真空預(yù)壓部分改進技術(shù)處理吹填軟土

楊愛武，閆澍旺，杜東菊，盧力強，王江宏

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300381；2. 天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程系，天津 300381；3. 天津市軟土工程特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300381)

真空預(yù)壓是利用抽真空在土體中形成負壓來加固軟土地基的一種方法．現(xiàn)已在港口道路建筑工程的軟基處理中廣泛使用．國內(nèi)外對真空預(yù)壓技術(shù)及機理已進行了大量的研究[1-17]，取得了一定的研究成果．而對其改進技術(shù)則研究較少，倪洪波[18]對傳統(tǒng)水平排水體厚度進行了部分改進，金小榮等[19]對真空預(yù)壓部分工藝進行了改進，但都基于被處理的地基有一定的強度，在此基礎(chǔ)上機械設(shè)備才可以進行施工，且水平排水材料基本上是50,cm砂．對于新近吹填高含水量接近泥漿狀態(tài)的軟土，真空預(yù)壓施工新工藝尚處于探索中．天津濱海新區(qū)目前正在進行大規(guī)模吹填造陸工程，是世界上矚目的圍海造陸工程，其吹填物質(zhì)成分有別于我國其他地區(qū)吹填土，且其該地區(qū)砂石材料緊缺，難以采用傳統(tǒng)方法處理大面積新近吹填軟土．筆者通過對真空預(yù)壓排水條件的深入研究，提出水平排水材料的替代物，即用不同厚度的海綿與土工布和軟式透水波紋管或土工布與軟式透水波紋管組合代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水平排水體——砂．通過試驗發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用該水平排水材料進行吹填軟基處理，能滿足超軟吹填場地前期處理要求，具體工程可根據(jù)實際需要再進行二次處理，總造價比傳統(tǒng)方法低，且處理工期有所縮短，值得在工程實踐中推廣應(yīng)用．

1 真空預(yù)壓部分改進技術(shù)設(shè)計

筆者主要對真空預(yù)壓水平排水體進行了改進，用人工合成材料替代傳統(tǒng)材料——砂．共設(shè)計了 6種新型水平排水體，具體方案如下所述．

方案1土工布+軟式透水波紋管+土工布+密封膜，豎向插排水板．

方案2土工布+8 cm海綿+軟式透水波紋管+土工布+密封膜，豎向插排水板．

方案3土工布+2 cm海綿+軟式透水波紋管+2 cm海綿+土工布+密封膜，豎向插排水板．

方案4土工布+軟式透水波紋管+2 cm海綿+土工布+密封膜，豎向插排水板．

方案5土工布+6 cm砂+軟式透水波紋管+土工布+密封膜，豎向插排水板．

方案6土工布+6 cm砂+軟式透水波紋管+土工布+密封膜，豎向不插排水板．

2 試驗?zāi)Ｐ图霸囼灢襟E

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

在原位試驗場挖2個試驗坑，一個用作蓄水池及安裝真空度源，尺寸為 4.0 m×4.0 m×1.0,m(長×寬×深)，另一個用來裝泥漿進行真空預(yù)壓改進技術(shù)模擬試驗，尺寸為 8.0 m×8.0 m×1.5,m．試驗前，在泥漿坑四周及底部先鋪土工布，再在土工布上鋪2層密封膜，目的是讓泥漿坑在試驗的過程中處于密封狀態(tài)．各種方案的不同之處在于水平排水體的差別以及是否插塑料排水板．

2.2 試驗步驟

(1) 調(diào)制泥漿：泥漿中土為海相層粉質(zhì)黏土，天然含水量 33.4%，塑性指數(shù)為 12.4．將水灌入土中，人工拌和均勻，使其含水量控制在 100%～120%，然后充填于試驗坑中，泥漿表面基本與坑頂齊平．

(2) 鋪設(shè)新型水平排水體，并將塑料排水板按1 m×1 m 間距插入泥漿中，其上端穿破水平排水體并平放其中，鋪設(shè)真空膜進行密封．

(3) 開始抽真空，等真空表讀數(shù)上升到控制值(80,kPa)、水平排水體壓縮穩(wěn)定后進行沉降觀測．按以下時間標(biāo)準進行讀數(shù)：第1小時每10,min讀 1次數(shù)，第2小時每20,min讀1次數(shù)，第3小時每30,min讀1次數(shù)，隨后每小時讀1次數(shù)．

(4) 等沉降穩(wěn)定后分區(qū)逐級加載：每級為5,kPa，持續(xù) 1,d后進行下一級加載，最大加載為15,kPa．Ⅰ區(qū)累計加載 0,kPa，Ⅱ區(qū)累計加載 5,kPa，Ⅲ區(qū)累計加載 10,kPa，Ⅳ區(qū)累計加載 15,kPa．分區(qū)示意圖及實物圖見圖1及圖2．

(5) 抽真空至孔隙水壓力變化較小時結(jié)束試驗，每種方案持續(xù)時間基本控制在9 d．

(6) 試驗終止時，進行十字板剪切試驗，同時取樣進行物理力學(xué)性質(zhì)試驗．

圖1 分區(qū)加載示意Fig.1 Zoning load diagram

圖2 分區(qū)加載實物Fig.2 Zoning loaded physical map

3 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明：每種方案均可使泥漿形成有一定強度的殼體．對每分區(qū)土體挖坑探測，發(fā)現(xiàn)形成的硬殼層為 50,cm左右．硬殼層一般指在軟土層之上，當(dāng)其表面暴露到空氣中時，由于蒸發(fā)失水，經(jīng)過雨水的淋濾及不斷的物理化學(xué)變化，形成不同于下部土層，但與下部土層呈漸變的土層．硬殼層和其下的土層的初始成因雖然相同，但物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)卻存在明顯的差異，其結(jié)構(gòu)性強、強度較高、呈中等壓縮性并具有很好的承載能力[20]．本文中所指殼體(硬殼層)主要指相對于下臥初始泥漿而言，有一定厚度和強度，呈可塑～軟塑狀態(tài)，承載能力達到 50～60,kPa左右的土體．試驗前后效果見圖 3及圖 4，具體試驗研究成果分析如下．

圖3 試驗前待處理泥漿Fig.3 Mud to be processed before test

圖4 試驗后加固土體Fig.4 Soil reinforcement after test

3.1 殼體強度

為確定殼體強度隨深部變化特征，試驗結(jié)束后分區(qū)按距排水板不同距離(0.1,m、0.4,m 和 0.6,m)進行了十字板剪切試驗，取其平均值作為十字板剪切強度，如5所示．

圖5 各區(qū)十字板剪切強度隨深度變化曲線Fig.5 Curves of shear strength of vane shear test with depth in different zones

由文獻[21]可知，利用十字板剪切試驗可確定地基承載力標(biāo)準值，即

式中： fk為地基承載力標(biāo)準值；cu為十字板剪切強度；γ為土的重度；D為基礎(chǔ)埋置深度．

將現(xiàn)場十字板試驗實測平均值代入式(1)，計算出各方案殼體上部承載力，如表1所示．

試驗結(jié)果表明：隨深度增加，殼體剪切強度迅速減小，本試驗在0.3,m以上強度下降速率明顯大于下部強度下降速率．主要是因為上部土體強度是在水平排水體與塑料排水板共同作用下，由于真空負壓使自由水排出而形成．排水體在真空作用下吸水能力向下迅速遞減，因而上部土體強度下降速率明顯．下部土體由于水平排水體影響小或沒有影響，僅靠塑料排水板在真空負壓作用下克服重力將自由水排出形成強度，因此變化速率偏小，強度也普遍低于殼體．插排水板的方案1～方案5，堆載預(yù)壓對殼體抗剪強度影響明顯增加，并隨堆載增大而增加，增幅超過20%，其表面承載力標(biāo)準值為 60～90,kPa，可基本滿足二次處理對表層承載力的要求．在有排水條件時，根據(jù)有效應(yīng)力原理，堆載作用增加了土體的有效應(yīng)力，因此土體強度會隨著堆載的增加而逐漸增加．沒插排水板的方案6殼體強度最低，并且堆載對該方案殼體強度增加無明顯作用，也可由有效應(yīng)力原理解釋．無排水條件時，水得不到充分排出，總應(yīng)力增加，但有效應(yīng)力增加小，因此強度增加有限．其強度主要靠水平排水體的吸水作用形成，但該方案也在地表形成具有 50～60,kPa承載力的殼體，可根據(jù)后續(xù)處理要求及對方案的綜合評價來決定能否選用．

表1 各方案殼體上部承載力Tab.1 Bearing capacity of up crust of various programs

3.2 殼體的固結(jié)度

土體的固結(jié)度 Ut可通過沉降量或孔隙水壓力得到．通過沉降量計算固結(jié)度時，必須得到土體的最終沉降量．最終沉降量可由已經(jīng)觀測到的不同時間間隔的沉降量推算．根據(jù)模型試驗的實測沉降資料，可以推算出加固土體的最終沉降量[22]．沉降隨時間發(fā)展曲線擬合的方法較多，主要有指數(shù)曲線和雙曲線擬合法，另外，還有泊松曲線擬合以及Asaoka法等．本文對不同條件下土體的實測沉降進行指數(shù)曲線法擬合分析，計算出試驗結(jié)束后各種方案的固結(jié)度，見表2．

表2 各種方案的固結(jié)度Tab.2 Degree of consolidation of various programs

試驗結(jié)果表明：垂直排水對土體固結(jié)度影響明顯，方案6固結(jié)效果欠佳，方案1～5殼體固結(jié)度高，比方案 6高出 20%．土體固結(jié)過程也就是水的排出過程，方案1～方案5比方案 6排水條件好，因此固結(jié)度高．但方案 1～方案 5的固結(jié)度差別不十分明顯，說明水平排水體厚度對土體固結(jié)度影響不顯著．

3.3 殼體厚度

采用真空預(yù)壓方法加固軟土地基時，對淺層處理效果較顯著，而對加固的有效深度意見不一．不同的工程實踐和試驗研究得出不同的結(jié)論，有認為真空預(yù)壓效果只限于淺層的，有認為可以達到 10,m 左右深度的，也有認為可達到塑料排水板底部附近的，對此至今沒有形成一致的看法[23-24]．本文在各方案試驗結(jié)束后，在加固土體中每一分區(qū)挖坑，人工測量硬殼層厚度，取其平均值作為該方案的有效加固深度，測量結(jié)果如圖6所示．

圖6 各方案殼體厚度Fig.6 Thickness of the crust of various programs

由圖6可以看出：堆載對硬殼層的厚度增加有明顯效果，并隨堆載壓力的增大而增大．在本文試驗限定的條件下，當(dāng)堆載區(qū)壓力為15,kPa時，殼厚一般增加10%以上．堆載效果與加固土體的排水條件、土體水理特征密切相關(guān)，排水條件越好、土體滲透性好的堆載效果也越好．本試驗方案 6未插排水板，堆載效果很差，厚度增加不到 3%．殼體的形成其實就是土中水的排出、土體固結(jié)的過程．排水條件好，隨著堆載的增加，有效應(yīng)力就增加，土體固結(jié)就越好，因此殼體厚度大．反之，則厚度越?。@也從理論上解釋了排水及加載條件的變化對厚度的影響．

4 方案比選

通過對處理后殼體強度、固結(jié)度、厚度及其工程經(jīng)濟進行綜合分析，方案 3技術(shù)可行，綜合評價最好，適合于天津濱海新區(qū)吹填場地前期處理，值得在工程中推廣．但僅從經(jīng)濟考慮，方案1較方案3操作簡便，可在實踐中先行先試．不插排水板也能形成一定厚度的殼體，值得進一步研究探索，為超軟地基處理提供新的思路和方法．

5 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗的目的就是在工程實踐中驗證模擬試驗成果的實用性及可靠性，為二次傳統(tǒng)真空預(yù)壓提供操作平臺，節(jié)省整個處理時間和費用，為濱海新區(qū)吹填軟基處理工程實踐服務(wù)．現(xiàn)場試驗為臨港工業(yè)區(qū)一吹填場地，該吹填場地吹填厚度為 8,m左右，總面積近 100,000,m2．本次現(xiàn)場試驗選用方案1，并結(jié)合不插排水板試驗結(jié)果，即無垂直排水體的情況下亦能形成一定厚度的硬殼．將本次現(xiàn)場試驗豎向排水板插入深度定為 4.0,m，間距 1.2,m，總試驗面積為10,000,m2，試驗時間 45 d．試驗前測定的吹填泥漿含水量在 120%～140%之間．試驗結(jié)束后，進行現(xiàn)場原位測試以及室內(nèi)試驗．

5.1 處理后土體的物理力學(xué)性質(zhì)

現(xiàn)場取樣，進行室內(nèi)試驗，測定土的物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果見表3、表4及圖7和圖8．

表3 處理后吹填軟土物性指標(biāo)Tab.3 Indicator of physical properties of soft dredger fill after treatment

表4 處理后吹填軟土力學(xué)指標(biāo)Tab.4 Mechanical indicator of soft dredger fill after treatment

圖7 處理后吹填軟土粒徑分析Fig.7 Particle size analysis of soft dredger fill after treat-Fig.7 ment

圖8 處理后吹填軟土顆粒頻率分布Fig.8 Frequency distribution of soft dredger fill after Fig.8 treatment

可見試驗場地吹填軟土物質(zhì)成分主要為細粒土，黏粒含量超過80%，粒徑d為0.1～10.0,μm的分布頻率最高，工程性質(zhì)較差；但與剛吹填泥漿狀態(tài)相比，工程性質(zhì)有明顯提高．表3和表4反映的指標(biāo)表明其強度接近正常沉積海積軟土，可基本滿足作為二次地基處理的前期處理．

5.2 現(xiàn)場原位試驗

5.2.1 靜力觸探試驗

試驗結(jié)束后，在場地6個地段進行了靜力觸探試驗，其平均值見圖 9．由圖 9可知，殼體的厚度在0.3～0.4,m；上部強度高，接近海積軟土；向下強度衰減明顯，很快過渡到泥漿狀態(tài)．

5.2.2 十字板剪切試驗

在場地進行靜力觸探試驗的同時，在其附近做十字板剪切試驗，其平均值見圖10．由圖10可知，其變化趨勢與靜力觸探趨于一致，表層土體十字板剪切強度可達20,kPa，按文獻[18]計算，其強度可達60,kPa．總之，通過現(xiàn)場試驗驗證，用人工合成材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料具有工程可行性，形成了具有一定厚度的殼體，可基本滿足二次地基處理要求．目前對該類場地的處理，當(dāng)采用類似傳統(tǒng)方法時，先在吹填場地上鋪設(shè)荊笆等鋪墊材料，再在其上吹50～80,cm砂，然后插板進行真空處理．用本方法時，不需要再吹填砂，且可在泥漿狀態(tài)直接進行第1次處理，節(jié)省了總處理時間和費用，處理效果亦很好，值得在工程實踐中應(yīng)用．

圖9 錐尖阻力和側(cè)摩阻力隨深度變化曲線Fig.9 Cone tip resistance and lateral friction curve with Fig.9 depth

圖10 十字板剪切強度隨深度變化曲線Fig.10 Curve of shear strength of vane shear test with Fig.10 depth

6 結(jié) 論

(1) 以土工布與軟式透水波紋管或土工布和海綿與軟式透水波紋管組合可以作為真空預(yù)壓新型水平排水體．經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證，基本滿足新近吹填軟土前期地基處理要求，值得在實踐中應(yīng)用．

(2) 真空預(yù)壓處理軟土地基時，垂直排水對處理效果影響明顯，水平排水體厚度對處理效果的影響有限．

(3) 本文研究的新型水平排水體在無垂直排水體時亦能形成一定厚度的硬殼層，值得進一步研究．

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