真空預壓處理港口吹填區(qū)軟土地基的應用研究

王國興周兆欣李 超

(1.山東交通學院 航海學院,山東 威海264200;2.威海港集團有限公司,山東 威海264200)

真空預壓技術最早由瑞典皇家地質學院Kjellman于1952年提出[1],其作用機理是,通過對覆膜下的土體抽真空,使土體在負壓荷載作用下產生超孔隙水壓力,在土體與砂墊層或排水板邊界形成孔隙水壓力差,在壓力差的作用下,孔隙水向外滲流排出,土體中的孔隙水壓力隨之消散。根據太沙基有效應力原理[2],在總應力不變的情況下,隨著孔隙水壓力的降低,土體有效應力得到提高,在排水固結過程中,土體強度隨之提高[3-4]。因此,真空預壓技術處理軟土地基的效果取決于密封體內外的大氣壓差,即負壓荷載的大小;土體固結的速度取決于超孔隙水壓力的消散速度。

我國于20世紀50年代末開始真空預壓技術的相關研究。1958年,天津大學進行了真空排水固結的室內試驗研究;80年代,真空預壓法在天津港新港軟基處理中試驗成功;之后,真空預壓技術逐漸得到工程應用,形成了低位真空預壓、無砂墊層真空預壓、直排式真空預壓、增壓式真空預壓等多種形式,但作用機理沒有變化。由于真空預壓法具有處理效果較好、造價較低、施工工藝相對簡單等特點,近年來,在海堤、港口填海造地等大面積軟基處理中逐漸被接受,并得到應用[5-10]。學者們還對真空預壓過程中的真空度、孔隙水壓力、軟土強度及變形等規(guī)律和特性、卸載時間等進行了研究[11-15],從工程應用和理論研究方面推動了真空預壓技術的發(fā)展。

本文結合威海港威海灣港區(qū)新港作業(yè)區(qū)的工程實例,對應用真空預壓技術進行港口吹填區(qū)大面積軟基處理的施工工藝、技術要點等做了詳細論述,并對真空預壓過程中膜下真空壓力、孔隙水壓力、表層沉降及分層沉降等監(jiān)測數(shù)據進行了分析,得出了相應的結論,可供類似工程參考借鑒。

1 工程地質概況

威海港威海灣港區(qū)新港作業(yè)區(qū)位于威海灣的南岸,是威海港的中心港區(qū)。港區(qū)施工過程中通過港池、航道疏浚吹填形成陸域面積近80萬m2。吹填區(qū)場地原為淺海相地貌,吹填后有如下特點:場地西部以淤泥質土為主,表層為流塑性,屬未固結高壓縮性軟土,東部以砂性土為主;吹填土厚度變化大,西部為9.60～11.20 m,東部為7.90～9.80 m;原海底普遍存在淤泥質粉質黏土,厚度2.00～7.45 m,屬高含水量、高壓縮性軟土。吹填后地層自上而下分別為①素填土:松散-稍密,以風化砂為主;②沖填土:飽和,松散-稍密,以粉細砂為主;③沖填土:流塑或軟塑-可塑狀態(tài),以淤泥質土或黏性土為主;④淤泥質粉質黏土:流塑-軟塑狀態(tài);⑤粉質黏土:軟塑狀態(tài),混砂性土;⑥黏土:可塑狀態(tài);⑦細中砂:松散-稍密,局部中密,飽和;⑧粉質黏土:可塑狀態(tài),局部夾砂層;⑨細砂:中密,飽和;⑩中粗砂:中密-密實,飽和,局部含黏性土;○11強風化花崗巖:巖芯較破碎,裂隙較發(fā)育,錘擊易碎。

2 施工工藝與技術要點

本工程采用真空預壓法進行軟基處理,施工工藝與技術要點見圖1。由于本工程場地為吹填區(qū),吹填土土質過于松軟,呈流塑或軟塑狀態(tài),含水量很高,因此,處理難度很大。提高土體的密封程度,盡量減少膜下真空度的損失,是本工程施工的關鍵[16]。本工程分4個區(qū)進行施工,編號分別為1區(qū),2區(qū),3區(qū)和4區(qū)。

圖1 真空預壓施工工藝流程Fig.1 Construction technics flow of the vacuum preloading

2.1 水平排水墊層

2.1.1 荊笆與土工布鋪設

場地整平后,采取漸進法錯縫鋪設3層荊笆,上下兩層垂直交叉鋪設,每片之間搭接20 cm,每間隔50 cm用鐵絲綁扎。荊笆鋪設完成后,在其上鋪設兩層規(guī)格為300 g/m2的土工布。鋪設前清理地表雜物以免土工布被扎破,鋪設過程中用袋裝砂包壓實,鋪設完成后盡快進入下一工序,以免土工布受光照過久老化。

2.1.2 砂墊層施工

土工布鋪設完成后,鑒于場地表面非常松軟,地基承載力很低,采用人工和輕便機械順序推進回填0.5 m的中粗砂作為水平排水墊層,中粗砂要求含泥量小于5%,干密度大于1.5×103kg/m3,滲透系數(shù)大于5×10-3cm/s,不含植物、殘株等雜物。

圖2 排水板打設施工現(xiàn)場Fig.2 Photo of the construction site of drainage plate setting

2.2 垂直排水通道

采用B型塑料排水板正方形布置,間距1 m。采用套管法整板打設,嚴禁接長使用;下端穿過淤泥層進入粉質黏土1 m以上,不得打入透水層;盡量避免“回帶”,“回帶”量控制在總量的5%以內,且長度不超過30 cm,否則應在臨近處補打;嚴禁出現(xiàn)扭結、斷裂和撕破濾膜現(xiàn)象。打設完畢及時剪斷板帶,確保板上端露出砂墊層頂面大于0.25 m,并把板頭埋入砂墊層0.15 m,以防扎破密封膜。排水板打設施工的現(xiàn)場見圖2。

3.3 黏土密封墻

使用SJB-Ⅱ型深層雙軸攪拌樁機,采用兩噴四攪工藝,制作寬1.2 m的雙排黏土墻。自透水層以上1 m開始粘土拌合,拌合深度至透水層底標高以下1 m,確保墻體穿透透水層并進入不透水層頂面標高以下1 m。黏土摻入量＞20%,膨潤土摻入量5%,如黏土黏粒含量＞40%,可不摻入膨潤土,泥漿濃度達到1.3后用泥漿泵抽送泥漿。樁機定好位,調整機架垂直度,開啟樁機,攪頭邊下沉邊攪拌,下沉速度≤1.2 m/min,至設計深度后停止,攪拌噴漿10～30 s后,啟動提升裝置,邊噴漿攪拌邊提升,提升速度≤0.8 m/min,使?jié){液和土體充分拌合。重復進行第二次攪拌下沉及第二次噴漿提升,完成黏土密封墻施工。

3.4 射流泵及濾管

3.4.1 射流泵布設

選用3BA-9型真空射流泵,功率大于7.5 k W,安裝后形成不小于96 k Pa的真空壓力,確保膜下真空壓力達到85 k Pa以上。射流泵按800 m2/臺布置,要求24 h滿負荷運轉,應預留備用泵,防止抽真空過程中射流泵因損壞或發(fā)生故障停止運轉。

3.4.2 濾管布設

濾管采用Φ75 mm硬質PVC管,打孔加工后包裹針刺無紡布,做到只透水不透砂。濾管呈框格形布置,縱向按兩端間距35.0 m、中間間距37.5 m布設,橫向按間距6.5 m布設,見圖3。在管路旁開挖深約20 cm的管溝,埋管入溝,并用中粗砂填平。濾管相交處采用二通、三通、四通連接,連接點應嚴格密封。為避免膜下真空度在停泵后很快降低,應在管路中設置止回閥和閘閥。濾管布設施工見圖4。

3.5 密封系統(tǒng)

3.5.1 密封膜鋪設

為防止外力作用下膜下粗顆粒刺破密封膜,在密封膜鋪設前,先鋪設一層厚度為230 g/m2的單面壓膜防水編織布,鋪設時采用雙排線重疊,用手提縫紉機現(xiàn)場縫合,鋪設過程中每100 m2用砂包袋固定。

在編織布上鋪設3層聚氯乙烯薄膜作為密封膜,單層厚度0.12～0.14 mm,每邊各加長3 m以便埋入壓膜溝,預留足夠的地基不均勻沉降變形富余量,防止密封膜拉裂。鋪設前認真清理編織布表面雜物,選擇無風或風力較小的時段分層鋪設,鋪膜過程中隨鋪隨用砂袋壓膜,每層膜鋪設完成后認真檢查,發(fā)現(xiàn)有破裂處及時用清水洗凈,再用膠水貼膜補好,完成后即可進行下層密封膜鋪設,3層膜的黏接縫應盡量錯開。密封膜鋪設完成后,用真空泵少量抽氣將膜吸住。

圖3 射流泵及濾管平面布置圖(m)Fig.3 Layout chart of jet pump and filter tube(m)

圖4 濾管布設施工現(xiàn)場Fig.4 Photo of the site of construction and layout of filter tube

為防止外力作用下膜上粗顆粒刺破密封膜,造成漏氣,密封膜鋪設完成后,還要在其上鋪設一層厚度為450 g/m2的無紡土工布,鋪設時間以抽真空當膜下真空度達到85 kPa并穩(wěn)定后為宜。

3.5.2 壓膜溝施工

在預壓區(qū)四周采用機械輔以人工開挖壓膜密封溝,壓膜溝應切斷透水層,深入不透水層＞0.5 m,溝底寬1.0～1.5 m,挖溝時如遇塑料排水板,應沿溝邊向上插入砂墊層中,不能剪斷,插入量大于0.2 m。為確保密封效果,需將密封膜逐層踩入密封溝,先踩粘合部位,再踩其他部分,防止撕裂密封膜,每層踩入深度不小于1 m。踩膜入溝完成后,用粘土及時回填壓實。

3.6 真空預壓

上述工序完成后,開始試抽真空。首先開啟所有的射流泵,正常情況下,開泵4 h后泵口處真空度可達20 k Pa,在此過程中檢修漏氣部位;當真空度達40 kPa時停泵,進行全面檢修。試抽時間約為3～7 d。試抽無問題后開始正式抽真空。正常情況下,經24 h抽氣后膜下真空度可達85 k Pa,此后進入恒載階段。抽真空過程中應備有足夠的發(fā)電機,以保證臨時停電時至少有1/3的射流泵保持24 h滿負荷運轉。

3.7 停泵卸載

在膜下真空度達到85 kPa的恒載狀態(tài)下連續(xù)抽真空150 d左右,經監(jiān)測達到設計的卸載要求,即按實測沉降曲線推算的固結度不小于85%,且實測地面沉降速率連續(xù)10 d平均沉降量不大于2 mm/d,方可停泵卸載。真空預壓結束后,要對黏土墻和壓膜溝部位進行處理。壓膜溝全部開挖,黏土墻部位吹填土表面下挖1.5 m,用中粗砂夯填,壓實度要求達到93%。

4 過程監(jiān)測與分析

4.1 膜下真空壓力與孔隙水壓力

真空荷載影響孔隙水壓力的消散,監(jiān)測膜下真空度可以掌握真空荷載的施加情況。每個孔位的孔隙水壓力計有6個埋設深度,分別為地表以下2,5,8,11,14和17 m。對地下水位變化的影響進行修正,得到真空荷載影響下的孔隙水壓力。監(jiān)測孔隙水壓力可了解土體中有效應力的發(fā)展變化過程,從而分析土體加固效果及強度增長情況。圖5為各區(qū)中心處真空荷載與修正后孔隙水壓力隨時間的變化曲線。

圖5 各區(qū)真空荷載、孔隙水壓力-時間曲線圖Fig.5 Changes of vacuum load and pore water pressure with time in each district

從真空荷載隨時間的變化曲線可以看出,施工過程中,除1區(qū)有過因鋪設土工布導致部分真空泵停止工作,出現(xiàn)孔隙水壓力反彈、在此期間隨時間消散不明顯的現(xiàn)象外,各區(qū)的真空度基本能夠保持在85 kPa以上,部分可達90 kPa,較好地滿足設計要求。從孔隙水壓力隨時間的變化曲線可以看出,當真空度保持在85 k Pa時,孔隙水壓力處于正常消散狀態(tài);加載初期,孔隙水壓力快速消散,隨著預壓時間的增加,土體內孔隙水及氣體排除,土體壓縮固結,孔隙比減小,土體的滲透性減小,孔隙水壓力消散速率減小;當現(xiàn)場出現(xiàn)停電、真空膜破損、真空泵維修等問題時,真空度明顯減小,孔隙水壓力也出現(xiàn)了反彈,恢復抽真空后,孔隙水壓力消散逐漸正常。

由于真空度隨深度的增加衰減,且深層自然沉積的低塑性粉質黏土、淤泥質土孔隙水壓力消散較慢;表層新吹填低塑性流動淤泥質土及松散的雜填土等孔隙水壓力消散較快,整個抽真空期間孔隙水壓力隨時間呈下降趨勢。

4.2 表層沉降

觀測地表沉降量,可以根據實測沉降曲線推算土體固結度,評價地基加固效果,確定合理的卸載時間。各區(qū)地表沉降觀測最終結果見表1,用雙曲線法推算各區(qū)地基土平均固結度均可達到85%以上,且最后10 d沉降速率均小于2 mm/d。

表1 各區(qū)地表沉降觀測表Table 1 The subsidence of land surface observed in each district

各區(qū)觀測點布設數(shù)量不同,各點表層沉降隨時間變化曲線見圖6。本區(qū)域上部土層為新近吹填土,土質松散,尚未完成自重固結,后續(xù)施工回填砂墊層,砂墊層荷載使得土體產生部分沉降;插板期間,土體形成豎向排水通道,因回填砂墊層較為松散,插排水板期間土體沉降明顯,砂墊層密實,致使抽真空期間表層土體沉降量較小。

圖6 各區(qū)表層沉降-時間曲線圖Fig.6 Changes of surface subsidence with time in each district

4.3 分層沉降

通過觀測各土層沉降量,掌握土層的壓縮情況,用于判斷軟基加固能夠達到的有效深度。在整個工程區(qū)內布置12個孔位,每個孔位的分層沉降磁環(huán)有8個埋設深度,分別為地表以下2,4,6,9,10,12,14和16 m分層沉降觀測結果見圖7。從圖中可以看出,沉降量主要集中在9 m以上的中淺層,地面以下16 m處土體也有沉降,表明真空預壓加固有效深度可達16 m。各層土由淺到深沉降量逐漸減小,一方面是因為深層土質以密實的粉細砂為主,土質較硬,土層壓縮率低,淺層土質以松散的粉質粘土、淤泥質吹填土為主,土質較軟弱,含水量較高;另一方面是因為真空度由地表向下傳遞逐漸衰減,使得深部土層加固效果較差。

圖7 分層沉降觀測結果Fig.7 Observed results of layering subsidence

5 結 論

本文結合威海港威海灣港區(qū)新港作業(yè)區(qū)的工程實例,對應用真空預壓技術進行港口吹填區(qū)大面積軟基處理的施工工藝、技術要點等做了詳細論述,并對真空預壓過程中膜下真空壓力、孔隙水壓力、表層沉降及分層沉降等監(jiān)測數(shù)據進行了分析,得出以下結論:

1)對于疏浚土吹填形成的港口陸域軟基處理,因吹填土表層多為流塑狀的淤泥或淤泥質土,強度非常低,為便于施工,可以通過鋪設荊笆來提高承載力,以保證工期的需要。

2)真空預壓法處理軟土地基的關鍵在于提高土體的密封程度,盡量減少膜下真空度的損失,要嚴格按照設計要求,進行密封膜的鋪設和黏土墻的施工,施工過程中規(guī)范操作,采取一切措施避免破壞密封系統(tǒng),造成漏氣。

3)按照本文所述施工工藝進行施工,港口吹填區(qū)軟基處理效果較理想,能夠在預定時間內達到設計卸載要求。通過對監(jiān)測數(shù)據進行分析得知,真空預壓過程中,膜下真空度、孔隙水壓力、表層及分層沉降等變化規(guī)律均正常,真空度、孔隙水壓力及分層沉降隨深度衰減的趨勢明顯,真空預壓加固有效深度可達16 m,但加固效果主要集中在9 m以上。

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