新型真空預(yù)壓法在軟基處理工程中的應(yīng)用研究

李文勇，張曉杰，曹勝敏

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

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新型真空預(yù)壓法在軟基處理工程中的應(yīng)用研究

李文勇，張曉杰，曹勝敏

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

本試驗(yàn)性工程采用新型真空預(yù)壓法，將水平向排水通道設(shè)置為排水板與濾管的直接連接，以及增鋪地表排水板和三維土工格柵，從而縮短真空壓力傳遞路徑，提高能源利用率，以及節(jié)約成本，并達(dá)到地基處理的目的。通過對新型真空預(yù)壓法軟基處理的監(jiān)測與效果檢驗(yàn)，表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

新型真空預(yù)壓；固結(jié)度；孔隙水壓力；十字板抗剪強(qiáng)度

引 言

常規(guī)真空預(yù)壓法地基加固處理技術(shù)雖減少了中粗砂的使用，但其仍無法徹底擺脫對砂源的依賴，對外部資源要求較高，砂源緊缺，使工程成本大幅增加。而且粉細(xì)砂墊層在真空壓力傳遞過程中易產(chǎn)生較大的阻力，影響真空度的傳遞效率。新吹填形成的陸域地基大部分是人工吹填土，主要土層有淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，沉積歷史短，且層序雜亂，具有含水率高、孔隙比大、強(qiáng)度低、高壓縮性、透水性差的特點(diǎn)。若采用常規(guī)真空預(yù)壓法，其局限性和弊端愈發(fā)明顯。

新型真空預(yù)壓法換吹砂為鋪設(shè)水平向排水板和三維土工格柵，棄用砂料，工程造價(jià)相比進(jìn)一步降低，且施工速度快，工期短；垂直排水板與濾管緊密纏繞，可靠性高；三維土工格柵可重復(fù)利用，節(jié)約資源，環(huán)保效益高；施工過程中能量損失小。

1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及新型真空預(yù)壓的特點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

排水板間距 1.0 m，正方形布置，底高程-13.2 m，膜下真空度大于85 kPa，抽真空有效時(shí)間約90 d。卸載時(shí)要求按實(shí)測沉降曲線推算的固結(jié)度大于85 %。

1.2新型真空預(yù)壓的特點(diǎn)

1）抽真空方式

新型真空預(yù)壓法加載速度應(yīng)嚴(yán)格控制。在試抽氣階段，真空泵采用每次開啟總數(shù)量四分之一，且每兩天輪流交替，直至孔壓勻速消散。這樣可以避免濾管在負(fù)壓作用下壓扁破壞，導(dǎo)致后期無法正常排水。另外，對于海相沉積的土體或者吹填土，因其是在含水量極高或者是靜水中發(fā)育而成，固結(jié)程度相當(dāng)?shù)?，土體結(jié)構(gòu)多呈不穩(wěn)定狀，土體顆粒在真空壓力作用下，會向垂直排水板聚攏，使垂直排水板周圍很小范圍內(nèi)的土顆粒處于相當(dāng)密實(shí)的狀態(tài)，這樣也不利于排水。

2）表層土體加固效果改善

新型真空預(yù)壓法中，鋪設(shè)水平向排水板和三維土工格柵方案能使表層形成通暢的真空壓力傳遞空間和排水通道，縮短了表層土體排水距離，改變滲流路徑。表層土體固結(jié)模式由徑向固結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S固結(jié)，這對于改善表層土體的加固效果有很大的幫助。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及效果檢驗(yàn)

2.1 固結(jié)度分析

1）理論計(jì)算土層固結(jié)度

按規(guī)范要求［1，2］，取徑向固結(jié)系數(shù) Ch=1.15× 10-3cm2/s；受壓土層厚度20.2 m；排水板間距1.0 m，正方形布置；真空預(yù)壓荷載 90 kPa；排水板寬度100 mm，厚度4.0 mm；有效排水直徑113.0 cm，則當(dāng)量換算直徑為66.2 mm；井徑比取dw=dp，則n=17.1；參數(shù)2.099。

在不考慮涂抹和井阻影響下，豎井地基徑向排水平均固結(jié)度按照90 d的有效抽真空時(shí)間，理論計(jì)算土層徑向排水平均固結(jié)度為93.1 %。

2）實(shí)測土層固結(jié)度

利用實(shí)測沉降資料計(jì)算最終沉降量及固結(jié)度選用雙曲線法。公式如下：

式中：St為滿載t時(shí)間的實(shí)測沉降量（cm）；S0為滿載開始時(shí)的實(shí)測沉降量（cm）；S∞為最終沉降量（cm）；t為滿載預(yù)壓時(shí)間（s），從滿載時(shí)刻算起；為 t時(shí)間地基應(yīng)變固結(jié)度（%）；α、β為與地基及荷載有關(guān)的常數(shù)。

卸載前，地表沉降推算固結(jié)度結(jié)果見表1。

表1　地表沉降推算固結(jié)度

由表1可知土層平均固結(jié)度為96.8 %，與理論計(jì)算土層固結(jié)度較為吻合，并且大于設(shè)計(jì)要求的85 %，滿足試驗(yàn)方案提出的關(guān)于固結(jié)度的要求。

2.2 孔隙水壓力觀測

真空預(yù)壓法的作用原理是，在預(yù)壓加固的土層中形成負(fù)壓，使孔隙水壓力不斷消散，土體相應(yīng)的有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生固結(jié)，土體強(qiáng)度增長，從而達(dá)到改善土體性質(zhì)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制孔隙水壓力變化曲線圖及其消散值如圖1和表2所示。

圖1　預(yù)壓期間孔隙水壓力消散過程曲線

表2　孔隙水壓力消散值

從圖1中可見，孔隙水壓力在早期消散速度均較快，后期消散速度較均勻，這與新型真空預(yù)壓法對抽真空方式的調(diào)整有密切關(guān)系，即兼顧消散時(shí)長與消散速度，并且同早期地表沉降速率大，后期沉降速率均勻的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果相一致。另外，孔隙水壓力大幅度消散，意味著土體的有效應(yīng)力增加，土體強(qiáng)度提高。

2.3 效果檢驗(yàn)

真空預(yù)壓前后各布置十字板剪切試驗(yàn)孔1個(gè)、原狀取土孔1個(gè)。加固前后土體十字板抗剪強(qiáng)度對比見圖 2，預(yù)壓后十字板強(qiáng)度隨深度增長比率見圖3。

圖2　預(yù)壓前后十字板強(qiáng)度對比

圖3　預(yù)壓后十字板強(qiáng)度隨深度增長比率

通過圖表可見，預(yù)壓前后土體的抗剪強(qiáng)度得到了大幅度的增長，且表層土體的抗剪強(qiáng)度增幅較大，增幅達(dá)700 %～900 %，隨著深度增加，十字板強(qiáng)度增長比率逐漸降低，但增幅基本在80 %以上。這意味著新型真空預(yù)壓法在改善表層土體性質(zhì)有良好的效果。原狀孔取土室內(nèi)試驗(yàn)證明：地基處理深度范圍內(nèi)土質(zhì)均有不同程度改善，含水率、孔隙比、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)均有不同程度的減小，而抗剪強(qiáng)度（粘聚力值、內(nèi)摩擦角）均有一定幅度的增加。

綜合原狀取土孔、十字板試驗(yàn)孔等資料，確定真空預(yù)壓加固后各地基土層的承載力特征值均滿足設(shè)計(jì)要求，具體結(jié)果如下：

表層沖填土：f =95 kPa；

①2粘土：f =100 kPa；

②2粘土：f =120 kPa；

③1粉質(zhì)粘土：f =125 kPa。

3 結(jié) 語

1）通過對加固地基的監(jiān)測與效果檢驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

2）新型真空預(yù)壓法中增鋪水平向排水板和三維土工格柵不僅工藝上可行，而且在軟基加固效果方面也有巨大優(yōu)勢，具有承載力提高快，成本費(fèi)用低的特點(diǎn)。

2）針對該港區(qū)域地基薄弱，粉土、粉砂夾層較多的特點(diǎn)以及特有海岸地理環(huán)境特征，采用新型真空預(yù)壓法進(jìn)行軟基處理不僅積累了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也為今后該法在該地區(qū)進(jìn)行大面積的推廣、應(yīng)用積累了扎實(shí)、豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。

［1]JTJ147-1-2010 港口工程地基規(guī)范［S］.

［2]JTJ79-2012 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［3]地基處理手冊: 第二版［M］. 中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［4]李新召， 王桂松， 張曉杰. 直排式真空預(yù)壓法在軟基處理工程中的應(yīng)用［J］. 港工技術(shù)， 2014， 5: 68-71.

［5]孫治林， 牛恩宗. 黃驊港堆場軟基真空預(yù)壓效果及監(jiān)測［J］. 水運(yùn)工程， 2005， 4: 37-30.

Research on Application of New Vacuum Preloading Method in Soft Base Improvement Project

Li Wenyong，Zhang Xiaojie，Cao Shengmin
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

New vacuum preloading method is applied in this experimental project. The horizontal draining passage adopts the direct connection between drain boards and filters. Meanwhile， the surface drain boards and 3D geotechnical grids are added in order to shorten the transmission path of vacuum pressure， improve energy utilization， decrease cost and satisfy the requirement for foundation treatment. The monitoring work effect test are carried out for the soft base treatment by using new vacuum preloading method， which shows that all relevant indices meet the design requirements.

new vacuum preloading method； consolidation degree； pore water pressure； vane-shear strength

TU472.3+3

A

1004-9592（2016）03-0095-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160324

2015-12-16

李文勇（1982-），男，工程師，主要從事港口與巖土工程方面的檢測、監(jiān)測及勘察方面的工作。