改性真空預(yù)壓結(jié)合覆水預(yù)壓處理超軟土試驗(yàn)

高明軍，孫召花，劉志浩，劉漢龍

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098)

圍海軟基通常為新吹填淤泥質(zhì)土，具有“三高兩低”(含水量高、靈敏度高、壓縮性高、滲透性低、抗剪強(qiáng)度低)的特點(diǎn)［5］。常規(guī)的堆載法［6］、強(qiáng)夯法［7］、深層攪拌樁技術(shù)［8］、固化劑技術(shù)［9］等工法在圍海吹填場地地基處理中，由于不具備進(jìn)場施工條件，以及加固效果差、工期長、造價高等因素，無法滿足建設(shè)需要。因此迫切需要研制開發(fā)一種快速、高效、低價的新的軟土地基處理方法。筆者結(jié)合溫州某圍海造地工程現(xiàn)場試驗(yàn)，對大面積圍海造地地基處理新技術(shù)——無砂墊層改性真空預(yù)壓結(jié)合覆水預(yù)壓法［10］開展理論分析，進(jìn)行施工設(shè)備、施工工藝、質(zhì)量控制以及加固效果等方面的研究。所采用的改性真空預(yù)壓結(jié)合覆水預(yù)壓法解決了溫州地區(qū)圍海造地軟基處理中砂源嚴(yán)重匱乏的不足，降低了工程造價，具有地基處理效果良好、加荷速度快、不易出現(xiàn)地基失穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況

本次無砂墊層改性真空預(yù)壓結(jié)合覆水預(yù)壓試驗(yàn)場地長為45.0 m，寬為22.2 m，面積為1 000 m2。場地位于溫州市龍灣區(qū)永興鎮(zhèn)，東瀕甌江。擬建場地原為圍墾淤積而成，現(xiàn)大部分場地均為養(yǎng)殖塘，地勢較低，需進(jìn)行吹填處理。除道路及堤岸地段分布有力學(xué)性質(zhì)相對稍好的黏土層外，均為含細(xì)砂淤泥、淤泥層，為具有高壓縮性、高孔隙比、低強(qiáng)度的軟土，屬軟土地基。根據(jù)該場地大量工程的沉降觀測和穩(wěn)定驗(yàn)算，在天然地基上極限填土高度為1.8～2.2 m，地基最終沉降為0.6～2.8 m，需進(jìn)行軟基處理。擬建場地土類型屬軟弱場地土，場地類別為Ⅳ類，屬抗震不利地段。場地除軟土分布外未見其他不良地質(zhì)作用，地基穩(wěn)定性較好，適宜本工程建設(shè)。根據(jù)溫州工程勘察院有限公司《溫州民營科技產(chǎn)業(yè)基地(永興南片)工程地質(zhì)初步勘察報告》，將場地地基土在勘察深度范圍內(nèi)自上而下劃分為7個工程地質(zhì)層(其中②層細(xì)分為2個亞層)，即:0細(xì)砂，①黏土，②1含細(xì)砂淤泥，②2淤泥，③ 淤泥質(zhì)黏土，④粉質(zhì)黏土，⑤黏土，⑥黏土。

2 圍海軟基處理施工工藝

2.1 施工方案

無砂墊層改性真空預(yù)壓結(jié)合覆水預(yù)壓法，包括鋪設(shè)浮橋、改性真空預(yù)壓以及結(jié)合覆水預(yù)壓技術(shù)，主要技術(shù)步驟如下［10］:(a)在圍堤內(nèi)的淤泥區(qū)上鋪設(shè)浮橋;(b)在淤泥區(qū)上鋪設(shè)塑料編織布，將其固定于圍堤和浮橋上;(c)在塑料編織布上水平鋪設(shè)排水支管，塑料排水板纏繞排水支管插入淤泥區(qū)的淤泥中;(d)在塑料編織布上水平鋪設(shè)排水主管，走向與排水支管垂直，排水主管一端連接真空泵;(e)在排水主管及排水支管上鋪設(shè)土工布，在土工布上鋪設(shè)真空膜;(f)在真空膜上放置水荷載。

塑料排水板采用B型板，施打深度為2.5 m，排水板間距為1.0m×1.0m，采用人工插板的方法施工。在施打塑料排水板的同時開挖排水明溝(該明溝在負(fù)壓密封降水施工中作為壓膜溝，在下一步的井點(diǎn)降水或電滲降水施工中作為排水明溝)。塑料排水板施打結(jié)束后，布置真空吸水總管(為滲水波紋管)，并采用無砂墊層真空預(yù)壓超軟土固結(jié)中的真空管變形控制結(jié)構(gòu)，能夠保證真空系統(tǒng)的排水和通氣能力，消除膜下真空盲點(diǎn)［11］?？偣芟麻_挖淺層盲溝，以利于總管置入后比地表稍低。塑料排水板與總管連接，連接方式為直繚式或?yàn)V套式。將排水總管埋入盲溝內(nèi)，并在盲溝上鋪1層條狀土工膜后墊平盲溝。在所需加固區(qū)域?qū)⑴潘偣芨鶕?jù)真空泵抽負(fù)壓的能力，1臺泵形成1個回路連接，大面積施工時則可多臺泵各自形成抽負(fù)壓網(wǎng)絡(luò)。最后鋪設(shè)2層塑料密封膜，膜邊緣置入四周壓膜溝內(nèi)，然后進(jìn)行試抽壓。循環(huán)開啟30%的真空泵，試抽真空15 d，檢查是否漏氣并加強(qiáng)真空維護(hù)。在試抽真空15 d后正式滿負(fù)荷開啟真空泵，在真空壓力達(dá)到80 kPa后持續(xù)穩(wěn)壓。開始膜上覆水50～100 cm，以增加預(yù)壓水荷載，防止真空膜受太陽暴曬和大風(fēng)侵蝕，延緩老化。覆水后開始各項(xiàng)現(xiàn)玚監(jiān)測，繪制沉降～時間關(guān)系曲線，待沉降穩(wěn)定、符合卸載條件后，卸除真空荷載，拆除抽真空系統(tǒng)。

2.2 監(jiān)測項(xiàng)目與點(diǎn)位布置

為對軟基加固的機(jī)理進(jìn)行研究，并為計算理論提供依據(jù)和設(shè)計參數(shù)，在施工過程中預(yù)埋一定數(shù)量的監(jiān)測儀器，以對加固區(qū)的表面沉降、水平位移、分層沉降、孔隙水壓力等變化規(guī)律進(jìn)行研究。孔壓計共埋12組，采取一孔一計的方法埋設(shè)，埋設(shè)位置和深度考慮下一步理論分析的要求。布置6個沉降板，每個泵區(qū)布置3個;布置1個分層沉降管、2個測斜管、1個水位觀測管。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 膜下真空度

現(xiàn)場真空度的測量是真空預(yù)壓加固軟基監(jiān)測的重要內(nèi)容，對工程設(shè)計、加固效果分析以及真空預(yù)壓機(jī)理研究有著重要的作用。膜下真空度既能夠反映真空水泵是否正常工作，也能夠直觀地反映出水泵的抽真空效果。

為保證膜下真空度平衡，將場地分為2個泵區(qū)，每個水泵承擔(dān)面積500 km2的區(qū)域。1號、2號泵區(qū)的膜下真空度時程如圖1(a)所示。為數(shù)據(jù)處理方便，圖中均將2008年11月9日定為原點(diǎn)。2個水泵工作持續(xù)到2008年12月4日，共工作25 d(600 h)。

國內(nèi)外護(hù)理教育實(shí)施的PBL教學(xué)法大多為非經(jīng)典PBL教學(xué)法[9]，即采用過渡性PBL教學(xué)或PBL教學(xué)法與傳統(tǒng)教學(xué)法相結(jié)合方式。具體步驟如下：

1號泵于2008年11月10日14:00開泵工作(圖1(a)中第24小時處)。水泵工作持續(xù)到2008年12月4日，共工作576 h，一直工作正常?？梢钥闯觯は抡婵斩仍诔檎婵粘跗谠鲩L速度較快，48 h后基本趨于穩(wěn)定。膜下真空度維持在80 kPa以上，穩(wěn)定后的平均真空度為87.2 kPa。

2號泵于2008年11月9日14:00(圖1(a)中原點(diǎn))開泵工作。除了11月10日出現(xiàn)故障短暫停抽外，一直工作正常。膜下真空度維持在80 kPa以上，穩(wěn)定后的平均真空度為86.3 kPa。

圖1 真空度、孔隙水壓力和地下水位現(xiàn)場監(jiān)測時程Field monitoring schedule diagram of vacuum degree，pore water pressure，and underground water level

3.2 孔隙水壓力監(jiān)測

按經(jīng)典固結(jié)理論，荷載施加瞬間外荷載由孔隙水承擔(dān)，伴隨著滲透固結(jié)過程，外荷載逐漸由超靜孔隙水壓力向有效應(yīng)力轉(zhuǎn)移，土的強(qiáng)度和變形主要取決于有效應(yīng)力。因此，為了研究土的力學(xué)性狀，首先必須了解在外荷載作用下孔隙水壓力的變化規(guī)則［12］。沿土體不同深度埋設(shè)孔隙水壓力計，目的是了解土體內(nèi)孔隙水壓力與真空壓力的分布狀況、變化及相互影響，判斷加固效果。

a.1號泵區(qū)孔隙水壓力。1號泵區(qū)共布置8只孔壓計，分別位于1m，2m，3m，4m，5m，6m，8m和12m深度處。取1 m和2 m處孔隙水壓力時程分別如圖1(b)(c)所示。1 m處孔壓計由于埋設(shè)深度有誤差，故孔隙初始值較大，為11.4kPa，但并不影響分析孔隙水壓力的變化規(guī)律。受真空度影響較大，1m處孔隙水壓力下降迅速，并出現(xiàn)負(fù)值(達(dá)到-5.2 kPa)，變化幅度為16.6kPa。2 m深度處孔隙水壓力在第1天下降迅速，24 h內(nèi)孔隙水壓力從13.1 kPa降到11.9 kPa，然后進(jìn)入穩(wěn)定下降階段，最終降至6.9 kPa，變化幅度為8.8 kPa。

b.2號泵區(qū)孔隙水壓力。2號泵區(qū)孔隙水壓力僅布置4只孔壓計，分別位于1m處(1只)、1.5m處(1只)、2 m處(2只)。取1m和2m處孔隙水壓力時程分別如圖1(b)(c)所示。1m深度處孔隙水壓力從6.9kPa降到-14.7 kPa，下降了21.6 kPa。1.5m深度處孔隙水壓力從11.8 kPa降到-3.5 kPa，下降了14.3 kPa。

經(jīng)過對1號泵區(qū)與2號泵區(qū)各深度處的孔隙水壓力量測值分析，可知改性真空預(yù)壓結(jié)合覆水預(yù)壓能夠明顯降低孔隙水壓力，說明真空壓力及覆水能夠使地下水水位降低，通過降低水位可以使加固效果傳遞到比較深的位置，類似井點(diǎn)降水的效果。1 m深度處出現(xiàn)了負(fù)的孔隙水壓力，和通常的正的孔隙水壓力物理特性一樣，抽真空時負(fù)的孔隙水壓力通常發(fā)生在距離原地下水位線不深處。測點(diǎn)深部土體的孔壓消散較慢，主要是由于真空度隨深度增加逐漸衰減，另外深部淤泥滲透性極差，因而造成孔壓消散緩慢。

3.3 地下水位監(jiān)測

由于在真空預(yù)壓時水位觀測孔直通大氣，會影響密封效果，故在第1階段真空預(yù)壓時不在場地內(nèi)布置水位觀測孔(下一階段在場地內(nèi)布置水位觀測孔)，僅在場地外側(cè)布置1個地下水位觀測孔，其場地的密封溝外側(cè)距試驗(yàn)區(qū)邊界為3.4 m。圖1(d)為地下水埋深變化時程。

如圖1所示，受場地外真空荷載的影響，場地內(nèi)地下水位埋深下降后對場地外的地下水位也有一定的影響，距場地3.4 m位置處的地下水位穩(wěn)定下降，由真空預(yù)壓前的0.45 m下降到1.01 m。

3.4 表面沉降監(jiān)測

a.沉降板測量。沉降板觀測的目的是了解土體沉降和總體平均固結(jié)度隨加載時間的變化規(guī)律，本次試驗(yàn)共布置了6個沉降板，分別位于1號和2號泵區(qū)有代表性的位置。場地表面沉降量時程如圖2所示。圖2表明:場地表面沉降量隨著抽真空天數(shù)的增加而逐漸增大，在抽真空20 d后逐漸趨于穩(wěn)定，每天沉降量在5mm以下，在第23天后每天沉降不超過3m。經(jīng)過25d后，1號泵區(qū)場地表面沉降19.4cm，2號泵區(qū)場地表面平均沉降21.6 cm。

b.場地高程測量。本次試驗(yàn)在加固前后，分別對場地的相對高程(相對于臨時設(shè)置的水準(zhǔn)基點(diǎn)，假定水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)高程為10.00 m)進(jìn)行了水準(zhǔn)測量，以了解經(jīng)過真空預(yù)壓后場地高程的整體沉降量，同時可校核沉降板觀測的準(zhǔn)確度。加固前、后均按照5 m×5 m布置網(wǎng)格，各布置40個水準(zhǔn)測量點(diǎn)位。加固前的場地相對高程為8.9918 m，加固后的場地相對高程為8.7784 m。通過對場地高程的觀測，發(fā)現(xiàn)場地表面沉降量為21.34 cm。

圖2 場地表面沉測量時程Fig.2 Time chart of subsurface settlement

3.5 分層沉降監(jiān)測

分層沉降沿深度的分布曲線見圖3。如圖3所示，在1.18 m深度范圍內(nèi)的分層沉降明顯。由于難以克服的測量誤差，下部土體沉降不明顯，所以下部曲線波動現(xiàn)象明顯。分層沉降沿深度呈遞減趨勢，沉降量大小與塑料排水板的長度和預(yù)壓時間有關(guān)。

3.6 水平位移監(jiān)測

1號、2號測斜孔所測得的土體水平位移分布見圖4。

土體的水平位移整體上是由場地外向場地內(nèi)移動。1號測斜孔在5 m深度范圍內(nèi)土體水平位移較大，土體最大水平位移為26.3 cm。2號測斜孔在2 m深度范圍內(nèi)土體水平位移較小，土體最大水平位移為6.3 cm。土體最大水平位移與測斜孔距場地的距離有關(guān)，1號測斜孔距場地距離近，故土體最大水平位移和影響深度較大;2號測斜孔影響深度和土體最大水平位移均較小。土體水平位移在第25天的改性真空預(yù)壓后大致不變，不影響下一步工序。

3.7 靜力觸探試驗(yàn)

靜力觸探試驗(yàn)在試驗(yàn)場地外側(cè)距場地7.5 m布置2個試驗(yàn)點(diǎn)，測試結(jié)果代表了加固前的地基土強(qiáng)度指標(biāo);場地內(nèi)選擇4個試驗(yàn)點(diǎn)，測試結(jié)果代表了加固后的地基土強(qiáng)度指標(biāo)。試驗(yàn)采用單橋探頭，根據(jù)加固前、后的比貫入阻力指標(biāo)分別繪制不同試驗(yàn)點(diǎn)的比貫入阻力隨深度變化曲線(本文取3號點(diǎn)作為示例)。

通過圖5可以看出，加固深度約為2 m的范圍內(nèi)地基土強(qiáng)度顯著提高。0～1 m范圍內(nèi)比貫入阻力由加固前的0.019 MPa上升到0.220 MPa;1～2 m范圍內(nèi)比貫入阻力由加固前的0.04 MPa上升到0.47 MPa。由此可知，經(jīng)過處理后地基后土的允許承載力已經(jīng)得到顯著提高，證明無砂墊層改性真空預(yù)壓結(jié)合覆水預(yù)壓對超軟土的預(yù)處理是有效的。

圖3 分層沉降沿深度分布曲線Fig.3 Settlement at different depths

圖4 測斜孔水平位移分布Fig.4 Lateral displacement curve graphs

3.8 十字板剪切試驗(yàn)

十字板剪切試驗(yàn)在場地外側(cè)距場地7.5 m處布置2個試驗(yàn)點(diǎn)，測試結(jié)果代表了加固前的地基土強(qiáng)度指標(biāo);加固場地內(nèi)選擇4個試驗(yàn)點(diǎn)，測試結(jié)果代表了加固后的地基土強(qiáng)度指標(biāo)。在場地內(nèi)隨機(jī)選取有代表性的點(diǎn)位。十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果見圖5。十字板規(guī)格為50mm×100 mm，根據(jù)測試結(jié)果得出不同點(diǎn)位未擾動力的不排水抗剪強(qiáng)度。加固前、后抗剪強(qiáng)度對比曲線取3號點(diǎn)作為示例。

由圖6可知2 m以上的土體加固效果明顯，加固前、后曲線有交錯現(xiàn)象。根據(jù)靜力觸探曲線可知真空預(yù)壓的加固深度為2 m左右，因此對十字板剪切試驗(yàn)也主要考察深度2 m以內(nèi)的土體強(qiáng)度。未擾動土的抗剪強(qiáng)度由加固前的5.75kPa(注:剔除奇異值1個)提高到16.50 kPa。

圖5 靜力觸探試驗(yàn)加固效果對比Fig.5 Consolidation effect comparison through static penetration test

圖6 十字板抗剪試驗(yàn)強(qiáng)度曲線對比Fig.6 Consolidation effect comparison through vane shear test

4 室內(nèi)試驗(yàn)成果

處理前后土體主要性質(zhì)指標(biāo)關(guān)系比較見表1。由表1可知，加固深度范圍內(nèi)的吹填土各項(xiàng)指標(biāo)得到明顯改善，含水率由加固前超過53.0%下降到33.2%左右，孔隙比從大于1.439下降到1.130左右，壓縮模量和直剪指標(biāo)均有大幅度提升。分層總和法計算沉降用e～p曲線法計算地基的最終沉降量，理論計算沉降量為41.1 cm。測試結(jié)果表明，加固后比加固前地面平均總沉降量為66.3 cm。

5 結(jié) 語

a.在改性真空預(yù)壓覆水階段，主要進(jìn)行了多項(xiàng)施工監(jiān)測和2項(xiàng)原位試驗(yàn)，結(jié)果表明該技術(shù)采用改性真空預(yù)壓，取消砂墊層，并采用新的管網(wǎng)排水系統(tǒng)，使超軟地基達(dá)到一定的固結(jié)作用并有一定的承載力。

表1 處理前后土樣主要物理力學(xué)指標(biāo)對比Table 1 Main physical and mechanical indices of soil before and after pretreatment

b.室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，加固后原狀淤泥的含水量降低、密度增大、孔隙比減小、壓縮模量和直剪指標(biāo)均有大幅度提高。由此可見，加固后軟土層變硬，加固效果較顯著。

c.可節(jié)省大量的場地軟基處理時間，加快企業(yè)用地的供給速度和市政工程的建設(shè)速度。按處理20萬m2計算，國內(nèi)外常規(guī)的地基處理方法通常要求場地晾曬6～12個月以上才能進(jìn)場施工，處理工期一般為6～12個月，總工期為12～24個月。該技術(shù)在吹填后可馬上進(jìn)場施工，處理工期在4～6個月左右，可比常規(guī)方法縮短總工期5～12個月，為企業(yè)早用地、早建設(shè)、早投產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

d.可節(jié)省巨額的工程投資，減輕企業(yè)的用地和建設(shè)成本。與常規(guī)的軟基處理方法造價比較，該技術(shù)的地基處理造價在50～60元/m2，與常規(guī)方法相比平均節(jié)約成本約40%。

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