長短板方案加固吹填淤泥土體的試驗研究

中建港務(wù)建設(shè)有限公司 上海 200438

1 概述

隨著我國東部沿海地區(qū)的發(fā)展，陸地成為了稀缺資源，利用海底淤泥進行吹填造陸，已成為我國沿海城市土地開發(fā)利用的有效途徑[1]。海底吹上來的泥土大多為流泥（85%＜w≤150%）和浮泥[2]（w＞150%），含水率高，呈流動狀、壓縮性強、結(jié)構(gòu)性極差、顆粒極細、強度基本為零，吹填過程中必須進行加固處理，才能滿足后續(xù)工程建設(shè)的需要。

天津濱海新區(qū)吹填泥厚度為6 m，地基處理深度約為20 m，通常采用真空預(yù)壓法對地基進行加固，由于新近吹填土地基承載力幾乎為零，而地基處理深度過深，無法采用常規(guī)的一次處理真空預(yù)壓法對地基進行處理，而是采用二次真空預(yù)壓處理地基，即淺層真空預(yù)壓和深層真空預(yù)壓。淺層真空預(yù)壓由于淺層人工插設(shè)排水板的深度方面的限制，處理深度最多為6 m，其目的為使地基表面形成足夠厚度和強度的硬殼層，進而滿足后續(xù)吹設(shè)砂墊層及機械打板所需的承載力條件，淺層真空預(yù)壓處理效果至關(guān)重要，如淺層處理效果不佳，吹設(shè)砂墊層時將會出現(xiàn)“翻漿”現(xiàn)象及打板時機械無法進場的問題，淺層處理的好壞直接關(guān)系到工程的成敗。目前真空預(yù)壓處理一般軟弱地基已經(jīng)相對成熟，但對于處理吹填泥，還處于初級階段，還有許多問題尚待我們進一步的研究。

唐彤芝[3]等處理吹填土時發(fā)現(xiàn)，在淺層真空預(yù)壓處理時，上部的土層強度沒有明顯改善，但下部的土層強度卻有很大程度的提高。董志良[4]等發(fā)現(xiàn)，在淺層真空預(yù)壓后期，出現(xiàn)了以排水板為中心，直徑為40～50 cm的“土柱”現(xiàn)象，而板間土加固效果欠佳，造成土體加固效果的不均勻現(xiàn)象。

本文依托天津濱海新區(qū)吹填軟基處理工程，在常規(guī)淺層真空預(yù)壓地基處理基礎(chǔ)上，提出了一種淺層真空預(yù)壓處理吹填土改進方案，并與常規(guī)方案進行對比分析，結(jié)合各種檢測成果，對比改進方案的加固效果，同時探究了“土柱”形成原因，進而提出了適合吹填土地基的快速加固技術(shù)。

2 試驗區(qū)方案

試驗區(qū)位于天津臨港吹填區(qū)T4區(qū)內(nèi)，該區(qū)域為新近吹填區(qū)域，含水率較高，表層為浮泥，承載力幾乎為零，吹填厚度為6 m，其下為原狀淤泥。本工程采用二次真空預(yù)壓地基處理，即淺層真空預(yù)壓（處理深度為6 m）和深層真空預(yù)壓處理（處理深度為20 m）。本文主要研究淺層真空預(yù)壓，針對本工程特性，提出一種淺層真空預(yù)壓改進的長短板方案，并與常規(guī)方案進行對比。

淺層真空預(yù)壓地基處理2個技術(shù)方案的共同流程為：施工準備→鋪設(shè)編織布→鋪設(shè)無紡?fù)凉た椢铩斯ご蛟O(shè)排水板→布設(shè)濾管→連接濾管與排水板→鋪設(shè)土工格柵→鋪設(shè)無紡?fù)凉た椢铩荚O(shè)真空泵等抽真空裝置→抽真空→卸載→加固后效果檢測。2種方案不同之處見表1，其中，長短板方案的長板打設(shè)深度為6 m，短板打設(shè)深度為3 m，長板與短板交叉打設(shè)。

試驗區(qū)分為1區(qū)、2區(qū)，面積分別為31 845 m2、32 000 m2，分別采用常規(guī)方案和長短板方案。2個區(qū)地質(zhì)情況相近，有較好的對比作用，抽真空時間為60 d，期間監(jiān)測膜下真空度、地表沉降、孔隙水壓力消散情況，卸載后進行原位十字板剪切試驗、鉆孔取土及室內(nèi)常規(guī)試驗，分析對比2種方案加固效果與固結(jié)特性。

表1 2種方案對比

2.1 真空度

膜下真空度的高低直接反映無紡?fù)凉た椢镆约巴凉じ駯诺韧凉た椢飩鬟f真空度的能力，直接關(guān)系到加固效果的好壞和均勻性。抽真空初期，要求先分3批開啟真空泵，每批只開啟1/3的泵數(shù)量，每批持續(xù)時間為2 d，然后全部開啟真空泵。

抽真空前期，雖然分批進行加載，膜下真空度上升很快，隨著抽真空的進行，各區(qū)膜下真空度維持在80～90 kPa，2個區(qū)的膜下真空度差別不大。膜下真空度隨時間變化曲線（圖1）表明：無紡?fù)凉た椢镆约巴凉じ駯诺韧凉た椢飩鬟f真空壓力效果良好，進而可以代替砂墊層傳遞真空壓力。

圖1 膜下真空度隨時間變化曲線

2.2 地表沉降

圖2、圖3為各區(qū)地表沉降測點平均累計沉降量和沉降速率隨時間變化曲線。從圖中可以看出，抽真空前一個月沉降量較大，占總沉降量75%以上，抽真空速率較大，達到3 cm/d，隨著抽真空的進行，沉降速率逐漸放緩，但2區(qū)沉降速率明顯快于1區(qū)，卸載時，1區(qū)總沉降為891 mm，平均速率14.90 mm/d；2區(qū)總沉降達到了1 146 mm，平均速率19.10 mm/d， 2區(qū)加固效果明顯優(yōu)于1區(qū)。

通過現(xiàn)場踏勘，1區(qū)出現(xiàn)了以排水板為中心，直徑40～50 cm的“土柱”現(xiàn)象，土柱較硬，但是土柱與土柱之間的柱間土較軟，部分土柱發(fā)展到后期，土柱與土柱之間甚至出現(xiàn)了裂縫，裂縫隨著抽真空的進行，逐漸變寬并向深度上發(fā)展；2區(qū)雖也出現(xiàn)了“土柱”現(xiàn)象，但柱間土強度明顯優(yōu)于常規(guī)方案，土柱之間未出現(xiàn)裂縫，土體加固效果比較均勻。

圖2 沉降量隨時間變化曲線

圖3 沉降速率隨時間變化曲線

2.3 孔隙水壓力消散

孔隙水壓力觀測是通過實測數(shù)據(jù)掌握預(yù)壓過程中孔隙水壓力的消散情況，用以分析土體固結(jié)度及強度增長情況，同時實現(xiàn)對預(yù)壓過程的動態(tài)監(jiān)測?？紫端畨毫Φ南⒁徊糠质怯捎谒坏南陆狄鸬模硪徊糠质怯捎谀は抡婵斩葌鬟f于地下水位面，大氣壓力降低，水位下面的孔隙水壓力也隨之降低。在1區(qū)、2區(qū)中心位置排水板的形心位置分別埋設(shè)3個振弦式孔隙水壓力計，深度分別為1 m、3 m、5 m。

從孔隙水壓力隨時間變化曲線（圖4、圖5）可以看出，抽真空期間，孔隙水壓力呈下降趨勢，抽真空前一個月下降速率較快，此后逐漸緩慢，但長短板方案下降趨勢明顯快于常規(guī)方案，特別是抽真空后期，常規(guī)方案孔隙水壓力1 m、3 m處孔隙水壓力基本處于穩(wěn)定狀態(tài)， 而長短板方案孔隙水壓力下降趨勢也有所減緩，但明顯快于常規(guī)方案，與地表沉降規(guī)律吻合。

分析其原因，根據(jù)Stock定律，顆粒下沉的速度與顆粒直徑的平方成正比，因此新近吹填的吹填土粗顆粒下沉快，細顆粒下沉相對較慢。顆粒直徑相同的土顆粒依據(jù)Stock定律將以等速度v下沉。經(jīng)過t秒后所有顆粒粒徑為d的顆粒下沉的距離為L=vt，因此所有粒徑大于d的土顆粒已經(jīng)下降到L平面以下，L平面以上僅有直徑小于d的顆粒，所以新近吹填土顆粒出現(xiàn)分選現(xiàn)象，表現(xiàn)為沿吹填土深度方向土顆粒直徑逐漸變粗，上層大多為細顆粒，并且孔隙較小，極易在抽真空初期迅速黏附于排水板濾膜上，堵塞以排水板為中心的水平排水通道，進而出現(xiàn)以排水板為中心，直徑為40～50 cm的“土柱”現(xiàn)象，嚴重影響了板間土排水固結(jié)和強度的增長。因此，抽真空后期，淺層孔隙水壓力消散緩慢，下層粗顆粒較多，孔隙相對較大，排水效果相對于淺層較好，本工程長短板方案對淺層排水板進行了加密，緩解了“土柱”現(xiàn)象的發(fā)生，取得了良好的效果。

圖4 1區(qū)孔隙水壓力隨時間變化曲線

圖5 2區(qū)孔隙水壓力隨時間變化曲線

2.4 十字板剪切試驗

為分析、評價淺層真空預(yù)壓施工質(zhì)量、吹填淤泥土層的強度增長狀況和加固效果，在2個試驗區(qū)中心排水板附近10 cm處及排水板形心處分別做現(xiàn)場十字板剪切試驗，試驗深度為6 m，每1 m剪切1次。從十字板強度測試曲線（圖6、圖7）可以看出，2個區(qū)經(jīng)真空預(yù)壓地基處理加固后（加固前2個區(qū)承載力幾乎為零），強度都有了很大的提高，長短板方案土體強度明顯高于常規(guī)方案；板間土強度明顯低于土柱強度，但長短板方案板間土強度比常規(guī)方案有了很大的提高，尤其是淺層；長短板方案土柱與板間土強度差別不大，相對于常規(guī)方案比較均勻。

圖6 1區(qū)加固后十字板強度測試曲線

圖7 2區(qū)加固后十字板強度測試曲線

2.5 室內(nèi)常規(guī)試驗

為了了解真空預(yù)壓處理后土柱與板間土的加固情況，分別在2個區(qū)的中心排水板附近10 cm處及排水板形心處進行了鉆孔取土試驗，室內(nèi)土樣測試結(jié)果表明，2個區(qū)經(jīng)過真空預(yù)壓處理后，其物理力學(xué)性質(zhì)都有了十分明顯的改善與提高。加固區(qū)域的含水率、孔隙比、液性指數(shù)等指標減小，土的濕密度、干密度等指標增大，但以排水板為中心的土柱的物理力學(xué)指標的改善明顯優(yōu)于板間土，但經(jīng)長短板方案處理后的土體各項物理力學(xué)指標與常規(guī)方案相比明顯較均勻[5,6]。

3 結(jié)語

1）本文依托天津濱海新區(qū)吹填軟基處理工程，探究了真空預(yù)壓期間“土柱”的形成原因：新近吹填土含水率高、孔隙比大、結(jié)構(gòu)強度低，在自重落淤過程中顆粒出現(xiàn)分選現(xiàn)象，表現(xiàn)為沿吹填土深度方向土顆粒直徑逐漸變粗，上層大多為細顆粒，并且孔隙較小，極易在抽真空初期迅速黏附于排水板濾膜上，堵塞以排水板為中心的水平排水通道，進而出現(xiàn)以排水板為中心，直徑為40～50 cm的“土柱”現(xiàn)象。

2）在常規(guī)淺層真空預(yù)壓地基處理基礎(chǔ)上改進工藝，提出了淺層真空預(yù)壓地基處理改進方案：長短板方案。此方案通過與常規(guī)方案在地表沉降、孔隙水壓力消散情況，卸載后原位十字板剪切試驗、鉆孔取土及室內(nèi)常規(guī)試驗等方面進行了對比，發(fā)現(xiàn)其加固效果明顯優(yōu)于常規(guī)方案，很好地緩解了“土柱”現(xiàn)象，土體加固較均勻，此方案值得在類似工程中推廣[7,8]。