真空預(yù)壓加固吹填土地基承載力評(píng)估分析*

黃朝煊

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

0 引言

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速及海岸線土地資源短缺的情況下，吹填造地是沿海城市及區(qū)域發(fā)展的重要方式之一，浙江省沿海灘涂區(qū)分布有深厚海相淤泥，使用淤泥吹填更經(jīng)濟(jì)，實(shí)際工程多采用真空預(yù)壓加固吹填土地基[1-2]。

真空預(yù)壓法由瑞典巖土專(zhuān)家Kjellman[1]于20世紀(jì)50年代首先提出，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證加固效果。國(guó)內(nèi)于1957年首次進(jìn)行真空預(yù)壓加固地基試驗(yàn)研究，岑仰潤(rùn)[3]開(kāi)展了真空預(yù)壓加固地基試驗(yàn)與理論研究。吹填土通過(guò)真空預(yù)壓排水固結(jié)處理，使土體顆粒發(fā)生錯(cuò)位重新排列，進(jìn)而使土體顆粒更密實(shí)，提高土體抗剪強(qiáng)度[4]。

林孔錙[5]對(duì)淤泥土排水固結(jié)后地基抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析，并進(jìn)行堤防滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算；徐宏等[6]對(duì)真空預(yù)壓加固軟土地基抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析；閆澍旺等[7]對(duì)軟土地基排水固結(jié)后承載力特征值進(jìn)行研究；雷華陽(yáng)等[8]對(duì)吹填場(chǎng)區(qū)地基承載力特性與破壞模式進(jìn)行研究；黃朝煊等[9-15]對(duì)軟土地基預(yù)壓固結(jié)后抗剪強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化進(jìn)行分析，并對(duì)塑料排水板處理軟土地基進(jìn)行深入研究，為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考，文獻(xiàn)[16-18]對(duì)吹填土真空預(yù)壓處理技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析。

目前，對(duì)吹填土地基真空預(yù)壓處理后地基承載力特征值評(píng)估的研究較少，為此，依托浙江省舟山市某吹填工程，對(duì)真空預(yù)壓加固技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)真空預(yù)壓過(guò)程及相關(guān)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，并對(duì)加固后的吹填土地基承載力進(jìn)行評(píng)估，確保吹填工程順利驗(yàn)收，為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

本工程面積約4 666 667m2，現(xiàn)狀涂面高程-1.500～-2.200m，局部高程-3.000～-3.700m，地面建設(shè)標(biāo)高2.800m，需在現(xiàn)有圍墾區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行回填加高，總回填量約1 700萬(wàn)m3，利用淤泥土進(jìn)行吹填，采用真空預(yù)壓加固軟土地基[19]。設(shè)計(jì)吹填土場(chǎng)地標(biāo)高≥3.700m，真空預(yù)壓處理后場(chǎng)地平均標(biāo)高須達(dá)2.350m。

2 地基加固

由于圍墾區(qū)毗鄰大海，附近海涂淤泥土料儲(chǔ)量豐富，可考慮作為回填材料。為滿足業(yè)主提出的要求，采用淺層處理法對(duì)新吹填淤泥進(jìn)行處理，處理標(biāo)準(zhǔn)為：地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值50kPa，不控制工后沉降。本工程真空預(yù)壓加固如圖1所示，吹填土物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

圖1 真空預(yù)壓加固示意

表1 吹填土物理性質(zhì)指標(biāo)

場(chǎng)地吹填后晾置約30d，待吹填區(qū)明水全部排干，進(jìn)行真空預(yù)壓加固。定期測(cè)量吹填土晾置過(guò)程中孔隙比與含水率變化，如圖2所示。由圖2可知，吹填土晾置30d后，孔隙比由7.3降至3.5，含水率由268%降至120%，可知吹填土在大應(yīng)變自重固結(jié)作用下，土體強(qiáng)度得到一定程度提高。

圖2 孔隙比與含水率變化曲線

真空預(yù)壓加固步驟如下。

1)搭設(shè)浮橋

浮橋采用泡沫板和竹膠板等進(jìn)行搭設(shè)，浮橋兩側(cè)可綁扎竹桿。

2)鋪設(shè)土工編織布

為隔離淤泥并作為施工持力層，在淤泥面上鋪設(shè)200g/m2土工編織布。

3)布設(shè)真空管路

將排水板按設(shè)計(jì)長(zhǎng)度裁剪，纏繞在濾管上。將UPVC塑料管制成花管，外包1層90g/m2無(wú)紡?fù)凉げ己筮M(jìn)行真空管路布置。

4)人工插設(shè)排水板

采用SPB-B型排水板，在人工插設(shè)排水板過(guò)程中需檢查排水板與管路連接質(zhì)量，確保纏繞搭接。

5)鋪設(shè)無(wú)紡?fù)凉げ?/p>

排水板施工完成后，在其上方鋪設(shè)1層200g/m2無(wú)紡?fù)凉げ?，鋪設(shè)時(shí)需保證密封薄膜不被破壞。

6)鋪設(shè)密封薄膜

在無(wú)紡?fù)凉げ忌戏戒佋O(shè)2層0.12～0.14mm厚聚乙烯密封薄膜，并將加固區(qū)周邊薄膜踩入淤泥中，以便密封。

7)試抽真空

安裝真空泵，并試抽真空。真空泵均勻布置在場(chǎng)地中央，每1 000m2布置1臺(tái)。首先開(kāi)啟一半真空泵，然后逐漸增加真空泵開(kāi)啟數(shù)量。確認(rèn)無(wú)漏氣后，抽真空7～10d，待吹填土具有一定強(qiáng)度后開(kāi)啟全部真空泵。將真空度提高至80kPa，抽真空70～90d，達(dá)到設(shè)計(jì)卸載標(biāo)準(zhǔn)后停泵卸載。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為對(duì)真空預(yù)壓加固過(guò)程中真空度傳遞、土體孔隙水壓隨時(shí)間變化及地基沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，排水板插設(shè)完成后，在真空預(yù)壓區(qū)布置1個(gè)板內(nèi)真空度測(cè)試組和1個(gè)土中孔隙水壓測(cè)試組，真空度測(cè)針借助排水板進(jìn)行有效布置。排水板內(nèi)真空度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，真空度隨深度衰減曲線如圖4所示。

圖3 真空度隨時(shí)間變化曲線

圖4 真空度隨深度衰減曲線

由圖3，4可知，密封薄膜下真空度最大，且受土體側(cè)向土壓力作用影響，排水板內(nèi)真空度隨深度的增加逐漸衰減，衰減速率約為4.5kPa/m。

5m深度處土體孔隙水壓隨時(shí)間變化曲線如圖5所示，由圖5可知，孔隙水壓隨時(shí)間的增加逐漸減小，真空預(yù)壓40d后，孔隙水壓衰減為負(fù)值，自重應(yīng)力影響下的超靜孔隙水壓逐漸消散。

圖5 5m深度處土體孔隙水壓隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在真空預(yù)壓區(qū)埋設(shè)1組沉降儀，以便掌握地基變形情況。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制地基沉降隨時(shí)間變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，地基沉降隨時(shí)間的增加逐漸增大，真空預(yù)壓85d時(shí)的沉降達(dá)0.7m。

圖6 地基沉降隨時(shí)間變化曲線

4 真空預(yù)壓加固后地基承載力

4.1 不同理論計(jì)算公式得到的地基承載力

吹填土經(jīng)真空預(yù)壓加固后，物理力學(xué)指標(biāo)得到明顯改善，如表2所示。由表2可知，加固后的地基土為淤泥質(zhì)黏土，且土質(zhì)均一性較好，含水率標(biāo)準(zhǔn)值降低，濕密度標(biāo)準(zhǔn)值增加。

根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]第5.2.5條規(guī)定的地基承載力特征值計(jì)算公式，得到吹填土真空預(yù)壓加固后地基承載力特征值為35.03kPa，不滿足≥50kPa的設(shè)計(jì)要求，這是因?yàn)椤督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.5條計(jì)算公式限制了偏心距≤0.033倍基礎(chǔ)底面寬度，計(jì)算結(jié)果較保守。

根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[21]推薦的漢森公式得到吹填土真空預(yù)壓加固后地基承載力特征值為39.94kPa，不滿足≥50kPa的設(shè)計(jì)要求，這是因?yàn)橛?jì)算時(shí)取基礎(chǔ)寬度為1m，但實(shí)際施工時(shí)基礎(chǔ)寬度>1m。

4.2 十字板抗剪強(qiáng)度推算的地基承載力

吹填土加固后不同深度處十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，由表3可知，在真空預(yù)壓有效加固深度范圍內(nèi)，表層土十字板抗剪強(qiáng)度最大，隨著土層深度的增加，十字板抗剪強(qiáng)度逐漸減小。這是因?yàn)榇堤钔帘韺诱婵蘸奢d最大，且排水固結(jié)更充分，加固后土體抗剪強(qiáng)度較大，隨著土層深度的增加，受土體側(cè)向土壓力擠壓影響，吹填土逐漸淤堵排水板，真空度逐漸衰減，因此，深層土體排水固結(jié)效果較差，即十字板抗剪強(qiáng)度較低。

表3 不同深度處十字板抗剪強(qiáng)度

根據(jù)十字板剪S切試驗(yàn)結(jié)果得到十字板抗剪強(qiáng)度與深度擬合關(guān)系曲線，如圖7所示，回歸關(guān)系式為：

圖7 十字板抗剪強(qiáng)度與深度擬合關(guān)系曲線

Su=20.17-1.64z

(1)

式中：Su表示十字板抗剪強(qiáng)度；z表示深度。

吹填土預(yù)壓加固前十字板抗剪強(qiáng)度接近零，基本無(wú)強(qiáng)度，預(yù)壓加固后十字板抗剪強(qiáng)度基本為13.61～18.53kPa，可知吹填土通過(guò)真空預(yù)壓加固后抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，真空預(yù)壓效果良好。

根據(jù)SL 389—2008《灘涂治理工程技術(shù)規(guī)范》[22]第7.1.2條給出的灘涂軟土地基承載力特征值與軟土地基抗剪強(qiáng)度關(guān)系公式，由吹填土預(yù)壓加固后十字板抗剪強(qiáng)度推算的地基承載力特征值為51.14kPa，滿足≥50kPa的設(shè)計(jì)要求。

4.3 淺層平板荷載試驗(yàn)得到的地基承載力

按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》有關(guān)要求開(kāi)展淺層平板荷載試驗(yàn)，承壓板尺寸為1.0m×1.0m(長(zhǎng)×寬)，試驗(yàn)過(guò)程中逐級(jí)加載、卸載。采用淺層平板荷載試驗(yàn)結(jié)果分析吹填土預(yù)壓加固后地基承載力特征值，第i級(jí)荷載加載過(guò)程中土體變形模量Ei計(jì)算如下：

Ei=(1-μ2)I0I1KiD

(2)

式中：μ表示土體泊松比；I0表示承壓板影響系數(shù)；I1表示承壓板埋深修正系數(shù)；Ki表示第i級(jí)荷載加載過(guò)程中荷載-沉降關(guān)系曲線斜率；D表示承壓板邊長(zhǎng)。

壓縮模量Esi與變形模量關(guān)系式為：

(3)

Ki表達(dá)式為：

(4)

式中：Si，Si+1分別表示第i，i+1級(jí)荷載作用下的土體沉降；Pi，Pi+1分別表示第i，i+1級(jí)總荷載。

Ⅱ-6，Ⅱ-11區(qū)塊地基土壓縮模量變化曲線如圖8所示，由圖8可知，隨著總荷載的增加，地基土壓縮模量逐漸減小。

圖8 地基土壓縮模量變化曲線

Ⅱ-6，Ⅱ-11區(qū)塊地基土荷載-沉降曲線如圖9所示，由圖9可知，隨著總荷載的增加，地基土穩(wěn)定后沉降逐漸增大，當(dāng)加載至最大荷載時(shí)，地基土沉降基本可快速穩(wěn)定。依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定可判定地基承載力特征值≥100kPa，滿足≥50kPa的設(shè)計(jì)要求。

圖9 地基土荷載-沉降曲線

5 結(jié)語(yǔ)

依托浙江省舟山市某吹填工程，對(duì)真空預(yù)壓加固技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)預(yù)壓加固后地基承載力進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

1)對(duì)吹填土真空預(yù)壓加固后物理力學(xué)指標(biāo)變化進(jìn)行分析，可知加固后的地基土為淤泥質(zhì)黏土，且土質(zhì)均一性較好，含水率標(biāo)準(zhǔn)值降低，濕密度標(biāo)準(zhǔn)值增加。

2)對(duì)真空預(yù)壓加固過(guò)程中真空度傳遞、土體孔隙水壓變化及地基沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，密封薄膜下真空度最大，且受土體側(cè)向土壓力作用影響，排水板內(nèi)真空度隨深度的增加逐漸衰減，衰減速率約為4.5kPa/m。

3)根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.5條的規(guī)定，計(jì)算得到吹填土真空預(yù)壓加固后地基承載力特征值為35.03kPa，不滿足≥50kPa的設(shè)計(jì)要求。

4)根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》推薦的漢森公式，計(jì)算得到吹填土真空預(yù)壓加固后地基承載力特征值為39.94kPa，不滿足≥50kPa的設(shè)計(jì)要求。

5)開(kāi)展1～4m深度處地基土十字板剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，預(yù)壓加固后十字板抗剪強(qiáng)度基本為13.61～18.53kPa，可知吹填土經(jīng)真空預(yù)壓加固后抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，真空預(yù)壓效果良好。根據(jù)十字板抗剪強(qiáng)度推算的地基承載力特征值為51.14kPa，滿足≥50kPa的設(shè)計(jì)要求。

6)開(kāi)展淺層平板荷載試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，可判定地基承載力特征值≥100kPa，滿足≥50kPa的設(shè)計(jì)要求。