增壓式真空預(yù)壓法在疏浚砂尾水區(qū)地基處理中的應(yīng)用

盧家琦 江輝煌 馬馳 李耀華 吳開健

1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.鐵科院（深圳）研究設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518057；3.中交廣州水運工程設(shè)計研究院有限公司，廣州 510221

真空預(yù)壓技術(shù)在沿海地區(qū)軟基處理中有著很大的優(yōu)勢［1-4］，具有處理范圍廣、處理成本低、處理深度大等優(yōu)點。傳統(tǒng)的真空預(yù)壓技術(shù)存在一些缺點［5］，比如工程實踐中真空度沿程衰減較大，尤其隨著深度增加，中下部軟基處理效果較差，工后承載力低，工后沉降大，往往需二次加固處理，導(dǎo)致工期加長。此外，工程上使用的排水板容易發(fā)生折斷、淤堵、倒齒，造成排水通道失效，導(dǎo)致處理效果較差。隨著科技的進步，增壓式真空預(yù)壓法應(yīng)運而生。楊子江等［6］介紹了增壓式真空預(yù)壓的工作原理，闡述了該處理方法的相關(guān)施工工藝及相應(yīng)的施工材料，提出相應(yīng)的施工控制措施和施工難點，并與傳統(tǒng)方法進行了對比，展現(xiàn)了新方法的優(yōu)點，但是對于其加固機理研究較少。沈宇鵬等［7］通過觀測沉降發(fā)現(xiàn)增壓管的設(shè)置加大預(yù)壓期的沉降主要發(fā)生在增壓管影響范圍內(nèi)，認為增壓真空預(yù)壓排水板的間距宜采用1.0 m，但是并沒有研究小于1.0 m的間距，對于排水板布置未給出定量的結(jié)論。Ke等［8］通過研究排水量、沉降試驗后的抗剪強度等指標，發(fā)現(xiàn)加壓時間對加固效果有較大影響，給出了1.5 h的最優(yōu)加壓時間，但對于加壓溫度影響的研究較少。Rila等［9］認為增壓式真空預(yù)壓處理深層軟基時更容易在土體中產(chǎn)生裂縫，增加了深層的滲透性和真空壓力的傳輸效率，但是未定義增壓后真空在深層土體中的傳遞作用。雷華陽等［10-11］通過電鏡掃描試驗和壓汞試驗分析發(fā)現(xiàn)，增壓式真空預(yù)壓加固后的土體骨架顆粒形態(tài)更均勻密實，細小孔隙的數(shù)量更多，加固效果優(yōu)于常規(guī)真空預(yù)壓法。

航道疏浚物土質(zhì)差異性較大，特別在吹填尾水流線末端的疏浚沉淀物，黏粒含量高，土體塑性指數(shù)大于25，含水率大于85%，孔隙比大于1.5，導(dǎo)致其承載力低，使用常規(guī)方法處理工期較長，工序較繁瑣，并且難以保證工后效果。因此，采用增壓式真空預(yù)壓處理是很好的選擇。本文結(jié)合一軟基處理項目，詳細介紹增壓式真空預(yù)壓的應(yīng)用，為區(qū)域相關(guān)軟基處理項目提供參考。

1 工程概況

項目位于湛江市東海島的北部，場區(qū)北側(cè)臨海域，南側(cè)鄰疏港公路和東海島鐵路，西側(cè)鄰規(guī)劃的石化產(chǎn)業(yè)園區(qū)預(yù)留發(fā)展用地，東側(cè)為排海通道。場地存在較厚的吹填土（淤泥）層、淤泥（夾砂）和淤泥質(zhì)黏土層，須進行填土及軟基處理。

1.1 工程地質(zhì)條件

在勘察揭露深度范圍內(nèi)，地基土的構(gòu)成與分布自上而下分別為：①第四系人工填土層。②全新統(tǒng)沖海積和海相沉積層。③下更新統(tǒng)湛江組海陸交互相沉積層。其中，回填料采用航道改擴建工程中含砂量較高（粒徑大于0.075 mm的顆粒含量大于50%）的疏浚物。根據(jù)現(xiàn)場取樣進行室內(nèi)顆分試驗分析，疏浚砂尾水區(qū)的疏浚砂大于0.075 mm的顆粒含量在63.5%。各土層物理性及力學指標見表1。

表1 各土層物理性及力學指標

項目用地區(qū)域地下水有淺層第四系地層中的潛水、承壓水兩種類型。其中，潛水主要賦存于淺層填土和全新統(tǒng)沖海積層中?？辈炱陂g測得鉆孔的地下水穩(wěn)定水位埋深為0.3～4.3 m。根據(jù)工程經(jīng)驗，沿海建設(shè)場地在地勢增高后（與周邊地勢持平），最終高水位一般可至地表下0.5～1.0 m。承壓水主要賦存于湛江組地層中，含水層巖性為砂土，富水性豐富。

1.2 不良地質(zhì)條件

1）擬建場地淺部分布的吹填土含礫中粗砂、中粗砂夾黏性土在水動力作用下易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象，在反復(fù)振動荷載作用下易產(chǎn)生砂土液化現(xiàn)象，在基坑開挖時易產(chǎn)生滲流液化。

2）疏浚砂尾水沉淀區(qū)面積較大，吹填土（砂）中含水率較高，黏粒含量較高，并且部分區(qū)域存在海積淤泥，土質(zhì)軟弱、不均且成分復(fù)雜，使用常規(guī)軟基處理方法工期較長，并且由于土體壓縮性較大，容易導(dǎo)致不均勻沉降等問題。

2 軟基處理方案

2.1 方案對比選擇

處理含水率較大的深厚軟基，選擇插板排水固結(jié)堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓法較合適，插板排水固結(jié)堆載預(yù)壓相對于真空預(yù)壓法處理時間較長，工序較繁，所需的預(yù)壓資料較多，短時期內(nèi)難以準備齊全。常規(guī)真空預(yù)壓法的排水板濾膜孔徑小，淤泥顆粒被堵塞在濾膜外，容易形成泥餅，會造成抽不動的現(xiàn)象。另外，常規(guī)真空預(yù)壓法采用排水板繞接真空濾管的方式進行聯(lián)結(jié)，真空度沿程損失快；抽真空設(shè)備為射流真空泵，需使用的數(shù)量多，能耗大，且不便管理。因此，沉淀區(qū)地基處理采用增壓式真空預(yù)壓法。

2.2 施工階段主要技術(shù)要求

增壓式真空預(yù)壓排水固結(jié)方案地基處理的施工順序如下：吹填結(jié)束后場地整平→鋪設(shè)工作砂墊層（1.0 m厚）→打設(shè)黏土密封墻→插板機打設(shè)排水板（間距0.9 m，正方形布置）、插增壓管（間距2.7 m，正方形布置）→布設(shè)濾管及檢測設(shè)備→連通排水板與濾管→鋪設(shè)無紡?fù)凉げ肌佋O(shè)密封膜→布設(shè)真空泵及其他抽真空裝置→土體增壓、抽氣加載→卸載→碾壓整平至交工標高→檢測、驗收。設(shè)計增壓式真空預(yù)壓區(qū)斷面圖如圖1所示。

圖1 增壓式真空預(yù)壓區(qū)情況

主要施工階段技術(shù)要求如下。

1）排水板的選取與插設(shè)。常用的普通排水板濾膜較厚，等效孔徑小，易淤堵，抽真空芯板易倒伏，通水量小。本項目采用新型的整體式排水板，濾膜為防淤堵排水板濾膜，濾布與板芯熱熔結(jié)合，形成連續(xù)框架結(jié)構(gòu)，整體性、強度都比普通排水板要強。由于其整體性好，濾布在高壓狀態(tài)下不會折入板芯，其通水量遠大于普通排水板。從原理上分析，新型整體式排水板的井阻小于普通排水板，可獲得更優(yōu)的排水效果。兩種排水板濾膜如圖2所示，排水板相關(guān)參數(shù)見表2。

圖2 排水板濾膜

表2 排水板相關(guān)參數(shù)

排水板施工采用軌道式振動插板機，施工主要步驟為：①插板機移機就位。按規(guī)范進行樁位放標，調(diào)正套管垂直度，對準插放樁位，將塑料排水板插入空心套管中，排水板從插入桿端頭引出、折回，夾上短鋼筋。②插打塑料排水板。使用振動或液壓的方式將套管沉入至設(shè)計標高。③拔出空心套管。在套管提升過程中，塑料排水板板頭受到短鋼筋壓力被留在土中。④切割塑料排水板。套管底提升至砂面以上后，留出塑料排水板埋入砂墊層的長度（25 cm），將塑料排水板割斷。

2）連接增壓管路、埋設(shè)不倒翁集水井（又稱水汽分離集水井，見圖3）。兩相鄰排水板之間需采用手形接頭、真空支管連接，手形接頭接管部分由圓臺組成，圓臺外側(cè)必須有三角倒齒。排水板與手形接頭連接時，應(yīng)將板頭剪平整。排水板板頭應(yīng)插入手形接頭的底部。手形接頭連接完成后，排水板、手形接頭應(yīng)貼近地面。真空支管延加固區(qū)域的短邊方向布置，而真空主管需沿加固區(qū)域的長邊方向布置，主管兩側(cè)的支管長度為50 m。所有接頭及管網(wǎng)連接完成后，用木工槍釘進行再固定。設(shè)計排水板間距為0.9 m，正方形布置。

圖3 水汽分離集水井

在預(yù)壓區(qū)內(nèi)，每1 000 m2為一個增壓單元，增壓單元為正方形。增壓管路連接時，預(yù)留有一定的伸縮量防止后期土體變形。不倒翁集水井沿加固區(qū)域的長邊方向均勻分布在真空主管之間，埋設(shè)時坡度不應(yīng)過大，埋設(shè)堆填料使用黏土、可塑性淤泥。不倒翁集水井埋設(shè)完成后，及時進行封口處理。根據(jù)氣平行計算不倒翁集水井容積不小于2.5 m3。

3）密封墻施工。泥漿密封墻的泥漿采用淤泥或粉質(zhì)黏土。攪拌樁封閉墻采取雙排樁，單樁設(shè)計直徑700 mm，縱橫兩樁之間彼此搭接長度為200 mm，間距500 mm，深度需穿過淤泥混砂層，進入黏土層0.5 m。泥漿摻入比要求不小于35%，另摻入5%的膨潤土；泥漿比重要求不小于1.35，淤泥密封墻滲透系數(shù)小于1×10-6cm∕s。攪拌樁施工下攪速度控制為1.2 m∕min，上攪速度0.8 m∕min。要求施工4噴4攪以上，嚴格控制工藝指標，尤其是攪噴速度。樁位定位偏差應(yīng)控制在±70 mm范圍內(nèi)，控制樁管下插時的垂直度偏差不大于±5%。密封墻施工工序包括：①制漿。制漿黏土可以選取現(xiàn)場真空預(yù)壓區(qū)域周圍的淤泥，要求淤泥中黏粒（粒徑小于0.005 mm的顆粒）摻入量不低于25%，泥漿制備采用圓筒式攪拌機完成，根據(jù)每罐的拌和量先加入一定量水，按比例摻入膨潤土，然后向攪拌桶內(nèi)添加黏土混合攪拌，根據(jù)泥漿相對密度要求添加水和黏土，泥漿相對密度達到1.3后才能使用。②攪拌噴漿。采用雙攪拌頭深層攪拌機對黏土密封墻攪拌，攪頭為兩個直徑70 cm的快刀，攪拌時形成寬70 cm、長120 cm的8字形，施工雙排密封墻按8字形排列，每根樁批次搭接20 cm，打設(shè)過程中控制套管垂直度偏差不得大于±1.5%。拌和深度要求穿透透水層并進入下部不透水層1.5 m，拌和程序為4次噴漿4次攪拌，施工中嚴格控制噴攪工藝及攪拌速度。

真空度監(jiān)測曲線見圖4?？芍菏┕ふ介_始后逐漸抽真空至-85 kPa以上，整個施工階段真空度曲線穩(wěn)定，表明密封效果良好，上述改進措施有效。

圖4 真空度監(jiān)測曲線

4）孔隙水壓力監(jiān)測?？紫端畨毫τ嬙? m深度以上區(qū)域每2 m設(shè)置1個測頭；6 m深度以下直至排水板底以下2 m，每3 m埋設(shè)1個測頭。測頭平面位置位于排水板正方形平面布置的幾何形心上。孔隙水壓力計應(yīng)在抽真空開始之前埋設(shè)，埋設(shè)后記錄測量初始值。

5）沉降監(jiān)測。真空預(yù)壓處理每分區(qū)均勻布置沉降板，布置間距為50 m×50 m。沉降板在膜上埋放時，需要預(yù)先在膜上鋪一層土工布，然后用砂找平，安放好沉降板后將沉降板和桿用砂包袋圍好。打設(shè)插板引起的地面沉降應(yīng)由前后地面標高測量確定。

6）增壓施工。根據(jù)沉降速率逐漸抽真空至85 kPa（滿載后）以上，連續(xù)抽真空至出水量明顯減少，平均沉降減小至25～40 mm后，開始增壓施工。增壓采用間歇式工作方式。施工時，氣壓控制在0～20 kPa（需根據(jù)場地實際情況調(diào)整），真空度減小至10～20 kPa時停止增壓；之后再次抽真空維持至85 kPa以上、出水量減少時，再次增壓施工。一般24 h增壓施工一次，每次1.5～2.0 h。增壓施工重復(fù)循環(huán)15～20次，最近一周平均沉降降至25 mm以下時，增壓施工結(jié)束。

3 增壓式真空預(yù)壓法效果分析

該項目吹填區(qū)面積為72 090 m2，其中南部區(qū)域面積29 268 m2為吹填尾水流線沉淀區(qū)。相比較其他區(qū)域，沉淀區(qū)具有淤泥層厚、含水率更高、孔隙比大、承載力低、工后沉降大等特點，土質(zhì)極差，因此該區(qū)域采用增壓式真空預(yù)壓處理。在增壓施工過程中，監(jiān)測孔隙水壓力和沉降變化，結(jié)果見圖5。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

由圖5可知：從通電加壓至85 kPa的過程中，3個點的孔隙水壓力逐漸加速降低，沉降速率加快，累計沉降加速增大，說明尾水區(qū)正在加速固結(jié)；加壓至達到滿載時，沉降速率達到峰值，這期間累計沉降變化最快；在達到滿載后的增壓階段，孔隙水壓力和沉降速率均因增壓而發(fā)生波動。滿載之后，孔隙水壓力繼續(xù)減小，但曲線逐漸趨于平穩(wěn)，說明孔隙水壓力消減速率逐漸減小，尾水區(qū)固結(jié)度越來越高，累計沉降持續(xù)增長，沉降速率也趨于穩(wěn)定；在加壓100 d之后，沉降速率小于1 mm∕d。根據(jù)整個施工階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可將增壓式真空預(yù)壓的固結(jié)分為3個階段：加速固結(jié)階段、穩(wěn)定固結(jié)階段、緩慢固結(jié)階段。

在沉降速率連續(xù)10 d小于1 mm∕d時，使用淺岡法預(yù)測計算尾水區(qū)工后沉降，得到計算結(jié)果顯示其平均工后沉降為471 mm，平均剩余沉降為93 mm，固結(jié)度達到80%。不同區(qū)域地基處理效果見表3?？芍?，沉降板布置間距100 m時，最大差異沉降為34 mm。

表3 不同區(qū)域地基處理效果

在真空預(yù)壓區(qū)和非真空預(yù)壓區(qū)各選取2個測點進行靜載試驗，壓板面積1 m2。在最大試驗荷載160 kPa時真空預(yù)壓區(qū)測點1、測點2沉降分別為3.1、2.6 mm，非真空預(yù)壓區(qū)測點1、測點2沉降分別為6.2、4.7 mm。在承載力特征值80 kPa時真空預(yù)壓區(qū)測點1、測點2沉降分別為1.7、1.6 mm，非真空預(yù)壓區(qū)測點1、測點2沉降分別為2.5、2.4 mm。靜載試驗地基的荷載-位移曲線見圖6?？芍?，真空預(yù)壓區(qū)在七級荷載下均未發(fā)生破壞，兩區(qū)域的單點承載力特征值均達到80 kPa，滿足設(shè)計要求。

圖6 靜載試驗荷載-位移曲線

增壓式真空預(yù)壓法處理軟基時間可縮短近40 d左右，而且最大差異沉降較小，沉降速率均也要比插板排水固結(jié)堆載預(yù)壓區(qū)穩(wěn)定，而吹填尾水區(qū)含水量比其他區(qū)更高，可見該區(qū)域使用此軟基處理方法效果較好。

4 結(jié)論

1）新型的整體式排水板更改了濾膜，使用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，整體性強、板體強度增強，等效孔徑大，加大了通水量，降低了疏浚砂導(dǎo)致排水板淤堵的可能性。采用軌道式振動插板機插排水板使其達到設(shè)計位置，提高了排水板的穩(wěn)定性。

2）泥漿密封墻采取雙排樁，由于砂層較厚，在配比中密封墻加入摻入5%的膨潤土，從而提高了密封性，抽真空過程中，膜下真空度基本保持在85 kPa左右，達到了預(yù)期地基抽真空預(yù)壓的效果。

3）綜合分析真空預(yù)壓區(qū)歷時監(jiān)測曲線，可以將該方法處理的軟基過程分為3個階段即：加速固結(jié)階段、穩(wěn)定固結(jié)階段、緩慢固結(jié)階段。

4）與一般方法相比，增壓式真空預(yù)壓處理軟基時間要縮短40 d左右，處理后的軟基也會更加穩(wěn)定；不同于堆載預(yù)壓需要耗費大量人力多次堆載，增壓式真空預(yù)壓僅需每24 h增壓施工一次即可，大大節(jié)約了人力物力。