小有效深度為3.56m，避免插板機械上工作面時產生沖切破壞的最小真空預壓處理深度應在7～9m之間。

表6 預處理工作面抗沖切驗算的計算參數

圖7 CJ-Q2-2-1斷面地表沉降荷載時程線

4.結論與建議

本文主要對吹填疏浚土的淺層真空預壓處理效果進行分析與研究，主要結論如下：

（1）超靜孔隙水壓力能夠反映真空壓力在土中的傳遞情況，監測數據表明，真空壓力遍布整個淺層地基處理區域，且最小孔隙水壓在20kPa以上，真空壓力傳遞效果良好。超靜孔隙水壓力受處理深度、距離排水板間距共同影響，總體呈現處理深度越小，距離排水板間距越近，超靜孔隙水壓力越接近真空壓力，真空衰減度越小。

（2）對淺層真空預壓處理吹填疏浚土的沉降數據進行分析，初期地表沉降較為明顯，最大沉降速率為45.5mm/d，最大沉降量在2.2～3m之間。真空預壓約兩個月左右，沉降速率降低，累計沉降曲線趨于收斂，后期一個月沉降量對地基處理效果影響很小，此類工程建議根據現場實測沉降收斂情況確定卸載時間。

（3）真空預壓法處理淺層疏浚土之后，強度性質指標有了很大的提升，粘聚力提升至6.5kPa，地基承載力特征值均滿足設計要求的40kPa。對插板機站立在預處理平面上的抗沖切破壞進行了驗算，為保證插板機站立在工作平面瞬間的安全性，建議抵抗沖切破壞的最小真空預壓處理深度應在7～9m之間。