蔡學石，劉孟孟，薛潤澤，王 洋, 徐滿意，劉瑞良

(1.大連東港商務區(qū)開發(fā)建設管理集團有限公司，大連 116001；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

我國海岸線長約1.8萬km，由于長期的搬運和沉積作用，我國東南沿海大部分地區(qū)和沿海河流中下游地區(qū)廣泛分布著淤泥質沉積層，該淤泥質沉積層的主要特點是土體顆粒小，粘粒含量高、滲透性差、含水率高、壓縮性大、抗剪強度低[1]。此外，第四次圍海造陸工程熱潮的建設進入末期后，我國尚存留一批軟基加固“難點工程”，如大連臨空產業(yè)園填海造地工程等，這些工程普遍特點是吹填造陸區(qū)域深度大、吹填海相土滲透性差、含水率高。隨著我國基礎設施建設的發(fā)展，大量建(構)筑物如工業(yè)廠房、港口碼頭、機場、倉庫、堆場、高速公路、房屋等都需要建設在這種軟土地基之上，若直接在這種未處理的軟弱地基上修建施工，會產生地基總體沉降量大、不均勻沉降嚴重、承載力低、穩(wěn)定性差的現(xiàn)象，無法滿足實際工程的需求，嚴重影響工程質量安全[2-4]。針對這一問題，交通運輸部發(fā)布了《“平安百年品質工程”建設研究推進方案》，將“特殊土路基的填筑與沉降控制技術”和“水工結構沉降位移過大和不均勻沉降問題防治”列為推進交通基礎設施高質量發(fā)展的重點研發(fā)項目。

采用真空預壓進行軟基處理的方法最早由瑞典皇家地質學院Kjellman提出，并初步論證了真空預壓的機理并建立真空預壓加固軟土地基一維問題的最終效果圖[5]。Mertirosym求解拉普拉斯方程繪制二維真空預壓的滲流流網，小林正樹采用有限元求解真空預壓三維問題的數(shù)值解[6]。以上研究主要側重采用真空預壓加固的最終效果，屬于穩(wěn)定滲流的問題。1980年以來，中交一航局、南京水利科學院和天津大學等單位對真空預壓的機理進行研究。陳環(huán)、高志義、錢家歡等對真空預壓固結問題進行研究，指出地基土在負壓作用下固結，盡管和堆載預壓的邊界條件存在差別，但和正壓作用下的固結問題基本相同，因此固結方程形式和堆載預壓一致，只是邊界條件不同[7]。龔曉南、岑仰潤總結前人研究經驗提出真空預壓存在兩個基本問題，一是最終效果問題，二是固結問題，即變形、孔壓、有效應力和強度等參數(shù)隨時間的變化[8]。因此，必須從這樣兩個角度出發(fā)才能系統(tǒng)論述真空預壓加固軟土地基的機理。此后，采用真空預壓方法進行軟基處理技術逐漸成熟，天津大學、交通運輸部天津水運工程科學研究院、南京水利科學研究院、浙江大學、中交水運規(guī)劃設計院等多家單位對真空預壓方法進行了多項試驗研究和實際工程應用[9-11]，真空預壓軟基處理技術的施工工藝和設計方法也不斷完善和創(chuàng)新，使我國真空預壓技術處于國際領先水平，真空預壓技術逐漸推廣應用，在我國港口碼頭、倉庫、機場和高速公路等重大基礎性工程中得到應用，并取得了巨大的社會和經濟效益。

但值得注意的是，以往真空預壓技術主要應用于高滲透性軟基固結工程，如天津港等。目前已有研究較少涉及真空預壓在低滲透性軟基工程中的處理應用，低滲透性軟基加固工程的加固效果不僅受真空度、排水板布置工藝和地基墊層等方面的影響，還受制于如何打破低滲透性土體固有特性的影響，這也是目前真空預壓工藝有待解決的關鍵技術問題之一。

1 試驗概況

為詳細探究真空預壓技術在低滲透性軟粘土中的處理加固效果，排除室內小比尺模型試驗的比尺效應和邊界效應，特選定遼東半島某圍海造陸工程作為試驗地點。選定的人工島試驗場地總陸域形成面積20.29 km2，區(qū)域水域底標高-5.0～-6.0 m，回填區(qū)陸域交工標高3.1～4.85 m，清淤換填區(qū)回填標高為2.7 m，納泥區(qū)吹填標高為5.0 m和5.5 m，吹填淤泥厚度約10.5 m。

由于試驗場地吹填淤泥具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、密度小、強度低、滲透性小等特點，工作墊層的設置及吹填淤泥層的處理較常規(guī)軟基處理項目難度大，故本次試驗共布置6組對照試驗，分別考察膜下處理方式、排水板深度、排水板類型和排水板間距對真空預壓處理效果的影響，試驗組次如表1所示，對照試驗分區(qū)平面布置圖如圖1所示。土體物理力學指標見表2。

表1 試驗組次對照表Tab.1 Test group comparison

注：試驗區(qū)面積為80 m×120 m，排水板I表示濾膜等效孔徑O95為0.05～0.075 mm，排水板II表示濾膜等效孔徑O98為0.075～0.13 mm，2～3組次三維排水網是在吹填土上直接鋪設排水網墊層(如圖2-d所示)。

本次試驗采用對照參考的方式，通過在地基處理試驗區(qū)埋設孔隙水壓力計、沉降標、真空表、水位儀等對地基處理過程進行監(jiān)測，并對試驗結果進行對比分析，探究真空預壓施工工藝對低滲透性軟粘土的處理加固效果。

表2 吹填土的物理性質Tab.2 Physico-mechanical parameters of soil

圖1 對照試驗分區(qū)平面布置及真空預壓示意圖Fig.1 Section plan of test group comparison and vacuum preloading

2-a 試驗區(qū)現(xiàn)場2-b 排水板布設安裝2-c 真空預壓布設完成2-d 三維排水網墊層圖2 現(xiàn)場試驗圖片F(xiàn)ig.2 Picture of field test

試驗場地平整完成后，回填中粗砂作為水平向排水墊層，其中中粗砂含泥量不大于5%，砂墊層厚度為1.0 m。然后按照表1安排打設塑料排水板，板芯采用原生料，排水板正方形布置，為保證試驗結果的準確性和可靠性，排水板的打設嚴格遵守《水運工程塑料排水板應用技術規(guī)程》(JTS206)的有關規(guī)定，施工現(xiàn)場排水板用帆布覆蓋以防日曬雨淋加速材料老化，打板前后均采用10 m×10 m方格網測出加固區(qū)各點高程，以便推算打板期間沉降量。塑料排水板打設完成并驗收合格后，采用砂墊層砂料仔細填滿打設時在板周圍形成的孔洞，在埋設板頭前及時清理干凈塑料排水板在打設過程中帶出的淤泥，以及現(xiàn)場的雜物，以便更好地形成排水通道，并將板頭埋入砂墊層中，埋設方向與砂面平行，以確保排水暢通，同時防止刺破密封膜。布設濾管時根據(jù)現(xiàn)場實際情況對濾管、二通、三通和四通的數(shù)量及布置做適當?shù)恼{整，以確保濾管排水通暢，同時埋設膜下真空度、地表沉降、深層分層沉降、孔隙水壓力、地下水位、深層水平位移、排水板內真空度等監(jiān)測儀器。為保證軟基處理加固效果，抽真空滿載14 d后，開始分級加載，聯(lián)合堆載料采用0.5 m厚粉細砂保護層和4.5 m厚開山石土，分三級堆載，每級1.5 m。堆載完成后實時監(jiān)測地基土層沉降，待沉降穩(wěn)定后停泵卸載，真空預壓結束。通過各試驗組次地基沉降的差異情況，分析探究真空預壓施工工藝對低滲透性軟粘土的處理加固效果，以確定最優(yōu)試驗方案。

2 試驗結果

2.1 真空度

試驗開始后，隨著抽真空時間的延續(xù)，膜下真空度在14 d內上升到85 kPa，真空度隨時間變化過程見圖3，從圖中可以看出，抽真空后，膜下真空度很快達到80 kPa，然后緩慢增加到16 d后的85 kPa左右，然后隨著時間的增加，膜下真空度逐漸緩慢下降并達到穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在70 kPa。試驗1區(qū)(1-1、1-2、1-3)和試驗2區(qū)(2-1、2-2、2-3)膜下真空度的數(shù)值和趨勢均保持相對一致。

圖3 各組試驗區(qū)膜下真空度Fig.3 The vacuum under membraneof each test group

2.2 沉降

試驗過程中通過千分表測量了真空預壓聯(lián)合堆載過程中土體表面的沉降量，試驗過程中土體表面沉降隨時間變化曲線如圖4所示。為減小各組試驗的誤差，試驗1-1、1-3、2-1、2-3組次中布置了6個觀測點，試驗1-2和2-2組次中布置了3個觀測點，每組試驗結果在分析時采用均值化處理。

4-a 1-1組次地基沉降量結果

4-b 1-2組次地基沉降量結果

4-c 1-3組次地基沉降量結果

4-d 2-1次地基沉降量結果

4-e 2-2次地基沉降量結果

4-f 2-3次地基沉降量結果圖4 各對照組試驗沉降曲線Fig.4 Experimental settlement curve of each test group

由圖3可知，在真空預壓試驗開始后，土體沉降發(fā)展很快，基本呈線性增長；當一級堆載(累計21.3 kPa)荷載施加后，沉降速率迅速增大，同時沉降迅速增加，此時土體沉降仍呈線性趨勢增長；當二級堆載(累計42.6 kPa)荷載施加后，土體沉降速率再次增加，但速率增加幅度較一級堆載相比有所降低，此階段土體沉降介于線性增長和指數(shù)增長趨勢之間；當三級堆載(累計63.9 kPa)荷載施加后，土體沉降速率在荷載時間的短期時間內迅速增加，但隨著時間的增加，沉降速率明顯下降，呈現(xiàn)明顯的指數(shù)函數(shù)增長趨勢，并最終沉降趨于穩(wěn)定值。

將上述結果進行均值匯總處理，結果如表3所示。

表3 試驗最終平均沉降量Tab.3 The final average settlement of each testsgroup m

由表3可知，由于真空預壓關鍵控制參數(shù)的不同，導致最終試驗結果優(yōu)劣不一，6組試驗結果最終平均沉降量介于1.699～2.169 m之間。為詳細分析真空預壓不同關鍵控制參數(shù)的效果，結合前文表1可知，6組試驗結果可組合成4組對照試驗，分別考察排水板間距、排水板深度、排水板類型和膜下處理方式(鋪設砂墊層、無砂墊層直排式、三維排水網墊層)對真空預壓固結效果的影響。

表4 最優(yōu)因素分析Tab.4 Optimal factor analysis

由表4中試驗1-1和試驗1-2可知，在排水板布置間距方面，0.8 m間距的最終沉降量為1.921 m，優(yōu)于1.0 m間距的最終沉降量1.699 m，間距縮小0.2 m后加固效果可提高13.07%；對比試驗1-2和試驗2-1可知，對于單一的排水板深度(20 m)，采用長短板相結合(10 m、20 m間隔布置)的方式可有效增加真空預壓固結效果，土體表層最終沉降量可由1.699 m躍升至2.169 m，加固結果可提升27.66%；選取濾膜等效孔徑O95為0.05～0.075 mm規(guī)格的排水板I和濾膜等效孔徑O98為0.075～0.13 mm規(guī)格的排水板II，試驗結果表明較大的濾膜等效孔徑可有效提高排水板真空度的傳遞效率，從而加強真空預壓效果，從試驗結果看，選用排水板II可較排水板I加固效果提升8.17%；此外，針對土體表面膜下處理方式的影響，選取了傳統(tǒng)砂墊層+綁扎式、無砂墊層+直排式和三維排水網+綁扎式三種方案進行對比分析，分別應用于試驗區(qū)1-1、1-3和2-3，現(xiàn)有試驗結果表明傳統(tǒng)砂墊層式處理方式效果最佳(沉降為1.921 m)，無砂墊層+直排式處理方式次之(沉降為1.909 m)，三維排水網+綁扎式處理效果最差(沉降為1.878 m)，這是由于傳統(tǒng)砂墊層式處理方式可有效傳遞膜下真空度，且表層管路由于有砂墊層的保護作用，很少甚至不會發(fā)生表層負壓管路在高負壓下產生的“抽扁”現(xiàn)象，而無砂墊層+直排式處理方式普遍存在該現(xiàn)象，三維排水網處理雖然一定程度上提高了膜下真空度的傳遞效率，但采用傳統(tǒng)的排水板綁扎式處理方式又減緩了負壓沿排水板的傳遞效率，綜合上述試驗結果分析可以預測采用三維排水網+直排式處理效果將會大大提高真空預壓效率，甚至達到采用傳統(tǒng)砂墊層處理方式的效果。

3 結論

本文通過現(xiàn)場試驗的方式，探究了真空預壓技術在低滲透性軟粘土中的處理加固效果，設計了6組試驗組次共4組對照試驗，分析了膜下處理方式、排水板深度、排水板類型和排水板間距對真空預壓處理效果的影響。對于該工程中的超低滲透性軟粘土，試驗結果表明：(1)排水板間距為0.8 m的分布型式優(yōu)于間距為1.0 m的分布型式，可提高13.07%的加固效果；(2)采用長短板相結合的分布方式較單一長度的排水板處理方式，可有效提高真空預壓的處理效果，加固結果可提升27.66%；(3)采用較大的濾膜等效孔徑可有效提高排水板真空度的傳遞效率，從而加強真空預壓效果；(4)傳統(tǒng)鋪設砂墊層的膜下處理方式雖然效果最佳，但考慮到施工成本和時間成本的因素，可采用三維排水網+直排式處理的方式進行替代。