真空預(yù)壓淺層處理法在天津沿海軟基處理中的應(yīng)用研究

劉仲軍

（天津港（集團(tuán)）有限公司，天津 300456）

真空預(yù)壓淺層處理法在天津沿海軟基處理中的應(yīng)用研究

劉仲軍

（天津港（集團(tuán)）有限公司，天津 300456）

通過對(duì)比分析真空預(yù)壓法中的淺層處理方式和常規(guī)深層處理方式的特點(diǎn)，分析了淺層處理方式應(yīng)用于天津沿海軟基加固工程中的優(yōu)勢(shì)之處，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)2種方式處理天津郵輪碼頭地基的效果進(jìn)行了比較研究。研究結(jié)果表明：軟基加固后土體的物理力學(xué)性質(zhì)方面，淺層處理法要略優(yōu)于常規(guī)處理法。因此，真空預(yù)壓法淺層處理方式在天津沿海工程淤泥質(zhì)地基處理中具有可行性。

真空預(yù)壓法；淺層處理；深層處理；軟基加固

Biography：LIU Zhong-jun（1962-），male，senior engineer.

沿海地區(qū)建設(shè)用地中相當(dāng)一部分為過去的灘涂或新近吹填形成的陸地，土質(zhì)較軟，承載力較低，難以滿足工程建設(shè)的需要，因此工程建設(shè)前必須對(duì)地基進(jìn)行加固處理。軟基加固工程最典型的國家是荷蘭，該國國土面積小，約三分之一為造陸形成，因此被譽(yù)為最早進(jìn)行大規(guī)模圍海造陸、圍墾造田的國家［1］。荷蘭填海造陸主要采用的是自然蒸發(fā)法，其工程物料多為礫石和砂土，排水固結(jié)效果好，因此成為各國借鑒的基礎(chǔ)［2］。隨后各個(gè)國家采用不同的方法對(duì)粘性土的固結(jié)作用進(jìn)行研究和實(shí)踐，包括砂井固結(jié)法［3］、強(qiáng)夯法、電滲法、水泥攪拌法及排水固結(jié)法等［4］。1952年杰爾曼教授提出真空預(yù)壓法，并應(yīng)用于1957年的美國費(fèi)城機(jī)場(chǎng)跑道建設(shè)［5］，其是軟土地基加固的里程碑。這也對(duì)真空預(yù)壓法的全面推廣給予了巨大推動(dòng)作用。真空預(yù)壓法，即打設(shè)塑料排水板至地下，通過抽真空施壓將地下軟土中的水分和空氣抽出來，達(dá)到壓實(shí)加密地基土的目的，提高地基承載力，減少后期建筑荷載導(dǎo)致的地基沉降。我國學(xué)者于20世紀(jì)50年代末開始真空預(yù)壓試驗(yàn)［6］，還有學(xué)者對(duì)真空預(yù)壓法加固軟基吹填土進(jìn)行了改進(jìn)［7-9］。真空預(yù)壓法以其速度快，投資省，效果好等優(yōu)勢(shì)在近十幾年的大部分軟土地基加固處理項(xiàng)目中逐漸替代了其他地基處理方法，成為地基處理的主要方式。然而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及人們對(duì)事物的不斷認(rèn)識(shí)，在常規(guī)方法的基礎(chǔ)上，人們開始探索更優(yōu)化的真空預(yù)壓處理方式。

本文對(duì)比分析了真空預(yù)壓法中常規(guī)深層處理方式和淺層處理方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合天津國際郵輪母港項(xiàng)目的工程實(shí)例，對(duì)淺層處理方式進(jìn)行了嘗試，并與真空預(yù)壓常規(guī)深層處理方式處理軟基的效果進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果以期為后續(xù)和類似的工程施工提供科學(xué)參考。

1 真空預(yù)壓法兩種處理方式應(yīng)用于天津沿海軟基的理論分析

常規(guī)的真空預(yù)壓方法是對(duì)地下的軟土層全部進(jìn)行處理。在天津海岸地區(qū)是對(duì)深度在22 m以上的土層全部進(jìn)行處理，其原因是這部分土層含水率都在40%～75%之間，甚至更高，在荷載作用下，這些土體要排出孔隙水，產(chǎn)生沉降，對(duì)建筑物基礎(chǔ)造成影響，因此必須提前排出土體中的水分和空氣成份，形成密實(shí)土體，減少工后沉降。

而理論分析和工程實(shí)踐表明，按常規(guī)深層處理方式進(jìn)行處理會(huì)帶來以下弊病：

（1）處理深度加大，帶來投資增加，排水板和用電量都需要相應(yīng)增加，工時(shí)也需要增加。

（2）深層處理后要增加沉降總量，后期回填料也要增加，而這部分用料多為價(jià)格較貴的碎石類料。

（3）處理深度過大，水泵的能力要分散，對(duì)地基的處理效果減弱，對(duì)上部需要處理的土層不能集中效力處理。

（4）施工期的抽水抽氣，只能完成固結(jié)度的85%左右，剩余沉降大部分要在以后的時(shí)間里出現(xiàn)，而深層土體里由于存在了排水板，留有排水通道，今后會(huì)繼續(xù)發(fā)生沉降。

在理論分析和長(zhǎng)期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文提出在天津海岸地區(qū)一般的荷載條件，對(duì)于地面下10～12 m以下的土體影響相對(duì)較小。從理論上講，其主要是因?yàn)椋?/p>

（1）若將地面以下10～12 m范圍的土體進(jìn)行充分加固，在該土層會(huì)形成一個(gè)較為厚實(shí)的基礎(chǔ)底板，起到對(duì)上部荷載向下傳遞逐步擴(kuò)散，荷載向下逐步減小的作用。

（2）雖然10～12 m以下的土體含水量不低，但在不進(jìn)行擾動(dòng)的自然狀態(tài)下，無法形成排水通道，其受到的孔隙水壓力難以沖破上部土層排出地面。

（3）對(duì)于部分不具備真空預(yù)壓處理?xiàng)l件的軟土地基，采用回填渣土法回填足夠厚的渣土層，只要渣土層足夠厚，其在施工期沉降完成后，后期沉降往往很少，深層軟土在上部土層良好的條件下具備相應(yīng)的承載能力。

因此，從理論上講，依據(jù)土壤條件適當(dāng)降低真空預(yù)壓處理地基的深度是可行的。

通過上述分析，很明顯發(fā)現(xiàn)2種方式方法所帶來的利弊：（1）淺層處理法。優(yōu)點(diǎn)：減少了地基沉降量，相應(yīng)減少了回填料數(shù)量；減少了排水板的打設(shè)深度、抽氣時(shí)間及施工期用電量，節(jié)省了施工費(fèi)用；可以相對(duì)集中泵的功率用于上部土層的抽氣處理，強(qiáng)化處理效果。缺點(diǎn)：規(guī)范及操作規(guī)程尚在制定中，施工經(jīng)驗(yàn)有待成熟；排水板端頭遇較松土質(zhì)時(shí)，排水板易松動(dòng)，需加夾具。（2）深層處理法。優(yōu)點(diǎn)：工程所依據(jù)的規(guī)范、工藝及施工經(jīng)驗(yàn)成熟；對(duì)于深基坑下地基處理仍有優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)：相對(duì)淺層法在用工用料用電上成本較高；處理過的地基指標(biāo)劣于淺層法（處理深度過長(zhǎng)，泵力分散）；深層土體未能充分固結(jié)，遺留的排水板為殘留沉降留下排水通道，有較大的中后期沉降。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本工程位于天津港東疆港區(qū)，工程用地30 000 m2，主要用途為廣場(chǎng)用地。采用真空預(yù)壓處理之前為吹填造陸形成的土地。采用真空預(yù)壓法處理地基，排水板打設(shè)長(zhǎng)度為至地下-6.0 m（以前為-13.5 m），排水板間距0.8 m，覆蓋砂厚度46 cm，標(biāo)準(zhǔn)壓力下抽氣時(shí)間為100 d，表1為施工期前后的檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)為了與常規(guī)方法進(jìn)行比較，表2列出了周邊鄰近地塊相同參數(shù)（僅排水板打設(shè)深度不同，打設(shè)深度為-13.5 m）的地基檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 真空預(yù)壓法不同處理方式的效果分析

2009年至2010年初，郵輪母港建設(shè)項(xiàng)目部分地塊的地基處理采用淺層處理法對(duì)標(biāo)高7.44～-9.16m范圍內(nèi)的基礎(chǔ)進(jìn)行了加固處理嘗試，結(jié)果見表1。處理可以劃分為3個(gè)土層，即7.44～-0.16 m、-0.16～-6.50 m、-6.50～-9.16 m。加固前后，土層（7.44～-0.16）的天然含水量減少42.13%，密度增加10.06%，天然孔隙比降低37.89%，塑性指數(shù)降低33.19%，液性指數(shù)降低41.43%，壓縮系數(shù)降低61.79%，壓縮模量增加121.15%，抗剪切力內(nèi)摩擦角增加211.31%，凝聚力增加142.95%，十字板強(qiáng)度增加165.59%；土層（-0.16～-6.50和-6.50～-9.16）的天然含水量減少11%～19%，密度增加1.8%～4%，天然孔隙比降低2.3%～16.2%，塑性指數(shù)降低2.5%～11.6%，液性指數(shù)降低5.3%～18.7%，壓縮系數(shù)降低6.1%～33.8%，壓縮模量增加7.0%～35.5%，抗剪切力內(nèi)摩擦角增加6.9%～109.8%，凝聚力增加13.3%～112.5%，十字板強(qiáng)度增加22.1%～79.0%。

而郵輪碼頭地基處理常規(guī)處理區(qū)軟基加固前后土的物理力學(xué)指標(biāo)（表3）表明，加固前后，土層（7.56～-0.50）的天然含水量減少30.22%，密度增加7.14%，天然孔隙比降低25.169%，塑性指數(shù)降低6.53%，液性指數(shù)降低27.58%，壓縮系數(shù)降低47.93%，壓縮模量增加36.79%，抗剪切力內(nèi)摩擦角增加154.65%，凝聚力增加94.92%，十字板強(qiáng)度增加150.00%；土層（-0.50～-12.04和-12.04～-14.84）的天然含水量減少15.6%～44.6%，密度增加4.3%～9.8%，天然孔隙比降低15.6%～39.0%，塑性指數(shù)降低10.4%～21.8%，液性指數(shù)降低16.5%～66.8%，壓縮系數(shù)降低30.4%～63.8%，壓縮模量增加32.9%～97.8%，抗剪切力內(nèi)摩擦角增加99.1%～103.7%，凝聚力增加66.2%～93.3%，十字板強(qiáng)度增加117.5%～138.9%。

表2 郵輪碼頭軟基淺層處理區(qū)加固前后土的物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比表Tab.2 Comparison of physical mechanics index before and after soft foundation consolidation in cruise terminal with shallow layer treatment

表3 郵輪碼頭軟基常規(guī)處理區(qū)加固前后土的物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比表Tab.3 Comparison of physical mechanics index before and after soft foundation consolidation in cruise terminal with traditional method treatment

從工程實(shí)例中真空預(yù)壓法淺層處理方式和常規(guī)深層處理方式的效果分析可以看出，對(duì)于第1土層而言，從加固前后土的多數(shù)物理力學(xué)指標(biāo)變化情況來看，淺層處理結(jié)果相對(duì)較好。淺層處理的第2土層和第3土層與常規(guī)深層處理的第2土層比較結(jié)果表明淺層與深層處理加固軟基的效果差異不大。

3 結(jié)論與討論

通過本研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）在地面以下8.0 m范圍內(nèi)，打設(shè)淺板處理的土層壓縮量比常規(guī)法處理相同土層的壓縮量明顯增加，增加量為0.2～0.25 m。（2）淺板區(qū)土層的天然含水量降低幅度及密度增加值都較常規(guī)法處理相同土層有較大改善。（3）淺層法處理后的土體內(nèi)摩擦角和凝聚力指標(biāo)都較常規(guī)法處理結(jié)果提高50%左右。（4）淺層法處理后的土體十字板強(qiáng)度可達(dá)33.73 kPa，而常規(guī)法處理相同土層后的十字板強(qiáng)度僅達(dá)到25.6 kPa。

從工程竣工近2 a來廣場(chǎng)的沉降情況看，由于東疆區(qū)域主要由挖泥吹填形成，土質(zhì)較軟，目前總體沉降平均值已達(dá)15 cm左右，但2種不同地基處理方式加固的地基之間未出現(xiàn)明顯的差異沉降，同以往用同一種方式（常規(guī)深層處理方式）進(jìn)行處理的效果沒有明顯區(qū)別，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的效果，也說明一定深度的下部較弱土層處理加固與否對(duì)上部荷載的敏感度很低，因此，適當(dāng)減少地基處理的深度是可行的。雖然天津?yàn)I海地區(qū)軟土地基采用淺層真空預(yù)壓處理方式具有一定可行性，但該方法在其他沿海地區(qū)軟基處理中的應(yīng)用效果仍有待該領(lǐng)域?qū)W者進(jìn)行更為廣泛的應(yīng)用研究和實(shí)踐檢驗(yàn)。

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Application of vacuum preloading method in Tianjin coastal soft foundation consolidation

LIU Zhong-jun
（Tianjin Port Group Co.，Ltd.，Tianjin300456，China）

The comparative analysis of shallow layer approach and conventional deep layer approach of vacuum preloading method were conducted，and the advantages for using shallow layer approach into Tianjin coastal soft foundation were analyzed.Two approaches were applied into soft foundation consolidation of Tianjin Cruise Terminal Project.The results show that：the shallow layer approach is better than conventional deep layer approach for soft foundation consolidation in physical mechanics performance.Therefore，the application of the shallow layer approach into Tianjin coastal soft foundation consolidation is feasible.

vacuum preloading method；shallow layer treatment；deep layer treatment；soft foundation consolidation

TV 223；TV 52

A

1005-8443（2012）03-0256-04

2012-03-22；

2012-04-26

劉仲軍（1962-），男，天津市人，高級(jí)工程師，主要從事港口工程研究及管理。