真空預(yù)壓加固堿渣地基的應(yīng)用與效果分析

陳運(yùn)濤，尚德志，劉寶發(fā)

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司 港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中交股份巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461；3.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

堿渣是氨堿法生產(chǎn)純堿時產(chǎn)生的工業(yè)廢料，其主要化學(xué)成分以Ca為主，具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低的特點(diǎn)[1-2].20世紀(jì)80、90年代天津堿廠在生產(chǎn)純堿的過程中把大量的堿渣堆放在沿海灘涂，隨著近年濱海新區(qū)規(guī)劃建設(shè)的不斷深入，特別是“八個功能區(qū)”的興建，給土地資源帶來很大壓力.如何利用這些廢棄的堿渣堆場，是一個需要解決問題.

本文描述了在堆放堿渣的灘涂上面進(jìn)行軟基加固工程的現(xiàn)場條件、加固方案和監(jiān)測過程.對現(xiàn)場取得的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和比較，對地基土體的加固效果進(jìn)行了評價.

1 工程地質(zhì)條件[3]

本工程加固前現(xiàn)場原狀取土的結(jié)果表明該區(qū)域地層自上而下為：①堿渣，層厚3.0～4.0m，孔隙比大，含水量高，強(qiáng)度低；②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，層厚2.0 m，軟塑狀；③淤泥質(zhì)粘土，層厚2.0 m，流塑狀；④淤泥，層厚4.0m，流塑狀；⑤淤泥質(zhì)粘土，層厚6m，軟塑～流塑狀；⑥粉質(zhì)粘土，可塑狀，含大量貝殼，未揭穿.

以上資料表明本工程地基上部是含水量很高的堿渣，下部由近代海相沉積土層組成，淤泥層厚，壓縮性高，強(qiáng)度低，屬于軟土地基，不經(jīng)加固處理不能正常使用.

2 地基加固方案及監(jiān)測儀器布置

采用真空預(yù)壓法處理地基，在地表鋪設(shè)0.4m厚的砂墊層層，打設(shè)B型塑料排水板，正方形形布置，間距1.0m，打設(shè)深度19.5m，真空滿載壓力85 kPa，真空滿載時間不小于100 d，加固后地基承載力不小于80 kPa.

為了掌握施工過程中堿渣層及各軟土層的固結(jié)、沉降變化情況，確保施工質(zhì)量，設(shè)計(jì)安排了以下監(jiān)測工作內(nèi)容：地表沉降監(jiān)測、分層沉降監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測.監(jiān)測儀器布置平面圖見圖1.

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 實(shí)測地表沉降數(shù)據(jù)分析

在真空荷載的施加過程中，地表沉降隨著真空壓力的負(fù)壓作用而逐漸增長，對各沉降盤沉降和沉降速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)測地表沉降量時程曲線和沉降速率曲線見圖2、圖3.

對圖2和圖3沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在真空度穩(wěn)定達(dá)到85 kPa后一周內(nèi)地表沉降速率大于20 mm/d，30 d內(nèi)地表沉降速率大于8 mm/d，因此前期地表沉降量較大，在真空度穩(wěn)定的前50 d內(nèi)，整個地基的沉降量較大，可占總沉降量的80%以上，隨著真空預(yù)壓時間的推移，沉降曲線呈收斂的態(tài)勢，經(jīng)過3個多月的真空預(yù)壓，沉降盤的沉降速率明顯變小，沉降速率只有2mm/d左右，有的已經(jīng)小于1mm/d，此時地基沉降已基本穩(wěn)定.圖3沉降速率隨著時間的推移，其值有所波動是真空壓力不穩(wěn)定造成的，但整體趨勢是減小.

3.2 孔隙水壓力

真空荷載下地基孔隙水壓力不斷消散，圖4是孔隙水壓力消散曲線.由圖4曲線分析可以知同一施工區(qū)內(nèi)相同的施工條件下，堿渣層孔隙水壓力消散的速度要快于淤泥質(zhì)土層孔隙水壓力消散的速度，同時由表1可以看出堿渣層孔隙水壓力消散量為77.3 kPa也大于淤泥質(zhì)土層孔隙水壓力消散量.

3.3 分層沉降

打設(shè)塑料排水板后，按設(shè)計(jì)要求，在加固區(qū)埋設(shè)了深層分層沉降儀，實(shí)測分層沉降曲線見圖5，各土層沉降量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.

表1 孔隙水壓力消散結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical tableofwater pressure dissipation

由圖5實(shí)測分層沉降時程曲線看出，施加真空荷載的初期堿渣層沉降曲線較其他土層較陡，說明前期堿渣層沉降速率大，固結(jié)速率快，隨著時間的增加，堿渣沉降曲線變緩，沉降速率逐漸減小，從分層曲線整體來看堿渣層在真空荷載下的變形規(guī)律與淤泥質(zhì)粘土層變性規(guī)律基本一致.根據(jù)分層沉降曲線推算各土層的固結(jié)度，由表2知，堿渣層固結(jié)度為88.6%，略大于其他土層的固結(jié)度，與孔隙水壓力觀測結(jié)果一致.由表2可知地基土體沉降主要集中在在+6.4～+2.4m的堿渣層和1.6～5.6m的淤泥層，其他土層沉降相對較小，堿渣層沉降量幾乎占到總沉降量的30%以上.

表2 各土層沉降量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of settlement forevery soil layer

4 處理效果分析

4.1 固結(jié)度分析

一般認(rèn)為，從實(shí)測沉降資料推算的地基最終沉降較為準(zhǔn)確.由實(shí)測沉降曲線來看前期沉降量明顯較陡，占總沉降量的比例很大，其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系明顯呈非線性，其實(shí)際壓縮過程不一定符合指數(shù)曲線關(guān)系，因此本工程地基最終沉降量采用沉降雙曲線法推算[4].計(jì)算方法如下：

圖5 分層沉降時程曲線Fig.5 Time-history curveof stratified settlement

4.2 加固前后土性變化

為了了解真空預(yù)壓加固的效果，加固前、后在加固區(qū)中心進(jìn)行原狀取土，并取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn).加固前、后各主要土層物理力學(xué)性質(zhì)變化見表3.

由表3可以看出，加固后地基各土層土體含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)均有不同程度的變化，其中堿渣層的含水率降低51.46%，孔隙比降低51.09%，壓縮系數(shù)降低88.18%，說明堿渣層物理性質(zhì)得到明顯改善.從表3數(shù)據(jù)分析堿渣層物理性質(zhì)變化量明顯大于其他加固土層，說明本工程堿渣層加固效果優(yōu)于其他土層.

4.3 現(xiàn)場十字板試驗(yàn)

根據(jù)加固前后十字板試驗(yàn)成果，繪制抗剪強(qiáng)度隨深度變化的對比關(guān)系曲線見圖6，加固前后各土層十字板強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4.

由圖4可以看出加固后各土層十字板強(qiáng)度明顯增長，堿渣層加固后十字板強(qiáng)度達(dá)到43.7kPa，增加16.9kPa，而其他加固土層十字板強(qiáng)度增長5.4～13.8kPa，說明堿渣層加固效果優(yōu)于其他加固土層.

根據(jù)式 ( 4)[5]推算加固后堿渣地基各土層容許承載力均可達(dá)到80 kPa以上.

5 結(jié)論

本文以實(shí)際工程為背景，說明真空預(yù)壓應(yīng)用于加固堿渣地基是成功有效的.通過對這一工程的跟蹤監(jiān)測，得到大量有價值的數(shù)據(jù)，進(jìn)而對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論.

表3 加固前后土的物理力學(xué)指標(biāo)對比表Tab.3 Contrast table of physicalandmechanical indexes forsoilof before and after reinforcement

表4 加固前后十字板強(qiáng)度對比表Tab.4 Contrast table of vane shear strength before and after reinforcement

1）堿渣具有含水量高、孔隙比大、壓縮性大等與軟土相近的特性，經(jīng)過真空預(yù)壓處理堿渣物理指標(biāo)如含水率、孔隙比、密度和壓縮系數(shù)等都有一定的改善，承載力可以達(dá)到80 kPa以上，說明真空預(yù)壓法處理堿渣地基是一種解決堿渣排放，緩解土地資源壓力的經(jīng)濟(jì)實(shí)用方法.

2）根據(jù)本工程的監(jiān)測結(jié)果，在相同的真空預(yù)壓條件下，堿渣的固結(jié)度略大于淤泥及淤泥質(zhì)粘土的固結(jié)度.

3）本工程堿渣滲透系數(shù)約為1.65×104cm s1，明顯大于淤泥質(zhì)土層的滲透系數(shù)，施工過程中壓膜溝挖設(shè)深度應(yīng)超過堿渣層厚度0.5m以上，否則易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象.

4）堿渣孔隙比，壓縮系數(shù)遠(yuǎn)大于一般的粘土，加固區(qū)內(nèi)由于回填堿渣厚度不均，隨著真空預(yù)壓加載的進(jìn)行而出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，容易造成密封膜的開裂，因此在鋪設(shè)密封膜的過程中應(yīng)留出一定的伸縮量以防在加固過程中出現(xiàn)密封膜撕裂的現(xiàn)象.

[1]閆澍旺，侯晉芳，劉潤.堿渣與粉煤灰拌合物的巖土工程及環(huán)境特性研究 [J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，27（12）：2305-2308.

[2]葉國良，苗中海.堿渣的綜合利用 [J].港口工程，1998（12）：10-16.

[3]陳運(yùn)濤.天津港集裝箱物流中心東區(qū)地基處理工程 D區(qū)加固效果檢驗(yàn)報(bào)告 [R].天津：天津港灣工程研究所，2007.

[4]JTS 147-1-2010，港口工程地基規(guī)范 [S].

[5]GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范（2009）[S].