無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法處理湖相吹填淤泥效果評(píng)價(jià)

周衛(wèi)文 朱棟梁

(湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430056)

鄂州梧桐湖新區(qū)離島新近吹填超軟淤泥土具有含水率高、壓縮性大、強(qiáng)度極低等特征，吹填土區(qū)域一般深度在3m以上，最深處6m。由于采用絞吸式挖泥船施工，原湖底土體結(jié)構(gòu)被破壞，吹填之后土體的初始承載力接近零，且靜置時(shí)間超過(guò)30天后，土體仍然呈現(xiàn)流塑狀態(tài)，人員和機(jī)械無(wú)法進(jìn)入。因此必須先經(jīng)過(guò)表層硬化處理，才能作為工程建設(shè)場(chǎng)地使用。由于砂源限制及吹填淤泥的流塑狀態(tài)，無(wú)法采用以中粗砂作為施工和排水墊層的常規(guī)真空預(yù)壓工藝。因此，替之以無(wú)砂墊層處理超軟淤泥土真空預(yù)壓工藝，不僅可以避免常規(guī)真空預(yù)壓方法中砂墊層荷載超過(guò)吹填區(qū)域的地基承載力，而且節(jié)省了大量的中粗砂資源。無(wú)墊砂層真空預(yù)壓工藝的特征是將豎向塑料排水板和膜下無(wú)紡?fù)凉げ技罢婵展苈愤B接后，再與真空系統(tǒng)連接[1-3]，其中水平管路與無(wú)紡?fù)凉げ紭?gòu)成的排水系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂層起到水平排水的作用。

由于無(wú)砂墊層真空預(yù)壓處理后的淤泥土一般承載能力相對(duì)較低、易變形，在取樣、運(yùn)輸、切樣及試驗(yàn)的過(guò)程中非常容易因擾動(dòng)而破壞其形成的結(jié)構(gòu)，故要評(píng)估鄂州梧桐湖新區(qū)離島無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法處理超軟淤泥土的效果，還需以平板荷載試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)等原位測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)。我國(guó)在20世紀(jì)80年代以后，原位測(cè)試技術(shù)出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，技術(shù)也不斷成熟[4-5]。《真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程》(JTS 147-2—2019)[6]指出“軟土地基加固前、后應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位強(qiáng)度檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)取土及室內(nèi)試驗(yàn)，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行加固后的地基承載力檢測(cè)”。

本文進(jìn)行了平板荷載試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)等原位測(cè)試，計(jì)算和分析了對(duì)應(yīng)的貫入阻力、十字板抗剪強(qiáng)度、地基基本承載力特征值等多項(xiàng)指標(biāo)，以期為湖相吹填超軟淤泥土區(qū)域地基處理的設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)等提供支撐或參考。

1 工程背景

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

鄂州梧桐湖新區(qū)離島吹填土區(qū)采用絞吸式挖泥船進(jìn)行多點(diǎn)多次吹填而成，吹填面積約200萬(wàn)m2，吹填淤泥土厚度約3～6m(見圖1)，新近吹填河湖相淤泥具有含水率高、壓縮性大、透水性差、初始承載力極低的特點(diǎn)，且靜置數(shù)月后仍為流塑狀態(tài)。

圖1 鄂州梧桐湖新區(qū)離島軟基處理工程場(chǎng)地

該場(chǎng)地內(nèi)所取的試驗(yàn)土樣的含水率為80%～160%，比重2.6～2.7，天然密度平均值為1.42g/cm3。試驗(yàn)時(shí)，將多處土樣混合并攪拌均勻，攪拌后土樣的顆粒組成為0.075～0.005mm，顆粒占比51.4%，粒徑小于0.005mm的占46.5%，Al2O3/SiO2為0.31，液限69.0%，塑限38.5%，塑性指數(shù)30.5。

1.2 無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法處理方法

無(wú)砂墊層真空預(yù)壓處理方法主要工作內(nèi)容包括浮筏和搭建浮橋組裝、工作墊層鋪設(shè)、豎向排水體(塑料排水板)打設(shè)、水平真空管網(wǎng)的鋪設(shè)與水平塑料排水板連接、無(wú)紡布鋪設(shè)、土工布密封膜施工、密封溝開挖及回填、真空泵安裝和抽吸等工序。無(wú)砂墊層真空預(yù)壓處理施工工藝見圖2。

圖2 無(wú)砂墊層真空預(yù)壓處理施工工藝

2 原位測(cè)試方法與方案

表面沉降速率是反映真空預(yù)壓處理地基階段沉降效果的最重要指標(biāo)之一。通過(guò)設(shè)置沉降板進(jìn)行觀測(cè)，獲得的沉降速率如圖3所示，當(dāng)沉降速率基本達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行原位測(cè)試來(lái)評(píng)估處理效果。

圖3 試驗(yàn)區(qū)沉降速率-時(shí)間曲線表

2.1 原位測(cè)試方法

2.1.1 淺層平板載荷試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)是一種測(cè)定變形特性的原位測(cè)試方法，能夠反映承壓板下1.5～2.0倍承壓板直徑或?qū)挾确秶鷥?nèi)地基土強(qiáng)度、變形的綜合性狀。依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[7]，本次淺層平板載荷試驗(yàn)采用剛性承壓板，承壓板面積為 0.5m2，試驗(yàn)過(guò)程中采用8～10級(jí)分級(jí)加載；每級(jí)荷載施加后，間隔10 min、10 min、10 min、15 min、15min測(cè)讀一次沉降，以后間隔 30 min測(cè)讀一次沉降。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，終止試驗(yàn)：?承壓板周邊的土出現(xiàn)明顯側(cè)向擠出，周邊巖土出現(xiàn)明顯隆起或徑向裂縫持續(xù)發(fā)展；?本級(jí)荷載的沉降量大于前級(jí)荷載沉降量的5倍，荷載與沉降曲線出現(xiàn)明顯陡降；?在某級(jí)荷載下24h沉降速率不能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；?總沉降量與承壓板直徑(或?qū)挾?之比超過(guò)0.06。做出p-s曲線后，可以用來(lái)確定地基土承載力的特征值以及地基土的變形模量。

2.1.2 靜力觸探試驗(yàn)

靜力觸探是指利用壓力裝置將有觸探探頭的探桿以一定速度壓入試驗(yàn)土層，通過(guò)量測(cè)系統(tǒng)測(cè)量土的貫入阻力等指標(biāo)[5,7-9]，來(lái)確定土體基本物理力學(xué)特性的方法，本次測(cè)試采用輕型靜力觸探儀進(jìn)行，貫入速度為(1.2±0.3)m/min。

2.1.3 十字板剪切試驗(yàn)

十字板剪切試驗(yàn)是將十字板頭以靜力壓入軟土中以均勻的速度轉(zhuǎn)動(dòng)直至土體破壞，通過(guò)測(cè)得轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算出軟土的抗剪強(qiáng)度的方法[5,7-9]。本次采用電測(cè)式十字板剪切儀，轉(zhuǎn)動(dòng)剪切速率為1°～2°/s。

2.2 試驗(yàn)方案

將試驗(yàn)場(chǎng)地分為五個(gè)區(qū)域，并在每個(gè)區(qū)域內(nèi)均勻布點(diǎn)，且保證每區(qū)域測(cè)點(diǎn)數(shù)目不小于三個(gè)，淺層平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)編號(hào)及場(chǎng)地區(qū)域劃分見圖4。

圖4 試驗(yàn)點(diǎn)分布示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1淺層平板荷載試驗(yàn)的p-s曲線

不同區(qū)域平板載荷試驗(yàn)p-s曲線見圖5。

圖5 不同區(qū)域平板載荷試驗(yàn)p-s曲線

3.2 地基承載力特征值

依據(jù)相關(guān)規(guī)范[7-8]，地基承載力特征值按下列三種方式確定：?當(dāng)p-s曲線上有比例界限時(shí)，取比例界限所對(duì)應(yīng)的荷載；?當(dāng)極限荷載小于對(duì)應(yīng)比例界限的1/2時(shí)，可取極限荷載的一半；?當(dāng)不能按上述兩款要求確定時(shí)，按相對(duì)變形值確定，即取s/b=0.01～0.015所對(duì)應(yīng)的荷載，但其值不應(yīng)大于最大加載量的一半。同一土層參加統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)不小于三點(diǎn)，當(dāng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的極差不超過(guò)其平均值的30%時(shí)，取其平均值作為該土層地基承載力特征值。

所獲得的不同區(qū)域的淺層平板載荷試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

本次無(wú)砂墊層真空預(yù)壓地基處理承載力特征值設(shè)計(jì)值為50kPa，由平板載荷試驗(yàn)得承載力特征值均值均達(dá)到該要求，證明無(wú)砂墊層真空預(yù)壓處理大面積超軟淤泥行之有效。

3.3 地基變形模量分析

淺層平板荷載試驗(yàn)的變形模量E0可按下式計(jì)算：

式中I0——?jiǎng)傂园宓男螤钕禂?shù)，本次試驗(yàn)采用方形承壓板，取值0.886；

μ——泊松比，梁子湖地區(qū)取0.38；

d——層壓板邊長(zhǎng)，本次試驗(yàn)為0.707m；

p——p-s曲線線性段的壓力,kPa；

s——與p相對(duì)應(yīng)的沉降,mm。

計(jì)算的地基變形模量見圖6。

圖6 變形模量分布

不同區(qū)域、不同檢測(cè)點(diǎn)承載力特征值和變形模量差別較大，這一方面與處理效果有關(guān)，另一方面與試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)位置有關(guān)：在疏浚淤泥管道的地基管口，根據(jù)斯托克斯定律，重力作用下顆粒下沉的速度和顆粒直徑的平方成正比，靠近管口處顆粒直徑較大，變形模量、地基承載力特征值均較大。在試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)，最小變形模量?jī)H有2.35MPa，最大變形模量高達(dá)12.7MPa。

3.4 靜力觸探貫入曲線分析

此外，為了驗(yàn)證無(wú)砂墊層真空預(yù)壓的效果，還進(jìn)行了靜力觸探測(cè)試，靜力觸探的結(jié)果以1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)點(diǎn)為例，獲得的貫入曲線見圖7。

圖7 靜力觸探貫入曲線

貫入曲線的橫坐標(biāo)為探頭貫入阻力，縱坐標(biāo)為深度。靜力觸探結(jié)果表明，在表層0.2m內(nèi)，由處理前貫入阻力接近于零，到處理后比貫阻力為200～400kPa，表明土體在表層0.2m范圍內(nèi)的強(qiáng)度有了明顯的提高，但隨著深度增加，土體強(qiáng)度提高的效果明顯減弱，在1.0m左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，此后各個(gè)深度比貫阻力的大小基本穩(wěn)定，在3.9m左右時(shí)為原始地基，因此比貫阻力顯著增大?？傮w來(lái)看，無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法處理湖相吹填淤泥土地基在1.0m深度內(nèi)能形成硬殼層，可以滿足后期機(jī)械進(jìn)場(chǎng)等要求，但由于真空度沿深度方向衰減等因素，導(dǎo)致1.0m以下淤泥土強(qiáng)度改善效果不如淺層好，這是因?yàn)榱鹤雍貐^(qū)土粒徑較小(小于0.005mm顆粒占比50%以上)，滲透性較低，真空損失大，深層范圍的水不易被排出。

3.5 十字半剪切強(qiáng)度與靈敏度分析

由于無(wú)砂墊層真空預(yù)壓處理的地基效果主要在表層硬殼層，通過(guò)十字半剪切試驗(yàn)，可以測(cè)得表層硬殼層土體的不排水抗剪強(qiáng)度Qu(見表2)。

表2 十字半剪切強(qiáng)度與靈敏度統(tǒng)計(jì)

表2的結(jié)果表明，超軟淤泥土在無(wú)砂墊層真空預(yù)壓處理后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高；當(dāng)其結(jié)構(gòu)被十字板板頭破壞之后，土的強(qiáng)度再度降低。工程上常用靈敏度St來(lái)衡量土體結(jié)構(gòu)性對(duì)強(qiáng)度的影響，其中St=Qu/Q′u。目前，十字板剪切試驗(yàn)是測(cè)量土靈敏度的主要方法，真空預(yù)壓處理后的超軟淤泥土的靈敏度見表2。靈敏度反映的是土體的結(jié)構(gòu)性，此次所測(cè)的地基土靈敏度都小于2，均為低靈敏度土體，說(shuō)明土的結(jié)構(gòu)性較弱，表明無(wú)砂墊層真空預(yù)壓處理后的土體，其結(jié)構(gòu)性尚不顯著。十字板現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)減少了室內(nèi)試驗(yàn)土樣擾動(dòng)帶來(lái)的影響，所求指標(biāo)可靠，方法簡(jiǎn)便、快速，可以認(rèn)為十字板測(cè)試結(jié)果更能準(zhǔn)確地反映實(shí)際狀況。因此，在求軟土靈敏度的方法中，應(yīng)首先考慮十字板現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)。

此外，不同于一般自然沉積土，抗剪強(qiáng)度與地下深度并沒有簡(jiǎn)單的正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)檎婵疹A(yù)壓的局限，只形成了一定厚度的硬殼層，在1.5m及以下，土體為塑性甚至流動(dòng)狀態(tài)，顯示出不同于自重沉積土的特性。由表2還可發(fā)現(xiàn)VST-1點(diǎn)1.0m處抗剪強(qiáng)度明顯偏大，結(jié)合該處?kù)o力觸探發(fā)現(xiàn)該處地基在1.0m左右的端阻力較大，這是因?yàn)樵谠撋疃确秶鷥?nèi)存在夾層。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓后的吹填超軟淤泥土場(chǎng)地進(jìn)行平板荷載試驗(yàn)、十字剪切試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)等一系列原位測(cè)試和分析，得到了如下結(jié)論：

a.經(jīng)過(guò)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓后，吹填超軟淤泥土場(chǎng)地的地基承載力、不排水抗剪強(qiáng)度均有明顯提高，其物理力學(xué)性能均有了明顯改善，說(shuō)明無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法處理加固大面積高壓縮性淤泥土行之有效，可以為進(jìn)一步的施工提供作業(yè)面。

b.由貫入曲線可知，在表層1m內(nèi)加固效果良好，隨著深度的加大，加固效果顯著減弱。

c.由十字剪切板試驗(yàn)可知，無(wú)砂墊層真空預(yù)壓后土體為低靈敏度土體，表明處理后的土體結(jié)構(gòu)性并不顯著。

d.隨著城市和農(nóng)村河湖水環(huán)境治理、運(yùn)維的常態(tài)化，河湖疏浚底泥堆放場(chǎng)地處理和二次開發(fā)利用成為敏感話題。研究堆場(chǎng)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓后土層力學(xué)改善效果，發(fā)現(xiàn)1m厚度范圍內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)得到極大改善，超過(guò)1m深土層承載力改善不明顯。改善后淺土層可為今后園林綠化種植、淺埋地下管線(電力、通信、燃?xì)?、給水等)提供地基土墊層。較深土層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能較差，存在流動(dòng)易擾動(dòng)問(wèn)題。今后場(chǎng)地開發(fā)過(guò)程中可結(jié)合載荷要求，對(duì)深地基土進(jìn)行局部加固處理，采用局部真空降水預(yù)壓、換土回填、鉆孔注漿、樁基等針對(duì)性加固方式。本文試驗(yàn)研究成果可為河湖底泥吹填場(chǎng)地二次開發(fā)利用提供扎實(shí)的地基土力學(xué)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，助力因地制宜、因地施策地進(jìn)行場(chǎng)地地基處理。