新近吹填超軟土淺層處理技術(shù)的研究及應(yīng)用

王建華，宋建東，蒲 韜，丁小冬

（1.深圳市鹽田港集團有限公司，廣東 深圳 518081；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230；3.大連港灣工程有限公司，遼寧 大連 116000；4.天津大學(xué)渤海軟土地基處理技術(shù)聯(lián)合研究院，河北 061113）

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新近吹填超軟土淺層處理技術(shù)的研究及應(yīng)用

王建華1，宋建東2，蒲 韜3，丁小冬4

（1.深圳市鹽田港集團有限公司，廣東 深圳 518081；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230；3.大連港灣工程有限公司，遼寧 大連 116000；4.天津大學(xué)渤海軟土地基處理技術(shù)聯(lián)合研究院，河北 061113）

基于廣東惠州荃灣港區(qū)某新近吹填超軟土淺層處理項目，采用新型分離式直連真空預(yù)壓法對淺層地基進行處理，并用不同類型的排水板及間距進行對比試驗，結(jié)合各種監(jiān)測檢測成果，評價其加固效果并分析其中原因。

超軟土地基；淺層預(yù)處理；新型分離式直連真空預(yù)壓；硬殼層

引 言

近年來，隨著港口建設(shè)的快速發(fā)展，部分地區(qū)砂料缺乏，出現(xiàn)了大量采用港池和航道淤泥作為吹填料，經(jīng)水力吹填形成的陸域。新吹填的陸域含水率極高，表層浮泥可達到200 %，基本無強度和承載力。由于項目的建設(shè)工期緊，陸域吹填完后不允許長時間晾曬，為節(jié)約工期，目前采用的處理方法基本是先淺層真空預(yù)壓處理后深層處理，淺層真空預(yù)壓處理的成敗至關(guān)重要，關(guān)系到后期深層處理的順利進行，對工程的成本、工期和質(zhì)量都有較大影響。

目前淺層真空預(yù)壓處理在天津濱海新區(qū)及其他地區(qū)已進行了廣泛的應(yīng)用，但對于淺層真空預(yù)壓加固技術(shù)的研究目前仍處于探索階段。程萬釗等發(fā)現(xiàn)溫州某新近吹填淤泥場地真空預(yù)壓處理過程中，排水板周圍形成了10～20 cm的土柱，土柱的強度較高，而土柱間土體幾乎呈流動狀態(tài)，排水板淤堵較嚴重［1］。董志良等基于天津濱海新區(qū)淺層超軟土加固，研發(fā)了一種適用于天津濱海新區(qū)的超軟土加固技術(shù)，并對不同方案的加固效果進行了研究［2～3］。關(guān)云飛等基于新近吹填超軟土現(xiàn)場試驗研究了真空壓力傳遞、地表沉降和孔壓消散規(guī)律，并提出了土體強度增長和地基承載力的實用計算方法［4］。新近吹填超軟土處理過程中，目前較多采用土工布等土工材料作為排水墊層替代砂墊層，并將排水板綁在濾管上，插板過程中流動狀態(tài)的浮泥雖有底層編織布的隔離，但仍有淤泥冒出污染濾管和排水板。深層真空預(yù)壓時已有工程采用直排技術(shù)，夏玉斌等通過直排式真空預(yù)壓與常規(guī)真空預(yù)壓現(xiàn)場試驗的對比，分析了各項監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)，認為直排式真空預(yù)壓處理場地的各項物理力學(xué)指標均優(yōu)于常規(guī)真空預(yù)壓，且直排式真空預(yù)壓無須中粗砂墊層，節(jié)省了造價［5］。

新近吹填超軟土的淺層處理中目前未見有學(xué)者對直排式真空預(yù)壓技術(shù)進行研究，本文基于廣東惠州荃灣港區(qū)某新近吹填超軟土試驗區(qū)，采用新型分離式直連真空預(yù)壓法進行淺層處理，介紹其工藝流程及特點，并基于現(xiàn)場各項監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)，與已有學(xué)者的研究成果進行對比，同時計算該工藝的節(jié)能效益。

1 新型分離式直連真空預(yù)壓法技術(shù)

新型分離式直連真空預(yù)壓法與傳統(tǒng)真空預(yù)壓法相比，其特點主要體現(xiàn)在兩個方面：使用蝶形接頭的直排技術(shù)和采用新型高效節(jié)能真空設(shè)備。

1.1 使用蝶形接頭的直排技術(shù)

圖1　不同的排水板與排水管路連接方式

與傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)相比，其有替代砂墊層、減少真空度沿程損失和防止冒泥污染及淤堵的優(yōu)點。董志良等在新近吹填超軟土淺層加固時對傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)進行了改進，通過外裹無紡布將排水板頭與軟式透水濾管綁扎連接，在抽真空過程中，發(fā)現(xiàn)綁扎處出現(xiàn)較大程度的局部真空損失。此外，濾管由于沒有了砂墊層的保護，真空度較高時大量被壓癟，減小了真空度的傳遞速度和效率［6～7］。文中方法采用蝶形接頭直接連接排水板和鋼絲軟管，可避免上述兩種不利情況的發(fā)生，兩種不同連接方式的對比見圖1。

1.2 新型高效節(jié)能真空設(shè)備

主要包括電力設(shè)備、輸電設(shè)備、工作設(shè)備和管路4部分，其中工作設(shè)備為其核心部分，由集控室、水氣分離罐、大功率真空泵和冷卻循環(huán)水泵組成。

新型設(shè)備的工作原理是利用大功率真空泵改變水氣分離罐內(nèi)的氣體容量達到形成負壓的作用，通過可控的負壓調(diào)節(jié)將水氣分離罐所負責的加固區(qū)域形成穩(wěn)定的負壓差，負壓差將各級土體內(nèi)的水、氣混合物吸入水氣分離罐，最后將水和氣分別排出，達到加固土體的目的，具體的原理見圖2。

圖2　新型水汽分離真空設(shè)備原理

新型設(shè)備與傳統(tǒng)射流泵相比，具有如下優(yōu)點：根據(jù)負荷變化的自動調(diào)節(jié)功能，通過改變氣體容量代替利用循環(huán)水形成真空，節(jié)省了大量電能；真空設(shè)備布置結(jié)構(gòu)緊湊，可集中控制真空度，節(jié)省了人力和電纜的投入；電纜布置單一，提高了安全系數(shù)；水氣混合管、吸氣管及出水管上均有手動閥門，設(shè)備維護時可保證區(qū)內(nèi)壓力的穩(wěn)定；該設(shè)備可循環(huán)使用多次。

2 現(xiàn)場試驗結(jié)果分析

依托廣東惠州荃灣港區(qū)某地基處理項目，新近吹填淤泥厚度約6 m，淺層土體含水率范圍為80 % ～200 %，其中吹填口處土體土質(zhì)較好，含水率較低，含較多碎貝殼，其它區(qū)域土體呈流動狀態(tài)，基本無承載力和強度。所處理試驗區(qū)域的面積為75 509 m2，分為5個區(qū)，采用不同類型的排水板和間距，以為后期大面積處理選擇合適的排水板和間距，具體布置見圖3。

圖3　排水板布置分區(qū)

2.1 監(jiān)測檢測方案

為分析新工法對惠州地區(qū)新近吹填超軟土淺層處理的加固效果，地基處理過程中進行真空度、地表沉降和孔隙水壓力監(jiān)測，地基處理完后采用便攜式十字板進行十字板剪切試驗，具體的監(jiān)測檢測方案見圖4。

圖4　監(jiān)測檢測方案

2.2 監(jiān)測檢測成果分析

1）真空度

試驗區(qū)域從2015年7月10日開始抽真空，根據(jù)設(shè)計要求進行分級加載，第1周真空壓力控制在50 kPa左右，第2周真空壓力控制在70 kPa左右，第3周真空壓力提高到85 kPa以上。

2）地表沉降

各區(qū)的沉降標實測值取平均，其隨時間的變化見圖5。

圖5　地表沉降隨時間變化曲線

從圖5中可知，除B2區(qū)外，其他各區(qū)在抽真空 45天時沉降速率仍較大，基本呈線性狀態(tài)，未有收斂趨勢。B2區(qū)為吹填口區(qū)，C區(qū)為吹填口影響區(qū)，A區(qū)、B1區(qū)及D區(qū)為非吹填口影響區(qū)。對比分析各區(qū)的地表沉降，A區(qū)最大，B2區(qū)最小。結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況，A區(qū)最早進行插板，其次是B1區(qū)、B2區(qū)和C區(qū)，最后進行D區(qū)的插板，抽真空前A區(qū)與D區(qū)相比，約有10 cm的插板沉降，B1區(qū)與D區(qū)相比約有5 cm的插板沉降（根據(jù)第一層土工布和第二層土工布鋪設(shè)完成時的標高計算得到）?？紤]了插板沉降后，將A區(qū)、B1區(qū)與D區(qū)的地表沉降進行對比，見表1。

表1　地表沉降對比

由表1可知，在經(jīng)過相同時間的抽真空后，A區(qū)與B1區(qū)及D區(qū)相比地表沉降值較大，說明進口濾膜排水板的加固效果明顯優(yōu)于合資濾膜和普通國產(chǎn)濾膜。

3）孔壓消散規(guī)律

A區(qū)、B1區(qū)及D區(qū)的土質(zhì)條件相似，其孔壓消散隨時間的變化見圖6。

圖6　各區(qū)孔壓消散隨時間變化曲線

由圖6可知，各區(qū)不同深度處的孔壓均隨著抽真空的進行不斷消散，其中3 m深度處孔壓消散最大，4.5 m處次之，1.0 m處最小，分析原因是表層浮泥的細顆粒在抽真空后隨水向排水板周圍聚集形成“土柱”，包裹排水板，阻止真空度向土柱外土體的傳遞，而下部土層由于水力分選原因土顆粒較粗，真空度傳遞較好，利于孔隙水壓力的消散。

4）十字板剪切試驗成果

為分析新工法處理后地基土的強度增長情況，對各區(qū)進行十字板剪切試驗，使用便攜式十字板剪切儀，A區(qū)、B1區(qū)及D區(qū)的十字板剪切強度隨深度變化曲線見圖7。

圖7　加固后十字板剪切強度隨深度變化曲線

由圖7可知，加固后的土體表層強度增長明顯，由原來的流動狀態(tài)浮泥變化具有強度的淤泥，硬殼層厚度達到 40 cm，硬殼層的不排水剪切強度為3～12 kPa，0.5～1.5 m處土體強度仍較低，基本處于流動狀態(tài)，1.5 m以下土體由于水力分選顆粒較粗，孔壓消散快，處理效果好，土體強度有所增長。在后續(xù)的土墊層和砂墊層施工前，先鋪一層300 g/m2的土工布和一層三向土工格柵，土墊層施工時采用農(nóng)用車，可順利進行，新近吹填超軟土淺層處理完全滿足了設(shè)計的要求。

5）新型高效節(jié)能真空設(shè)備的經(jīng)濟效益分析

以本試驗區(qū)為例，面積為75 509 m2，布置一套抽真設(shè)備泵（55 kW）和8個水汽分離罐，每個罐內(nèi)有2個抽水泵（7.5 kW），按一個泵70 %的時間在抽水，總功率約為97 kW。如采用傳統(tǒng)射流泵，每1 000 m2布置1臺射流泵（7.5 kW），75 509 m2需布置75臺射流泵，總功率為560 kW，即使考慮到后期不用全部開泵，總能耗也遠高于新型高效節(jié)能真空設(shè)備。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，新型抽真空設(shè)備可節(jié)約能耗50 %左右。

3 結(jié) 論

基于廣東惠州荃灣港區(qū)某新近吹填超軟土淺層處理項目，采用新型分離式直連真空預(yù)壓法，結(jié)合監(jiān)測檢測成果的分析，得出如下結(jié)論：

1）采用蝶形接頭連接排水板和鋼絲軟管并固定，與其它學(xué)者提出的方法相比，可在排水板和排水管路連接處降低真空度損耗，提高真空度的傳遞效率，提升加固效果；

2）進口濾膜排水板所在區(qū)域的地表沉降明顯大于其它區(qū)域；

3）表層土體孔壓消散值與深層土體相比較小，主要是表層浮泥顆粒極細，在抽真空過程中隨水向排水板附近聚集形成“土柱”，阻礙真空度進一步向“土柱”四周土體傳遞；

4）試驗區(qū)經(jīng)淺層加固后表層土體強度明顯增大，硬殼層厚度達到40 cm，不排水剪切強度為3～12 kPa，完全能滿足后期的墊層施工要求；

5）采用新型高效節(jié)能真空設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的射流泵，可節(jié)約能耗50 %左右。

［1]程萬釗. 吹填淤泥真空預(yù)壓快速處理技術(shù)研究［D］. 南京: 南京水利科學(xué)研究院， 2010.

［2]董志良， 張功新， 周琦， 等. 天津濱海新區(qū)吹填造陸淺層超軟土加固技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2011， 30（5）: 1073-1080.

［3]董志良， 周琦， 張功新， 等. 天津濱海新區(qū)淺層超軟土加固技術(shù)現(xiàn)場對比試驗［J］. 巖土力學(xué)， 2012， 33（5）: 1306-1312.

［4]關(guān)云飛， 唐彤芝， 陳海軍， 等. 超軟地基真空預(yù)壓淺層加固現(xiàn)場試驗研究［J］. 巖土工程學(xué)報， 2011， 33（S）: 97-101.

［5]夏玉斌， 陳允進. 直排式真空預(yù)壓法加固軟土地基的試驗與研究［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報， 2010， 18（3）: 376-384.

［6]董志良， 張功新， 莫海鴻， 等. 超軟弱土淺表層快速加固方法及成套技術(shù). 中國: 200810026168. 4［P］. 2008.

［7]鮑樹峰， 莫海鴻， 董志良， 等. 新近吹填淤泥地基負壓傳遞特性及分布模式研究［J］. 巖土力學(xué)， 2014， 35（12）: 3569-3576.

Research of Reinforcement Technique Applying to Shallow Ultra-soft Soil Layer Reclaimed with Fresh Dredger-fill

Wang Jianhua1， Song Jiandong2， Pu Tao3， Ding Xiaodong4
（1.Yantian Port Group Co.， Ltd.， Shenzhen Guangdong 518081， China； 2.CCCC-FHDI Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510230， China； 3.Dalian Harbor Engineering Co.， Ltd， Dalian Liaoning 116000， China； 4.Tianjin University Joint Research Institute of Bohai Soft Ground Improvement Technology， Hebei 061113， China）

On the basis of shallow ultra-soft soil layer reclaimed with dredger-fill at Guangdong Huizhou Quanwan harbor， new separable direct vacuum preloading is applied in the reinforcement of shallow foundation. Different types of drain boards and corresponding spacing are tested and compared. In addition， the monitoring and testing results are used to evaluate the reinforcement effect and analyzing it.

ultra-soft soil foundation； shallow layer pretreatment； new separable direct vacuum preloading； crust layer； high efficiency and energy saving

TU472.3+3

A

1004-9592（2016）03-0091-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160323

2015-09-22

王建華（1978-），男，工程師，一級注冊建造師（市政公用工程專業(yè)及建筑工程專業(yè)），主要從事港口建設(shè)管理與技術(shù)研究工作。