不同真空預(yù)壓工藝處理軟土地基效果分析

周俊輝，董淑海，金暉

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

真空預(yù)壓法自20世紀(jì)80年代引入中國以來得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，是處理軟土地基最為快速、有效和經(jīng)濟(jì)的工法之一，理論基礎(chǔ)[1-3]逐步成熟，應(yīng)用實(shí)踐日益積累，真空預(yù)壓處理工程已超過200 km2。與堆載預(yù)壓法相比，由于真空預(yù)壓的快速加壓、不需堆載料和節(jié)約時(shí)間的特點(diǎn)，在缺乏砂石料的地區(qū)，真空預(yù)壓優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。在常規(guī)工法日益成熟的基礎(chǔ)上，真空預(yù)壓的應(yīng)用也得到不停的探索，如淺層真空預(yù)壓、低位真空預(yù)壓、直排式真空預(yù)壓[4]等，均是為了尋求更為經(jīng)濟(jì)、有效的處理工藝，使地基加固效果更佳，適應(yīng)性更強(qiáng)，并節(jié)約成本、縮短工期，但新工藝的研究和應(yīng)用案例還偏少，成果也存在差異。

本文基于越南河靜鋼廠基地工程的軟基處理試驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)真空預(yù)壓、直排式真空預(yù)壓、水平排水帶真空預(yù)壓等工藝進(jìn)行典型試驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和加固后效果檢測(cè)，對(duì)不同工藝、加固效果、成本等進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，為本工程大面積地基處理提供設(shè)計(jì)和施工參數(shù)，也確定大面積處理的驗(yàn)收依據(jù)。本試驗(yàn)和研究成果也為真空預(yù)壓的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)資料和案例。

1 真空預(yù)壓加固機(jī)理

真空預(yù)壓加固原理已逐步成熟，眾多文獻(xiàn)[1-3]對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)論述，也形成了相應(yīng)的規(guī)程[5]。總體來說，真空預(yù)壓通過真空抽水，引起土中孔隙水壓力降低，使土中形成負(fù)的超靜孔隙水壓力，在總應(yīng)力沒有增加的情況下，降低的孔隙水壓力就等于增加的有效應(yīng)力，從而使土體發(fā)生固結(jié)。

常規(guī)真空預(yù)壓法通過設(shè)置排水砂墊層和豎向排水通道，真空度的傳遞從排水主管，經(jīng)砂墊層再傳至塑料排水板，進(jìn)而加固下臥軟土層。一些工程測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，由于真空度的傳遞經(jīng)過排水主管、支管、砂墊層及塑料排水板，傳遞途徑的多樣造成了真空度的損失，影響了真空預(yù)壓的效果。另外，由于大部分地區(qū)砂石料價(jià)格飛漲，使真空預(yù)壓整體費(fèi)用增加，或者尋找不到滿足要求的中粗砂墊層，造成加固效果不佳。為了盡量縮短預(yù)壓時(shí)間，提高固結(jié)效果，降低地基處理的費(fèi)用，直排式真空預(yù)壓等工法應(yīng)運(yùn)而生，在一些工程中被應(yīng)用和總結(jié)。

直排式真空預(yù)壓是將排水主管通過轉(zhuǎn)接器、支管直接與塑料排水板連接，或僅設(shè)置條帶砂墊層包裹真空管，使真空壓力直接通過排水主管、轉(zhuǎn)接器、支管傳入到塑料排水板內(nèi)的一定深度。簡言之，減少砂墊層或不用砂墊層，將真空管與排水板直接連接，目的是希望改變真空度的傳遞途徑。減少真空度的傳遞損失，提高排水板中的真空壓力，另外，節(jié)約砂墊層也節(jié)約了大量成本。

2 真空預(yù)壓典型試驗(yàn)

2.1 工程概況

擬建工程位于越南中北部河靜省奇英縣東部約15耀20 km的三面環(huán)山、一面臨海的灘涂濕地，工程占地面積約21 km2，擬建為鋼鐵生產(chǎn)基地，場(chǎng)區(qū)采用吹砂造地，場(chǎng)地最終設(shè)計(jì)標(biāo)高平均為4.5 m。場(chǎng)區(qū)天然泥面標(biāo)高為原0.5耀+1.0 m，存在較深厚的軟土層，軟土分布呈“鍋底”狀，工程外圍軟土較薄，0~3 m，中間區(qū)域3~8 m，中心區(qū)域8~18 m，主要軟土層為于1層深灰色淤泥。主要物理力學(xué)指標(biāo)[6]見表1。

表1 于1層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表（平均值）Table1 Physical mechanical parameters of于1 stratum(average)

2.2 典型試驗(yàn)參數(shù)

由于本工程面積巨大，場(chǎng)區(qū)上部使用要求較高，在場(chǎng)地存在深厚軟弱土層的情況下，選用合適的地基處理工法至關(guān)重要，既要消除沉降、提高承載力滿足使用要求，也要控制工期和造價(jià)。為此，針對(duì)本區(qū)地質(zhì)分布特點(diǎn)，專門進(jìn)行了典型試驗(yàn)，包括強(qiáng)夯試驗(yàn)（試驗(yàn)不同的夯擊能量、參數(shù)適應(yīng)場(chǎng)區(qū)周邊無軟土區(qū)域）、動(dòng)力排水固結(jié)（尋找適合工藝處理較薄軟土區(qū)域），以及真空預(yù)壓試驗(yàn)（尋找適合加固深厚軟弱土層的參數(shù)），本次試驗(yàn)為本工程后續(xù)大面積地基處理提供工藝參數(shù)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。因現(xiàn)場(chǎng)條件所限，本次真空預(yù)壓試驗(yàn)選取了軟土厚度8~10 m左右的區(qū)域，試驗(yàn)區(qū)總面積2.0萬m2，劃分為4個(gè)子區(qū)，試驗(yàn)參數(shù)及工藝見圖1。

圖1 真空預(yù)壓分區(qū)圖Fig.1 Layout of vacuum preloading subarea

VC-1和VC-4區(qū)為直排法工藝（VC-1區(qū)采用了50 cm厚和50 cm寬的砂墊層條帶包圍濾管、VC-4區(qū)采用排水板與排水帶直接連接），VC-2區(qū)和VC-3區(qū)為傳統(tǒng)真空預(yù)壓法，試驗(yàn)不同排水板間距下的加固效果差異，4個(gè)區(qū)域排水板均為C形板。4個(gè)試驗(yàn)子區(qū)軟土平均厚度依次為9.8 m、9.3 m、8.2 m、8.9 m。

2.3 試驗(yàn)區(qū)施工情況

圖2為不同試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)施工情況。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)施工Fig.2 Construction site

2.4 觀測(cè)資料分析

真空預(yù)壓的主要觀測(cè)內(nèi)容為膜下真空度、孔隙水壓力、地下水位平均降深、總沉降量、區(qū)邊側(cè)向位移等，本試驗(yàn)區(qū)主要觀測(cè)數(shù)據(jù)見圖3及表2，并對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

圖3 各區(qū)膜下真空度記錄曲線Fig.3 Curves of vacuum degree under membrane at each subarea

表2 各區(qū)主要觀測(cè)數(shù)據(jù)表Table 2 Main monitoring data of each subarea

1）膜下真空度

從圖3可以看出：真空抽氣10 d左右，VC-2、VC-3區(qū)逐漸趨于穩(wěn)定，真空抽氣20 d左右，VC-1區(qū)逐漸趨于穩(wěn)定，真空抽氣40 d左右，VC-4區(qū)才逐漸趨于穩(wěn)定。從本次試驗(yàn)成果來看，傳統(tǒng)真空預(yù)壓膜下真空度更容易提高并趨于穩(wěn)定，直排式排水板纏繞濾管工藝的真空傳遞能力稍弱；水平排水帶傳遞真空度較慢，且不穩(wěn)定。

由表2可以看出，真空度穩(wěn)定期間，VC-1—VC-3區(qū)平均真空壓力均達(dá)80 kPa左右，基本滿足加載標(biāo)準(zhǔn)；VC-4區(qū)真空穩(wěn)定后，平均真空度僅達(dá)到75.2 kPa，基于對(duì)水平排水帶工藝的分析及國內(nèi)類似項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是由于連接方式、細(xì)顆粒進(jìn)入排水帶等原因引起真空壓力的傳遞衰減，這也是目前水平排水帶工法普遍公認(rèn)的一個(gè)弊端。

2）沉降值

沉降值最為直觀地反映了地基加固的效果，由表2可以看出，各試驗(yàn)區(qū)真空抽氣120 d，各區(qū)的平均總沉降量值關(guān)系為VC-3（0.8 m間距排水板）躍VC-2（1.0 m間距排水板）躍VC-1（直排法）躍VC-4（水平排水帶）。VC-4區(qū)沉降量較其它區(qū)小較多，表明水平排水帶工法效果較差。

3）地下水位觀測(cè)

各試驗(yàn)子區(qū)內(nèi)分別布置了2組水位觀測(cè)孔，從地下水位降深來看：真空預(yù)壓初期，地下水位下降較快，后期逐漸趨于平緩。各試驗(yàn)區(qū)水位降深值關(guān)系為 VC-2躍VC-3躍VC-1躍VC-4，水位下降與真空度觀測(cè)成果是吻合的。VC-4區(qū)由于水平排水帶在真空抽氣作用下受擠壓導(dǎo)致排水通道受阻，且局部因擠壓破裂泥砂等進(jìn)入排水帶影響土體的縱向排水，從而影響下部土體排水固結(jié)。

4）深層水平位移觀測(cè)

本次在試驗(yàn)區(qū)外側(cè)3耀5 m處均勻埋設(shè)8組深層水平位移觀測(cè)孔，在真空預(yù)壓過程中，試驗(yàn)區(qū)周邊上部土體位移量較大（基本發(fā)生在表層0~2 m范圍），隨著深度的增加位移量逐漸減小。位移呈內(nèi)縮形式，最大位移量為235.8 mm，最大側(cè)向位移發(fā)生在VC-3區(qū)，沉降最大值也發(fā)生在該區(qū)，反應(yīng)出處理效果的吻合性，各試驗(yàn)區(qū)周邊深層水平位移值見表3。

表3 深層水平位移觀測(cè)表Table3 Horizontal displacement at deep stratum

2.5 地基加固效果分析

地基加固前后各試驗(yàn)分區(qū)于1深灰色淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)見表4、表5。

表4 加固前后于1土層的主要物理指標(biāo)表Table4 Main physical parametersof于1 stratum before and after improvement

表5 加固前后于1土層的主要力學(xué)指標(biāo)表Table5 Main mechanical parametersof于1 stratum before and after improvement kPa

表4、表5指標(biāo)顯示，真空預(yù)壓后于1深灰色淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)均有改善，各區(qū)指標(biāo)變化為：軟土含水量下降了9.8%~13.6%，孔隙比下降了0.31~0.39，液限降低了17.3%~21%，物理指標(biāo)的改良幅度達(dá)到20%~35%；力學(xué)指標(biāo)中，三軸UU提高了2~5 kPa，十字板原狀土強(qiáng)度提高了3.3~8.2 kPa（VC-1—VC-3區(qū)均有50%左右的提高），加固效果基本達(dá)到預(yù)期，本次加固試驗(yàn)效果或?qū)ν馏w強(qiáng)度的改善關(guān)系為：VC-3躍VC-2躍VC-1躍VC-4。

3 結(jié)語

1）從對(duì)比試驗(yàn)地基土物理力學(xué)指標(biāo)改良效果來看，VC-2、VC-3區(qū)傳統(tǒng)工藝較直排法VC-1區(qū)處理效果略佳，水平排水帶工法的效果較差，真空度的傳遞改良仍有研究空間。傳統(tǒng)工法中VC-3區(qū)（垂直排水帶間距0.8 m）加固效果較VC-2區(qū)（垂直排水帶間距1.0 m）略優(yōu)，即針對(duì)該軟土層，排水板間距小于1.0 m后，效果提高不明顯。

2）本次對(duì)比試驗(yàn)顯示：直排式真空預(yù)壓法從真空壓力的傳遞、地基土的預(yù)壓沉降量、影響深度及加固效果等方面雖稍遜于傳統(tǒng)真空預(yù)壓法，但考慮到直排式真空預(yù)壓法可以節(jié)省中粗砂墊層，成本更節(jié)約，因此，直排式真空預(yù)壓的運(yùn)用仍有較好的市場(chǎng)前景。

3）本次真空預(yù)壓試驗(yàn)后確定本工程大面積地基處理主要采用傳統(tǒng)真空預(yù)壓法，輔以部分直排式工藝，為大面積處理提供了設(shè)計(jì)和施工參數(shù)。4）真空預(yù)壓新工藝的工程實(shí)例日益增多，因其處理效果還不穩(wěn)定，還需對(duì)真空傳遞接口、排水板形式等進(jìn)行試驗(yàn)與對(duì)比，需在加固時(shí)間、效果、經(jīng)濟(jì)性等方面積累不同地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，逐步推廣應(yīng)用并進(jìn)入規(guī)范。