真空預(yù)壓在超低滲透軟粘土中的應(yīng)用研究

蔡學(xué)石，劉孟孟，薛潤(rùn)澤，王 洋, 徐滿意，劉瑞良

(1.大連東港商務(wù)區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，大連 116001；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

我國(guó)海岸線長(zhǎng)約1.8萬(wàn)km，由于長(zhǎng)期的搬運(yùn)和沉積作用，我國(guó)東南沿海大部分地區(qū)和沿海河流中下游地區(qū)廣泛分布著淤泥質(zhì)沉積層，該淤泥質(zhì)沉積層的主要特點(diǎn)是土體顆粒小，粘粒含量高、滲透性差、含水率高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低[1]。此外，第四次圍海造陸工程熱潮的建設(shè)進(jìn)入末期后，我國(guó)尚存留一批軟基加固“難點(diǎn)工程”，如大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地工程等，這些工程普遍特點(diǎn)是吹填造陸區(qū)域深度大、吹填海相土滲透性差、含水率高。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，大量建(構(gòu))筑物如工業(yè)廠房、港口碼頭、機(jī)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、堆場(chǎng)、高速公路、房屋等都需要建設(shè)在這種軟土地基之上，若直接在這種未處理的軟弱地基上修建施工，會(huì)產(chǎn)生地基總體沉降量大、不均勻沉降嚴(yán)重、承載力低、穩(wěn)定性差的現(xiàn)象，無(wú)法滿足實(shí)際工程的需求，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量安全[2-4]。針對(duì)這一問(wèn)題，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《“平安百年品質(zhì)工程”建設(shè)研究推進(jìn)方案》，將“特殊土路基的填筑與沉降控制技術(shù)”和“水工結(jié)構(gòu)沉降位移過(guò)大和不均勻沉降問(wèn)題防治”列為推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。

采用真空預(yù)壓進(jìn)行軟基處理的方法最早由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院Kjellman提出，并初步論證了真空預(yù)壓的機(jī)理并建立真空預(yù)壓加固軟土地基一維問(wèn)題的最終效果圖[5]。Mertirosym求解拉普拉斯方程繪制二維真空預(yù)壓的滲流流網(wǎng)，小林正樹(shù)采用有限元求解真空預(yù)壓三維問(wèn)題的數(shù)值解[6]。以上研究主要側(cè)重采用真空預(yù)壓加固的最終效果，屬于穩(wěn)定滲流的問(wèn)題。1980年以來(lái)，中交一航局、南京水利科學(xué)院和天津大學(xué)等單位對(duì)真空預(yù)壓的機(jī)理進(jìn)行研究。陳環(huán)、高志義、錢家歡等對(duì)真空預(yù)壓固結(jié)問(wèn)題進(jìn)行研究，指出地基土在負(fù)壓作用下固結(jié)，盡管和堆載預(yù)壓的邊界條件存在差別，但和正壓作用下的固結(jié)問(wèn)題基本相同，因此固結(jié)方程形式和堆載預(yù)壓一致，只是邊界條件不同[7]。龔曉南、岑仰潤(rùn)總結(jié)前人研究經(jīng)驗(yàn)提出真空預(yù)壓存在兩個(gè)基本問(wèn)題，一是最終效果問(wèn)題，二是固結(jié)問(wèn)題，即變形、孔壓、有效應(yīng)力和強(qiáng)度等參數(shù)隨時(shí)間的變化[8]。因此，必須從這樣兩個(gè)角度出發(fā)才能系統(tǒng)論述真空預(yù)壓加固軟土地基的機(jī)理。此后，采用真空預(yù)壓方法進(jìn)行軟基處理技術(shù)逐漸成熟，天津大學(xué)、交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院、南京水利科學(xué)研究院、浙江大學(xué)、中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院等多家單位對(duì)真空預(yù)壓方法進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)研究和實(shí)際工程應(yīng)用[9-11]，真空預(yù)壓軟基處理技術(shù)的施工工藝和設(shè)計(jì)方法也不斷完善和創(chuàng)新，使我國(guó)真空預(yù)壓技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，真空預(yù)壓技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用，在我國(guó)港口碼頭、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)和高速公路等重大基礎(chǔ)性工程中得到應(yīng)用，并取得了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

但值得注意的是，以往真空預(yù)壓技術(shù)主要應(yīng)用于高滲透性軟基固結(jié)工程，如天津港等。目前已有研究較少涉及真空預(yù)壓在低滲透性軟基工程中的處理應(yīng)用，低滲透性軟基加固工程的加固效果不僅受真空度、排水板布置工藝和地基墊層等方面的影響，還受制于如何打破低滲透性土體固有特性的影響，這也是目前真空預(yù)壓工藝有待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

1 試驗(yàn)概況

為詳細(xì)探究真空預(yù)壓技術(shù)在低滲透性軟粘土中的處理加固效果，排除室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)的比尺效應(yīng)和邊界效應(yīng)，特選定遼東半島某圍海造陸工程作為試驗(yàn)地點(diǎn)。選定的人工島試驗(yàn)場(chǎng)地總陸域形成面積20.29 km2，區(qū)域水域底標(biāo)高-5.0～-6.0 m，回填區(qū)陸域交工標(biāo)高3.1～4.85 m，清淤換填區(qū)回填標(biāo)高為2.7 m，納泥區(qū)吹填標(biāo)高為5.0 m和5.5 m，吹填淤泥厚度約10.5 m。

由于試驗(yàn)場(chǎng)地吹填淤泥具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、密度小、強(qiáng)度低、滲透性小等特點(diǎn)，工作墊層的設(shè)置及吹填淤泥層的處理較常規(guī)軟基處理項(xiàng)目難度大，故本次試驗(yàn)共布置6組對(duì)照試驗(yàn)，分別考察膜下處理方式、排水板深度、排水板類型和排水板間距對(duì)真空預(yù)壓處理效果的影響，試驗(yàn)組次如表1所示，對(duì)照試驗(yàn)分區(qū)平面布置圖如圖1所示。土體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)組次對(duì)照表Tab.1 Test group comparison

注：試驗(yàn)區(qū)面積為80 m×120 m，排水板I表示濾膜等效孔徑O95為0.05～0.075 mm，排水板II表示濾膜等效孔徑O98為0.075～0.13 mm，2～3組次三維排水網(wǎng)是在吹填土上直接鋪設(shè)排水網(wǎng)墊層(如圖2-d所示)。

本次試驗(yàn)采用對(duì)照參考的方式，通過(guò)在地基處理試驗(yàn)區(qū)埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)、沉降標(biāo)、真空表、水位儀等對(duì)地基處理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探究真空預(yù)壓施工工藝對(duì)低滲透性軟粘土的處理加固效果。

表2 吹填土的物理性質(zhì)Tab.2 Physico-mechanical parameters of soil

圖1 對(duì)照試驗(yàn)分區(qū)平面布置及真空預(yù)壓示意圖Fig.1 Section plan of test group comparison and vacuum preloading

2-a 試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)2-b 排水板布設(shè)安裝2-c 真空預(yù)壓布設(shè)完成2-d 三維排水網(wǎng)墊層圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.2 Picture of field test

試驗(yàn)場(chǎng)地平整完成后，回填中粗砂作為水平向排水墊層，其中中粗砂含泥量不大于5%，砂墊層厚度為1.0 m。然后按照表1安排打設(shè)塑料排水板，板芯采用原生料，排水板正方形布置，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，排水板的打設(shè)嚴(yán)格遵守《水運(yùn)工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTS206)的有關(guān)規(guī)定，施工現(xiàn)場(chǎng)排水板用帆布覆蓋以防日曬雨淋加速材料老化，打板前后均采用10 m×10 m方格網(wǎng)測(cè)出加固區(qū)各點(diǎn)高程，以便推算打板期間沉降量。塑料排水板打設(shè)完成并驗(yàn)收合格后，采用砂墊層砂料仔細(xì)填滿打設(shè)時(shí)在板周圍形成的孔洞，在埋設(shè)板頭前及時(shí)清理干凈塑料排水板在打設(shè)過(guò)程中帶出的淤泥，以及現(xiàn)場(chǎng)的雜物，以便更好地形成排水通道，并將板頭埋入砂墊層中，埋設(shè)方向與砂面平行，以確保排水暢通，同時(shí)防止刺破密封膜。布設(shè)濾管時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)濾管、二通、三通和四通的數(shù)量及布置做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以確保濾管排水通暢，同時(shí)埋設(shè)膜下真空度、地表沉降、深層分層沉降、孔隙水壓力、地下水位、深層水平位移、排水板內(nèi)真空度等監(jiān)測(cè)儀器。為保證軟基處理加固效果，抽真空滿載14 d后，開(kāi)始分級(jí)加載，聯(lián)合堆載料采用0.5 m厚粉細(xì)砂保護(hù)層和4.5 m厚開(kāi)山石土，分三級(jí)堆載，每級(jí)1.5 m。堆載完成后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地基土層沉降，待沉降穩(wěn)定后停泵卸載，真空預(yù)壓結(jié)束。通過(guò)各試驗(yàn)組次地基沉降的差異情況，分析探究真空預(yù)壓施工工藝對(duì)低滲透性軟粘土的處理加固效果，以確定最優(yōu)試驗(yàn)方案。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 真空度

試驗(yàn)開(kāi)始后，隨著抽真空時(shí)間的延續(xù)，膜下真空度在14 d內(nèi)上升到85 kPa，真空度隨時(shí)間變化過(guò)程見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，抽真空后，膜下真空度很快達(dá)到80 kPa，然后緩慢增加到16 d后的85 kPa左右，然后隨著時(shí)間的增加，膜下真空度逐漸緩慢下降并達(dá)到穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在70 kPa。試驗(yàn)1區(qū)(1-1、1-2、1-3)和試驗(yàn)2區(qū)(2-1、2-2、2-3)膜下真空度的數(shù)值和趨勢(shì)均保持相對(duì)一致。

圖3 各組試驗(yàn)區(qū)膜下真空度Fig.3 The vacuum under membraneof each test group

2.2 沉降

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)千分表測(cè)量了真空預(yù)壓聯(lián)合堆載過(guò)程中土體表面的沉降量，試驗(yàn)過(guò)程中土體表面沉降隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。為減小各組試驗(yàn)的誤差，試驗(yàn)1-1、1-3、2-1、2-3組次中布置了6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)1-2和2-2組次中布置了3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每組試驗(yàn)結(jié)果在分析時(shí)采用均值化處理。

4-a 1-1組次地基沉降量結(jié)果

4-b 1-2組次地基沉降量結(jié)果

4-c 1-3組次地基沉降量結(jié)果

4-d 2-1次地基沉降量結(jié)果

4-e 2-2次地基沉降量結(jié)果

4-f 2-3次地基沉降量結(jié)果圖4 各對(duì)照組試驗(yàn)沉降曲線Fig.4 Experimental settlement curve of each test group

由圖3可知，在真空預(yù)壓試驗(yàn)開(kāi)始后，土體沉降發(fā)展很快，基本呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)一級(jí)堆載(累計(jì)21.3 kPa)荷載施加后，沉降速率迅速增大，同時(shí)沉降迅速增加，此時(shí)土體沉降仍呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)；當(dāng)二級(jí)堆載(累計(jì)42.6 kPa)荷載施加后，土體沉降速率再次增加，但速率增加幅度較一級(jí)堆載相比有所降低，此階段土體沉降介于線性增長(zhǎng)和指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)之間；當(dāng)三級(jí)堆載(累計(jì)63.9 kPa)荷載施加后，土體沉降速率在荷載時(shí)間的短期時(shí)間內(nèi)迅速增加，但隨著時(shí)間的增加，沉降速率明顯下降，呈現(xiàn)明顯的指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，并最終沉降趨于穩(wěn)定值。

將上述結(jié)果進(jìn)行均值匯總處理，結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)最終平均沉降量Tab.3 The final average settlement of each testsgroup m

由表3可知，由于真空預(yù)壓關(guān)鍵控制參數(shù)的不同，導(dǎo)致最終試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)劣不一，6組試驗(yàn)結(jié)果最終平均沉降量介于1.699～2.169 m之間。為詳細(xì)分析真空預(yù)壓不同關(guān)鍵控制參數(shù)的效果，結(jié)合前文表1可知，6組試驗(yàn)結(jié)果可組合成4組對(duì)照試驗(yàn)，分別考察排水板間距、排水板深度、排水板類型和膜下處理方式(鋪設(shè)砂墊層、無(wú)砂墊層直排式、三維排水網(wǎng)墊層)對(duì)真空預(yù)壓固結(jié)效果的影響。

表4 最優(yōu)因素分析Tab.4 Optimal factor analysis

由表4中試驗(yàn)1-1和試驗(yàn)1-2可知，在排水板布置間距方面，0.8 m間距的最終沉降量為1.921 m，優(yōu)于1.0 m間距的最終沉降量1.699 m，間距縮小0.2 m后加固效果可提高13.07%；對(duì)比試驗(yàn)1-2和試驗(yàn)2-1可知，對(duì)于單一的排水板深度(20 m)，采用長(zhǎng)短板相結(jié)合(10 m、20 m間隔布置)的方式可有效增加真空預(yù)壓固結(jié)效果，土體表層最終沉降量可由1.699 m躍升至2.169 m，加固結(jié)果可提升27.66%；選取濾膜等效孔徑O95為0.05～0.075 mm規(guī)格的排水板I和濾膜等效孔徑O98為0.075～0.13 mm規(guī)格的排水板II，試驗(yàn)結(jié)果表明較大的濾膜等效孔徑可有效提高排水板真空度的傳遞效率，從而加強(qiáng)真空預(yù)壓效果，從試驗(yàn)結(jié)果看，選用排水板II可較排水板I加固效果提升8.17%；此外，針對(duì)土體表面膜下處理方式的影響，選取了傳統(tǒng)砂墊層+綁扎式、無(wú)砂墊層+直排式和三維排水網(wǎng)+綁扎式三種方案進(jìn)行對(duì)比分析，分別應(yīng)用于試驗(yàn)區(qū)1-1、1-3和2-3，現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果表明傳統(tǒng)砂墊層式處理方式效果最佳(沉降為1.921 m)，無(wú)砂墊層+直排式處理方式次之(沉降為1.909 m)，三維排水網(wǎng)+綁扎式處理效果最差(沉降為1.878 m)，這是由于傳統(tǒng)砂墊層式處理方式可有效傳遞膜下真空度，且表層管路由于有砂墊層的保護(hù)作用，很少甚至不會(huì)發(fā)生表層負(fù)壓管路在高負(fù)壓下產(chǎn)生的“抽扁”現(xiàn)象，而無(wú)砂墊層+直排式處理方式普遍存在該現(xiàn)象，三維排水網(wǎng)處理雖然一定程度上提高了膜下真空度的傳遞效率，但采用傳統(tǒng)的排水板綁扎式處理方式又減緩了負(fù)壓沿排水板的傳遞效率，綜合上述試驗(yàn)結(jié)果分析可以預(yù)測(cè)采用三維排水網(wǎng)+直排式處理效果將會(huì)大大提高真空預(yù)壓效率，甚至達(dá)到采用傳統(tǒng)砂墊層處理方式的效果。

3 結(jié)論

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，探究了真空預(yù)壓技術(shù)在低滲透性軟粘土中的處理加固效果，設(shè)計(jì)了6組試驗(yàn)組次共4組對(duì)照試驗(yàn)，分析了膜下處理方式、排水板深度、排水板類型和排水板間距對(duì)真空預(yù)壓處理效果的影響。對(duì)于該工程中的超低滲透性軟粘土，試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)排水板間距為0.8 m的分布型式優(yōu)于間距為1.0 m的分布型式，可提高13.07%的加固效果；(2)采用長(zhǎng)短板相結(jié)合的分布方式較單一長(zhǎng)度的排水板處理方式，可有效提高真空預(yù)壓的處理效果，加固結(jié)果可提升27.66%；(3)采用較大的濾膜等效孔徑可有效提高排水板真空度的傳遞效率，從而加強(qiáng)真空預(yù)壓效果；(4)傳統(tǒng)鋪設(shè)砂墊層的膜下處理方式雖然效果最佳，但考慮到施工成本和時(shí)間成本的因素，可采用三維排水網(wǎng)+直排式處理的方式進(jìn)行替代。