無砂墊層真空預壓聯(lián)合水袋堆載法加固超軟地基應用研究

王海建，楊建貴，曹健勇，田艷梅，彭 劼

(1.中交上航局航道建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200；2.南京市水務工程建設(shè)管理中心，江蘇 南京 210017； 3.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

自從1952年W.KJELLMAN[1]提出了真空預壓加固地基的施工工藝，其材料和設(shè)備都不斷地更新?lián)Q代，使得這一工藝便得到了不斷地發(fā)展和完善，該工藝更是從單純的真空預壓法逐步發(fā)展為真空-聯(lián)合堆載預壓法，真空-聯(lián)合電滲預壓法等。2006年以來，逐漸推廣使用了一種新的真空預壓法——無砂墊層真空預壓法，張文彬等[2]，唐蔚東等[3]對無砂墊層真空預壓法工程進行了加固效果分析，結(jié)果表明該方法在加固軟土方面具有很好的加固效果。也有學者認為無砂墊層真空預壓法對淺層土體的加固效果很好，而對深層土體的加固效果并不理想[4]，排水預壓土體內(nèi)任意點任意時刻的有效應力增量都等于超靜孔隙水應力的消散量[5]。但整體上土體的工程性質(zhì)得到了很大的改善。

真空聯(lián)合堆載預壓法已經(jīng)被廣泛應用于加固軟土，且已經(jīng)成為一種成熟的施工工藝。有學者[6-8]對真空聯(lián)合堆載預壓法進行了研究，認為該法能夠縮短預壓時間，有助于提高地基的承載能力，減少工后沉降。結(jié)合廣珠東線高速公路深厚軟基堆載預壓、真空聯(lián)合堆載預壓兩現(xiàn)場試驗段[9]，和杭州灣跨海大橋南岸接線高速公路試驗段工程[10]，現(xiàn)場測試表明地基處理時必須控制工后沉降真空堆載聯(lián)合預壓技術(shù)處理深厚軟土地基是成功的。婁炎[11]根據(jù)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場實測沉降曲線，推證預壓加固中軟土的固結(jié)系數(shù)逐漸減小。吳躍東等[12]，駱行文等[13]結(jié)合現(xiàn)場試驗結(jié)果，認為真空聯(lián)合堆載預壓法不僅能夠提高地基的整體承載能力，而且能夠有效增大加固深度，縮短施工工期，減小工后沉降。劉寒鵬等[14]、馮仁祥等[15]對膜面覆水聯(lián)合真空預壓法進行了研究，認為該方法能夠提高土體強度。姜彥彬等[16]認為膜上覆水可以減緩密封膜的老化和真空度的損失。無砂墊層真空膜面覆水預壓法看似結(jié)合了真空預壓法與堆載預壓法的優(yōu)點，且能夠就近利用水源，做到了資源的合理利用。然而，施工過程中密封膜一旦出現(xiàn)破洞，則容易產(chǎn)生“循環(huán)水”[17]，使得覆水不能再起到堆載的作用。因此筆者提出無砂墊層真空聯(lián)合水袋預壓法。

1 無砂墊層真空聯(lián)合水袋預壓法及現(xiàn) 場概況

無砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預壓法是在無砂墊層真空預壓[4]的基礎(chǔ)上，聯(lián)合水袋作為堆載荷載。其工藝是在無砂墊層真空預壓工藝完成、開始抽真空之后，將水袋放置于加固場區(qū)內(nèi)，然后充水，從而起到真空-堆載聯(lián)合預壓的作用。

筆者結(jié)合浙江溫州圍海吹填場區(qū)加固工程，對比研究了該方法的加固效果。工程位于浙江省蒼南縣龍港鎮(zhèn)規(guī)劃的江南涂區(qū)域內(nèi)，在整個加固區(qū)域內(nèi)劃分為2個獨立的加固區(qū)，如圖1，C3區(qū)為常規(guī)無砂墊層真空預壓法施工區(qū)，面積為13 056 m2。C7區(qū)為無砂墊層真空預壓聯(lián)合水袋預壓區(qū)，面積為16 200 m2。

兩個試驗區(qū)的地質(zhì)條件相同，包括4 m厚的吹填淤泥質(zhì)黏土，其下為原場地土層，包括2.2 m厚度的黏土層，3.5 m厚度的含細砂淤泥土層和6 m厚度的淤泥土層。主要對4 m厚的吹填淤泥質(zhì)黏土層進行加固。吹填淤泥質(zhì)黏土的物理力學指標如表1。

表1 吹填淤泥質(zhì)黏土的物理力學指標

排水板的插板深度都是4.0 m。無砂墊層真空預壓聯(lián)合水袋預壓區(qū)的水袋規(guī)格為長10 m×寬20 m×高2 m，根據(jù)加固面積采用多個水袋，使其能覆蓋整個加固場地。水袋布置示意見圖2。

無砂墊層真空聯(lián)合水袋預壓的工藝包括：①在加固場地內(nèi)鋪設(shè)編織布和土工布各一層，用以提供一定的承載力便于施工；②人工插設(shè)塑料排水板；③布設(shè)水平排水軟管；④再鋪設(shè)一層土工布保護密封膜；⑤鋪設(shè)密封膜；⑥布置抽真空系統(tǒng)并開始抽真空；⑦布置水袋并注水預壓；⑧達到設(shè)計要求后卸載。

其中工藝①～⑥不再贅述，可參考文獻[2- 4]。開始抽真空之后的工藝⑦則包括如下步驟：

a.水袋進場組裝。在抽真空一個月后，待真空度穩(wěn)定在80 kPa以上的天數(shù)達到7～8 d，將水袋運至場區(qū)指定位置，并進行拼裝。所用水袋規(guī)格為10 m×10 m、10 m×20 m，充水后高度可達2 m，水袋上預留直徑15 cm的進水口。

b.充水預壓。拼裝完成后，就近選擇水源，采用抽水泵及10 cm直徑的軟管進行提水、輸水。充水高度以50 cm逐級增加，同時必須觀測沉降情況，若每天沉降大于15 mm，則停止加載，待沉降速率小于15 mm/d，可繼續(xù)加載，直至水袋充水高度達到2 m，此期間沉降監(jiān)測頻率應在2 d/次以上，聯(lián)合預壓過程中可將頻率降至3～4 d/次。

c.卸載。在水袋高度達到2 m后，當聯(lián)合預壓法達到70～90 d，且土體的沉降、孔壓等各項指標亦達到卸荷標準，如：沉降速率連續(xù)10 d在3 mm/d以下時，則可以卸除水袋荷載和真空荷載。

為了研究加固效果，在抽真空過程中進行了沉降、孔壓等的監(jiān)測，加固后進行了承載力等的測試。各儀器的布置及試驗點如圖1。

2 加固效果

2.1 加載情況及孔壓的變化規(guī)律

圖3為真空度加載曲線。從圖3可見，前45 d真空度緩慢增長，之后真空度穩(wěn)定在80 kPa以上直至卸載。之前的大量實踐經(jīng)驗表明，在超軟淤泥地基中采用真空預壓法，如果早期真空度施加過快過大，會導致淤泥顆粒迅速匯集到塑料排水板周圍而逐漸形成一個“土柱”，土柱形成后會進一步增加井阻，不利于真空作用向土柱外的淤泥擴散。因此近年來在工程中令加固初期的真空度緩慢增長，可以避免真空預壓工程中的“土柱”現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖3 真空度變化曲線Fig.3 Variation curve of vacuum degree

圖4為C3區(qū)和C7區(qū)的孔壓變化曲線，從圖4可見，在前45 d，埋深越淺孔壓變化值越大，C3區(qū)3條曲線開始階段變化較大，后期變化相對小得多，這主要是由于真空度在土中傳遞受到井阻和涂抹作用的影響，使得真空度沿深度的傳遞效果減弱。且從圖4可以看到，C7區(qū)在水袋荷載施加以后，孔壓有明顯的正增長，增長幅度為10～18 kPa，跟水袋荷載(20 kPa)吻合，充水結(jié)束后，孔壓又逐漸降低。

圖4 孔壓變化曲線Fig.4 Variation curve of pore pressure

2.2 表面沉降

表面沉降可用于推算工后沉降和固結(jié)度，能夠?qū)Ρ敬蔚募庸绦ЧM行評價，本次通過在各區(qū)布設(shè)沉降板，對各區(qū)的表面沉降進行了監(jiān)測，結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 表層總沉降曲線Fig.5 Total surface subsidence curve

圖6 表層日均沉降曲線Fig.6 Surface daily settlement curve

從圖5、圖6可見，在進行真空預壓10 d內(nèi)，各區(qū)的沉降速率很快，平均維持在5 cm/d左右，沉降與時間基本呈線性關(guān)系；在進行真空預壓10～50 d內(nèi)，各區(qū)沉降速率均減小，有趨于穩(wěn)定的跡象；在真空預壓進行至45 d時，C7區(qū)開始施加水袋荷載后，其沉降速率增大，為C3區(qū)沉降速率的2～3倍，二者總沉降差逐漸增大；在真空預壓進行至120 d后，兩區(qū)的沉降速率再次趨于穩(wěn)定，總沉降量差值在20～30 cm之間，占無砂墊層真空預壓法試驗區(qū)總沉降量的25%～37%。

2.3 加固前后土體的物理力學性質(zhì)

2.3.1 加固前后土體的孔隙比和含水率對比

圖7為加固前后含水率/孔隙比的對比。由圖7可見，2 m深度范圍內(nèi)C3區(qū)含水率從加固前的97%～103%大幅下降至60%左右，變化幅度達40%，而C7區(qū)土體含水率的變化幅度則高達60%，2 m深度范圍內(nèi)土體的孔隙比變化情況相似；而超過2 m之后，C3區(qū)和C7區(qū)含水率、孔隙比變化幅度相接近，均在40%左右。以上說明了2 m深度范圍內(nèi)土體的作用效果良好，而超過2 m深度，其加固效果并不明顯。

圖7 加固前后含水率/孔隙比的對比Fig.7 Comparison of water content and void ratio before and after reinforcement

2.3.2 加固后壓縮試驗對比

圖8為壓縮試驗得到的e-p曲線。

圖8 加固后土樣的壓縮試驗曲線Fig.8 Compression test curve of soil sample after the consolidation

從圖8中可以看出，隨著取土深度的增加，初始孔隙比均減小，而隨著荷載的增加，C7-1和C7-2兩條曲線的變化相對較緩，而其余曲線的斜率變化較大，這就說明了C7區(qū)1和2 m深度土體較為密實，加固效果較好，而3 m深度以下土體的加固效果較差。

2.3.3 加固后現(xiàn)場承載力試驗對比

處理前的吹填淤泥土含水量極高，呈浮泥～流泥狀，其抗剪強度可認為近乎于0。十字板剪切試驗結(jié)果如圖9，采用中國建筑科學研究院和華東電力設(shè)計院的經(jīng)驗公式：fk=2cu+γh，算得C3區(qū)和C7區(qū)的0～1.5 m土體承載力均值分別為：53.0、73.65 kPa，增長率為39%，均滿足大于50 kPa的要求。

圖9 加固后土體的十字板剪切強度曲線Fig.9 Shear strength curve of cross plate of the soil after the consolidation

圖10為靜力觸探試驗結(jié)果，根據(jù)(TB 10041—2003)《鐵路工程地質(zhì)原位測試》中的經(jīng)驗公式，即：σ0=0.112Ps+5，可算得處理后C3區(qū)和C7區(qū)的0～1.5 m土體承載力均值分別為：51.73、70.7 kPa，增長了36.7%，均滿足大于50 kPa的要求。從圖9和圖10中可以看出，C7區(qū)土體在2 m深度范圍內(nèi)的加固效果相對較好，2 m以下則無明顯變化。這就表明無砂墊層真空聯(lián)合水袋預壓法雖然能提高深層土體的加固效果，但超過一定深度后，其加固效果有限。

圖10 加固后土體靜力觸探試驗曲線Fig.10 Static cone penetration test curve of soil after the consolidation

通過在C3區(qū)和C7區(qū)進行淺層平板載荷試驗，測定加固后地基的承載力特征值。根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中對承載力特征值的確定方法，對加固后的軟基承載力進行了評估，得到C3區(qū)的承載力為50.5 kPa，C7區(qū)的承載力為62 kPa，相對提高了23%，均滿足大于50 kPa的要求。

表2為現(xiàn)場承載力試驗結(jié)果匯總，從表2中可以看出3組試驗測得的C7區(qū)承載力均較C3區(qū)有較大的提高，平均承載力增長率達到32.9%。

表2 現(xiàn)場承載力試驗結(jié)果

3 無砂墊層真空聯(lián)合水袋預壓法與膜 面覆水預壓法的對比

在無砂墊層真空預壓技術(shù)發(fā)展過程中，膜面覆水曾被認為具有很多優(yōu)點[10]，如：①可將膜面覆水作為堆載荷載，即起到了聯(lián)合堆載的作用；②認為膜面覆水能夠起到密封的作用，能保持和提高膜下真空度；③主張膜面覆水能夠避免密封膜受到氣候條件的影響，延長其使用壽命。

然而實際情況卻并非如此。①采用膜面覆水預壓法需要在加固區(qū)周圍修筑圍堰，就需要延長施工工期；②當水下膜面有破損，會使得膜面水與膜下濾管相通，膜面水進入濾管，經(jīng)濾管輸送至水箱，再排至膜面，形成 “循環(huán)水”，如圖11，過程中耗費了真空泵的做工，卻沒有起到加固的效果；③雖然密封膜較薄，但經(jīng)過檢驗表明合格的密封膜壽命可達6個月以上，相對于4～5個月的施工工期而言已完全可以滿足使用要求。

圖11 膜面覆水預壓法水下破洞產(chǎn)生“循環(huán)水”Fig.11 “Cyclic water” produced by membrane surface water preloading method when broken under water

與膜面覆水預壓法不同的是，采用充水水袋作為載荷能夠克服膜面覆水方法帶來的弊端。①由于水袋的充水高度可以控制，且只要水袋的強度滿足要求，其充水高度可以達到更高；②施工前可在水袋底部預先布置兩層土工布，能夠有效地對密封膜起到保護作用，可以避免膜下破洞的產(chǎn)生；③采用水袋作為載體，充水前只需將水袋運至指定位置，現(xiàn)場進行充水即可，靈活性很高；④通過合理的劃分施工場地，各片區(qū)可進行協(xié)同作業(yè)，不會影響不同場區(qū)真空預壓工程的施工進度。

如上所述，在加固機理方面，二者都是采用水作為堆載體，假設(shè)二者堆載到相同的高度，如果密封膜并未產(chǎn)生破損，那么二者的作用效果是相同的。但是如果膜面覆水法密封膜有破損，形成“循環(huán)水”，那么加固區(qū)土體受力就發(fā)生了變化，具體變化如圖12。當膜面產(chǎn)生破洞，膜面水將進入土中，使得膜面上下通水，膜面覆水產(chǎn)生的壓力不再轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Γ茨っ娓菜A壓法不能夠繼續(xù)加固土體；而水袋預壓法由于有水袋的束縛，即使在膜面存在破洞時，上部荷載也能夠繼續(xù)提供加固作用。

圖12 產(chǎn)生“循環(huán)水”時土中有效應力分布Fig.12 Effective stress distribution in soil when “cyclic water” was produced

4 結(jié) 論

筆者提出采用無砂墊層真空聯(lián)合水袋堆載預壓法進行軟基的加固，對其加固效果進行了分析和評價，主要結(jié)論如下：

1)在表面沉降穩(wěn)定階段，與C3區(qū)相比，C7區(qū)總沉降量更大，相應地固結(jié)程度也更高。

2)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗均表明：在2 m深度內(nèi)C7區(qū)的加固效果要優(yōu)于C3區(qū)，超過2 m，C7區(qū)加固效果沒有明顯提高。

3)分析了膜面覆水預壓法在實際應用中的缺陷，論證了無砂墊層真空聯(lián)合水袋預壓法的適用性。

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