真空預(yù)壓法加載方式的改進(jìn)及試驗研究

魏雁冰，李振鑫，李 垚

(安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

近年來，隨著城市化進(jìn)程不斷加快，城鎮(zhèn)河道水環(huán)境問題日益突出[1]。 疏浚和清淤工程是城市河道綜合治理的主要工程內(nèi)容，近年來多采用絞吸挖泥船對河道進(jìn)行疏浚和清淤，并將疏浚土和淤泥由管道吹填至排泥場堆存處理[2-3]。 疏浚淤泥土表現(xiàn)為高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低滲透性且低強(qiáng)度等工程特性，其在自重條件下短時間內(nèi)無法完成固結(jié)。 大面積的排泥場占用了寶貴的土地資源，常采用預(yù)壓地基法來加速淤泥土的排水固結(jié)以盡早實現(xiàn)排泥場土地的利用。 預(yù)壓地基按處理工藝可分為堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓[4-5]、堆載-真空聯(lián)合預(yù)壓[6]等，其中真空預(yù)壓法因無需砂石等堆載材料而在處理大面積吹填堆場時優(yōu)勢明顯，但真空預(yù)壓法加固新進(jìn)吹填疏浚淤泥土?xí)r常會出現(xiàn)“土柱”現(xiàn)象，影響疏浚淤泥土的整體加固效果。 本文擬從真空預(yù)壓法的加載方式著手，提出分級真空加載方式，并通過理論分析及室內(nèi)模型試驗的方式對分級真空加載方式及常規(guī)加載方式進(jìn)行比較，以期對現(xiàn)狀真空預(yù)壓加固方法進(jìn)行局部改進(jìn)，提高其整體加固效果。

1 真空預(yù)壓“土柱”形成的機(jī)理分析

1.1 無砂墊層真空預(yù)壓法簡介

真空預(yù)壓法是利用真空射流泵作為真空發(fā)生裝置，在土體中總應(yīng)力不變的情況下，通過孔隙水壓力逐漸降低而轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的方法對土體進(jìn)行加固。 在淺層軟基處理中，多采用無砂墊層真空預(yù)壓法，無砂墊層真空預(yù)壓法主要由真空加載系統(tǒng)、排水系統(tǒng)及密封系統(tǒng)3 部分組成[7-9]。 其基本的工藝過程如下:首先是在加固區(qū)域表面鋪設(shè)一層編織布，然后根據(jù)設(shè)計資料的具體要求人工插設(shè)塑料排水板作為豎向排水體；將排水板與濾管進(jìn)行綁扎后再鋪設(shè)一層無紡?fù)凉げ?，其可視為水平排水系統(tǒng)；最后用2層密封薄膜鋪設(shè)其上，并將密封膜邊緣埋入加固區(qū)塊四周的密封溝內(nèi)，使加固土體與外界大氣隔絕。射流泵與主濾管相連，開啟電源后逐漸使密封空間內(nèi)形成真空。

1.2 “土柱”形成的機(jī)理分析

真空預(yù)壓系統(tǒng)主要由3 部分組成，包括:真空加載系統(tǒng)、排水排氣系統(tǒng)和密封系統(tǒng)。 排水系統(tǒng)包括水平排水系統(tǒng)和豎直排水系統(tǒng)，主要在于改變地基原有的排水邊界條件和借助排水系統(tǒng)來傳遞真空壓力，增加孔隙水的排出途徑，縮短排水距離，減少固結(jié)時間。 目前的真空預(yù)壓施工中，塑料排水板常作為豎向排水通道，見圖1。 從大量的工程實踐中發(fā)現(xiàn)，真空預(yù)壓處理吹填疏浚淤泥的過程中，均會出現(xiàn)“土柱”現(xiàn)象，即近似形成以排水板為中心、自上而下直徑不等的不規(guī)則柱狀體，反映到地表上就是一個凸起的小土包，見圖2。

圖1 排水板打設(shè)完畢現(xiàn)場

圖2 處理疏浚淤泥時的“土柱”現(xiàn)象

由于“土柱”現(xiàn)象嚴(yán)重降低了真空預(yù)壓的整體處理效果，因此近年來日益引起相關(guān)科研工作者的關(guān)注，并開展了一些富有意義的研究，見表1。

表1 關(guān)于“土柱”現(xiàn)象的相關(guān)研究

綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn)，“土柱”現(xiàn)象的形成機(jī)理十分復(fù)雜。 當(dāng)真空預(yù)壓加固土體滿足:①高黏粒含量，即細(xì)小土顆粒所占比重較大；②高含水率；③土體的強(qiáng)度極低，例如新近吹填淤泥等條件時，再輔以較大的真空度等條件，在加固過程中常易出現(xiàn)“土柱”現(xiàn)象。 這主要是由于在較大真空荷載作用下，處于懸浮狀態(tài)的黏粒會向排水板周圍遷移，隨著這種情況的累積進(jìn)而導(dǎo)致塑料排水板的淤堵，即排水板的淤堵是造成“土柱”現(xiàn)象的主要原因。 因此，在工程實際中，既不能讓大量細(xì)小土顆粒流入排水板芯板，又要防止細(xì)小土顆粒在濾膜處的大量累積。在傳統(tǒng)的真空預(yù)壓施工中，剛開始加載時就滿載，膜下真空度迅速達(dá)到85 kPa以上。 未經(jīng)處理的吹填疏浚淤泥含水率極高，幾近處于流動狀態(tài)。 在較大的真空吸力作用下，細(xì)小土顆粒會迅速向排水板周圍聚集，黏附在排水板的濾膜上，即在抽真空的初期就造成了排水板的淤堵，影響吹填土的排水固結(jié)和強(qiáng)度的增長。

2 分級真空加載方式的提出及理論分析

基于在現(xiàn)狀真空預(yù)壓加載方式下加載初期常出現(xiàn)的“土柱”現(xiàn)象，探索對現(xiàn)狀真空預(yù)壓的加載方式進(jìn)行改進(jìn)。 即在加固初期，對加固淤泥土先施加一較小的真空壓力，待土體有一定強(qiáng)度后再提高真空壓力，以減緩加固初期細(xì)小土顆粒向排水板的聚集，減少排水板的淤堵，進(jìn)而緩解或者推遲了“土柱”現(xiàn)象的發(fā)生，本文將這種加載方式命名為分級真空加載方式。

當(dāng)加固淤泥土受到荷載作用時，應(yīng)力路徑能夠較方便的描述土體應(yīng)力狀態(tài)的變化過程。 很多科研人員[14-15]就真空預(yù)壓法處理地基時的應(yīng)力路徑情況進(jìn)行了理論分析。 圖3 所示，當(dāng)采用一次真空滿載模式時，由于真空度較大(大于等于85 kPa)，未經(jīng)處理的泥漿強(qiáng)度極低，其中的細(xì)小土顆粒會迅速的向排水板周圍聚集，使該區(qū)域土體的滲透系數(shù)降低，進(jìn)而會使真空度在向土體傳遞時的損耗變大，此時的有效應(yīng)力路徑為AD線。 當(dāng)卸載后，被加固土體的強(qiáng)度沿著超固結(jié)強(qiáng)度包線返回至F點，即經(jīng)真空預(yù)壓后土體的強(qiáng)度提高了Δt2′。 當(dāng)采用真空分級加載方式時，真空預(yù)壓初期真空度較小，避免了大量細(xì)小土顆粒的迅速聚集。 之后進(jìn)入真空滿載狀態(tài)后，土體在前期加固的基礎(chǔ)上形成了一定的強(qiáng)度，故這種加載方式相對一次加載來說排水板周圍土體的滲透系數(shù)降低較少，且真空度在傳遞過程中的損耗也較小。 因此相對一次真空滿載模式，此時的Δs1′大于Δs2′，則真空分級加載時的有效應(yīng)力路徑為ABC線。 待真空卸載后，土體處于超固結(jié)狀態(tài)，其強(qiáng)度沿著超固結(jié)強(qiáng)度包線返回至G點，即采用分級加載時土體的強(qiáng)度提高了Δt1′，顯然Δt1′大于Δt2′。因此從土體有效應(yīng)力路徑分析來看，采用真空分級加載方式時土體強(qiáng)度的增長量較一次真空滿載時大，能取得更好的地基加固效果。 因此，在處理強(qiáng)度極低的疏浚淤泥土?xí)r有必要采用分級真空加載方式。

圖3 真空一次加載與真空分級加載土體強(qiáng)度增長比較

3 真空預(yù)壓室內(nèi)“單井”模型試驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

為驗證前述關(guān)于真空加載方式的分析，設(shè)計了2 組室內(nèi)單井模型試驗。 加載方式分別采用一次真空加載及分級真空加載。 真空預(yù)壓結(jié)束后，對塑料排水板的濾膜進(jìn)行滲透性能試驗，以了解不同真空加載方式下排水板濾膜的淤堵情況。

3.2 試驗方案設(shè)計

3.2.1 試驗準(zhǔn)備

在東部沿海某吹填施工現(xiàn)場的進(jìn)行取樣，將新近吹填淤泥土試樣裝入塑料圓桶內(nèi)進(jìn)行密封然后運回室內(nèi)實驗室。 試驗前，使用攪拌棒對土樣進(jìn)行攪拌，然后取樣對吹填土的基本物理特性進(jìn)行研究，試驗結(jié)果見表2。

表2 試樣土的基本物理特性及顆粒分析試驗結(jié)果

塑料排水板選用目前最常用SPB-B板，結(jié)合顆粒分析試驗的結(jié)果，室內(nèi)模型試驗選用濾膜等效孔徑為0.035 mm的塑料排水板，同時取2 組排水板濾膜，進(jìn)行了滲透性能測試，其相關(guān)指標(biāo)及滲透性能見表3。

表3 塑料排水板濾膜相關(guān)指標(biāo)及滲透系數(shù)

3.2.2 試驗方法與過程

選用圓桶(直徑60 cm、高100 cm)作為模型箱，將所取吹填淤泥分別裝入2 個試驗圓桶內(nèi)，泥面高度約0.9 m，在圓桶中心處插設(shè)排水板至桶底；將氣管通過接頭及板帽與塑料排水板進(jìn)行連接；分別在真空泵出口及排水板板帽處布置真空監(jiān)測點。 水平排水系統(tǒng)布置完后，敷上2 層密封膜形成密封系統(tǒng)，將氣管與真空泵上的主管相連。 2 個模型試驗桶公用一臺真空泵。 根據(jù)前述的理論分析，在連接試樣桶內(nèi)排水板的氣管上安裝控制閥門，通過調(diào)節(jié)流量實現(xiàn)對分級加載模型桶內(nèi)真空度的控制。 其中試樣桶A為一次加載模式；試樣桶B為分級加載模式，具體加載方式為30 kPa→60 kPa→滿載，前兩級荷載分別歷時12 h，試驗總歷時為96 h。 試驗過程中，對真空度及泥面沉降進(jìn)行監(jiān)測，試驗結(jié)束后，分別對兩試驗桶內(nèi)濾膜進(jìn)行滲透系數(shù)試驗，進(jìn)行比較。 室內(nèi)試驗的場景情況見圖4、5。

圖4 試樣桶A鋪設(shè)密封膜前情況

圖5 試樣桶B真空抽吸時的情況

3.2.3 試驗結(jié)果分析

在未滿載階段(前24 h)每4 h 讀取并記錄一次監(jiān)測數(shù)據(jù)，之后調(diào)整為每8 h 記錄一次。 試驗結(jié)束后，將排水板板帽處的真空度及泥面沉降(采用鋼直尺進(jìn)行量測)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，見圖6、7。

圖6 膜下真空度時程曲線

由圖6 可以看出，通過控制閥門可以很方便的對真空度進(jìn)行調(diào)節(jié)，各時間段的真空度基本符合試驗方案的要求。 從圖7 所示的沉降數(shù)據(jù)來看，在0—24 h 這一階段，由于試驗桶A為一次加至滿載，所以其沉降發(fā)展較試驗桶B快；但是當(dāng)試驗進(jìn)行至64 h 時，B模型桶內(nèi)泥面的累積沉降量已略大于A模型桶累積沉降量；試驗結(jié)束時，A、B模型桶內(nèi)泥面累積沉降量分別達(dá)到了39.28、42.37 mm。 這說明雖然試驗桶B為分級加載，滿載時間相對較短，但其后期沉降發(fā)展較快。 分析原因可能是因為試驗桶A初期在較大真空作用下(大于等于85 kPa)，泥漿中的細(xì)小顆粒迅速向排水板周圍移動，相對造成排水板淤堵比較嚴(yán)重所致。 因此，試驗結(jié)束后，分別取出模型桶內(nèi)的排水板，對使用過的排水板進(jìn)行了濾膜滲透性試驗，試驗結(jié)果見表4。

圖7 泥面累積沉降時程曲線

表4 塑料排水板濾膜滲透系數(shù)比較

由表4 可知，在真空預(yù)壓處理吹填淤泥時，2 個試驗桶內(nèi)排水板濾膜的滲透系數(shù)降低比較明顯，甚至是呈數(shù)量級式的降低。 但是采用分級加載方式時，濾膜的滲透系數(shù)相對降低較小，說明分級加載方式可以適當(dāng)?shù)木徑鉃V膜的淤堵，有利于真空預(yù)壓后期的施工，因此分級加載方式值得在類似工程中推廣。

4 結(jié)論

本文通過對真空預(yù)壓加固淤泥土?xí)r常出現(xiàn)的“土柱”現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)分析，得出塑料排水板的淤堵是造成“土柱”現(xiàn)象的主要原因。 結(jié)合常規(guī)一次真空滿載方式，從加載方式入手探索解決塑料排水板淤堵的現(xiàn)象，提出了分級真空加載方式。 并從有效應(yīng)力路徑的角度對分級加載與常規(guī)一次滿載模式進(jìn)行了理論分析，揭示出分級加載模式下加固淤泥土強(qiáng)度增長較大。 同時結(jié)合2 種加載模式進(jìn)行了室內(nèi)“單井”模型試驗，從試驗前后排水板濾膜滲透系數(shù)變化及沉降數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行對比分析。 結(jié)果表明真空分級加載方式的排水板濾膜的滲透系數(shù)降低較小，即驗證了分級加載能減緩排水板淤堵的分析，說明分級加載方式能延緩“土柱”現(xiàn)象的過早出現(xiàn)；且采用分級加載方式的加固土體的固結(jié)沉降量更大。綜合理論分析及模型試驗驗證，表明分級真空加載方式能提高疏浚淤泥土的整體加固效果。