真空井點(diǎn)降水、擠密砂樁聯(lián)合淺層強(qiáng)夯在軟基處理中的應(yīng)用

姚寶寬，劉 聰，李全軍，李傳勛

（1.江蘇省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212111；2.江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

我國東南沿海地區(qū)土地資源供求矛盾日益突出。為緩解城市土地資源短缺現(xiàn)狀，近年來沿海城市大力發(fā)展圍海造陸工程以解決建筑、機(jī)場、港口碼頭建設(shè)用地需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國填海造陸面積已達(dá)11 000～12 000 km2[1]。在砂石材料緊缺，節(jié)能減排及疏浚淤泥再利用的趨勢下，疏浚淤泥正逐漸成為主要的吹填材料之一，其形成的吹填土地基具有壓縮性高、含水量大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)[2]，該類地基必須進(jìn)行處理后方可使用。常用的軟土地基處理方法有置換法、振密擠密法（如擠密砂樁法、強(qiáng)夯法）、排水固結(jié)法（如真空預(yù)壓法、真空井點(diǎn)降水法）等[3]。

真空井點(diǎn)降水又叫輕型井點(diǎn)降水，通過布設(shè)井管并利用抽真空設(shè)備來降低地下水位，具有排水量大、施工周期短、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)降水深度小于6 m且含水層的滲透系數(shù)較小時(shí)采用該方法效果更優(yōu)。真空井點(diǎn)降水對設(shè)備安裝要求嚴(yán)格，防止井管漏氣導(dǎo)致真空度降低影響排水效果。降水過程中附近地表沉降大，地基承載力提高效果不明顯。

較于真空井點(diǎn)降水法，Kjellman[4]于1952年提出真空預(yù)壓法，該方法通過設(shè)置豎向排水通道（如砂井、塑料排水板等）在地基表面鋪設(shè)砂墊層（砂墊層作為橫向排水通道縮短排水時(shí)間）及覆蓋不透氣密封膜，利用真空裝置對排水體系抽氣，使地基內(nèi)部形成負(fù)壓區(qū)，在負(fù)壓作用下，孔隙水通過豎向排水通道排出，達(dá)到排水固結(jié)、地基強(qiáng)度增長的效果。真空預(yù)壓的成敗取決于密封膜下真空度的大小。于志強(qiáng)和朱耀庭[5]對真空預(yù)壓施工區(qū)四周進(jìn)行密封墻防滲處理，處理后真空度達(dá)到80 kPa以上。夏玉斌和陳允進(jìn)[6]在傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出直排式真空預(yù)壓，真空度較傳統(tǒng)方法高出10%～50%，大幅度提高真空利用率。王雙成等[7]對分層真空預(yù)壓開展試驗(yàn)研究。采用分層真空預(yù)壓能夠使地基內(nèi)部維持較高的真空度，提高土體排水固結(jié)效率，有效限制傳統(tǒng)真空預(yù)壓在處理吹填土?xí)r真空度衰減快，土體固結(jié)不足等問題。真空預(yù)壓技術(shù)已發(fā)展成熟，但諸多研究表明[8-10]，采用真空預(yù)壓處理軟弱地基時(shí)，地基變形過大會(huì)導(dǎo)致塑料排水板彎曲，進(jìn)而導(dǎo)致豎向排水量減少。真空預(yù)壓在疏浚淤泥時(shí)塑料排水板易淤堵，導(dǎo)致地基承載力提高幅度不夠。

盡管真空井點(diǎn)降水和真空預(yù)壓可有效降低地下水及加速孔隙水的消散，達(dá)到快速排水固結(jié)的目的，但加固后的地基承載力增強(qiáng)有限，常常導(dǎo)致處理后的地基承載力仍然達(dá)不到實(shí)際工程的要求。

為更多地提高處理后的地基承載力，采用復(fù)合地基技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑之一，例如擠密砂樁技術(shù)。擠密砂樁是復(fù)合地基的一種，通過振搗、擠密等方式將密實(shí)砂土填入要處理的軟土地基中，這一過程使樁間土體受擠壓而密實(shí)，另一方面打入的砂樁具有更高的強(qiáng)度，因而使得原地基的承載力提高、變形減小。實(shí)際工程和研究表明[11-13]，減少砂樁的間距可以達(dá)到承載力和變形的設(shè)計(jì)要求，而單一地加密砂樁往往造成造價(jià)偏高，在經(jīng)濟(jì)上造成浪費(fèi)。砂樁復(fù)合地基屬于散體材料樁復(fù)合地基，其承載力主要取決于樁周土的強(qiáng)度，如果將砂樁與降水措施有機(jī)結(jié)合，可提高軟基處理效果。

另外，最新有報(bào)道在散體材料樁復(fù)合地基處理后，在復(fù)合地基表面做低能強(qiáng)夯，有助于復(fù)合地基表面形成致密的硬殼層。

鑒于單一的采用一種地基加固方法往往達(dá)不到很好效果，且每種方法都有其適用范圍和局限性。于是周健等[14]采用低能量強(qiáng)夯聯(lián)合真空井點(diǎn)降水對粉質(zhì)黏土地基進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究，利用真空井點(diǎn)降水可有效降低地下水位及加快強(qiáng)夯產(chǎn)生的超孔隙水壓力的消散，避免出現(xiàn)“橡皮土”。孫運(yùn)青等[15]對砂樁聯(lián)合輕型井點(diǎn)降水處理吹填軟土地基的效果進(jìn)行分析，砂樁除了作為增強(qiáng)體形成復(fù)合地基效應(yīng)外，與輕型井點(diǎn)降水結(jié)合能快速降低地下水位，大約經(jīng)過150 h地下水位趨于穩(wěn)定。劉嘉等[16]將井點(diǎn)降水與強(qiáng)夯相結(jié)合。井點(diǎn)降水加速了強(qiáng)夯產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散，有效解決了強(qiáng)夯在處理飽和淤泥質(zhì)軟土?xí)r遇到的問題。李征[17]采用塑料排水板聯(lián)合擠密砂樁與堆載預(yù)壓三種工藝對軟土地基進(jìn)行處理。在預(yù)壓荷載作用下，排水板與擠密砂樁可作為豎向排水通道提高排水效率。隨著土體固結(jié)度的增加，樁周土體對樁體的約束力增大，地基強(qiáng)度得到提高。徐東升等[18]采用強(qiáng)夯置換砂樁對海相淤泥軟土地基進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明強(qiáng)夯置換過程中，超孔隙水壓力7 d左右基本上可完全消散，進(jìn)一步加快土體固結(jié)速度。

由上可知，采用兩種及兩種以上方法形成復(fù)合處理方法可得到更加滿意的效果?；诖?，本文將真空井點(diǎn)降水、擠密砂樁、淺層強(qiáng)夯三種工法結(jié)合在一起，砂樁在振密、擠密過程中會(huì)對樁周土體產(chǎn)生擾動(dòng)，增大樁間土的滲透系數(shù)及土體的密實(shí)度，真空井點(diǎn)降水則起到加速強(qiáng)夯產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散及降低地下水位的作用。砂樁填料采用一定配比的現(xiàn)場砂土料，不僅增加土體密實(shí)度還可作為豎向排水通道以加快地基土的固結(jié)。最后通過淺層強(qiáng)夯進(jìn)一步加固上部土體，提高復(fù)合地基承載力。該工藝能解決現(xiàn)有真空預(yù)壓、強(qiáng)夯等技術(shù)的缺陷，其加固深度可通過樁管的置入深度控制，便于施工過程的監(jiān)督和管理，以保證這一種工法、技術(shù)就能滿足不同層厚、不同深度、不同地質(zhì)條件的復(fù)雜軟土地基的加固處理。

1 工程概況

福建永榮科技二期軟基處理工程，場地位于莆田市秀嶼區(qū)東莊鎮(zhèn)湄洲灣港秀嶼港區(qū)石門澳作業(yè)區(qū)內(nèi)。在建場地為己內(nèi)酰胺化學(xué)材料生產(chǎn)基地，年產(chǎn)值60萬噸，一期工程規(guī)模為20萬噸/年，二期工程未建。為解決后期建設(shè)用地需求及滿足生產(chǎn)設(shè)備的使用，開展圍海造陸工程，2014年開始回填和吹填。為更好的進(jìn)行大面積地基處理，先在試驗(yàn)區(qū)開展施工。試驗(yàn)區(qū)選定有代表性區(qū)域（吹填土最厚、下臥淤泥最厚）。試驗(yàn)區(qū)采用填料夯實(shí)，東西長約2.45 km，寬約0.68 km，勘察面積約1.67 km2。試驗(yàn)場地原貌如圖1所示。本項(xiàng)目要求的技術(shù)參數(shù)為處理后的地基承載力達(dá)到70 kPa，沉降小于20 cm。

圖1 試驗(yàn)場地原貌Fig.1 The original appearance of the test site

2 工程地質(zhì)條件及水文條件

2.1 工程地質(zhì)條件

江蘇省巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院《福建永榮科技二期軟基處理設(shè)計(jì)勘察報(bào)告》揭示的各層土體物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示，土層壓縮曲線如圖2所示。

表1 土層物理性質(zhì)參數(shù)表Table 1 Physical property parameters of soil layers

圖2 土層壓縮曲線Fig.2 Soil compression curves

2.2 水文條件概述

場地內(nèi)的素填土（砂）屬強(qiáng)透水和強(qiáng)含水層，吹填土和淤泥屬不透水層，粉質(zhì)黏土屬弱透水弱含水層。

3 地基加固技術(shù)指標(biāo)要求

福建永榮科技二期軟基處理工程主要是解決淺部、中部軟弱土層。試驗(yàn)區(qū)加固深度達(dá)15 m左右，預(yù)期達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）加固的有效深度：15 m范圍內(nèi)。

（2）加固后的地基承載力特征值：fak≥70 kPa。

（3）加固后的地基沉降：＜20 cm。

4 方案選擇

本次軟基處理項(xiàng)目為造陸工程的一部分，其重點(diǎn)、難點(diǎn)是處理上部約5 m厚流塑狀粉質(zhì)黏土及下部約 10 m厚流塑狀欠固結(jié)淤泥。流塑狀粉質(zhì)黏土均勻性差，無法滿足施工設(shè)備的進(jìn)入。流塑狀欠固結(jié)淤泥層厚較深，天然含水量高，具有流變性、低透水性、低強(qiáng)度和不均勻性的特點(diǎn)。該層土在自然排水固結(jié)和剪切應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生緩慢而長久的沉降變形，對地基沉降、不均勻沉降及地基穩(wěn)定性均有不利影響?？紤]到以上問題，一般的地基加固方法無法滿足要求，通過方案比選，決定采用分層真空井點(diǎn)降水聯(lián)合擠密砂樁和強(qiáng)夯法對軟土地基進(jìn)行加固，其目的就是充分發(fā)揮各種處理方法的優(yōu)勢并盡量避免每種處理方法所面臨的劣勢。圖3為具體的擠密砂樁與真空井點(diǎn)降水示意圖。

圖3 擠密砂樁與真空井點(diǎn)降水示意圖Fig.3 Schematic diagram of sand compaction piles and vacuum well point dewatering

5 施工工藝

真空井點(diǎn)降水、擠密砂樁聯(lián)合淺層強(qiáng)夯的施工工藝流程如下：

施打密封墻→布設(shè)真空井點(diǎn)→分層降水→擠密砂樁施工→淺層強(qiáng)夯。

各施工工序主要內(nèi)容如下：

（1）施打密封墻：為提高砂樁施工質(zhì)量，確保加固區(qū)域不受外圍地下水的影響，在加固區(qū)域邊線外3～5 m處增設(shè)外圍密封墻。外圍密封墻采用深層攪拌樁的方法，攪拌樁樁徑70 cm，樁與樁搭接20 cm。對滲透系數(shù)較大的土層，需多攪多噴。

（2）布設(shè)真空井點(diǎn)：布點(diǎn)間距3.0 m×3.0 m，加固深度為粉質(zhì)黏土層以上。井點(diǎn)內(nèi)分別投入4、8、12、15 m四根不同長度的井管。4、8 m降水井管采用水沖法置入含水層內(nèi)，12、15 m降水井管將其放入鋼管中并灌入濾料（濾料為中粗砂），通過振動(dòng)上拔鋼管使降水井管置入含水層內(nèi)。當(dāng)井管沉入含水層內(nèi)即可連接支管，各支管再連接主管，主管再與抽真空設(shè)備相連，每一分層組成一回路，形成4、8、12、15 m四個(gè)回路。其中4、8 m井管采用鐵管，12、15 m井管采用PVC管，主管采用管徑為50 mm的PVC管。

（3）擠密砂樁施工：在外圍密封墻、真空井點(diǎn)布設(shè)完成后且地下水位下降4～6 m時(shí)，即可進(jìn)行擠密砂樁施工。砂樁間距 3.0 m×3.0 m，樁入土深12 m，采用逐級填料法，填料高度不超過0.5 m，保證提管時(shí)砂料有足夠高度。在夯管灌入所需砂及沙包土混合料后，夯錘頂在砂石混合料上，上提夯管。隨著夯管上提，夯管內(nèi)砂石料下落并在振動(dòng)作用下與軟弱土體混合并振密，上提2～3 m，將夯錘慢慢放下，夯擊數(shù)可根據(jù)土體情況確定，最后一擊夯沉量控制在5～10 cm。

（4）淺層強(qiáng)夯：在擠密砂樁施工完成后即可進(jìn)行強(qiáng)夯。強(qiáng)夯分兩遍點(diǎn)夯、一遍滿夯。第一遍點(diǎn)夯采用500 kN·m夯擊能，夯沉量如表2所示。第二遍點(diǎn)夯采用800 kN·m夯擊能，夯沉量如表3所示。第三遍滿夯采用1 000 kN·m夯擊能，夯沉量如表4所示。強(qiáng)夯施工過程中應(yīng)待前一遍強(qiáng)夯施工引起的土體孔隙水壓力消散達(dá)到90%以后再進(jìn)行下一遍強(qiáng)夯。強(qiáng)夯收錘標(biāo)準(zhǔn)以達(dá)到夯擊數(shù)且最后連續(xù)兩擊的夯沉量不小于10 cm進(jìn)行控制。

表2 第一遍點(diǎn)夯夯沉量Table 2 Sinking amount after the first point ramming

表2 第一遍點(diǎn)夯夯沉量Table 2 Sinking amount after the first point ramming

夯擊次數(shù) 夯前讀數(shù) 夯沉量 總夯沉量初值 1.37 0.00 0.00一擊 1.75 0.38 0.38二擊 2.01 0.26 0.64

表3 第二遍點(diǎn)夯夯沉量Table 3 Sinking amount after the second point ramming m

表4 滿夯夯沉量Table 4 Sinking amount after full ramming

表4 滿夯夯沉量Table 4 Sinking amount after full ramming

夯擊次數(shù) 夯前讀數(shù) 夯沉量 總夯沉量初值 1.18 0.00 0.00一擊 1.43 0.25 0.25二擊 1.58 0.15 0.40三擊 1.85 0.27 0.67四擊 1.95 0.10 0.77

6 處理效果分析

為驗(yàn)證分層真空井點(diǎn)降水聯(lián)合擠密砂樁和強(qiáng)夯對軟土地基加固后的效果，對加固前后土樣效果進(jìn)行分析，并分別給出靜力觸探試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、土工試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)各試驗(yàn)點(diǎn)在處理前后參數(shù)變化情況。

6.1 加固前后土樣效果對比

圖4、圖5為地基加固前后現(xiàn)場分區(qū)段取樣圖，取樣點(diǎn)設(shè)置在兩砂樁點(diǎn)間，取樣深度達(dá)16 m，主要分析樁間土的加固效果。

圖4 加固前土樣Fig.4 Soil sample before reinforcement

根據(jù)鉆孔取樣，各鉆孔5 m以下均由流塑狀淤泥質(zhì)土改變?yōu)橛倌噘|(zhì)粉砂土，局部土層為粉質(zhì)黏土。由圖5還可明顯看出，加固后的土層均勻性得到改善，取樣連續(xù)，密實(shí)度高，加固效果對比顯著。

圖5 加固后土樣Fig.5 Soil sample after reinforcement

6.2 靜力觸探試驗(yàn)

加固前后靜力觸探強(qiáng)度如表5所示。其中第一層土處理前為淤泥，處理后為粉質(zhì)黏土夾砂，部分位置含砂量較大。第二層土處理前為素填土（砂），處理后為中砂。第三層土處理前為淤泥、淤泥質(zhì)土，處理后為淤泥質(zhì)土及粉質(zhì)黏土。

表5 加固前后靜力觸探強(qiáng)度對比Table 5 Comparison of static penetration intensity before and after reinforcement

從表5可以看出，加固前后土層的錐尖阻力與錐側(cè)阻力平均值得到提高，其中3號樁點(diǎn)的提高幅度最為明顯，第一層土的錐側(cè)阻力平均值由2.59 kPa提高到12.66 kPa，提高了8.07 kPa；第二層土的錐側(cè)阻力平均值由 7.85 kPa提高到18.26 kPa，提高了10.41 kPa；第三層土的錐側(cè)阻力平均值由5.71 kPa提高到10.03 kPa，提高了4.32 kPa。

6.3 十字板剪切試驗(yàn)

十字板剪切試驗(yàn)共做了六組對比試驗(yàn)，選取其中二組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，如圖6、圖7所示。

圖6繪制了4號觀測點(diǎn)加固前后土體抗剪強(qiáng)度隨土層深度變化關(guān)系曲線。首先在0～6 m范圍內(nèi)，加固后的土體抗剪強(qiáng)度均高于加固前。當(dāng)土層深度達(dá)9 m時(shí)，抗剪強(qiáng)度提高幅度達(dá)到最大，此時(shí)的土體抗剪強(qiáng)度由加固前的2.2 kPa增長到11.2 kPa，強(qiáng)度提高了5倍。

圖6 觀測點(diǎn)4加固前后土體抗剪強(qiáng)度Fig.6 Soil shear strength before and after reinforcement at observation point 4

圖7繪制了5號觀測點(diǎn)加固前后土體抗剪強(qiáng)度隨土層深度變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在土層深度達(dá)11 m時(shí)，此時(shí)的土體抗剪強(qiáng)度增長幅度達(dá)到了最大值，抗剪強(qiáng)度由加固前的4 kPa增長到10.3 kPa。強(qiáng)度提高了2倍多。

圖7 觀測點(diǎn)5加固前后土體抗剪強(qiáng)度Fig.7 Soil shear strength before and after reinforcement at observation point 5

6.4 土工試驗(yàn)

加固前后土體物理力學(xué)性能指標(biāo)如表6所示。土工試驗(yàn)均以整個(gè)場地所取土樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表6 加固前后土體物理性能對比Table 6 Comparison of physical parameters of soil before and after reinforcement

由土工試驗(yàn)結(jié)果可明顯看出，處理后的地基土含水率、孔隙比、液性指數(shù)均大幅度下降，其中含水率由57.42%降至32.07%，降低44%，孔隙比由1.54降至0.95，降低38%，液性指數(shù)由1.72降至0.42，降低76%，說明分層真空井點(diǎn)降水聯(lián)合擠密砂樁與強(qiáng)夯法加固軟土地基有很好的效果。

6.5 載荷試驗(yàn)

荷載-沉降曲線如圖8所示。

圖8 荷載-沉降曲線Fig.8 Load-settlement curves

從圖中可以看出，加固后的軟土地基承載力和沉降均滿足設(shè)計(jì)要求，其中地基承載力達(dá)到200 kPa，最大試驗(yàn)荷載作用下三個(gè)觀測點(diǎn)處的沉降值均小于15 cm，進(jìn)一步表明分層真空井點(diǎn)降水聯(lián)合擠密砂樁與強(qiáng)夯法加固軟土地基具有一定的效果。

7 結(jié) 論

本文以福建永榮科技二期場地軟基處理工程為背景，深入分析分層真空井點(diǎn)降水聯(lián)合擠密砂樁和強(qiáng)夯的加固效果，主要獲得以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明：分層真空井點(diǎn)降水聯(lián)合擠密砂樁與強(qiáng)夯法處理后的場地樁間土體物理性能得到明顯改善，土體抗剪強(qiáng)度與錐尖阻力和錐側(cè)阻力都得到大幅度提升，說明本文的這種復(fù)合處理方法具有達(dá)到降低軟土含水量、提高軟土密實(shí)度、減少地基沉降的效果。

（2）加固后的樁間土地基承載力特征值均達(dá)到100 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）相同地質(zhì)條件下與其余軟基處理工藝相比，分層真空井點(diǎn)降水聯(lián)合擠密砂樁與強(qiáng)夯法具有處理工期短、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，可克服強(qiáng)夯法、真空井點(diǎn)降水法、傳統(tǒng)擠密砂樁法等單一加固方法的缺陷。