增壓式真空預(yù)壓在連云港軟土地基處理中的應(yīng)用

林巖，李彪，諸葛愛軍

（1.連云港港口工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇連云港 222042；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，天津 300222）

增壓式真空預(yù)壓在連云港軟土地基處理中的應(yīng)用

林巖1，李彪2，諸葛愛軍2

（1.連云港港口工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇連云港 222042；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，天津 300222）

通過在對(duì)連云港地區(qū)軟地基處理中增壓式真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓應(yīng)用情況的對(duì)比試驗(yàn)，探討了增壓式真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓的區(qū)別。根據(jù)孔隙水壓力監(jiān)測及工后檢測結(jié)果，研究了增壓式真空預(yù)壓在增壓段內(nèi)的孔隙水壓力變化，并對(duì)兩種真空預(yù)壓方式的處理效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：增壓管在真空預(yù)壓過程中能夠傳遞真空壓力；在增壓過程中，高壓空氣從增壓管處向上進(jìn)入膜下，導(dǎo)致膜下和正常排水板處真空壓力降低，并沒有達(dá)到增壓的預(yù)期目的；兩種真空預(yù)壓方式對(duì)于地基的加固效果相當(dāng)；增壓式真空預(yù)壓的加固原理及施工方法還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

增壓式真空預(yù)壓；直排式真空預(yù)壓；孔隙水壓力；固結(jié)沉降；十字板剪切強(qiáng)度；孔隙比

0 引言

直排式真空預(yù)壓和增壓式真空預(yù)壓都是在常規(guī)真空預(yù)壓基礎(chǔ)上發(fā)展而來，和常規(guī)真空預(yù)壓相比，它們都具有真空利用率高、原材料省、工程造價(jià)低和對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)[1-3]。直排式真空預(yù)壓和增壓式真空預(yù)壓加固軟基的原理同常規(guī)真空預(yù)壓加固相同，只不過直排式真空預(yù)壓取消了常規(guī)真空預(yù)壓中的水平排水砂墊層，將軟基中的垂直塑料排水板和真空抽氣管直接連接，消除了真空壓力傳遞過程中的水平排水砂墊層中的能力損耗，提高了排水板內(nèi)的真空壓力和真空作用能效[3]，增壓式真空預(yù)壓在直排式真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上布置增壓系統(tǒng)，在抽真空后期適時(shí)增壓。增壓采用間歇式增壓，首先保持膜下真空度在80 kPa以上，然后逐步加正壓至200 kPa并2 h后停止增壓，改為正常抽真空模式，具體增壓壓力與持續(xù)時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整。軟土地基中的自由水在真空壓力作用下，向排水板移動(dòng)，孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，土體發(fā)生固結(jié)。但由于淤泥土的滲透系數(shù)很小，黏粒含量很高，導(dǎo)致真空預(yù)壓后期，加固效果不明顯[1-2]。增壓時(shí)，增壓管內(nèi)為正壓，排水板內(nèi)為負(fù)壓，自由水在增壓管和排水板之間的壓差作用下向排水板定向流動(dòng)，加速了自由水的排出速度，進(jìn)而使土體的有效應(yīng)力增加，加速土體固結(jié)[1-2]。

本文介紹增壓式真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓在連云港地區(qū)的應(yīng)用情況，研究了增壓式真空預(yù)壓在增壓段內(nèi)的孔隙水壓力變化，并對(duì)兩種真空預(yù)壓方式的處理效果進(jìn)行對(duì)比。

1 工程簡介

本工程位于連云港旗臺(tái)作業(yè)區(qū)，北側(cè)為30萬t航道（連云港區(qū)）及相應(yīng)碼頭泊位，南側(cè)為旗臺(tái)山與南防波堤。本項(xiàng)目的地基土為Q4后期沉積土和近期人工吹填土，主要土層有流泥、淤泥及粉質(zhì)黏土等。這種土由于沉積歷史較短，具有含水率高、壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性差的特點(diǎn)，同時(shí)地基土在自重作用下未達(dá)到完全固結(jié)，處于欠固結(jié)狀態(tài)。地基土層由上到下依次為：

①1流泥：近期人工吹填而成，灰色，高壓縮性，流塑。場區(qū)普遍分布。

①2淤泥：近期人工吹填而成，灰色，高壓縮性，軟塑。由人工吹填形成，主要以淤泥為主，部分加固區(qū)含有粉土夾層。

②淤泥：海相沉積土層，灰色～灰青色，高壓縮性，軟塑，場區(qū)普遍分布。

③粉質(zhì)黏土：海相沉積土層，灰褐色，中等壓縮性，硬塑。部分加固區(qū)為黏土。

由以上地質(zhì)情況可知，淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)較差，必須經(jīng)地基處理后才能滿足沉降和穩(wěn)定的要求。真空預(yù)壓是處理吹填土地基最常用的方法，鑒于常規(guī)真空預(yù)壓在連云港地區(qū)遇到的瓶頸，試驗(yàn)段優(yōu)先考慮直排式真空預(yù)壓和增壓式真空預(yù)壓進(jìn)行加固，為比較增壓式真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓在加固效果及經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)劣，以及為以后地基加固工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)立試驗(yàn)段進(jìn)行驗(yàn)證分析。增壓式真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。增壓式真空預(yù)壓工藝斷面布置圖見圖1。

表1 加固區(qū)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of reinforcement area

圖1 增壓式真空預(yù)壓工藝斷面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of section layout of the vacuum preload ing w ith air pressure boost

增壓式真空預(yù)壓施工工藝為：先在待處理區(qū)域鋪設(shè)1層150 g/m2編織土工布與1層竹笆，然后鋪設(shè)0.6 m風(fēng)化砂墊層，待鋪設(shè)完工后，插打防淤堵型塑料排水板（深度25 m），塑料排水板間距為0.8 m，正方形布置，插板完成開始打設(shè)增壓管（總長度為5 m，埋深大于2 m，與其相應(yīng)位置排水板搭接長度不小于3.0 m，排水板板頭反彎進(jìn)淤泥不少于1.5 m），待增壓管和排水板全部施工完畢后，再依次鋪設(shè)真空管（用四通手型接頭與排水板相接）與增壓管（與氣壓管相接）、1層150 g/m2編織土工布、1層200 g/m2高密度寬幅短絲針刺無紡?fù)凉げ寂c2層PVC密封膜，鋪設(shè)完成后開始抽真空。

直排式真空預(yù)壓方案施工工藝為：先在待處理區(qū)域鋪設(shè)1層150 g/m2編織土工布與1層竹笆，然后鋪設(shè)0.6 m風(fēng)化砂墊層，待鋪設(shè)完工后，插打防淤堵型塑料排水板（深度25 m），塑料排水板間距為0.8 m，正方形布置，插板完成半個(gè)月后，再依次鋪設(shè)真空管（用四通手型接頭與排水板相接）、1層150 g/m2編織土工布、1層200 g/m2高密度寬幅短絲針刺無紡?fù)凉げ寂c2層PVC密封膜，鋪設(shè)完成后開始抽真空。

2 增壓過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本工程1區(qū)（增壓式真空預(yù)壓區(qū)）鋪膜完成后15 d真空壓力達(dá)到85 kPa，在抽真空103 d后開始增壓，增壓壓力為800 kPa（空壓機(jī)處），18 d后增壓結(jié)束，增壓完成后繼續(xù)抽真空直至卸載。為了分析增壓過程中高壓空氣的去向和是否達(dá)到增壓的目的，特在增壓區(qū)中布置1個(gè)增壓監(jiān)測斷面，分別在增壓管、排水板和增壓管、排水中間土體內(nèi)延深度方向埋設(shè)孔隙水壓力測頭，具體埋設(shè)位置如圖2所示，觀測結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖2 增壓式真空預(yù)壓增壓監(jiān)測斷面布圖Fig.2 Pressure boost monitoring section layout of the vacuum preloading w ith air pressure boost

圖3 增壓管處真空壓力-時(shí)間曲線Fig.3 Vacuum pressure-time curve of the booster tube

圖4 排水板處真空壓力-時(shí)間曲線Fig.4 Vacuum pressure-time curve of the Plastic drain board

圖5 孔隙水壓力（S1）-時(shí)間曲線Fig.5 Curve of pore water pressu re(S1)-time

圖6 孔隙水壓力（S）-時(shí)間曲線Fig.6 Curve of pore water pressure(S)-time

由圖3和圖4可以看出，當(dāng)正常抽真空時(shí)，增壓管連接負(fù)壓源也可以將真空壓力傳遞到其相同位置的排水板內(nèi)，只是真空壓力在這個(gè)傳遞過程中較正常排水板損失大。

通過圖4和圖5可以看出正常抽真空時(shí)地表測頭的真空壓力（約為50 kPa左右）要比排水板內(nèi)的真空壓力低。其原因有二：一是由于在打板過程翻漿及打板后地下水隨排水板滲出，導(dǎo)致場地泥漿滿布，地表側(cè)頭處于泥漿中；二是由于增壓式真空預(yù)壓為直排式，膜下壓力要低于排水內(nèi)壓力。

由圖3～圖6可以看出，在增壓時(shí)，增壓管處排水板和正常排水板內(nèi)的真空壓力有很大變化（增壓管處排水板內(nèi)真空壓力降低了20 kPa左右，排水板內(nèi)真空壓力降低了40 kPa左右），并且地表的真空壓力也降低約15 kPa左右，但埋在土體中的孔隙水壓力并沒有變化且在增壓結(jié)束后也沒有明顯變化。

現(xiàn)假設(shè)兩種情況，一種是增壓過程中，高壓空氣沒有穿透土體，只是在土體側(cè)面形成正壓，增大排水板和增壓管之間的壓差，使土體中的自由水向排水板方向移動(dòng)，加速自由水的排出（如圖7中第一種情況所示），另一種情況是增壓過程中，高壓空氣穿透了土體，將自由水帶到排水板內(nèi)排出（如圖7中第二種情況所示）。如果增壓過程中正壓傳遞同第一種情況一樣，那么土體中的孔隙水壓力測頭會(huì)有先上升后下降的趨勢，而排水板內(nèi)的真空壓力不會(huì)變化；如果增壓過程中正壓傳遞同第二種情況一樣，那么土體中的孔隙水壓力測頭會(huì)出現(xiàn)先上升，增壓結(jié)束后孔隙水壓力測頭迅速下降的趨勢，排水板內(nèi)的真空壓力會(huì)迅速減小。但現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，在增壓時(shí)增壓管處排水板內(nèi)的真空壓力和正常排水板內(nèi)的真空壓力都迅速減小，土體內(nèi)的孔隙水壓力沒有上升或下降的變化，增壓結(jié)束后也沒有消散加快的趨勢，這表明正壓沒有像假設(shè)的一樣對(duì)土體固結(jié)排水起到作用，而是穿過增壓管上部土體進(jìn)入膜下，導(dǎo)致膜下和正常排水板處真空壓力降低。

圖7 增壓過程正壓傳遞示意圖Fig.7 Schematic diagram of positive pressure transfer in pressurization process

3 檢測數(shù)據(jù)分析

真空預(yù)壓加固前后分別在1區(qū)和2區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場十字板剪切試驗(yàn)和現(xiàn)場取土及室內(nèi)試驗(yàn)。

3.1 加固前后土的物理指標(biāo)的變化

加固后1區(qū)（增壓式真空預(yù)壓區(qū)）和2區(qū)（直排式真空預(yù)壓區(qū)）的土體含水率、孔隙比均有所降低。加固前后土的物理指標(biāo)有明顯變化，其變化情況如表2所示。

表2 加固前后土的物理性質(zhì)指標(biāo)變化統(tǒng)計(jì)Table 2 Index changes of physicalproper ties of soilbefore and after the reinforcement

通過表2可以看出，加固前含水率：1區(qū)（增壓式真空預(yù)壓區(qū)）為75.8%，2區(qū)（直排式真空預(yù)壓區(qū)）為74.5%；孔隙比：1區(qū)為2.082，2區(qū)為2.046。由此可見，加固前土性基本一樣，差別不大。加固后增壓式真空預(yù)壓區(qū)含水率降低了13.6%，孔隙比降低了0.337；傳統(tǒng)真空預(yù)壓區(qū)含水率降低了13.8%，孔隙比降低了0.346。

由以上對(duì)比可知，真空預(yù)壓結(jié)束后土的物理指標(biāo)均有很大改善，考慮土質(zhì)均勻性差別和檢測誤差，可以認(rèn)為在本工程中兩種真空預(yù)壓方式的加固效果大致相同。

3.2 加固前后十字板剪切強(qiáng)度的變化

加固前后十字板剪切強(qiáng)度均值見表3，加固前后十字板剪切強(qiáng)度如圖8所示。

表3 加固前后十字板剪切強(qiáng)度變化統(tǒng)計(jì)Table Changes of the cross p late shear strength before and after the reinforcement kPa

圖8 十字板剪切強(qiáng)度隨加固深度變化曲線Fig.8 Changing curve of the cross p late shear strength w ith the reinforcementdepth

通過表3和圖8可以看出加固后土體的抗剪強(qiáng)度均有所提高。1區(qū)十字板剪切強(qiáng)度均值為21.3 kPa，2區(qū)為22.0 kPa，加固前兩個(gè)區(qū)十字板剪切強(qiáng)度均值相差不大。加固后1區(qū)、2區(qū)、十字板剪切強(qiáng)度均值分別為36.0 kPa、37.1 kPa。由此可見增壓式真空預(yù)壓區(qū)和傳統(tǒng)直排真空預(yù)壓區(qū)加固前后十字板剪切強(qiáng)度增長量相當(dāng)。

4 結(jié)語

通過對(duì)增壓式真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓的現(xiàn)場對(duì)比試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1）增壓管在抽真空時(shí)能夠傳遞真空壓力，但真空壓力隨深度衰減較正常排水板處大；

2）本試驗(yàn)中，增壓式真空預(yù)壓在增壓過程中，高壓空氣從增壓管處向上進(jìn)入膜下，導(dǎo)致膜下和正常排水板處真空壓力降低，并沒有達(dá)到增壓的預(yù)期目的；

3）增壓式真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓對(duì)于地基的加固效果相當(dāng)；

4）增壓式真空預(yù)壓的加固原理及施工方法還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

[1]劉浩，余學(xué)鵬，崔俊杰，等.增壓防堵真空預(yù)壓加固吹填土對(duì)比試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58（1）：28-33. LIU Hao,YU Xue-peng,CUI Jun-jie,et al.Comparative experiment study on the strengthening of dredger fill using vacuum preloading method based on pressurization and anti-clogging technology[J].Railway Standard Design,2014,58(1):28-33.

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[3]夏玉斌，陳健，陳允進(jìn).直排式真空預(yù)壓軟基加固效果及經(jīng)濟(jì)性分析[J].水運(yùn)工程，2011（9）：224-229. XIA Yu-bin,CHEN Jian,CHEN Yun-jin.Effect and economic analysis of direct vacuum preloading method for consolidation of softground[J].Port&Waterway Engineering,2011(9):224-229.

[4]孫立強(qiáng)，閆澍旺，何洪娟，等.吹填土地基在真空預(yù)壓插板期間的沉降計(jì)算[J].水利學(xué)報(bào)，2010，41（5）：588-594. SUN Li-qiang,YAN Shu-wang,HE Hong-juan,et al.Calculation of vacuum preloading settlement for soft soil foundation during PVDs installation[J].Journal of Hydraulic Engineering,2010,41 (5):588-594.

[5]JTS 147-1—2010，港口工程地基規(guī)范[S]. JTS 147-1—2010,Code for soil foundations of port engineering [S].

App lication of air-boosted vacuum preloading on soft soil foundation treatment in Lianyungang

LIN Yan1,LIBiao2,ZHUGE Ai-jun2
（1.Lianyungang Port Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222042,China;2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory ofPort Geotechnical Engineering,Ministry ofCommunication,Key Laboratory of Geotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin Harbor Engineering Quality Testing Center Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Through the contrast test of the vacuum preloading with air pressure boost and the direct vacuum preloading in the soft ground treatment in Lianyungang area,we discussed the difference between the two methods.According to the pore water pressure monitoring and test results after work,we studied the change of pore water pressure of the vacuum preloading with air pressure boost,and compared the treatment effectof the two kinds of vacuum preloading method.The results show that:booster tube in the process of vacuum preloading can transfer vacuum pressure;during the pressurization process,the high pressure air from the booster tube enters the vacuum system,leading to the reduction of the vacuum pressure of the vacuum system and the expected goal of the air pressure boost is notachieved;the two kinds of vacuum preloading method for the consolidation effect of the foundation is quite;the reinforcement principle and construction method of the vacuum preloading with air pressure boost stillneeds further research and improvement.

vacuum preloading with air pressure boost;direct vacuum preloading method;pore water pressure;consolidation settlement;vane shear strength;void ratio

U655.544.4；TU472.33

A

2095-7874（2016）11-0046-06

10.7640/zggw js201611011

2016-06-13

2016-08-26

林巖（1982— ），男，河北石家莊人，碩士，工程師，主要從事巖土工程地基處理等方面的工作。E-mail：19820411linyan@163.com