濱海填埋場增壓式真空預壓法軟基處理研究

馬永政，盛初根，蔡可鍵，王開太，宋小文

（1.寧波工程學院，建筑與交通工程學院，浙江 寧波 315016；2.寧波市交通規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315192）

濱海填埋場增壓式真空預壓法軟基處理研究

馬永政1，盛初根2，蔡可鍵1，王開太2，宋小文2

（1.寧波工程學院，建筑與交通工程學院，浙江 寧波 315016；2.寧波市交通規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315192）

依托寧波濱海工業(yè)固廢填埋場工程，研究采用增壓式防堵真空預壓法對濱海圍填灘涂地區(qū)進行軟基處理。針對該工程為大面積塊狀場地，且周邊有高壓電線塔需要保護等特點，采用了水泥土攪拌樁圍護場地基坑，且對高壓電線塔塔基采用鉆孔灌注樁加固保護處理，對地基處理全過程進行了有效跟蹤監(jiān)測，包括地基沉降位移、孔隙水壓力與水位、膜內(nèi)真空度等變化情況，以及對周圍電線高塔等環(huán)境物進行位移監(jiān)測。結(jié)果表明在進行適當保護處理后，高塔受大面積軟基處理影響小。工后檢測表明處理后軟基的平均固結(jié)度、地基承載力達到設計要求。

增壓式真空預壓；軟基處理；水泥土攪拌樁；監(jiān)測；高壓電線塔

0 引言

我國沿海地區(qū)軟土地層深厚，具有壓縮性高、滲透性差、固結(jié)慢等特點，地基處理困難，特別是濱海圍填灘涂地區(qū)軟基處理問題值得研究關(guān)注。

軟基處理一般可采用堆載預壓法、真空預壓法以及聯(lián)合法等[1]。盡管傳統(tǒng)真空預壓法可使得地基承載力大幅提高，具有良好的經(jīng)濟性，但仍存在容易淤堵、真空作用能效不高，以及后期沉降等問題。于是人們開始重視相關(guān)技術(shù)工藝的研究，如：通過試驗分析塑料排水板（PVD）濾膜淤堵機理以及研究防淤堵工藝[2-3]；在常規(guī)方法基礎(chǔ)上研究密閉式真空預壓技術(shù)，即直排式真空預壓法，以提高排水板內(nèi)真空壓力和真空作用能效，如王軍等[4]研究改進型直排式真空預壓法。目前新型的增壓式防淤堵真空預壓技術(shù)，則是通過在PVD圍成的平面格柵中央插入增壓管，利用增壓泵進行間歇式增壓形成增壓管的正壓力，與PVD內(nèi)負壓形成壓力差，可增加排水固結(jié)效果，具有真空利用率較常規(guī)方法高、更加防淤堵、節(jié)省原材料、降低工程造價等優(yōu)點，相關(guān)研究如：沈宇鵬等[5]通過對比表明了增壓法比常規(guī)法軟基處理效果更明顯；丁海龍等[6]依托工程評估了增壓法地基處理的良好效果；劉浩等[7]通過試驗段工程對比了增壓式真空預壓法與直排式方法的處理效果，表明增壓式軟基處理效果比直排式方法更好。

顯然，濱海圍填灘涂軟土層地質(zhì)條件差，適合用改進型真空預壓法，如增壓式防淤堵方法，來進行軟基處理。但上述相關(guān)研究一般針對軟基處理效果本身，對于周邊環(huán)境影響，特別是對有一定高度的環(huán)境物體影響評估與應采取的保護措施缺少研究關(guān)注。本文依托寧波鎮(zhèn)海石化區(qū)某圍填灘涂垃圾填埋場工程，研究應用增壓式防堵真空預壓法進行軟基處理。由于周邊有高壓電線塔，還需要對塔基采取合理保護措施。本文結(jié)合施工監(jiān)測以及工后檢測分析，綜合評估軟基處理效果、對電線塔等的影響以及相應保護措施的有效性。

1 工程概況

1.1 基本概況

所依托工程項目位于寧波石化區(qū)嵐山片區(qū)，總用地面積11 hm2（163.5畝），有效庫容74.76× 104m3，庫底最大壓力約90 kPa。區(qū)域周邊共4座高壓電線塔，塔高35 m，塔腳四周原為水泥土攪拌樁圍護。場地施工前狀況如圖1所示。

圖1 場地施工前現(xiàn)況Fig.1 The site status before foundation treatment

1.2 工程地質(zhì)

本工程地層由上至下依次為：①素填土、雜填土層，厚度3.0~8.0 m；②1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（mQ42），流塑，厚度3.7 m；②2層：粉土（al+mQ41），厚度6.0 m；②3層淤泥質(zhì)黏土（mQ41），流塑，厚度10.6 m；③層粉砂（al+mQ41），中密，飽和，厚度3.3 m；④層粉質(zhì)黏土（mQ41），流塑，飽和，厚度3.1 m；⑤1層粉質(zhì)黏土（al+lQ32），可塑；⑤2層粉砂（al+mQ32），中密，飽和。

主要地層的物理力學指標如下：第②1層，天然含水量41%，液限36.2%，塑限20.3%，地基承載力50 kPa；第②2層，天然含水量26%，液限27.3%，塑限17.6%，地基承載力120 kPa；第②3層，天然含水量47.9%，液限40.6%，塑限21.7%，地基承載力60 kPa；第③層，地基承載力150 kPa；第④層，天然含水量33.1%，液限30.4%，塑限18.7%，地基承載力70 kPa。

2 增壓式真空預壓法設計與施工

2.1 增壓式真空預壓法簡介

常規(guī)真空預壓法是采用真空管網(wǎng)連接防淤堵排水板，通過抽真空形成一定負壓（以真空度標量），使得地層中的水通過排水板濾出。增壓式真空預壓法是在排水板之間額外插入增壓管，通過增壓泵輸送方式間隙式增壓。增壓式真空預壓法縱向布置如圖2所示，其中主要包括：塑料排水板、手型接頭、真空管網(wǎng)；增壓管以及增壓管網(wǎng)?？梢钥闯觯捎诔檎婵招纬韶搲阂约霸鰤罕谜蛟鰤旱穆?lián)合作用，塑料排水板和增壓管之間會產(chǎn)生壓力差，可增強土層固結(jié)排水效果。

圖2 增壓式真空預壓法縱向示意圖Fig.2 The vertical sectional profile of air-boosted vacuum preloading

2.2 設計施工說明

將場地分為A~E五個區(qū)，開挖3 m深的基坑，并在周圍施工2排直徑φ80 cm、深度10 m左右的水泥攪拌樁進行圍護?？紤]到基坑開挖以及坑底地基處理對四周鐵塔塔基穩(wěn)定性的影響，進行塔基加固處理，即主要通過設置4根長度為30 m的鉆孔灌注樁，并在上部設置圈梁維護。地基處理設計指標主要包括：真空預壓加固范圍內(nèi)平均固結(jié)度達到90%以上；經(jīng)過碾壓處理后交工面地基承載力要求不小于90 kPa。

采用防淤堵型塑料排水板，平面上按正方形布置，間距1.2 m，深度13~15 m，形成排水豎井。塑料排水板上端高出地表面0.6 m。增壓管插置于4個小正方形中心位置，間距3.6 m。鋪設真空管，連接排水板。四周開挖密封溝，鋪設土工布、密封膜設置覆水圍埝，進行漏氣檢查。對沉降后形成的陷坑進行回填并壓實至交工面標高。真空預壓時間為90 d左右。

3 監(jiān)測方案與結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測基本情況

包括地基處理施工過程監(jiān)測以及電線塔等環(huán)境物的保護性監(jiān)測。

1）施工監(jiān)測

監(jiān)測內(nèi)容包括：表層沉降與水平位移監(jiān)測、膜下真空度、增壓管內(nèi)的正壓值、孔隙水壓力、地下水位監(jiān)測等，分別介紹如下：

表層沉降與水平位移監(jiān)測時，地面沉降觀測點布置為5 000 m2/點，且每個區(qū)布設6個點。抽真空初期24 h觀測1次，預壓滿1個月后48 h觀測1次；水平位移監(jiān)測時每個區(qū)布設4個測點，其他同上。真空度監(jiān)測包括膜內(nèi)真空度、垂直排水體內(nèi)真空度和土體真空度，膜下觀測點布置為10 000 m2/點，且每區(qū)不少于4個點?？紫端畨毫εc地下水位監(jiān)測時，每個區(qū)布設4個孔隙水壓力監(jiān)測點，共20個點，采用國產(chǎn)XS-186振弦式孔隙水壓力計，每周讀數(shù)1次；地下水位測點沿水泥土帷幕外側(cè)布置，布孔間距100 m，共18個點。

2）環(huán)境物體保護性監(jiān)測

除了地下管線等，主要指對周邊電線塔塔基位移跟蹤監(jiān)測。在每個電線塔基的邊緣四角處通過埋設反光片的方式分別設置1個沉降監(jiān)測點和水平位移監(jiān)測點。監(jiān)測時間要求：從庫區(qū)基坑開挖時開始進行檢測，至庫區(qū)進行填埋后沉降、水平變位趨向穩(wěn)定為止。監(jiān)測頻率：真空預壓完成前1次/d，當監(jiān)測值接近預警值時應增加。監(jiān)測預警值：連續(xù)3 d沉降變化速率達到2 mm/d，沉降累計值達到50 mm，同一電線塔基礎(chǔ)傾斜斜率達到0.002；連續(xù)3 d水平位移變化速率達到2 mm/d，水平位移累計值達到50 mm。

本文采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測點位布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集點位布置圖Fig.3 Layout of monitoring data acquisition positions

3.2 監(jiān)測過程及結(jié)果分析

1）地基位移監(jiān)測

包括地表沉降量監(jiān)測以及表層水平位移監(jiān)測。沉降量監(jiān)測方面，在坑內(nèi)各分區(qū)分別布置沉降板，測得沉降板沉降量隨時間變化曲線如圖4。隨著抽真空開始，沉降量變化逐漸增大；6月下旬至7月中旬，沉降變化明顯，之后的沉降變化趨緩。最大沉降為533 mm，在區(qū)域中部靠近北側(cè)。水平位移變化趨勢類似，最大水平位移為49.3 mm，在區(qū)域中部靠近南側(cè)，見圖5。

圖4 地基沉降量隨時間變化曲線Fig.4 The curves of foundation subsidence vs.time

圖5 表層水平位移隨時間變化曲線Fig.5 The curves of foundation surface horizontal displacements vs.time

2）孔隙水壓變化

以壩上KX-6以及坑底KX-15號孔為例，測得4 m、8 m、12 m鉆孔深度的孔壓變化情況如圖6所示。

可以看出負孔壓值隨抽真空作業(yè)時間增加而遞增；另外在7月11日工地臨時停工，以及在8月上旬臺風來襲等因素導致停工影響下，水位回升，有負孔壓臨時反彈現(xiàn)象。

圖6 不同孔深的孔隙水壓隨時間變化曲線Fig.6 The curves of pore water pressure at different depths vs.time

3）水位變化

所選監(jiān)測點SW1、SW3、SW5、SW14的水位測試結(jié)果如圖7所示，在真空預壓期間累計水位變化量整體上呈不斷增加的趨勢，顯示滲水排水效果良好；7月11日停電、8月上旬臺風來襲等停工因素影響下水位上升，但之后恢復正常。

圖7 累計水位變化時程曲線Fig.7 The curves of accumulated underground water level vs.time

4）真空度變化

本文主要進行了膜下真空度監(jiān)測，其中3個真空度監(jiān)測點位MX-3、MX-5、MX-15的測試結(jié)果如圖8所示。

從6月24日開始抽真空，負壓值逐漸增加，最大負壓值在-90 kPa左右；在7月中旬停電、8月上旬出現(xiàn)泄露，之后通過補救恢復正常；9月11號結(jié)束真空預壓過程，負壓變?yōu)?。

圖8 真空度隨時間變化曲線Fig.8 The curves of vacuum degree vs.time

5）環(huán)境影響監(jiān)測

主要對周圍的4個電線塔進行了沉降與水平位移監(jiān)測，每個塔四周塔角埋設4個監(jiān)測點位，每個塔分別選取1個監(jiān)測點T1-4、T2-4、T3-2、T4-4，監(jiān)測結(jié)果如圖9，可以看出塔腳最大沉降為12 mm、水平位移為18 mm左右，發(fā)生在8月中旬，在該時間點的沉降板監(jiān)測到坑區(qū)沉降位移開始趨于穩(wěn)定，之后電線塔位移也基本上趨于穩(wěn)定?？傊两蹬c水平位移相對較小，遠沒有達到警戒值50 mm。

圖9 塔基位移-時間變化曲線Fig.9 The curves of tower foot displacements vs.time

4 軟基處理效果檢測評估

主要采用靜載試驗評估地基承載力。靜載試驗采用慢速維持荷載法，承壓板為1.0 m2的正方形鋼板，下鋪設20 mm厚粗砂墊層，通過千斤頂施壓，承壓板上安裝百分表讀數(shù)，以測定地基沉降值。其中測點①~③的數(shù)據(jù)見表1，檢測點P-S曲線如圖10所示，表明軟基處理后土體物理力學性質(zhì)發(fā)生了顯著改變，提升后的地基承載力均大于90 kPa，達到設計指標。

圖10 靜載試驗P-S曲線Fig.10 The P-S curves of static load tests

5 結(jié)語

依托寧波濱海圍填灘涂地區(qū)某工業(yè)固體廢棄物填埋場的地基處理項目，本文研究采用新型增壓式真空預壓法。該處理方法經(jīng)濟性好，效率高，比較適合該類場地條件。監(jiān)測與檢測結(jié)果表明，地基處理基本達到了設計要求，同時保護好了周圍高聳環(huán)境物體。

1）增壓防堵性真空預壓技術(shù)對濱海圍填灘涂軟土地基固結(jié)排水效果良好，本項目中沉降板監(jiān)測累計最大沉降533 mm，平均沉降值350~400 mm，基本上達到平均固結(jié)度90%以上的設計要求；監(jiān)測孔壓與地下水位變化情況也很明顯。

2）采用該方法對濱海深厚軟基處理后，地基承載力增加明顯，本文靜載試驗表明土層地基承載力特征值從平均60 kPa提高到90 kPa以上，增幅達50%，達到設計要求。

3）由于采用該方法時軟基沉降與水平位移幅度大、孔壓與地下水位變化明顯等，需要重視對環(huán)境的影響，尤其對高聳物體的保護。本文在電線高塔塔基原水泥土攪拌樁支護基礎(chǔ)上，采用鉆孔灌注樁加圈梁等措施加固維護，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明塔基沉降與水平位移遠低于預警值，表明保護措施效果良好。

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Study on soft soil foundation treatment by air-boosted vacuum preloading at coastal landfill site

MA Yong-zheng1,SHENG Chu-gen2,CAI Ke-jian1,WANG Kai-tai2,SONG Xiao-wen2
（1.Ningbo University of Technology,School of Civil and Transportation Engineering,Ningbo,Zhejiang 315016,China; 2.Ningbo Communications Planning Institute Co.,Ltd.,Ningbo,Zhejiang 315192,China）

Based on the project of Ningbo coastal industrial-waste landfill,the air-boosted vacuum preloading method is applied to treating with soft soil foundation in coastal reclamation area.Since this landfill project has a large soil foundation area,and is surrounded by high-voltage power wire towers need to be protected,the cement-soil mixing piles are lined around the foundation pit,the foundations of the power towers are reinforced using bored piles.During the construction procedure, some monitoring work is carried out in this project,including monitoring the soil foundation settlement,changes of pore water pressure,underground water level,and vacuum degree within plastic sheeting,etc.,the displacements of surrounding power towers and other environmental objects are also monitored.The results show the project of large-area soft soil foundation treatment has little influence on the surrounding high towers with proper protections.The check work after foundation treatment shows the average degree of consolidation of soft soil foundation and the bearing capacity of foundation can meet the design requirements.

air-boosted vacuum preloading;soil foundation treatment;cement-soil mixing pile;monitoring;high-voltage power wire tower

U655.544.4；TU447

A

2095-7874（2016）12-0029-06

10.7640/zggwjs201612006

2016-06-05

2016-08-31

浙江省自然科學基金（LY13E080009）；寧波市交通規(guī)劃課題（201506）

馬永政（1975— ），男，湖南常德人，博士，副教授，從事巖土數(shù)值方法理論與物理試驗研究。E-mail：107723274@qq.com