真空預(yù)壓法地基處理設(shè)計及加固效果分析

陳 赟,胡尉彬,楊勤鋒

(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 310028;2.浙江國豐集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311200)

真空預(yù)壓法最早由Kjiellman(1952)[1]提出,是處理和加固軟土地基的有效方法,經(jīng)過大量的理論研究和工程實踐,逐漸形成了一套基本成熟的理論體系和施工工藝。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展和陸地資源的日趨緊張,大面積的圍海吹填造陸成為沿海地區(qū)土地開發(fā)的重要手段,真空預(yù)壓法被廣泛應(yīng)用于吹填土地基的處理。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

某液體化工罐區(qū)工程位于河北省滄州市,場地原為潮間帶淺灘,2014年經(jīng)人工吹填而成陸地,地表高程5.06～5.85 m,場地東西長734.75 m至739.23 m,南北寬497 m,面積為366 329.82 m2,要求先期進(jìn)行地基處理,以提高場地地基承載力,場地標(biāo)高5.5 m。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報告,本工程所涉及的各地基土層為：①沖填土,黃灰色,流塑,由淤泥及淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土組成,含有機(jī)質(zhì)成分,巖性極不均勻。堆填方式為人工沖填,沖填年限約為1.5年,高壓縮性；②淤泥質(zhì)黏土,淺灰色,軟塑—流塑,切面有光澤,韌性高,干強(qiáng)度高,含有機(jī)質(zhì)成分及貝殼碎片,巖性較均勻,高壓縮性；②-1粉土,淺灰色,稍密,飽和,搖震反應(yīng)中等,韌性低,干強(qiáng)度低,含貝殼碎片,巖性較均勻,中壓縮性；③粉質(zhì)黏土,灰色,可塑—軟塑,切面稍有光澤,韌性中等,干強(qiáng)度中等,夾粉土及淤泥質(zhì)土薄層,局部呈互層狀分布,含貝殼碎片,巖性不均勻,中壓縮性；④淤泥質(zhì)黏土,灰色,軟塑—流塑,切面有光澤,韌性高,干強(qiáng)度高,含有機(jī)質(zhì)成分及貝殼碎片,巖性較均勻,高壓縮性；⑤黏土,灰黃色,可塑—軟塑,切面有光澤,韌性高,干強(qiáng)度高,具銹染及灰綠染,巖性較均勻,中—高壓縮性；⑤-1粉土,灰黃色,中密,飽和,搖震反應(yīng)迅速,韌性低,干強(qiáng)度低,具銹染及灰綠染,巖性較均勻,中壓縮性；⑥粉土,灰黃色,中密,飽和,搖震反應(yīng)迅速,韌性低,干強(qiáng)度低,具銹染及灰綠染,巖性較均勻,中—低壓縮性。土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 各地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 地基處理設(shè)計

2.1 地基處理設(shè)計

根據(jù)本工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及工期要求,采用真空預(yù)壓法進(jìn)行地基處理。真空預(yù)壓處理面積為330 991.69 m2,共分為A1～A16共16個預(yù)壓分區(qū)；已建二港池圍堰西側(cè)區(qū)域及舊圍堤堤身兩側(cè)直接采用換填法進(jìn)行處理,面積為35 338.13 m2。地基處理總平面圖見圖1。真空預(yù)壓法包括壓力系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和密封系統(tǒng)三個方面。

1)壓力系統(tǒng) 要求膜下真空度穩(wěn)定地保持在650 mmHg(相當(dāng)于85 kPa)以上。穩(wěn)定抽氣72 h后可開始計時,并轉(zhuǎn)入正常抽真空階段有效滿載預(yù)壓時間為120 d。

2)排水系統(tǒng) ①水平排水通道：在工作墊層上鋪設(shè)0.5 m厚的中粗砂墊層,形成水平向排水通道。②垂直排水通道：采用塑料排水板作為垂直排水通道,排水板間距1.0 m,按正方形布置,板底深度17.5 m,穿越4號淤泥質(zhì)黏土層進(jìn)入5號黏土層。

3)密封系統(tǒng) 采用三層聚乙烯或聚氯乙烯薄膜,壓膜溝必須切斷透水層,最淺進(jìn)入不透水層頂面以下500 mm,壓膜溝處的密封膜上的覆土厚度不小于1 m。在真空預(yù)壓邊線位置設(shè)置黏土帷幕墻,采用雙排φ700@500水泥攪拌樁施工,墻厚1.2 m,墻底深度15.5 m。

4)預(yù)壓穩(wěn)定、卸荷標(biāo)準(zhǔn) ①固結(jié)度≥85%(按沉降量曲線計算)。②連續(xù)5～10 d的平均沉降量不大于2.0 mm/d。③有效滿載預(yù)壓時間不少于120 d。

2.2 施工工序及質(zhì)量要求

1)鋪設(shè)編織布、荊笆、竹笆及土工布：在原吹填泥面上首先鋪一層150 g/m2編織布,鋪設(shè)兩層荊笆(或兩層竹笆),然后在荊笆上鋪設(shè)一層300 g/m2土工布,鋪設(shè)范圍為地基處理邊線外擴(kuò)4.5 m。

2)鋪砂墊層：在土工布上鋪筑中粗砂墊層,厚度0.5 m,砂的含泥量不大于5%,干密度應(yīng)大于1.5 t/m3,滲透系數(shù)大于5×10-3cm/s。

3)打設(shè)塑料排水板：根據(jù)設(shè)計要求打設(shè)塑料排水板,塑料排水板在砂墊層表面外露不小于0.25 m。打設(shè)最后一根塑料排水板距加固區(qū)邊界不大于0.5 m。打板后應(yīng)將板口處淤泥清除干凈,再將板頭埋入砂墊層中間。

4)鋪設(shè)濾管、安裝射流泵。

5)施工黏土帷幕墻、挖壓膜溝、鋪密封膜。

6)連接抽真空設(shè)備，泵開啟時應(yīng)分批、均勻開啟,試抽氣，檢查，達(dá)到設(shè)計要求并穩(wěn)定抽氣72 h后正式抽氣，開始計時。

7)卸載：滿載預(yù)壓120 d并達(dá)到卸荷標(biāo)準(zhǔn)后停泵卸載,真空預(yù)壓結(jié)束。

8)真空預(yù)壓卸載后,分層回填素土至標(biāo)高5.5 m,每層厚度不大于0.5 m,對場地進(jìn)行碾壓整平。

3 加固效果分析

為了檢驗加固區(qū)真空預(yù)壓后的加固效果,更好地掌握軟基加固過程中各土層固結(jié)、沉降及側(cè)向變形等變化,確定卸載時間,對軟基在加固期間的表層沉降、膜下真空度、孔隙水壓力、土體側(cè)向位移、地下水位、分層沉降值隨加固時間變化等情況進(jìn)行了觀測。同時,加固前、后對軟基進(jìn)行十字板抗剪強(qiáng)度試驗及室內(nèi)土工試驗等,檢驗處理效果。測試點布置見圖1,部分測試結(jié)果見表2。

表2 地基處理部分測試結(jié)果

圖2 A3、A4、A7、A8、A11、A12區(qū)抽真空期間表層平均累計沉降量曲線

圖3 A9區(qū)抽真空期間分層沉降量曲線

1)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),抽真空前期隨著膜下真空度的快速升高,地基土產(chǎn)生較大的沉降變形,表層沉降速率較大,且地基壓縮變形主要發(fā)生在地表以下10 m深度范圍內(nèi),淺層土體的沉降速率及沉降量大于深層土體,見圖2、圖3；孔隙水從土體中排出,孔隙水壓力開始快速消散,孔隙比逐漸降低；加固區(qū)邊界外側(cè)地下水位逐漸降低,見圖4；加固區(qū)東側(cè)邊界外土體深層水平位移逐漸增大,位移主要發(fā)生在16 m深度范圍內(nèi),位移量隨著深度的增加而逐漸減小,最大位移值發(fā)生在表層位置,位移方向朝向加固區(qū)方向。地基處理中后期膜下真空度基本保持不變,各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化速率逐漸減小,累計變化量逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 地下水位-時間變化曲線

圖5 A10區(qū)十字板抗剪強(qiáng)度對比曲線

圖6 A12區(qū)十字板抗剪強(qiáng)度對比曲線

2)根據(jù)檢測結(jié)果可見,經(jīng)地基處理后,試驗深度范圍內(nèi)地基土的十字板抗剪強(qiáng)度較工前得到了較大提高,見圖5、圖6；土體含水率明顯降低,干密度增大,孔隙比減小,力學(xué)指標(biāo)得到了較高的增長,土性指標(biāo)得到明顯改善。大部分淤泥已轉(zhuǎn)化為淤泥質(zhì)土,部分淤泥質(zhì)土轉(zhuǎn)化為黏土或粉質(zhì)黏土。

4 結(jié) 語

1)根據(jù)表層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)、滿載預(yù)壓時間、固結(jié)度推算結(jié)果可知,各加固區(qū)達(dá)到設(shè)計卸載標(biāo)準(zhǔn),土體大部分固結(jié)變形已在抽真空期間完成,加固處理效果明顯。

2)根據(jù)加固后土層物理、力學(xué)性質(zhì)變化表明土層得到了較好的固結(jié),地基處理效果顯著。

3)通過分析實測資料,加固區(qū)不同觀測點之間,存在著不均勻沉降,產(chǎn)生了一定的沉降差。因此,建議在后期對加固區(qū)使用的過程中,注意各小區(qū)加固效果差異引起的工后不均勻沉降。同時建議工后對加固區(qū)進(jìn)行淺層平板載荷試驗,確定場區(qū)淺層土體地基承載力,進(jìn)一步驗證地基處理加固效果,從而保證工程后期使用的安全。