吹填造陸工程淺層預(yù)處理和深層真空預(yù)壓法工藝的變更完善

宋旭龍，李俊豐，李海峰，石 潔，鄭 寧

（華北水利水電工程集團(tuán)有限公司，天津 300170）

1 引言

天津某臨海工業(yè)區(qū)吹填造陸后為國家重點(diǎn)招商項(xiàng)目用地，意義重大，業(yè)主與各參建單位簽訂了《工程質(zhì)量保證承諾責(zé)任書》，要求必須一次性施工成功。造陸前，-13 m高程以上至原泥面的土層為海相沉積層，由于成土歷史短被劃稱成第四紀(jì)“全新”新鮮層，屬淤泥、淤泥質(zhì)黏土或亞黏土，孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低。上部是造陸中新近吹填的新鮮淤泥土，猶如稀湯。按原設(shè)計(jì)在這樣的超軟土地基上直接進(jìn)行深層真空預(yù)壓加固處理，安全性和可行性是各參建單位面臨的一大難題。

2 工程概況

天津某臨海工業(yè)區(qū)利用沿海灘涂進(jìn)行圍海造陸建設(shè)開發(fā)，采用常規(guī)的一次深層真空預(yù)壓法對新近吹填的軟基進(jìn)行加固處理，首期開工3個(gè)標(biāo)段，加固面積共6 km2，各標(biāo)段均為2 km2。原設(shè)計(jì)方案的一次性深層真空預(yù)壓荷載為650 mmHg，吹填土厚度為5.8 m，吹填土余水排盡后在原泥面鋪1層200 g/m2編織布，其上鋪2層優(yōu)質(zhì)荊笆和1層土工布，再吹填80 cm厚砂性土，上鋪30cm中粗砂墊層，打設(shè)豎直排水通道（為B型塑料排水板，間距1 m，正方形布置，板底標(biāo)高為-13 m），鋪設(shè)濾管和密封膜并安裝射流泵，抽氣排水作業(yè)。其設(shè)計(jì)卸載標(biāo)準(zhǔn)為：固結(jié)度≮85%、連續(xù)5～10 d實(shí)測地表沉降速率≯2 mm/d，有效荷載預(yù)壓時(shí)間≮90 d，地基承載力特征值要求分層達(dá)到80 kPa。

3 案例分析

3.1 案例一

3.1.1 基本情況

該工業(yè)區(qū)首期開工的3個(gè)造陸工程施工標(biāo)段，新近吹填的陸域地基上大部分呈灰褐色、流塑狀態(tài)，土性極差。該吹填土層還未完全排水固結(jié)，處于欠固結(jié)狀態(tài)，具有較高的含水率（高達(dá)124%）和極低的強(qiáng)度、土顆粒極細(xì)、壓縮性極高、固結(jié)速率極慢等顯著特征，如按原設(shè)計(jì)的一次性深層真空預(yù)壓方案來實(shí)施，存在以下問題：

（1）場區(qū)面積大（每標(biāo)段 2 km2），設(shè)計(jì)也沒有指導(dǎo)性的排水方案，市場上好多施工單位在投標(biāo)時(shí)的合同量清單中根本未考慮排水費(fèi)用，再加上場地條件的制約必須強(qiáng)排，排水費(fèi)用較大，新近吹填土層上的明水本已很難排出，如再在其上吹填0.8 m砂性土工作墊層，勢必因排水影響吹填施工進(jìn)度和效率。

（2）正值11月份大風(fēng)季節(jié)，吹填施工根本無法正常進(jìn)行，施工船舶安全風(fēng)險(xiǎn)極高。

（3）由于墊層下吹填土層土質(zhì)極差，機(jī)械打設(shè)深板擾動時(shí)大量的泥漿沿排水板噴出，造成黃砂墊層污染，影響排水效果。

3.1.2 改進(jìn)淺層真空預(yù)壓施工工藝

（1）準(zhǔn)備工作：測量放樣，按板間距0.8 m菱形布點(diǎn)并標(biāo)計(jì)；備料、下料及板端封堵：淺板設(shè)計(jì)長度為4～6 m，一般情況下下料長度計(jì)算是下插回折0.2 m+5 m+外露長度0.8 m=6 m；板端封堵采用瀝青封頭。

（2）工人持斧在土工布上按測量標(biāo)計(jì)點(diǎn)位破口，另一工人緊跟快速插下淺板，大批量的工人按此法重復(fù)作業(yè)，則一個(gè)標(biāo)段2 km2插淺板最多一個(gè)月可完成。

（3）檢查插板區(qū)，將板口泥漿清除干凈。

（4）鋪設(shè)40 mm軟式濾管，務(wù)必做好管路連接工作。

（5）檢查場區(qū)，重點(diǎn)檢查翻漿是否污染板頭和濾管，可采取清除、補(bǔ)插板或更換局部被污染濾管。

（6）鋪設(shè)一層長絲土工布（300 g/m2），并在冬季利用機(jī)械沿四周隔埝挖設(shè)明溝或采取其他方式形成自然排水體系。

（7）填筑覆水圍埝。

（8）按 1 000～1 500 m2安裝 1 個(gè)功率≮7.5 kW的射流泵（揚(yáng)程≮26 m），并連接抽真空設(shè)備。

（9）試抽，進(jìn)行密封性檢查和整改。

（10）正式抽氣：抄表記錄，不斷地進(jìn)行密封性檢查和整改。

（11）卸載：滿載預(yù)壓 50～60 d 后，經(jīng)檢驗(yàn)加固效果后，方可卸載。

3.1.3 效果分析

根據(jù)實(shí)際情況，3個(gè)標(biāo)段淺層處理均在50 d后提出檢驗(yàn)申請，經(jīng)檢驗(yàn)和過程監(jiān)控分析，具體如下：

（1）沉降量：地基沉降量由兩部分組成，一是插板期間吹填土層沉降 （包括插板前吹填土層的自然沉降），二是淺層真空預(yù)壓期間的沉降。沉降觀測結(jié)果，見表1。

表1 各標(biāo)段不同階段地基沉降

（2）孔隙水壓力監(jiān)測和固結(jié)度推算：人工插完淺板后，在4根排水板所圍區(qū)域的中心位置分不同深度埋設(shè)孔隙水壓力測頭，用以監(jiān)測預(yù)壓期間土體內(nèi)部孔隙水壓力消散情況。圖1為淺層真空預(yù)壓過程中孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線。

圖1 東三區(qū)淺層真空預(yù)壓一區(qū)孔隙水壓力值隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)孔隙水壓力消散情況，推算土層內(nèi)不同深度的固結(jié)度，見表2。

表2 不同深度土層固結(jié)度

（3）淺層加固檢驗(yàn)（十字板強(qiáng)度、標(biāo)貫及土工試驗(yàn)）：2010年4月25日，對某工業(yè)區(qū)首期工程3標(biāo)段巖土進(jìn)行了工程勘察，孔號ⅢS31，孔口標(biāo)高3.912 m，鋼環(huán)編號813。詳細(xì)勘查數(shù)據(jù)，見表3-4。

表3 巖土勘察抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

表4 巖土勘察標(biāo)貫擊數(shù)統(tǒng)計(jì)

標(biāo)貫擊數(shù)曲線、十字板強(qiáng)度曲線，如圖2-3所示。

圖2 南港ⅢS31孔標(biāo)貫擊數(shù)曲線

（4）強(qiáng)度增長推算：依據(jù)地勘資料和規(guī)范，對加固區(qū)進(jìn)行強(qiáng)度推算。強(qiáng)度增長值計(jì)算公式為：

圖3 南港ⅢS31孔十字板強(qiáng)度曲線

式中：τ為強(qiáng)度增長值；Cu為十字板強(qiáng)度；Ut為固結(jié)度；△σ為先期附加應(yīng)力；фcu為固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角。

地基承載力計(jì)算公式為：

式中：f為地基承載力。

依據(jù)勘察報(bào)告統(tǒng)計(jì)，各標(biāo)段吹填土層預(yù)處理后吹填土層0.4～1m處以下承載力容許特征值分別是：1標(biāo)段為35 kPa、2標(biāo)段為30 kPa、3標(biāo)段為33 kPa。因新近吹填土層為泥漿，呈稀湯狀，傳統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)存在一定局限性而無法操作，但結(jié)合淺層預(yù)處理后的土工試驗(yàn)成果表來看，含水率由124%下降到67.8%，密度有所提高，孔隙比和壓縮指數(shù)也有所降低。而且各標(biāo)段吹填土層預(yù)處理后標(biāo)貫擊數(shù)平均值均＞3擊，表層0.5～1 m厚硬殼承載力較高，結(jié)合強(qiáng)度增長推算值，說明淺層真空預(yù)壓加固后地基承載力基本在50 kPa左右。再經(jīng)深層插板樁機(jī)跟進(jìn)作業(yè)檢驗(yàn)，未發(fā)生樁機(jī)傾倒、隱落的安全事故，由此可判定3個(gè)標(biāo)段此次淺層預(yù)處理后地基強(qiáng)度和加固效果增長明顯，達(dá)到了取消0.8 m厚吹填砂性土目的，為后續(xù)的深層處理工序提供了理想而又安全的施工條件。

3.2 案例二

3.2.1 基本情況

2010年6月，工程施工正處于深層真空預(yù)壓階段，海運(yùn)黃砂供應(yīng)極為緊缺，加上鋪砂工人嚴(yán)重不足，各施工單位處于半停工狀態(tài)。經(jīng)監(jiān)理單位與業(yè)主溝通，各參建單位代表開會討論，取消了原黃砂墊層設(shè)計(jì)方案，實(shí)施黑砂墊層真空預(yù)壓法，并做如下修改完善：

（1）40 cm黑砂墊層上挖設(shè)底寬20 cm、深≮20 cm的濾管溝，每根深板露出的板頭必須與濾管連接，且濾管在溝中必須用黃砂裹覆回填。

（2）在打設(shè)深板過程中，一旦發(fā)現(xiàn)特軟的局部面積，必須在打設(shè)深板間距的基礎(chǔ)上再加密補(bǔ)打4～6 m深短板。具體的深層真空預(yù)壓施工工藝如下：

檢修或進(jìn)一步完善排水系統(tǒng)→吹填40cm黑砂墊層→測量放樣、布點(diǎn)標(biāo)識→打設(shè)深層板→特軟區(qū)人工加密插設(shè)短板→檢驗(yàn)并清除板口翻漿及墊層面漿皮→挖設(shè)濾管溝→布設(shè)濾管、板管和管路連接→檢驗(yàn)并清潔或更換已污染的濾管→黃砂裹覆回填→按放樣位置挖設(shè)壓膜溝→檢驗(yàn)壓膜溝和場區(qū)，徹底清除尖銳固物→鋪設(shè)“1布2膜”→安泵并連接抽真空設(shè)備→試抽氣→檢驗(yàn)合格后進(jìn)入正式抽氣→檢測合格后卸載。

3.2.2 加固效果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，深層真空預(yù)壓在滿載條件下抽氣排水有效時(shí)間為70～75d，加固完成后經(jīng)勘察和第三方檢測單位對所有的加固區(qū)進(jìn)行了檢驗(yàn)，加固效果達(dá)到設(shè)計(jì)卸載標(biāo)準(zhǔn)和要求。

（1）分層沉降分析：打設(shè)塑料排水板后，按設(shè)計(jì)要求，在各個(gè)加固區(qū)的中心點(diǎn)附近埋設(shè)了1組深層分層沉降儀，以便掌握地基中各土層的變形情況。根據(jù)施工單位提供的數(shù)據(jù)，深層真空預(yù)壓開始前，插板沉降（包括淺層預(yù)壓沉降）在720～1 470 mm之間，深層真空預(yù)壓期間分層沉降管口實(shí)測沉降在307～1 659 mm之間（包括保護(hù)區(qū)），綜合統(tǒng)計(jì)在整個(gè)預(yù)壓處理期間沉降在1 418～3 079 mm之間。同時(shí)，根據(jù)各分區(qū)分層沉降管口觀測資料推算的固結(jié)度均大于85.0%，且卸載前各真空區(qū)的5～10 d沉降速率均不大于2 mm/d?？紤]到場地使用條件等要求，經(jīng)參建各方商量進(jìn)行卸載前帶壓鉆探，并依據(jù)現(xiàn)場十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果判定是否卸載。

（2）孔隙水壓力分析：打設(shè)塑料排水板后，分別在4根排水板所圍區(qū)域的中心位置按照設(shè)計(jì)要求在不同深度埋設(shè)孔隙水壓力測頭，用以監(jiān)測預(yù)壓施工期間土體內(nèi)部孔隙水壓力消散情況，同時(shí)根據(jù)孔隙水壓力的增減情況及消散大小每3 d更新1次監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行分析：整個(gè)抽氣區(qū)的中部區(qū)比四周邊緣的負(fù)超靜水壓力要大，這反映出邊界的影響。隨著測點(diǎn)深度加大，總的趨勢是負(fù)超靜水壓力逐漸減小，但在地面-6 m處形成的負(fù)超靜水壓力最大。地基處理的底端部分孔隙水壓力消散良好，說明塑料排水板已按設(shè)計(jì)深度打設(shè)到位，且真空壓力向下傳遞有效。根據(jù)孔隙水壓力觀測結(jié)果可知，在抽真空過程中土體不同深度的孔隙水壓力發(fā)生了明顯的消散，符合一般的真空預(yù)壓情況。

（3）加固前后取土試驗(yàn)及十字板剪切試驗(yàn)：根據(jù)加固前后的取土試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析可知，加固過程中地基土的物理力學(xué)指標(biāo)有較大改善，主要加固土層土性指標(biāo)均有所提高。通過加固前后現(xiàn)場取土及十字板剪切試驗(yàn)可以看出，各加固土層的含水率及十字板抗剪強(qiáng)度均有所提高。含水率由加固前的20.2%～124%下降到加固后的18.9%～52.0%，降幅明顯，其中表層吹填土層含水率下降幅度較大，同時(shí)各真空區(qū)滿足含水率極限值不大于52%、平均值不大于47%的設(shè)計(jì)要求；十字板抗剪強(qiáng)度由加固前0.4～34.8 kPa增到加固后的 15.1～38.7 kPa， 增幅明顯，其中表層吹填土層十字板抗剪強(qiáng)度增幅較大，同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)區(qū)十字板強(qiáng)度極限值不小于18kPa、平均值不小于23 kPa，過渡區(qū)十字板強(qiáng)度極限值不小于15kPa、平均值不小于18 kPa的設(shè)計(jì)要求，不適于進(jìn)行現(xiàn)場十字板剪切試驗(yàn)的下層土體的標(biāo)貫擊數(shù)均大于3擊。

4 案例啟示

（1）經(jīng)真空預(yù)壓處理后，新近吹填土層及原灘面以下土層的壓縮沉降還沒有科學(xué)而準(zhǔn)確的指導(dǎo)性數(shù)值，目前還是依據(jù)施工積累的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，因此相關(guān)責(zé)任單位應(yīng)不斷研究，并在相關(guān)文件中提出指導(dǎo)性意見，以減少施工費(fèi)用或避免施工費(fèi)用的浪費(fèi)。

（2）淺層預(yù)處理適用于新近吹填的粉土、粉質(zhì)黏土地基，但淺層真空預(yù)壓法的使用，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉⑷肆Y源等條件綜合考慮，建議最優(yōu)的方案是利用冬季插淺板、鋪設(shè)濾管、鋪設(shè)管上土工布及設(shè)置排水系統(tǒng)后，來年春季再進(jìn)行真空預(yù)壓施工，避免冬季真空抽氣排水作業(yè)造成施工安全風(fēng)險(xiǎn)大、安全措施費(fèi)用投入大、加固效果相對差、施工成本相對增加等問題。

（3）在首次對黑砂墊層真空預(yù)壓法優(yōu)化完善施工后（即每根板頭與濾管連接、在黑砂墊層中設(shè)置黃砂裹管溝），經(jīng)施工現(xiàn)場的黑砂墊層卸載區(qū)與黃砂墊層卸載區(qū)的加固效果試驗(yàn)對比，黑砂墊層承載力在10 t以上，且真空抽氣排水作業(yè)時(shí)間在50～75 d范圍內(nèi)；而黃砂墊層卸載區(qū)承載力在8～10 t范圍內(nèi)，真空抽氣排水作業(yè)時(shí)間在90 d以上。由此可以看出，優(yōu)化完善黑砂墊層真空預(yù)壓法的真空提水更直接又快捷，加固效果相對較好，工期相對縮短。

（4）淺層預(yù)處理抽氣排水作業(yè)時(shí)間短，采用“1布2膜”較為實(shí)用可行，若深層真空預(yù)壓處理套用“1布2膜”則風(fēng)險(xiǎn)較大。這是因?yàn)?，深層真空抽氣排水施工時(shí)間長，從鋪膜到卸載多數(shù)。橫跨夏秋冬3個(gè)季節(jié)，再好的膜也會因氣候等因素發(fā)生問題。再因?yàn)榇堤詈谏皦|層和人工鋪設(shè)的黃砂墊層較平整清潔，建議加固區(qū)中間大部分面積可取消土工布，但加固區(qū)邊界壓膜溝處必須鋪設(shè)或加鋪土工布，以防壓膜溝開口處固物頂破密封膜。

5 結(jié)語

由于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)圍海造地工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，建設(shè)速度不斷加快，通過以上案例分析，發(fā)現(xiàn)淺層真空預(yù)壓法加固效果明顯。該法對新近吹填粉土、粉質(zhì)黏土地基處理具有較強(qiáng)的針對性和適用性。

[1]JTJ250-1998，港口工程地基規(guī)范[S].