馬希磊，董海軍，王華巒

(天津水運工程勘察設(shè)計院， 天津 300456)

過去五年，在國家環(huán)渤海戰(zhàn)略的背景下，天津濱海新區(qū)完成了中國最大的圍海造陸工程，形成了面積巨大的吹填土地基，圍海造陸工程為天津濱海新區(qū)提供了大量的建設(shè)用地。在工程建設(shè)過程中，為了達到總體的土方平衡及節(jié)約建設(shè)資金，工程利用航道疏浚土作為吹填土，一方面節(jié)省航道疏浚中運輸淤泥的費用，另一方面彌補了該區(qū)域砂源不足的缺點，節(jié)省了吹填造陸費用，同時相對于外海拋泥也更為環(huán)保。疏浚土吹填的厚度，根據(jù)原始泥面標高的不同而不同，一般3.0～8.0 m不等。

1 天津濱海地區(qū)工程地質(zhì)情況

通過對天津濱海地區(qū)地質(zhì)勘察資料調(diào)查分析[1]，天津濱海地區(qū)場地埋深25.0 m范圍內(nèi)，地基土按成因大體可分為3層。

(1)人工填土層

埋深3.0～6.0 m，主要為近期吹填而成。主要呈灰色，軟塑、流塑狀態(tài)，本層含水率較大，抗剪強度低，壓縮性大，物理力學(xué)指標較差，大都處于未固結(jié)狀態(tài)。

(2)海相沉積層

埋深3.0～18.0 m，主要為淤泥、淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土，呈灰色，其特點是天然含水率高，孔隙比大，壓縮性高，承載力低，滲透性小，含有一定的有機質(zhì)，是一種軟塑到流塑狀態(tài)的飽和軟黏土。

(3)陸相沖積層

埋深15.0～25.0 m，主要為粉質(zhì)黏土層和粉土層，可塑狀態(tài)，中等壓縮性，物理力學(xué)性質(zhì)較好。

2 濱海吹填土地基處理方法

吹填淤泥形成的吹填土地基為欠固結(jié)軟土，具有含水率高、孔隙比大、壓縮系數(shù)大、抗剪強度低、滲透性低等特點，吹填淤泥在自重作用下的固結(jié)需要數(shù)年甚至數(shù)十年的時間，因此必須進行加固處理。吹填物質(zhì)的基本特征很大程度上限定甚至決定了地基處理技術(shù)方法。天津濱海新區(qū)為典型的淤泥質(zhì)海岸，吹填物質(zhì)中黏土礦物所占比例高達50%左右[2]，物理力學(xué)性質(zhì)較差。同時由于海積和河流沖擊的作用，天津濱海吹填土體下存在著深厚的軟弱土層，地基處理要求較高。

總結(jié)半個多世紀以來天津吹填造陸歷史[3,4]，主要的地基處理方式有以下幾種：

(1)自然風(fēng)干法

對于已吹填的吹填土，過去的傳統(tǒng)做法是任其自然風(fēng)干。在天津濱海地區(qū)一般需要靜放兩年左右的時間，才能在表層形成40～50 cm的硬殼層。有時為了節(jié)省時間會采用機械攪動法或犁溝法，加快吹填土的風(fēng)干。但有時為了盡快對吹填土加以利用，就需要采用更加快速的處理方式，如淺層真空預(yù)壓法等。

(2)換填墊層法

適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、雜填土地基及溝渠、魚塘等的淺層處理。換填墊層法施工簡便，不需特殊的機械設(shè)備，工期短、造價低、見效快，在淤泥層厚度較小的情況下應(yīng)用較廣泛。

(3)拋石擠淤法

適用于排水困難，淤泥呈流動狀態(tài)，厚度較薄，表層無硬殼層，片石能沉達底部的泥沼或厚度3.0～5.0 m軟土。在吹填土層不厚的情況下，可以采用此法。

(4)石灰樁法

適用于含砂量低，沒有滯水砂層的雜填土地基或軟黏土地基。天津濱海吹填土地基較適宜石灰樁法處理，但石灰樁法在天津地區(qū)應(yīng)用并不太普遍。大面積應(yīng)用前應(yīng)做試驗段，以檢驗軟基加固效果。

(5)水泥土攪拌樁法

適用于處理正常固結(jié)的淤泥和淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無流動地下水的飽和松散砂土等地基。天津濱海吹填土以淤泥、淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土為主，天然含水率大多介于30%～50%之間，塑性指數(shù)主要介于15～20之間，ph值介于7.0～9.0之間，較為適宜采用水泥土攪拌樁處理地基。但由于水泥土攪拌樁的造價相對較高，只在地基處理要求較高的工程中有應(yīng)用。

(6)預(yù)壓法

預(yù)壓法可分為堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓。預(yù)壓法適用于含水率高、孔隙比大、強度低、滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)均較小的黏性土加固。

由于天津濱海吹填土未處理前地質(zhì)條件較差，不能承受大型載重車輛，堆載預(yù)壓在天津濱海吹填土處理的應(yīng)用也并不普遍。真空預(yù)壓法由于施工時不需要大型機械，而且特別適用于淤泥和淤泥質(zhì)土的加固，造價不高，由于真空預(yù)壓的這些得天獨厚的優(yōu)點，從上個世紀八十年代開始，真空預(yù)壓在天津濱海地區(qū)就獲得廣泛的應(yīng)用[5, 7]，到目前為止，真空預(yù)壓仍是天津濱海吹填土最主要的處理方式。下面結(jié)合工程實例對真空預(yù)壓法加固濱海吹填土地基的加固效果進行分析。

3 真空預(yù)壓加固吹填土地基效果分析

以天津中心漁港圍海造地形成的疏浚吹填土地基加固工程為例，對現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)和加固后檢測數(shù)據(jù)進行了成果分析，以了解真空預(yù)壓法加固吹填土地基的特性。

本次軟基加固場區(qū)位于天津中心漁港作業(yè)區(qū)造陸三區(qū)、四區(qū)內(nèi)。地基處理總面積為48.98萬m2。地基處理工程分成22個加固處理區(qū)，下面以一區(qū)為例對真空預(yù)壓加固效果進行分析，一區(qū)排水板間距0.8 m，打設(shè)深度18.0 m，累積抽真空時間110 d，真空度不小于85 kPa。

卸載時各區(qū)土體沉降速率和固結(jié)度均達到了設(shè)計要求。為了檢測真空預(yù)壓加固效果，在進行真空預(yù)壓施工全過程中，進行了土體表面沉降、孔隙水壓力、地下水位和深層水平位移的監(jiān)測。并在預(yù)壓結(jié)束后進行了現(xiàn)場原位測試和室內(nèi)土工試驗。

圖1 一區(qū)各表面沉降標實測沉降變化曲線

圖2 一區(qū)表面實測平均沉降變化曲線

圖3 一區(qū)不同深度土體內(nèi)孔隙水壓力變化過程曲線

圖4 一區(qū)不同深度土體分層沉降變化曲線

圖5 一區(qū)水位變化曲線

圖6 一區(qū)深層水平位移變化曲線

3.1 觀測成果分析

1區(qū)整個施工過程的觀測數(shù)據(jù)顯示，在真空壓力作用下的固結(jié)變形程度不同，各沉降觀測點的實測值相差比較大。最大沉降值發(fā)生在T2號測點，累計沉降量為0.465 m；最小沉降值發(fā)生在T6號測點，累計沉降量為0.257 m，最大不均勻沉降差為0.208 m。由分層沉降變化情況可以看出，各土層沉降變化不規(guī)則，標高為4 m與-14.0 m處沉降量較大，因為淺層吹填土含水量較高，-14.0 m處存在一層淤泥質(zhì)土，土體變形量較大，使得沉降量相對較大。由孔隙水壓力和水位變化分析可知，孔隙水壓力在抽真空期間消散較好，地下水位線隨著時間不斷下降，局部有回彈現(xiàn)象，這是由于期間電壓不穩(wěn)造成跳閘，導(dǎo)致真空泵停泵，引起加固區(qū)內(nèi)真空壓力值不穩(wěn)定。在中后期，區(qū)內(nèi)的孔隙水壓力逐漸趨于平穩(wěn)，持續(xù)消散。由深層水平位移觀測可知，由于深層水平位移點布設(shè)在帷幕墻外側(cè)，在真空預(yù)壓期間，真空壓力作用使得土體向加固區(qū)內(nèi)發(fā)生較大位移，說明真空預(yù)壓加固效果顯著。

3.2 固結(jié)度計算

土體固結(jié)度計算方法很多，主要有理論計算方法和采用實測沉降過程曲線推算法。實測沉降過程曲線法假定在最后一級荷載作用下，沉降隨時間的變化規(guī)律符合某一數(shù)學(xué)表達式，然后用曲線擬和的方法，如最小二乘法，利用實測的數(shù)據(jù)求出表達式中的參數(shù)。常用的數(shù)學(xué)表達式有雙曲線、冪指數(shù)、二次拋物線等。由于我們要推求的是最終沉降量，在利用實測的沉降、時間資料時，盡量要用最近末端的資料，才能使推求的最終沉降量相對準確些。

利用地表沉降標觀測資料計算固結(jié)度的方法選用三點法。公式如下：

(1)

Ut=St/S∞

(2)

式中：S1、S2、S3為相同時間間隔下的實測沉降量；S∞為相應(yīng)荷載下的最終沉降量；St為相應(yīng)荷載下t時刻的沉降量；Ut為相應(yīng)荷載下t時刻的固結(jié)度。

利用雙曲線法計算地基的固結(jié)度，根據(jù)實測沉降資料推算地基的最終沉降量可按下式計算：

(3)

當(dāng)t趨近于無窮大時

(4)

式中：St為滿載t時刻的實際沉降量(cm)；S0為滿載t=0時的實際沉降量(cm)；S∞為最終沉降量(cm)；t為滿載預(yù)壓時間(s)，從滿載時刻算起；α、β為待定系數(shù)。

根據(jù)實測沉降結(jié)果推算地基的固結(jié)度按下式計算：

(5)

表1 一區(qū)平均固結(jié)度計算

利用三點法和雙曲線法計算地基的固結(jié)度，將兩種方法的計算結(jié)果進行對比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)三點法和雙曲線法計算的地基固結(jié)度均達到了90%以上，三點法計算要大于雙曲線法計算的地基固結(jié)度，平均約大2%～5%。這是計算方法上的差異，在進行固結(jié)度計算時，雙曲線法利用參數(shù)α、β對計算沉降曲線進行改正，使得計算結(jié)果更接近真實情況。

(2)兩種固結(jié)度計算方法的結(jié)果顯示，在考慮打板期間沉降時，計算的固結(jié)度要略高于不考慮打板期間沉降的結(jié)果。這是因為在塑料排水板打設(shè)期間，地基土體內(nèi)的水排出，產(chǎn)生沉降，因而發(fā)生了一部分固結(jié)。在計算過程中，如將這部分固結(jié)考慮在內(nèi)，則計算的固結(jié)度將提高。

3.3 孔隙水壓力消散分析

真空預(yù)壓加固軟土地基過程中，孔隙水壓力消散是施工控制和加固效果的一項重要監(jiān)測指標。土體內(nèi)部孔隙水壓力的消散程度高，則土體的固結(jié)度高，土體密實度增大，強度提高。在真空預(yù)壓施工期間，各加固小區(qū)的孔隙水壓力消散情況基本正常，只在一些停泵期間，孔壓值出現(xiàn)過反彈現(xiàn)象。

通過對各小區(qū)內(nèi)不同深度的孔隙水壓力消散值的統(tǒng)計，各區(qū)的孔隙水壓力消散情況見下表2(一區(qū)真空表顯示膜下真空度為82 kPa)

表2 一區(qū)孔隙水壓力變化統(tǒng)計表

通過固結(jié)度計算結(jié)果和孔隙水壓力消散分析可見：通過孔隙水壓力所計算應(yīng)力固結(jié)度較沉降曲線所計算應(yīng)變固結(jié)度偏小，但也達到80%以上。由于孔隙水壓力在埋設(shè)過程中影響其讀數(shù)穩(wěn)定性的因素較多，因此實際工程中應(yīng)以沉降曲線推算的應(yīng)變固結(jié)度為基礎(chǔ)，同時參考應(yīng)力固結(jié)度。

朱建才認為地基中孔隙水壓力消散值可以分為兩部分，一為真空度的直接傳遞導(dǎo)致的孔隙水壓力下降值，二為抽真空引起水位線下降而引起的孔隙水壓力消散值。淤泥地基中孔隙水壓力消散主要是由于地下水位線的下降引起的，砂井和塑料排水板中的孔隙水壓力消散大部分是由真空度直接引起。一區(qū)地下水位下降6.0 m，因地下水位下降而引起的孔隙水壓力消散值為60 kPa，比平均消散值略小，本文認為在淤泥地基中孔隙水壓力消散除了地下水位線下降引起的部分外，還有一部分為由于真空度傳遞所引起的淤泥中的滲流作用引起的，與朱建才意見稍有不同[8]。

3.4 工后檢測分析

3.4.1現(xiàn)場原位測試分析

表3 一區(qū)各土層原位測試結(jié)果統(tǒng)計表

通過對現(xiàn)場十字板試驗成果的分析可以看出，各區(qū)加固前的原狀土抗剪強度有以下特點：上部吹填部分約5.0 m深度范圍內(nèi)，土質(zhì)較軟，抗剪強度平均值為11.7 kPa。對于原吹填泥面以下的土體，深度約8.0～12.0 m范圍內(nèi)，夾有一層硬質(zhì)粉土或粉質(zhì)黏土層，其抗剪強度較大，試驗結(jié)果顯示，該層的抗剪強度平均值為34.7 kPa。在該層硬質(zhì)土層之下，土體深度約13.0～18.0 m深度范圍內(nèi)，為淤泥質(zhì)土層，該土層抗剪強度較低，為真空預(yù)壓主要處理土層，該層平均抗剪強度為21.5 kPa。

標準貫入試驗是在現(xiàn)場測定砂或黏性土的地基承載力的一種方法。本工程真空預(yù)壓區(qū)加固處理后，由于土質(zhì)較硬，無法進行現(xiàn)場十字板試驗，經(jīng)與設(shè)計方溝通后，改為標準貫入試驗，以檢測加固后土體強度。

通過對加固處理后的標貫試驗結(jié)果進行分析，可以得到以下幾點結(jié)論：

(1)各小區(qū)加固處理后，不同深度的標貫擊數(shù)最小值為3擊，最大值可達到20擊以上。尤其上部吹填土部分，相對于加固前鉆具可自沉的情況，地基土強度明顯提高。

(2)加固區(qū)內(nèi)上部吹填土部分(深度在4.0～5.0 m范圍內(nèi))，土體的強度提高較為明顯，最大標貫擊數(shù)已經(jīng)達到6擊以上；原泥面以下土體內(nèi)，在約5.0～12.0 m范圍內(nèi)，夾一層硬質(zhì)粉土層，該層的標貫擊數(shù)平均值為19.7，該層以下為淤泥質(zhì)土層，經(jīng)過加固處理后，該層土體的標貫擊數(shù)平均值也已達到4擊以上。

(3)根據(jù)港口工程地質(zhì)勘察規(guī)范，由各加固小區(qū)的標準貫入擊數(shù)，換算的地基容許承載力，可以看出加固后的地基土體容許承載力均已經(jīng)達到80 kPa以上。

3.4.2現(xiàn)場取土及室內(nèi)土工試驗

為了判定地基處理區(qū)域加固前后土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標變化，以檢驗真空預(yù)壓地基處理的效果。在處理前、后分別對地基土進行現(xiàn)場取樣，并對所取土樣進行室內(nèi)土工試驗，以對真空預(yù)壓加固效果進行評價：

表4 一區(qū)各土層室內(nèi)試驗結(jié)果統(tǒng)計表

通過對加固區(qū)取樣的土工試驗成果進行分析，可以得出以下幾個結(jié)論：

(1)加固后土體的容重明顯增大、含水率和孔隙比減小，壓縮模量和抗剪強度參數(shù)增大，說明地基土體在經(jīng)過處理后，固結(jié)程度提高，密實度增大，強度增加。

(2)同一種土質(zhì)，所處深度較小的土層加固后其強度增長幅度明顯大于深度較大的土層。

(3)從整個加固區(qū)現(xiàn)場取樣土體及其土工試驗結(jié)果看，該真空預(yù)壓軟基加固工程的加固效果較為明顯，土體強度增長幅度較大，特別是在砂墊層以下2.0～5.0 m范圍內(nèi)的土體加固效果更為明顯，符合真空預(yù)壓的加固機理。

4 結(jié)論與建議

(1)天津濱海吹填土具有自身的物理、力學(xué)特點，這些特點決定了濱海吹填土多樣的加固方法。在實際工程中應(yīng)因地制宜，根據(jù)工程地質(zhì)條件和建設(shè)需求，選擇最合適的處理方式。

(2)本文通過天津中心漁港地基加固實例，對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和加固后檢測數(shù)據(jù)進行了成果分析，經(jīng)真空預(yù)壓后吹填土層和下臥淤泥層物理、力學(xué)指標均得到了明顯改善，承載力獲得了較大提高，使用真空預(yù)壓對天津濱海吹填土地基進行處理，適用性較好。

(3)通過孔隙水壓力所計算應(yīng)力固結(jié)度較沉降曲線所計算應(yīng)變固結(jié)度偏小，由于孔隙水壓力在埋設(shè)過程中影響其讀數(shù)穩(wěn)定性的因素較多，因此實際工程中應(yīng)以沉降曲線推算的應(yīng)變固結(jié)度為基礎(chǔ)，同時參考應(yīng)力固結(jié)度。

(4)本文認為在淤泥地基中孔隙水壓力消散除了地下水位線下降引起的部分外，還有一部分為由于真空度傳遞所引起的淤泥中滲流的作用引起的。

[1] 申伯熙. 塘沽和新港地區(qū)工程地質(zhì)條件特征[C]∥軟土地基. 天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社, 1987:47-55.

[2] 盛 利. 天津港地基土工程特性及軟基加固[D]. 天津:天津大學(xué), 2009.

[3] 柴長清. 軟土地基加固的回顧與展望[J]. 港口工程, 1995, (5): 23-29.

[4] 黃松濤. 超軟土地基加固現(xiàn)場常見問題及處理對策[J].水運工程, 2008, (10): 176-182.

[5] 吳向明, 郝思東. 真空預(yù)壓在天津臨港工業(yè)區(qū)軟基處理中的應(yīng)用[J]. 建筑與工程, 2010, (31): 707-709.

[6] 劉寒鵬, 杜東菊, 孫 銳. 真空預(yù)壓軟基處理沉降監(jiān)測分析[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 2009, 17(1): 111-114.

[7] 苑 放. 淤泥質(zhì)軟基真空預(yù)壓處理工藝探討[J]. 交通科技, 2010, (5): 51-53.

[8] 朱建才, 溫曉貴, 龔曉南. 真空排水預(yù)壓加固軟基中的孔隙水壓力消散規(guī)律[J]. 水利學(xué)報, 2004, (8): 123-128.