真空預(yù)壓法在沿海軟基加固中應(yīng)用與分析
——以福州沿海某工業(yè)園區(qū)軟基加固工程為例

郭堯順

(福建省華廈能源設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，各類大規(guī)模的工業(yè)園區(qū)在全國各地落地生根。為解決園區(qū)的用地問題，在沿海一帶常是圍海造陸用于園區(qū)的建設(shè)，往往在該類園區(qū)內(nèi)分布有大厚度的飽和軟土層。該類軟土層一般呈流塑狀態(tài)，自身天然含水量大，壓縮性高，承載力低，且具有透水性差、排水固結(jié)慢的特點(diǎn)。在上部荷載及軟土自重的持續(xù)作用下，該類軟土層將會(huì)長期緩慢地固結(jié)沉降，導(dǎo)致園區(qū)路面、地面、地下管網(wǎng)在工后相當(dāng)長時(shí)間持續(xù)沉降破壞，勢(shì)必影響園區(qū)正常作業(yè)，甚至?xí)虻叵鹿芫W(wǎng)破裂而導(dǎo)致有毒化工產(chǎn)品泄漏，造成重大中毒及爆炸安全事故。

真空預(yù)壓法作為一種重要的軟基加固方法，在我國得到了推廣應(yīng)用。本文以福州沿海某工業(yè)園區(qū)的軟土地基加固工程作為工程實(shí)例，從方案布置及固結(jié)度、沉降變形量驗(yàn)算等方面，分析探討了真空預(yù)壓法在沿海軟土地基加固中的應(yīng)用，并得到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，以求能給相類似的軟基加固工程提供參考與借鑒。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

工程場(chǎng)地位于福州福清市某工業(yè)園區(qū)內(nèi)，占地面積約54.4萬m2(約合816畝)，擬建設(shè)MDI、甲醛、ODC鹽酸電解等化工生產(chǎn)裝置及配套的輔助設(shè)施、公用工程等。場(chǎng)地原為濱海潮間地帶，后期人工圍海造陸形成陸域，表層填砂層之下分布有典型的海相沉積軟土層(②淤泥質(zhì)土層)，今后場(chǎng)地尚需回填土約2.5m高。為解決場(chǎng)地地基沉降變形及承載力問題，該工程在建設(shè)前選擇真空預(yù)壓法對(duì)填砂層下的軟基土層(②淤泥質(zhì)土層)進(jìn)行預(yù)壓排水固結(jié)加固處理。

根據(jù)場(chǎng)地條件及周邊環(huán)境，該地基加固處理范圍為該工程用地紅線向內(nèi)退讓約20m～30m的所有區(qū)域，擬處理總面積約48萬m2，內(nèi)退未處理區(qū)域根據(jù)用地功能另行進(jìn)行軟基處理。為滿足項(xiàng)目分區(qū)交工及規(guī)范[1-2]要求，該工程場(chǎng)地共分為A、B、C、D、E…等15個(gè)加固區(qū)，每個(gè)加固區(qū)面積控制在2～4萬m2之內(nèi)。

為便于闡述，本文選擇其中具代表性的D加固區(qū)為工程實(shí)例。D加固區(qū)為一塊約192m×189m方形地塊，占地面積約3.63萬m2，現(xiàn)地面標(biāo)高約3m，地面較平坦，后期尚需回填高約2.5m至設(shè)計(jì)地面標(biāo)高。場(chǎng)地巖土層自上而下主要為：①回填中砂層，呈松散狀態(tài)，平均厚度約2.5m，回填時(shí)間約8年；②淤泥質(zhì)土層，呈流塑狀，為高壓縮性的軟弱土層，平均厚度約15.0m；③圓礫層，呈稍密～中密狀，平均厚度約5.0m，其下臥層為風(fēng)化巖層。各巖土層相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層相關(guān)參數(shù)

1.2 軟基加固設(shè)計(jì)

擬加固的②淤泥質(zhì)土層受到上部前期回填中砂層的荷載作用，利用單向(豎向)滲流固結(jié)理論計(jì)算其平均固結(jié)度已達(dá)到96.7%，且依據(jù)土工固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算其超固結(jié)比OCR≈1，故,擬加固的②淤泥質(zhì)土層可視為正常固結(jié)土。

該工程在擬加固的②淤泥質(zhì)土層中布設(shè)SPB-C型塑料排水帶作為豎向排水體，加快軟土層排水固結(jié)。排水帶間距按1m×1m正方形排列布設(shè)，打設(shè)深度按②淤泥質(zhì)土層的層底標(biāo)高向上0.5m控制，不穿透②淤泥質(zhì)土層。

利用場(chǎng)地表層①回填中砂層作為水平排水墊層。加固區(qū)周邊的密封措施采用淤泥攪拌樁密封墻及密封溝，沿加固區(qū)邊界設(shè)置，結(jié)合密封膜將加固區(qū)連成一連續(xù)的密封體。淤泥攪拌樁布置兩排，橫縱向互相搭接200mm，施工深度至嵌入②淤泥質(zhì)土層不少于2m。

采用射流真空泵作為真空抽氣設(shè)備，按每臺(tái)設(shè)備可抽真空面積1000m2考慮，沿加固區(qū)四周均勻布置，共布置36臺(tái)真空泵。濾管按主管30m間距、支管5m間距布置。密封膜上覆水深度1m，膜下真空度要求達(dá)到86.7kPa以上。試抽真空恒定后進(jìn)入正式抽真空階段，膜下真空度達(dá)到設(shè)計(jì)要求之日作為加載計(jì)時(shí)起點(diǎn)，加載過程視為瞬時(shí)加載。

真空預(yù)壓卸載須滿足以下條件：(1)滿載預(yù)壓時(shí)間達(dá)到90d以上；(2)實(shí)測(cè)的平均沉降速率連續(xù)5d小于2mm/d；(3)按實(shí)測(cè)沉降曲線推算的軟土固結(jié)度達(dá)到90%以上。另外，加固后的②淤泥質(zhì)土層承載力特征值需達(dá)到80kPa以上。

軟基加固設(shè)計(jì)方案布置如圖1～圖2所示。

圖1 斷面布置示意圖

圖2 真空泵及濾管平面布置示意圖

1.3 固結(jié)度驗(yàn)算

1.4 沉降變形量估算

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

為了對(duì)軟基加固施工過程進(jìn)行全程監(jiān)控，確保工程質(zhì)量和安全，D加固區(qū)預(yù)壓過程對(duì)膜下真空度、地基變形(表層沉降、分層沉降、側(cè)向位移)、孔隙水壓力、地下水位以及加固區(qū)周邊建構(gòu)筑物等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)周期至軟基加固達(dá)到要求并卸載后。該工程D加固區(qū)滿載預(yù)壓總時(shí)長95d。

2.1 膜下真空度監(jiān)測(cè)

D加固區(qū)共均勻布置8個(gè)膜下真空度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每3h觀測(cè)1次，全程監(jiān)測(cè)到的膜下真空度范圍值為86.9kPa～99.0kPa，平均值92.8kPa，滿足膜下真空度需達(dá)到86.7kPa以上的要求。

2.2 表層沉降監(jiān)測(cè)

D加固區(qū)共均勻布置45個(gè)表層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。經(jīng)分析45個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)，表層沉降量范圍值701mm～929mm，平均沉降量820mm。整體而言，固結(jié)沉降較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)位于加固區(qū)的中部一帶，越往加固區(qū)邊緣，沉降呈逐步減少趨勢(shì)，沉降較小的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)位于加固區(qū)邊緣一帶，說明加固區(qū)邊緣的加固效果不如中部。究其因主要是由于加固區(qū)邊緣一帶的真空度會(huì)向加固區(qū)外部擴(kuò)散而影響到加固效果的緣故。

以最大沉降量、最小沉降量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)和45個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均沉降數(shù)據(jù)，繪制表層沉降時(shí)間-沉降量曲線圖，如圖3所示。根據(jù)時(shí)間-沉降量曲線圖，t135d、t265d、t395d的平均沉降量分別為s1619mm、s2755mm、s3820mm，依據(jù)公式：

圖3 表層沉降時(shí)間-沉降量曲線圖

2.3 分層沉降監(jiān)測(cè)

D加固區(qū)共均勻布置3組分層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在②淤泥質(zhì)土層面以下1m、3m、5.5m、8.5m、11.5m、14.5m、17.5m深度處分別埋設(shè)沉降磁環(huán)。根據(jù)3組沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)同一深度的平均沉降量數(shù)據(jù)，繪制時(shí)間-沉降量曲線圖，如圖4所示。經(jīng)測(cè)算分析，整體相對(duì)而言，土層表部單位厚度土體的固結(jié)沉降量較大，隨著土層深度的增加，其單位厚度土體的固結(jié)沉降量在逐步減少，說明隨著土層深度的增加加固效果逐步減弱。采用雙曲線法推算的土層平均固結(jié)度為90.8%～93.9%，大于90%，符合預(yù)壓卸載標(biāo)準(zhǔn)，且滿足設(shè)計(jì)對(duì)固結(jié)度的要求。

圖4 分層沉降時(shí)間-沉降量曲線圖

2.4 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

2.5 地下水位、側(cè)向位移及周邊建構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)

在D加固區(qū)距壓膜溝外邊緣1.0～1.5m處，共布置5個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)和5個(gè)側(cè)向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在周邊已有建構(gòu)筑物上共布置6個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)壓期的地下水位變化幅度533～678mm，場(chǎng)地側(cè)向位移量0～91.6mm，周邊已有建構(gòu)筑物豎向沉降變形量0～3.2mm、水平位移變形量0～3.4mm，均未見明顯異常的現(xiàn)象，符合預(yù)期。

3 加固效果檢測(cè)分析

真空預(yù)壓前后，對(duì)D加固區(qū)分別進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)及鉆孔取土試驗(yàn)等檢測(cè)項(xiàng)目，檢測(cè)軟基加固效果，并進(jìn)行預(yù)壓前后對(duì)比分析。試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)按間距80m～100m網(wǎng)格狀布置，共布置9個(gè)靜力觸探試驗(yàn)點(diǎn)、9個(gè)十字板剪切試驗(yàn)點(diǎn)和9個(gè)鉆孔取土點(diǎn)，前后兩次檢測(cè)位置相距約1.0m，取樣及試驗(yàn)深度為加固深度范圍內(nèi)。

預(yù)壓前檢測(cè)在打設(shè)排水帶之前進(jìn)行，預(yù)壓后檢測(cè)在卸載14d之后進(jìn)行。預(yù)壓加固前后的②淤泥質(zhì)土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。對(duì)比可知，預(yù)壓加固后的②淤泥質(zhì)土層物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)均得到很大程度改善，土層承載力特征值從60kPa增長到84kPa，表明軟基加固效果明顯，達(dá)到了預(yù)期效果，且滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 加固效果對(duì)比表

4 結(jié)論

(1)該工程采用真空預(yù)壓法對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的軟基土層(②淤泥質(zhì)土層)進(jìn)行預(yù)壓排水固結(jié)加固處理，依據(jù)多種監(jiān)測(cè)、檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，實(shí)測(cè)沉降量以及推算的沉降量、固結(jié)度均與理論計(jì)算值相近，未見明顯異?，F(xiàn)象，符合預(yù)期，且加固處理后的軟基土層(②淤泥質(zhì)土層)物理指標(biāo)及力學(xué)指標(biāo)均得到很大程度的改善，表明軟基加固效果明顯，技術(shù)上可行，且滿足規(guī)范[1-2]及設(shè)計(jì)要求。

(2)真空預(yù)壓法加載時(shí)不存在超載的地基穩(wěn)定問題，可瞬時(shí)加載，相對(duì)堆載預(yù)壓法而言可大大縮短超載預(yù)壓時(shí)間，縮短工期，且避免了堆載料取土對(duì)環(huán)境的破壞及揚(yáng)塵污染等問題，也不存在預(yù)壓后超載部分的棄土問題。真空預(yù)壓法具有能耗小、造價(jià)低、無噪音、無污染等諸多特點(diǎn)，尤其類似該工程這種大面積、大厚度的軟基加固處理，產(chǎn)生的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益就更為明顯。

(3)真空預(yù)壓加固區(qū)中部的加固效果相對(duì)好于加固區(qū)邊緣，且加固效果隨土層深度的增加逐步減弱。在大型大面積的真空預(yù)壓加固區(qū)分塊應(yīng)盡可能大且呈方形，面積以2～4萬m2為宜，不僅方便施工加快工程進(jìn)度，也有利于消除軟基更多的固結(jié)沉降量。

(4)由于軟基處理屬于隱蔽性工程，在施工中應(yīng)采用科學(xué)的監(jiān)測(cè)、檢測(cè)方法，信息化施工，以保證施工質(zhì)量及加固效果。