林生法，范明橋，姜彥彬，徐鍇，李杰

（南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210024）

0 引言

目前，我國(guó)城市土地資源緊張，尤其是發(fā)達(dá)沿海城市，為充分開(kāi)發(fā)利用土地資源，在沿海淤泥灘地進(jìn)行了大量的填海造陸工程。圍海造陸土地一級(jí)開(kāi)發(fā)中，常要求經(jīng)真空預(yù)壓加固后場(chǎng)地的地基承載力為50 kPa。由于吹填淤泥具有高含水率、高壓縮性、高黏土含量、高孔隙比、低滲透性和低強(qiáng)度等工程特性，“四高二低”的特點(diǎn)導(dǎo)致了剛吹填完成的淤泥強(qiáng)度極低，場(chǎng)地后期沉降量大、工后不均勻沉降顯著。真空預(yù)壓法技術(shù)成熟、施工速度快、加固效果好，已廣泛應(yīng)用于水利、交通、工民建等領(lǐng)域的軟土地基處理工程中，是新近吹填淤泥地基較為理想的處理方法[1-2]。同時(shí)，真空預(yù)壓場(chǎng)地內(nèi)真空度影響真空預(yù)壓處理深度、處理效率與效果，有時(shí)甚至直接關(guān)系到工程的成敗。如何提高排水板與場(chǎng)地淤泥中的真空度，降低真空度在場(chǎng)地傳遞中的沿程與局部損耗，一直是真空預(yù)壓研究的重點(diǎn)[3]。

本文針對(duì)以上問(wèn)題，開(kāi)展了基于新吹填淤泥地基加固的相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，并提出了氣管直吸聯(lián)合覆膜真空預(yù)壓快速加固新方法?；诂F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，該方法取得了良好的加固效果[4]。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

1.1 現(xiàn)場(chǎng)各試驗(yàn)分區(qū)概況

本項(xiàng)目把吹填淤泥試驗(yàn)區(qū)分為4塊，每塊面積約1 000 m2，各自獨(dú)立，編號(hào)為A、B、C、D區(qū)。4個(gè)試驗(yàn)區(qū)排水板布置完全相同，即都采用B型排水板，0.6 m×0.6 m正方形布置。其中B、C區(qū)上覆真空膜，插板深度2.5~2.8 m。而A、D區(qū)不覆真空膜，插板深度2.1~2.3 m，板頭在淤泥下30~50 cm，利用表面吹填淤泥作為密封。

為了對(duì)各個(gè)分區(qū)的加固效果進(jìn)行分析，在各個(gè)分區(qū)場(chǎng)地中間布置1個(gè)沉降標(biāo)，并在各區(qū)中心2 m深埋設(shè)1個(gè)孔隙水壓力計(jì)。每塊場(chǎng)地配置1臺(tái)7.5 kW真空泵，分別采用不同真空預(yù)壓方法對(duì)吹填泥進(jìn)行處理，詳見(jiàn)4個(gè)試驗(yàn)區(qū)參數(shù)對(duì)比表1及試驗(yàn)區(qū)平面圖1所示。

表1 試驗(yàn)分區(qū)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of test partition parameters

圖1 試驗(yàn)區(qū)平面圖（單位：mm）Fig.1 Plan of the test site （mm）

1.2 各試驗(yàn)分區(qū)現(xiàn)場(chǎng)概況

1）A區(qū)采用氣管直吸真空預(yù)壓方法對(duì)淤泥進(jìn)行排水固結(jié)處理。該方法首先采用水上浮動(dòng)工作平臺(tái)人工插設(shè)排水板，在排水板頂部插入特別研制的帶有出水口的塑料板帽。板帽為敞口內(nèi)收間距形式，便于排水板插入。板帽通過(guò)PE專用快速氣動(dòng)三通接頭和PU專用氣管相連，氣管內(nèi)徑8 mm。每排氣管用主管串聯(lián)后連接到真空發(fā)生裝置（真空泵），開(kāi)啟真空泵可以直接抽取場(chǎng)地土中孔隙水，達(dá)到降低土體孔隙水，增強(qiáng)土體強(qiáng)度的目的，故簡(jiǎn)稱A區(qū)試驗(yàn)方式為“氣管直吸”真空預(yù)壓法。板帽、排水板接頭、氣管組成封閉直接抽吸系統(tǒng)實(shí)物圖，詳見(jiàn)圖2。

圖2 氣管抽吸系統(tǒng)Fig.2 Air pipe suction system

由于采用了在排水板安裝板帽、專用快速氣動(dòng)三通接頭和專用氣管后通過(guò)支管、主管（4根）直接連接真空系統(tǒng)，抽氣過(guò)程中排水板始終位于泥面之下。由于排水板頭上30~50 cm的表層淤泥起到密封作用，故不使用薄膜密封。由于板帽、三通接頭等都在泥下，表面只能看到場(chǎng)區(qū)邊緣氣管和支管連接以及主管與真空泵連接，詳見(jiàn)圖3。

圖3 主管與真空泵連接系統(tǒng)Fig.3 Connected system between the main pile and the vacuum pump

2）B區(qū)采用直吸聯(lián)合真空膜方法，先在泥面鋪設(shè)1層編織布，然后用和A區(qū)相同的方法插板、安裝接頭和氣管，并連接水平排水管路詳見(jiàn)圖4。圖4為只鋪設(shè)編織布的現(xiàn)場(chǎng)照片，后期還需鋪設(shè)1層土工布和2層專用密封膜。

圖4 B區(qū)排水板施工Fig.4 Drain board construction in partition B

3）C區(qū)采用無(wú)砂墊層真空方法[1，5-8]。先在泥面鋪設(shè)1層編織布，然后在泡沫板上人工插板，板頭和濾管綁扎，濾管先連接主管，主管連接真空泵。濾管之上再鋪設(shè)1層編織布，編織布上面鋪設(shè)2層聚氯乙烯密封膜。

4）D區(qū)采用常規(guī)濾管置于泥面下作為水平排水管路，同A區(qū)一樣，利用泥面密封，不覆膜，即所謂低位真空預(yù)壓[3，9]。泡沫板上插板，板頭和濾管綁扎，板頭置于泥面下0.3~0.5 m。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

為了對(duì)比各分區(qū)加固吹填淤泥層效果，對(duì)最終處理效果進(jìn)行分析，分析的內(nèi)容主要是新近吹填淤泥地基真空預(yù)壓下各試驗(yàn)分區(qū)的場(chǎng)地真空度、地表沉降、超孔隙水壓力消散、土的含水率及淤泥強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

2.1 抽真空歷時(shí)

吹填淤泥基本呈流動(dòng)狀，為減輕土顆粒流動(dòng)而吸附在排水板周圍，堵塞排水板后降低排水板的滲透性。所以，抽氣初期控制抽氣主管真空壓力為30~40 kPa，各試驗(yàn)分區(qū)抽真空歷時(shí)見(jiàn)表2。

表2 各試驗(yàn)分區(qū)抽真空歷時(shí)Table 2 Vacuum supply duration in every test partition d

從表2可知，各區(qū)真空處理時(shí)間已達(dá)3~4個(gè)月，各區(qū)吹填淤泥壓縮變形速率已小于1 mm/d，達(dá)到停泵標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 場(chǎng)地真空度與地表沉降

場(chǎng)地中的真空度與地表沉降是軟基分析的基礎(chǔ)，其變化規(guī)律是控制施工進(jìn)度和安排后期施工最重要的指標(biāo)[8]，本試驗(yàn)區(qū)各分區(qū)的場(chǎng)地真空度、地表沉降與時(shí)間曲線關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 試驗(yàn)分區(qū)真空度、地表沉降與時(shí)間曲線關(guān)系Fig.5 Curves of vacuum degree，ground surface settlement and time

如圖5所示，4個(gè)試驗(yàn)分區(qū)為減輕淤泥“抱團(tuán)”現(xiàn)象，在抽氣初期控制真空壓力20~50 kPa，10 d后逐步增大真空壓力。無(wú)膜區(qū)A、D區(qū)真空度一直較小，基本為0。有膜的B、C區(qū)膜下真空壓力達(dá)到70~90 kPa，其中B、C區(qū)有個(gè)別期間真空度降為0是由于停電、取土樣、做一些原位試驗(yàn)引起的，整體上B區(qū)真空度略低于C區(qū)。隨著地表沉降的不斷增加，表面積水蒸發(fā)，A、D區(qū)淤泥表面產(chǎn)生裂縫，少量板頭有漏氣現(xiàn)象，導(dǎo)致真空壓力下降。經(jīng)過(guò)檢查對(duì)有漏氣的板頭進(jìn)行處理，為防止淤泥再次產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致漏氣，故采取表面注水措施。但是，由于不能檢查出所有漏氣部位，不能完全解決漏氣問(wèn)題，導(dǎo)致A、D區(qū)真空有所上升，但也只能到20~50 kPa。分析其原因是由于局部表面覆水通過(guò)淤泥裂縫與板頭聯(lián)通所致。

在抽真空作用下各區(qū)淤泥均產(chǎn)生了較大地表沉降，其中B、C區(qū)地表沉降分別達(dá)到750 mm、720 mm，加固效果顯著。有膜B區(qū)抽氣時(shí)間短于C區(qū)，并且B區(qū)真空度低于C區(qū)，但沉降量已超過(guò)C區(qū)，說(shuō)明B區(qū)采用氣管直吸聯(lián)合覆膜方法真空效果較好，原因可能是B區(qū)真空度在場(chǎng)地傳遞中的沿程與局部損耗比C區(qū)小，B區(qū)場(chǎng)地中的排水板負(fù)壓比C區(qū)場(chǎng)地中的排水板負(fù)壓大。

2.3 孔隙水壓力

超靜孔隙水壓力消散觀測(cè)是了解地基土體固結(jié)狀態(tài)的手段，因此通過(guò)超靜孔隙水壓力消散隨時(shí)間變化曲線的實(shí)測(cè)資料，可以判斷真空預(yù)壓加固軟基的效果[8]。各試驗(yàn)分區(qū)超靜孔隙水壓力消散如圖6所示。

圖6 超靜孔隙水壓力消散隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of excess pore water pressure dissipation changing with time

如圖6所示各試驗(yàn)分區(qū)在真空抽氣期間，超靜孔隙水壓力不斷消散，說(shuō)明各區(qū)排水固結(jié)一直在持續(xù)進(jìn)行。抽真空初期，由于吹填淤泥土顆粒尚未形成骨架，無(wú)法傳遞粒間應(yīng)力，因此孔隙水壓力和有效應(yīng)力變化較小，主要表現(xiàn)為自由水的排出[1]。從圖6可以知道，B區(qū)超靜孔隙水壓力消散約為50 kPa，C區(qū)超靜孔隙水壓力消散約為40 kPa。根據(jù)有效應(yīng)力原理[10]與齊永正[11]等人研究成果，超靜孔隙水壓力消散值轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力。隨著排水固結(jié)，土體中的孔隙減小，土顆粒越緊密，土顆粒之間嚙合力增大，土的強(qiáng)度得到提高。對(duì)B與C區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表3?？芍馏w強(qiáng)度增長(zhǎng)與地表沉降、超靜孔隙水壓力消散基本一致。

表3 B、C區(qū)十字板強(qiáng)度Table 3 Vane strength in partition B and C

2.4 含水率

自然落淤的淤泥與自重沉積后的吹填淤泥含水率分布極不均勻，往往是上部高下部低，2012年12月9日深度0.5 m取樣含水率為115%。2013年4月18日經(jīng)抽氣加固后對(duì)場(chǎng)區(qū)不同區(qū)域取樣測(cè)定處理后淤泥的含水率結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 吹填淤泥處理后含水率ωTable 4 Water contentωafter treating the dredge fill mud

根據(jù)表4各區(qū)含水率均有大幅度下降。覆膜的B、C區(qū)淤泥含水率已降至40%或以下，而加固前淤泥含水率為110%左右，排水固結(jié)效果明顯。無(wú)膜區(qū)含水率也有較大幅度減少，但與要達(dá)到形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的程度相比還有一定差距。

2.5 淤泥強(qiáng)度增長(zhǎng)

從有膜B、C區(qū)現(xiàn)場(chǎng)抽氣情況看，存在明顯的板周圍“抱團(tuán)”現(xiàn)象。這是因?yàn)槌跏即堤钣倌喑柿鲃?dòng)狀，細(xì)小的土顆粒在真空吸力作用下向板周聚集，形成以排水板為中心的圓柱狀土柱，土柱之外則產(chǎn)生明顯的沉陷。與其外土體相比，土柱要堅(jiān)硬的多，強(qiáng)度相對(duì)較高，且越靠近排水板強(qiáng)度越高，而在4根排水板正中心位置強(qiáng)度最低。為進(jìn)一步確定處理效果，對(duì)B、C區(qū)淤泥地基進(jìn)行了淺層載荷板試驗(yàn)，可以直接得到地基的承載能力。按照規(guī)范[12]載荷板尺寸為0.707 m×0.707 m=0.5 m2，試驗(yàn)獲得B區(qū)極限承載力為110 kPa、C區(qū)極限承載力為100 kPa，兩區(qū)地基承載力特征值分別為B區(qū)55 kPa、C區(qū)50 kPa，均達(dá)到了50 kPa的地基使用要求。

2.6 最終處理效果分析

從沉降、含水率變化情況來(lái)看，4種真空預(yù)壓方法處理吹填淤泥均取得了一定的效果。其中覆膜區(qū)效果優(yōu)于無(wú)膜區(qū)，因此影響處理效果的關(guān)鍵在于淤泥表面的密封狀況。利用吹填淤泥自身滲透性弱、封閉性好的優(yōu)點(diǎn)，將其用來(lái)保持排水板真空度，可以省去鋪真空密封膜的工序，降低工程造價(jià)。

然而如前所述，無(wú)膜區(qū)隨著淤泥逐步沉降，表面失水，0.3~0.5 m覆蓋厚度還不足以有效防止淤泥表面產(chǎn)生裂縫與排水板貫通。所有排水板都是通過(guò)氣管或?yàn)V管相通的，只要有個(gè)別排水板與大氣聯(lián)通，必然造成整個(gè)真空預(yù)壓系統(tǒng)漏氣，真空度下降，影響處理效果。所以要保證系統(tǒng)密封性，一是加大淤泥覆蓋厚度，二是要防止表面裂縫產(chǎn)生。對(duì)于吹填泥來(lái)說(shuō)加大淤泥覆蓋厚度，表面覆蓋淤泥在短期自然晾干、自重固結(jié)作用下，強(qiáng)度增長(zhǎng)有限，遠(yuǎn)達(dá)不到場(chǎng)地使用對(duì)承載力的要求。表面覆泥可以消除大部分開(kāi)縫，但由于沉降的不均勻（板頭小、板間大），仍然會(huì)有少量裂縫產(chǎn)生，與排水板相通，造成板中真空度下降，影響排水固結(jié)效果。無(wú)膜區(qū)淤泥含水率雖然也在下降，但其下降速度遠(yuǎn)小于有膜區(qū)，淤泥含水率還較高，土體強(qiáng)度還基本沒(méi)有形成。

B區(qū)采用氣管直吸聯(lián)合覆膜真空預(yù)壓方法進(jìn)行處理，C區(qū)采用無(wú)砂墊層真空預(yù)壓方法，相同抽氣時(shí)間內(nèi)B區(qū)淤泥沉降量、沉降速率、處理后地基承載力均大于C區(qū)，而處理后含水率小于C區(qū)，采用B區(qū)真空預(yù)壓方法處理效果明顯更好一些。造成這種情況的可能原因是：氣管直吸系統(tǒng)排水板芯通過(guò)板帽、氣管與真空直接相連，泵與板之間是密封直通的，真空傳遞幾乎沒(méi)有損失。而濾管系統(tǒng)排水板芯要透過(guò)板芯外面包裹的濾布、濾管外面包裹的濾布、濾管與真空泵相連，泵與板之間多了2層濾布，真空傳遞有一定損失。此外由于排水板是綁扎在濾管上的，淤泥也有可能淤堵在濾管濾布和排水板濾布之間，對(duì)真空傳遞造成阻塞。要使用無(wú)砂墊層真空預(yù)壓方法可考慮將排水板直接插入到濾管中的連接方式，而不是用綁扎連接方式，當(dāng)然效果還有待驗(yàn)證。

根據(jù)淤泥強(qiáng)度的形成和增長(zhǎng)規(guī)律，在其含水率大于液限（本場(chǎng)淤泥液限棕L=45.8%）時(shí)基本不具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。當(dāng)含水率低于液限后，土體強(qiáng)度隨著土中水分即含水率的減少而快速增長(zhǎng)。在有膜區(qū)域，從淤泥含水率的降低幅度看，淤泥含水率已小于其液限（棕L=45.8%），土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)初步形成。

3 結(jié)語(yǔ)

1） 由于無(wú)膜A區(qū)和D區(qū)場(chǎng)地真空預(yù)壓試驗(yàn)方法無(wú)法保證排水板內(nèi)較高的真空度，故不適宜在本場(chǎng)地作吹填淤泥處理方法使用。

2） 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，氣管直吸聯(lián)合覆膜與無(wú)砂墊層真空預(yù)壓方法適宜在本場(chǎng)地作吹填淤泥處理方法使用，并且氣管直吸聯(lián)合覆膜比無(wú)砂墊層真空預(yù)壓方法處理效果更好。

3） 氣管直吸聯(lián)合覆膜能減少真空度在傳遞中的損失，快速實(shí)現(xiàn)排水固結(jié)，快速實(shí)現(xiàn)加固吹填淤泥層，并滿足后續(xù)工程施工承載力要求，可推廣應(yīng)用于我國(guó)大面積吹填造陸工程中。

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