直抽式無砂法真空預壓試驗研究

高雷，陳舉，張帆，尹自強

（1.天津大學，天津 300072；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222）

目前國內的真空預壓普遍采用鋪設黑砂作為工作墊層，隨著黑砂的大量過度開采，使得砂儲量越來越少，同時也帶來了對海洋的嚴重污染，為解決這兩大難題，進行直抽式無砂法真空預壓試驗研究。

1 試驗內容

試驗研究主要依托天津港東疆港區(qū)，通過現場試驗進行研究，在天津港東疆港區(qū)進行一項示范工程，對東疆港區(qū)吹填土地基的工程性質、加固機理，施工工藝、加固效果、經濟性等進行研究，開發(fā)出一套適合用于大面積吹填土地基的無砂墊層新型真空預壓技術——直抽式無砂墊層真空預壓加固新工藝。

2 試驗設計與主要參數確定

場地采用無砂墊層直抽式真空預壓方案，以濾管作為水平排水通道，塑料排水板作為豎向排水通道。排水板間距80 cm，正方形布置，打設底標高-14.5 m。排水板外露長度0.2 m；在每排排水板位置挖濾管溝，溝深30～50 cm，底寬大于15 cm；在溝內鋪設濾管，排水板纏繞濾管1圈半，用自拉鎖固定，同時用土工布纏繞接頭部位；人工填埋濾管溝；一次性在加固區(qū)鋪設2層密封膜，安裝抽真空設備，加載抽氣。工藝斷面見圖1，排水板濾管連接見圖2、圖3。

圖1 工藝斷面Fig.1 Processsection

圖2 排水板在壓膜溝內示意圖Fig.2 Sketch of drainageboard in film trench

圖3 排水板與濾管正面圖Fig.3 Front view of drainage board and tube

3 試驗區(qū)加固效果檢驗與分析

3.1 孔隙水壓力監(jiān)測分析

加固過程中土體孔隙水壓力不斷下降，表明孔隙水不斷排出，土體有效應力不斷增長，物理力學指標不斷得到改善。但在加固的初始階段，孔壓測頭位置為粉土或粉質黏土的孔隙水壓力下降速度明顯大于測頭位置為淤泥、淤泥質土的孔隙水壓力，例如部分位置存在粉質黏土、或粉土夾層加固初期孔壓消散較快；測頭位置為淤泥，加固初始階段土體尚處于黏性變形階段，并沒有形成有效的土骨架，因此有效應力增長緩慢，孔壓消散亦比較慢[1]。

3.2 沉降監(jiān)測分析

試驗區(qū)平均沉降曲線見圖4，進行雙曲線擬合，結果見圖5，推算試驗區(qū)最終沉降量為2 128 mm，已完成沉降量為1 828 mm，其中插板期沉降量為608 mm，卸載時沉降速率為1.4 mm/d，加固后固結度為85.1%[1-3]。

圖5 試驗區(qū)雙曲線擬合直線Fig.5 Hyperbolic fitting line of experimental area

3.3 加固前后土性指標對比

為了更好的顯示試驗區(qū)加固前后主要物理指標[4]的變化，對不同土層加固前后含水率、濕密度、孔隙比等平均值進行對比，見表1。

表1 試驗區(qū)加固前后不同土層物理性質指標變化統(tǒng)計Table 1 Index changesof physical properties of different soil layersbefore and after the reinforcement of experimental area

試驗區(qū)加固后土層1-1平均含水率降低23.2%，濕密度增加6.6%，土層1-2平均含水率降低14.1%，濕密度增加3.7%；土層2-1含水率降低17.5%，濕密度增加5.1%；土層2-2含水率降低14.3%，濕密度增加3.7%；土層2-3含水率降低10.8%，濕密度增長0.9%。

從表1中可以看出，加固前后主要加固土層2-2以上的土質物理指標得到較大的改善。

3.4 試驗區(qū)十字板強度檢測

試驗區(qū)加固前整個深度十字板平均強度值為15.6 kPa，加固后平均強度值為29.3 kPa，增長幅度達到88.3%。加固前、加固后試驗區(qū)十字板剪切強度隨深度變化曲線見圖6[5]。

圖6 試驗區(qū)十字板剪切強度隨加固深度變化曲線Fig.6 Changing curveof the cross plate shear strength in theexperimental area with the reinforcement depth

4 與傳統(tǒng)真空預壓技術對比

某工程和試驗區(qū)相臨，加固前土質相似，地基處理總面積為166 671.9 m2，共分為6個加固區(qū)，全部采用真空預壓處理方式。加固區(qū)表層吹填0.6 m厚的粉細砂，又鋪設0.3 m厚中粗砂，塑料排水板打設情況同試驗區(qū)一致。

1）加固施工工藝對比

試驗區(qū)附近某項目采用傳統(tǒng)真空預壓工藝，試驗區(qū)采用直抽式無砂法真空預壓工藝。

2） 荷載對比

某傳統(tǒng)項目地基處理工程采用傳統(tǒng)真空預壓工藝，在加固區(qū)表層吹填0.6 m粉細砂，0.3 m黃砂。試驗區(qū)采用無砂真空預壓工藝，沒有鋪設砂墊層。兩者在加固過程中所受荷載不同，某項目除85 kPa的真空負壓外，比試驗區(qū)增加外荷載相差15 kPa左右。

3）排水板間距對比

某項目排水板間距0.8 m，試驗區(qū)排水板間距0.8 m，排水板間距及打設深度均相同。

4）抽氣時間及卸載標準

傳統(tǒng)工藝的滿載抽氣時間為不少于90 d，而試驗區(qū)由于缺少砂荷載預壓，抽真空有效時間增加為100 d（滿負荷抽氣）。

傳統(tǒng)工藝與試驗區(qū)的卸載標準均為：固結度≥85%（按沉降量曲線計算），且連續(xù)5 d的平均沉降速率不大于3.0 mm/d。

5）加固前后土性指標對比

傳統(tǒng)區(qū)與試驗區(qū)加固前后的力學指標對比見表2所示。從土質物理力學指標分析，試驗區(qū)與傳統(tǒng)區(qū)域指標變化相近，加固效果和某項目相當[1]。

表2 傳統(tǒng)區(qū)與試驗區(qū)主要物理力學指標對比Table 2 Comparison of the main physical and mechanical indexes of the conventional zone and the experimental area

6）加固前后十字板強度對比

根據加固前某項目的原位十字板檢測報告，加固前-10 m標高以上范圍，土體平均十字板強度為11.3 kPa；試驗區(qū)加固前-10 m標高以上范圍土體平均十字板強度為11.5 kPa；加固前十字板強度基本近似，試驗區(qū)表層略好。

根據加固后某項目的原位十字板檢測報告，加固后-10 m標高以上范圍，土體平均十字板強度為24.4 kPa；試驗區(qū)加固后-10 m標高以上范圍內土體平均十字板強度為27.7 kPa；某項目和試驗區(qū)十字板強度對比見圖7。

從十字板強度分析，試驗區(qū)加固效果與某項目相當。

7） 工程造價分析

在大面積施工條件下，直抽式無砂法真空預壓工藝工程造價為132元/m2，傳統(tǒng)真空預壓工藝170元/m2，由于試驗區(qū)未鋪設粉細砂及黃砂，所以采用直抽式無砂法真空預壓工藝能節(jié)約造價38元/m2，每平米節(jié)約成本22.4%。

5 應用前景

直抽式無砂法真空預壓工藝包括淺層加固和深層加固兩個部分，當只進行吹填土淺層加固時可以單獨采用淺層工藝，把排水板綁扎在濾管上，人工打設排水板的同時把濾管壓入泥下30～50 cm，一次性鋪設兩層密封膜。當地基表層吹填土強度很低，采用二次加固，淺層加固和深層加固相結合，利用淺層加固在地基表層形成可以行走打板機械的硬殼層，卸載后進行深層直抽式無砂法真空預壓。該工藝減少了吹填土晾曬時間，有效縮短加固工期；工藝簡單，施工人員掌握容易，施工質量控制容易；在施工過程中不使用粉細砂和中粗砂等自然資源，避免了砂資源的亂采亂挖，符合環(huán)保和節(jié)約的社會理念；工程造價相對較低，社會效益和經濟效益顯著，具有廣泛的應用前景。

6 結語

通過大量的現場試驗和室內試驗分析，對試驗方案進行了細致研究，總結如下：

1）提出并驗證了直抽式無砂法真空預壓工藝在施工中不使用粉細砂和中粗砂，加固效果與傳統(tǒng)工藝相當，減少了施工工藝，節(jié)省砂源從而降低了工程成本，也避免了砂資源的亂采亂挖，符合環(huán)保的社會理念。

2）某項目加固前后與試驗區(qū)加固前后土性的物理力學指標及十字板變化幅度相近，均滿足設計要求，試驗區(qū)無砂法真空預壓工藝與傳統(tǒng)真空預壓工藝加固效果相當。

3）直抽式無砂法真空預壓工藝適合淺層、深層、或者二次加固，工藝簡單，施工人員容易掌握，施工質量容易控制，經濟環(huán)保，具有廣泛的推廣價值。