朱前維， 錢冠群， 尤征懿， 陳 娟

(1.江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，江蘇 無錫214031;2. 無錫市惠山區(qū)錢橋街道水利農(nóng)機服務(wù)站，江蘇 無錫214153)

1952 年瑞典皇家地質(zhì)學院杰爾曼教授提出了真空預壓技術(shù)這一概念，并闡述了利用該技術(shù)加固地基的模型以及抽真空使土體中孔隙水壓力降低、有效應(yīng)力增加的觀點［1］。我國于1985 年通過了真空預壓法的國家技術(shù)鑒定，經(jīng)過多年努力，真空預壓技術(shù)在已廣泛應(yīng)用于路基處理、吹填造地、港口建設(shè)等工程中，并取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益［2-3］。

目前，在太湖清淤底泥處理方面，采用傳統(tǒng)的排泥場堆放自然干化的方式已經(jīng)不能適應(yīng)當前社會可持續(xù)發(fā)展的趨勢以及太湖底泥資源化利用的要求。使用真空預壓技術(shù)對太湖底泥進行固化成為近幾年太湖生態(tài)清淤底泥固化工程的新課題。根據(jù)《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》和江蘇省出臺的《關(guān)于加快實施太湖生態(tài)清淤工程意見》的規(guī)劃，太湖底泥疏?？偭窟_3 541 萬m3，而主要清淤區(qū)域梅梁湖、貢湖和竺山湖，均位于無錫境內(nèi)，清淤量占整個計劃的84.6%［4］。自2007 年開始，隨著太湖治理步伐的加快，太湖底泥疏浚的總量逐漸增加，淤泥堆放與用地緊張的矛盾越來越突出，一度成為制約太湖清淤計劃的瓶頸。文中將真空預壓技術(shù)應(yīng)用于月亮灣生態(tài)清淤底泥固化工程項目中，是將這一成熟技術(shù)應(yīng)用于太湖底泥固化這一全新領(lǐng)域的有益嘗試。

1 真空預壓技術(shù)原理及系統(tǒng)組成

1.1 真空預壓技術(shù)原理

真空預壓時，真空壓力首先作用在土體中的水、氣流體上，而非直接作用在土體骨架或顆粒上。在真空預壓初始階段，土體排水量很大，但沉降量比較小。這是由于土體中的自由水和氣首先被抽出，然而由于土體顆粒之間的粘聚力、排斥力、接觸點支撐力的存在，土體中的有效應(yīng)力并未顯著增加。隨著水、氣的抽出及時間的持續(xù)，土體顆粒間的無水孔隙逐漸增大，土體骨架開始承受真空壓力，導致土體顆粒發(fā)生錯位重新排列。這是一個由外因而導致土體內(nèi)部“自發(fā)”調(diào)整的過程，結(jié)果使得土體密實而得以加固［6-7］。使用真空預壓技術(shù)對太湖淤泥進行物理固化的簡單原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 真空預壓技術(shù)固化淤泥原理結(jié)構(gòu)Fig.1 Principle structure of the vacuum preloading technology

1.2 真空預壓技術(shù)的系統(tǒng)組成

1.2.1 真空機械系統(tǒng) 真空機械系統(tǒng)包括往復式真空泵及其附屬設(shè)備。每臺真空泵與水氣分離系統(tǒng)通過膠管相連接。真空機械系統(tǒng)是在密封系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)配合下抽取真空的，當抽取的真空度達到最大值時，應(yīng)能保持一定時間，其持續(xù)時間的長短和真空度大小要滿足設(shè)計要求［5］。

1.2.2 排水系統(tǒng) 排水系統(tǒng)包括鉛直塑料排水板、水平排水管，鉛直塑料排水板正方形布設(shè)，水平排水管主要由水平干管和支管構(gòu)成。每一條支管與一排塑料排水板進行復式搭接，干管、支管尾端需密封。要求鉛排水板、水平排水管的排水阻力小，能順暢地將孔隙水排出軟基。排水管出膜處應(yīng)安裝出膜裝置，以保持密封效果，排水管及其連接件在預壓過程中須能適應(yīng)地基變形。

1.2.3 密封系統(tǒng) 密封膜宜采用2 ～3 層聚乙烯或聚氯乙烯薄膜［5］。加固區(qū)四周應(yīng)開挖壓膜溝，壓膜溝深度至少應(yīng)挖至不透水、不透氣層頂面以下0.5 m。要求編織布、薄膜、土溝、土堤、灌水各個環(huán)節(jié)密封性能好，各種管、線通過密封膜處不漏氣，膜下真空度滿足設(shè)計要求。

1.2.4 監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測系統(tǒng)主要包含以下3 個方面控制:①真空度。膜內(nèi)真空度包括膜下真空度和土中真空度兩部分，檢測時，還應(yīng)看其分布是否均勻及深度變化情況。②孔隙水壓力。測定孔隙水隨深度變化的規(guī)律。③沉降板。測定經(jīng)真空預壓的軟基的垂直沉降變化狀況，以孔隙水壓力及沉降板的沉降變化驗證固結(jié)度是否滿足設(shè)計要求。

2 工程應(yīng)用實例

2.1 工程概況

月亮灣生態(tài)清淤淤泥固化工程為月亮灣生態(tài)清淤工程的后續(xù)工程，主要對月亮灣生態(tài)清淤工程所堆放在堆場內(nèi)的淤泥以及原堆場內(nèi)魚塘底部的淤泥進行物理固化。該固化區(qū)域內(nèi)淤泥質(zhì)土［8］:青灰～灰色，流塑，含有機質(zhì)，夾貝殼碎屑。厚度:1.60 ～7.10 m，平均2.75 m;層底標高(85 國家高程):－7.10 ～－1.60 m，平均－2.75 m;層底埋深:1.60 ～7.10 m，平均2.75 m。

工程地點位于馬山常樂路西端。分為A，B 兩個區(qū)域，常樂路南側(cè)為A 區(qū)，面積約14.5 萬m2，北側(cè)為B 區(qū)，面積約6.7 萬m2。根據(jù)招標文件要求工程質(zhì)量:固化土最低承載力5 個月后必須達到或超過50 kPa，并滿足外運需要和復耕要求。

2.2 施工過程

2.2.1 總體思路及施工工序 根據(jù)堆場區(qū)域分布，將固化堆場分為8 個區(qū)域。每個分部面積約25 000 m2。綜合考慮密封膜整體大小、電力、工期等因素，可分塊實施也可幾塊同時推進。在開始抽真空后，當膜下壓力達到80 kPa 后開始計時，抽真空時間達到3 個月以上，方可卸載。

按真空預壓加固法的施工要求，施工過程分為8 個工序，具體流程如圖2 所示。

圖2 施工工序Fig.2 Construction process

2.2.2 主要施工過程 ①放線定位。根據(jù)設(shè)計圖紙，用測量觀測儀器確定加固區(qū)邊界、塑料排水板的打設(shè)位置、真空集水井位置、真空管網(wǎng)的位置，并設(shè)立標記。②管網(wǎng)布設(shè)。真空管網(wǎng)系統(tǒng)包括鉛直排水系統(tǒng)(塑料排水板的布設(shè))、水平排水系統(tǒng)、水氣分離系統(tǒng)及機泵系統(tǒng)。鉛直排水系統(tǒng)塑料排水板正方形布設(shè)，板間距0.8 m，插板深度2.0 ～6.0 m 至淤泥底部。水平排水系統(tǒng)主要由水平干管和支管構(gòu)成，每個加固分區(qū)設(shè)1 條排水干管;根據(jù)干管長度每個加固分區(qū)設(shè)多組水平支管，支管對稱垂直分布于干管兩側(cè)，支管與干管相嵌接。每一條支管與一排塑料排水板進行復式搭接，干管、支管尾端需密封。③監(jiān)測儀器設(shè)備安裝。根據(jù)《真空預壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程》并結(jié)合本工程相關(guān)技術(shù)要求，在每個加固分區(qū)進行水位、真空度和沉降量的觀測。在每個加固分區(qū)內(nèi)設(shè)置9 個沉降標，2 個水位觀測點，6 個真空度測頭。④真空機械安裝。抽真空設(shè)備采用射流泵，其單機功率≥7.5 kW，且能形成≥96 kPa 的真空壓力;約900 ～1 100 m2布置一臺真空泵。⑤真空負壓操作。機械設(shè)備完成進場后，各單元的機泵系統(tǒng)進入真空操作階段。真空操作要求有水必排。隨著壓力的逐漸上升，排水量越來越小，軟基的固結(jié)程度也逐漸加大。

2.3 施工監(jiān)測

抽真空期間的數(shù)據(jù)監(jiān)測是整個真空預壓過程中的重要工作，根據(jù)設(shè)計要求施工期監(jiān)測的內(nèi)容包括水位監(jiān)測、沉降監(jiān)測、真空度監(jiān)測等，具體見表1。

3 工程實施效果

月亮灣生態(tài)清淤淤泥固化工程的淤泥固化處理總面積約21.7 萬m2，固化處理共分8 個區(qū)。為全面、合理、準確評價固化土體承載力指標，按照固化區(qū)域項目劃分，共8 個分部工程，編號為Ⅰ～Ⅷ;每個分部分成6 個單元，編號為Ⅰ-01 ～Ⅷ-06，共計48個單元。圖3 為具體的檢測項目及分布情況。

3.1 檢測方案

本著經(jīng)濟合理、高效、準確的原則，以淺層載荷板試驗、十字板剪切試驗與靜力觸探試驗相結(jié)合，并布置少量取土機鉆孔取土化驗的檢測方案。

根據(jù)工程項目劃分情況，為確保每個單元、每個分部區(qū)域內(nèi)均有工程質(zhì)量數(shù)據(jù)指標反映，故工程檢測計劃按照平均約25 m 間距，間隔布置十字板剪切試驗孔與靜力觸探試驗孔，少量機鉆取土孔均勻分布于整個固化區(qū)域，以剖面形式將固化后的淤泥進行分層，并分層確定其承載力及土層物理力學性質(zhì)指標。

圖3 檢測項目及分布(局部)Fig.3 Detection items and distribution(local)

3.2 檢測設(shè)備和方法

1)淺層載荷試驗:采用堆載法，共進場兩套設(shè)備，試驗裝置由反力裝置系統(tǒng)、加荷穩(wěn)壓裝置系統(tǒng)和測讀裝置系統(tǒng)3 部分組成。承壓板為圓形0.5 m2鋼板。具體試驗方法如下:①加載分級。預估極限荷載140 kPa，加載等級分為9 ～10 級。②沉降觀測。每級加載后按間隔10，10，10，15，15 min，以后每半個小時測讀一次沉降量，當在連續(xù)兩小時內(nèi)，每小時的沉降量小于0.1 mm 時，則認為已趨于穩(wěn)定，即可增加下一級荷載。

2)十字板剪切試驗:采用十字板剪切試驗(Vane Shear Test，VST)，施工進場一套電測十字板剪切設(shè)備，設(shè)備由十字板頭、數(shù)據(jù)采集儀器、探桿、地錨和和貫入主機組成。十字板剪切試驗的原理，即在鉆孔某深度的軟黏土中插入規(guī)定形狀和尺寸的十字板頭，施加扭轉(zhuǎn)力矩，將土體剪切破壞，測定土體抵抗扭損的最大力矩，通過換算得到土體不排水抗剪強度。

3)單橋靜力觸探試驗:采用靜力觸探試驗(Static Cone Penetration Test，CPT)，施工進場兩套單橋靜力觸探設(shè)備，設(shè)備由單橋觸探頭、數(shù)據(jù)采集儀器、探桿、地錨和貫入主機組成。當靜力觸探的探頭在靜壓力作用下，均速向土層中貫入時，探頭附近一定范圍內(nèi)的土體受到壓縮和剪切破壞，同時對探頭產(chǎn)生貫入阻力。利用靜力觸探與土的野外載荷試驗對比，運用數(shù)理統(tǒng)計的方法，可以建立各種相關(guān)方程(經(jīng)驗關(guān)系)。這樣，只要知道土層的貫入阻力即可確定該層土的地基承載力等指標參數(shù)。

4)鉆探取樣:采用兩臺鉆探取樣設(shè)備，設(shè)備包括GXY-1 型鉆機，鉆桿，泥漿泵，重錘，薄壁取土器。樣品進行室內(nèi)測試的項目有含水率(w)，重度(r)，比重(Gs)，液限(wl)，塑限(wp)，抗剪強度(τ)，無側(cè)限抗壓強度(qu)，壓縮模量(ES)。所有測試項目均嚴格按《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)執(zhí)行。

3.3 檢測結(jié)果

竣工檢測采用了淺層載荷板試驗、十字板剪切、單橋靜力觸探等原位測試手段對固化土的承載力進行測試，共完成測試點444 個。其中，淺層載荷板測試點10 個，十字板剪切測試點50 個，單橋靜力觸探測試點360 個，鉆探取土測試點24 個。根據(jù)多種測試手段的檢測點綜合對比分析，淺層載荷板測試點10 個，滿足承載力大于50 kPa 為8 個;鉆探取土測試點24 個，24 個測試點的承載力均≥50 kPa;單橋靜力觸探測試點360 個，承載力≥50 kPa 為355個;十字板剪切測試點50 個，50 個測試點的承載力均＞50 kPa。對承載力＜50 kPa 的5 個測試點進行分析，測試點主要分布在Ⅰ-05，Ⅱ-05，Ⅱ-06，Ⅷ-01，Ⅷ-05 單元邊界位置，因為真空預壓法對邊界位置的處理難以達到預期效果，導致承載力偏低，在不合格測試點的旁側(cè)進行補測試，補測的測試點均合格。故本工程Ⅰ～Ⅷ區(qū)48 個單元的所有測試點承載力均＞50 kPa。

根據(jù)多種測試手段檢測成果綜合對比分析，經(jīng)真空預壓處理后，土的含水率降低30% 以上，力學強度指標提高5 倍以上，承載力提高1 倍，壓縮模量提高1.5 倍，靈敏度降低一個等級。經(jīng)真空預壓固結(jié)處理后，固化土由流泥與淤泥變成淤泥質(zhì)土，其各項物理力學指標均有較大提高。工程質(zhì)量符合設(shè)計要求，達到了預期效果。

4 結(jié) 語

月亮灣生態(tài)清淤底泥固化工程是無錫地區(qū)首次大規(guī)模的應(yīng)用真空預壓技術(shù)對太湖生態(tài)清淤后堆場內(nèi)的淤泥進行固化處理，它的成功運用，為真空預壓技術(shù)應(yīng)用于淤泥固化這一新領(lǐng)域起到了很好的示范作用，具有如下優(yōu)點:

1)提高堆場重復利用率。真空預壓對淤泥的含水率的要求不高，可以及時固化，節(jié)約時間成本。同時固結(jié)后的底泥力學性能大幅提高，體積大幅縮小，可以及時外運利用，提高堆場重復利用率，緩解無錫太湖生態(tài)清淤中堆場短缺的問題。

2)節(jié)約工程資金。常用的化學固化成本在35 ～50 元/m3，而真空預壓技術(shù)成本在20 ～30 元/m3，工程造價大大降低，可節(jié)約資金約40% 以上。

3)降低環(huán)境污染。真空預壓技術(shù)固化淤泥不需要在淤泥中添加其他材料，可有效控制淤泥的占地面積，且不會產(chǎn)生二次污染，固化后的淤泥營養(yǎng)成分沒有發(fā)生變化可直接復耕、種植。

4)增強淤泥的資源化利用。經(jīng)過真空預壓技術(shù)固化的太湖淤泥，若能與有關(guān)建設(shè)項目的用土需求在時空上做好銜接，如建筑填方土料、農(nóng)林園藝綠化土壤等，使無用淤泥轉(zhuǎn)化為其他建設(shè)項目的可用資源，不但可以解決疏浚底泥的排泥場地問題，而且可以減少部分取土對土地的破壞，符合保護墾地與資源循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，是一項一舉多得的措施。

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