淺表層吹填土真空預(yù)壓技術(shù)的室內(nèi)模擬研究

李　濤，胡曉陽，陳　達，蔡廣杰，張濟棉，孟　鑫，高　健

(浙江水利水電學(xué)院，浙江　杭州　310018)

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淺表層吹填土真空預(yù)壓技術(shù)的室內(nèi)模擬研究

李濤，胡曉陽，陳達，蔡廣杰，張濟棉，孟鑫，高健

(浙江水利水電學(xué)院，浙江杭州310018)

摘要：針對淺表層吹填土的真空預(yù)壓技術(shù)，從模型試驗的角度針對排水板的不同布置形式進行了試驗研究。通過模型試驗與土體表面沉降、真空度測量，認(rèn)為真空度隨排水板沿深度的消散和在土體內(nèi)部傳遞的消散不可忽略，在這些區(qū)域中，驅(qū)動土體固結(jié)發(fā)展的可能不是真空度的傳遞，而是土中水的緩慢滲流。最大排水距離應(yīng)該是衡量不同排水板布置效果的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：真空預(yù)壓技術(shù)(VPT)；室內(nèi)模型模擬；淺表層吹填土；吹填淤泥

1問題的提出

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人類對土地的需求量越來越大，世界各地的圍海造陸工程也日益增多。圍海造陸是緩解沿海地區(qū)人多地少，有限的土地資源不足以滿足發(fā)展居住、綠化、交通、工業(yè)、商業(yè)等建設(shè)需要的矛盾的重要途徑。近年來，國內(nèi)沿海發(fā)達地區(qū)掀起了一股圍海造陸的熱潮，特別在港口建設(shè)方面普遍采取填海造陸，盡量不占用現(xiàn)有土地，利用水力吹填工藝把海底淤泥質(zhì)土吹上來形成陸域，再對填海造陸工程大面積軟弱淤泥進行排水固結(jié)處理。

經(jīng)新吹填形成的陸域其地基土體大部分是淤泥及淤泥質(zhì)黏土，成流塑狀態(tài)，具有很高的含水率和極低的強度，通常需要較長時間的晾曬、風(fēng)干并配以必要的工程措施才能讓施工機具和人員進場，再采用真空預(yù)壓法進行軟基加固，進一步提高地基承載力，滿足場地的使用要求。從目前工程建設(shè)形勢看，無砂墊層的真空預(yù)壓法淺層加固軟土地基有很寬廣的應(yīng)用前景。一方面，采取先淺層后深層的二次軟基加固處理方法，盡快將超軟土(泥漿)改變?yōu)楣こ逃猛粒瑥亩岣呤┕ば?、?jié)省工期、降低成本；另一方面，依據(jù)設(shè)計人員以往在工民建結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量利用地表硬殼層依規(guī)范進行設(shè)計的原則，重視硬殼層的作用，將淺層加固后的地基視為上覆硬殼層的雙層地基[1-2]。

目前關(guān)于淺表層吹填土真空預(yù)壓技術(shù)的研究主要集中在現(xiàn)場試驗和實施方法[3-6]以及理論模型的建立和微觀分析[7-9]，關(guān)于室內(nèi)試驗的研究還不多，鮑樹峰等[10]和史燕南等[11]關(guān)于真空淺表層土預(yù)壓的室內(nèi)研究著重分析的是固化劑材料的效果。關(guān)于淺表層排水板，特別是排水板布置形式模擬的模型試驗研究開展得很少。本文擬從模型試驗?zāi)M的角度開展室內(nèi)試驗的設(shè)計和研究。

2模型試驗設(shè)計

采用模型試驗的方式對淺表層吹填土的真空預(yù)壓處理技術(shù)進行模擬，以往室內(nèi)模擬中一般都選取單井節(jié)點單元進行模擬，如鮑樹峰[10]等采用直徑150 mm(內(nèi)徑40 mm)高度1 000 mm的鋼圓筒方式模擬真空加載的一個點位，史燕南等[11]采用的是直接制作三聯(lián)試模。這樣的試驗裝置由于直接在整個裝置中均勻加載真空壓力，所以無法反映真空度在排水板中的消散和排水板相互之間影響的效應(yīng)。

本文所敘述的模型試驗重點放在對于多點位排水板的模擬上。因此試驗土所安置的模型箱采用3 mm厚鐵板焊接而成的未封口長方體容器(見圖1)，模型箱尺寸：L=60 cm，W=60 cm，H=80 cm。為了對比排水板布置形式不同而產(chǎn)生的效果，本次試驗將2種布置形式的對比試驗同時進行。

試驗中所采用的豎向排水材料為符合現(xiàn)行規(guī)范的B型塑料排水板(加工后寬度為2.5 cm，厚度為4.0 mm)；排水板連接管采用直徑2 cm的PVC管，密封材料為2層0.12～0.14 mm的密封膜。

在試驗中采用1∶4的縮比例尺模型，一般目前工程中常用的排水板布置方式為間距80 cm的正方形。因此本試驗采取20 cm間距正方形布置形式和最大排水距離等效的等腰三角型布置形式(見圖2)。

另外，真空過程中水氣分離和真空度保持，需要在真空泵和模型箱中間設(shè)置氣水分離的排水桶和保持真空的壓力平衡桶，整個試驗裝置布置形式見圖3。

試驗中選取旋片式真空泵，極限真空>0.09 MPa。排水桶與壓力平衡桶采用全密封的鐵桶；排水桶頂蓋和側(cè)壁底端各焊接2個接管接口和1個排水閥門；壓力平衡桶頂蓋焊接3個接管接口和1個真空測量閥門。

為了在真空試驗過程中觀測真空度、沉降等數(shù)據(jù)，在2個模型箱密封膜下各布置真空表1個、膜下10 cm土體內(nèi)各布置真空表1個，壓力平衡桶安置真空表1個，另外安置土體的沉降觀測專用尺子和鉛錘等。

3試驗實施及數(shù)據(jù)

為了有針對性地對比上述2種排水板布置方案的加固效果，分別從試驗土樣表面沉降的變化過程和真空表的觀測數(shù)據(jù)進行分析。

3.1試驗土樣表面沉降數(shù)據(jù)

2種排水板布置方案土樣加固過程中的表面沉降大小見圖4～5。由于存在真空膜鋪設(shè)無法完全貼合、模型箱縮比例尺寸后邊緣的影響等材料儀器布置問題，真空泵啟動時瞬間沉降比較大(試驗中觀測值在5～10 cm)，由于很難區(qū)分瞬間沉降和材料儀器布置影響的區(qū)別，因此去除了真空泵開泵最初10 min內(nèi)的沉降數(shù)據(jù)。

從圖4～5可以看出，2種布置形式實際上對于吹填土的壓縮效果是比較接近的，也就是說在采用最大排水距離等效的情況下，正方形布置形式和等腰三角形布置形式最終真空預(yù)壓處理的效果是相近的。

3.2真空表數(shù)據(jù)

在試驗裝置中安置了5個真空表，2個模型箱密封膜下各布置真空表1個，膜下10 cm土體內(nèi)安置真空表1個，壓力平衡桶安置真空表1個，具體數(shù)據(jù)見圖6。

從圖6可見，在模型試驗中，真空度發(fā)展非常迅速，在試驗開始很短時間內(nèi)真空度趨向穩(wěn)定。壓力平衡筒、2種排水板布置的膜下PVC抽真空管內(nèi)的真空度基本穩(wěn)定在真空泵的壓力0.9 MPa左右，在試驗前期緩慢增加，中后期慢慢下降。

而2種排水板布置的膜下土體內(nèi)的真空度增加很少，只能達到真空泵的1/10左右，說明在排水板周邊的吹填土中真空度消散非常快速；在試驗?zāi)┢诖堤钔林姓婵斩确炊徛黾樱赡苁怯捎谕馏w固結(jié)穩(wěn)定后孔隙有所發(fā)展所致。

3.3土性指標(biāo)數(shù)據(jù)

試驗土樣為溫州市龍灣二期圍墾工程二標(biāo)吹填試驗區(qū)。土粒比重為2.75，液限為48.92%，塑限為25.49%，試驗前后土樣指標(biāo)參數(shù)見表1。

從含水率、濕密度和孔隙比試驗前后數(shù)據(jù)來看，基本符合工程實際情況，說明模型試驗設(shè)計和實施都比較合理。

4結(jié)論

(1)采用模型試驗?zāi)M淺表層吹填土的真空預(yù)壓處理技術(shù)中，真空度隨排水板沿深度的消散和在土體內(nèi)部傳遞中的消散不可忽略。在這些區(qū)域，驅(qū)動土體固結(jié)發(fā)展的可能并不是真空度的傳遞，而是土中水的緩慢滲流。

(2)最大排水距離應(yīng)該是衡量不同排水板布置方式效果的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在不同排水板布置形式中，如果最大排水距離是等效的，在土體表面沉降和真空度的效應(yīng)上基本近似。

(3)在淺表層吹填土真空預(yù)壓處理技術(shù)的室內(nèi)模擬中，關(guān)于模型比例參數(shù)、試驗時間和選取儀器材料布置影響的問題還有待進一步深入研究，以便于更接近地模擬真實工程情況。

參考文獻：

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(責(zé)任編輯郎忘憂)

Laboratory Simulation Study on Vacuum Preloading Technology of Shallow Surface Dredger Fill

LI Tao,HU Xiao-yang, CHEN Da, CAI Guang-jie, ZHANG Ji-mian, MENG Xin, GAO Jian

(Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, Zhejiang, China)

Key words:vacuum preloading technology; indoor model simulation; shallow surface dredger fill; reclamation silt

Abstract:For the vacuum preloading technology of shallow surface dredger fill, from the perspective of simulation model test, different arrangement forms of drainage board were studied. Through the implementation of model test and the measurement of soil surface subsidence and vacuum degree, it was argued that the vacuum degree dissipation along with drainage board in depth and soil internal transfer cannot be ignored in fact. In these area, soil consolidation development may not be caused by the vacuum degree transfer, but the slow seepage of soil water. However, the maximum drainage distance should be the key data to measure the effect of different drainage board arrangement.

收稿日期：2016-01-29

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201511481004)；水利公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201401010)。

作者簡介：李濤(1977-)，男，副教授，博士，主要研究巖土數(shù)值計算及工程安全監(jiān)測。Email：litao@zjweu.edu.cn

中圖分類號：TV411

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-701X(2016)02-0005-03

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.002