劉健 周文皎 孫帥勤 萬軍利

（1.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100100；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100091）

為適應沿海地區(qū)港口建設土地資源短缺的需求，陸域形成常常采用疏浚淤泥作為吹填料，經水力吹填形成場地。吹填超軟土含水率高，呈浮～流泥狀，孔隙比大，基本沒有強度［1-2］，須經過加固處理才能滿足使用要求。通常采用真空預壓法、真空聯合堆載預壓進行處理［3］。真空預壓法以低廉的施工成本、較短的預壓時間、較少的土石方用量、穩(wěn)定的加載過程等優(yōu)點而被廣泛使用［4］，但在處理吹填超軟土時也存在很多問題。

大連一處吹填超軟土工程在經過常規(guī)真空預壓聯合堆載預壓處理后，淤泥含水率仍然很大，強度提高很小，處理效果不佳，仍須進行二次處理。原因是：①場區(qū)吹填超軟土微觀特性有其特殊性，黏土礦物含量較高，黏土礦物中伊利石含量占2/3 以上，其次為伊蒙混層礦物、綠泥石和高嶺石；②常規(guī)真空預壓法真空荷載能量傳遞衰減快，排水效率低，導致處理深度有限；③塑料排水板影響半徑有限，按照傳統塑料排水板間距設計達不到要求的處理效果。

針對本場區(qū)吹填超軟土的工程特性，本文采用直排式真空預壓法［5］進行地基處理，開展了現場對比試驗，結合各種監(jiān)測、檢測成果，對塑料排水板不同打設間距的加固效果進行研究，推薦最佳處理方案，為場區(qū)大面積施工及類似工程提供可借鑒的經驗。

1 工程概況

該工程吹填總面積約66 萬m2，吹填材料為港池航道疏浚淤泥，形成陸域表層2～6 m 為流泥，含水率85%～159%，平均含水率為125.8%，黏粒含量約為52%；下層為2～5 m 的淤泥，平均含水率為67.3%。上述地層具有高黏粒含量、高含水率、高壓縮性、低強度、低滲透系數的工程特性，屬典型吹填超軟土地基。土層的主要物理力學指標見表1。

表1 主要處理土層物理力學指標

2 試驗方案

根據JTS 147-2—2009《真空預壓加固軟土地基技術規(guī)程》要求，排水板間距宜為0.7～1.3 m。但當吹填土以超軟土（含水率＞120%、塑性指數＞20 的軟黏性土）為主時，采用常規(guī)真空預壓法處理效果不佳。加固過程中排水量大，加固后排水板中心處地基土上部強度增長明顯，而沿徑向和深度方向強度衰減明顯，導致地基整體強度增長小，甚至沒有變化，地基處理效果難以滿足使用要求。為此，需要對傳統的處理方法進行改進，同時針對處理土層的工程特性，有區(qū)別地進行塑料排水板間距設計，即對塑料排水板有效影響半徑進行研究。

本文現場試驗采用直排式真空預壓法進行軟土地基處理。該工法是在常規(guī)真空預壓法基礎上的改進與創(chuàng)新［6］，主要用密閉真空管網代替常規(guī)真空預壓法的水平砂墊層和濾管、濾膜，在節(jié)省了中粗砂等稀缺資源同時消除了真空壓力通過水平砂墊層、濾管和濾膜傳遞過程中所產生的真空能量損耗，從而提高了真空荷載的能量利用率，縮短了加固時間，提高了加固效果，降低了工程造價。

試驗區(qū)總面積1 800 m2（60 m×30 m），劃分為3 個區(qū)（圖1）。塑料排水板采用國標B 型規(guī)格，正方形布置，打設至穿透處理土層。根據試驗前對場地的鉆孔探摸情況，排水板平均打設深度10.0 m。地基處理要求為經加固后地基承載力不小于80 kPa，工后沉降小于30 cm。

圖1 試驗分區(qū)布置示意（單位：m）

試驗區(qū)的3 個區(qū)除塑料排水板間距不同外，其余試驗步驟、措施均相同，并同步開始抽真空。為減少試驗區(qū)邊界效應的影響，防止軟基加固沉降后周邊淤泥涌入試驗區(qū)，在試驗區(qū)四周10 m 范圍進行過渡處理，打設長3.0 m塑料排水板，間距0.8 m。

3 現場對比試驗

3.1 試驗過程

1）鋪設工作墊層

為滿足輕型設備施工，在原軟土泥面上自下而上鋪設1 層編織布、2 層土工格柵和1 層臨時竹竿網，形成工作墊層。

2）打設塑料排水板

塑料排水板打設采用輕型振動式打設機，1 區(qū)—3 區(qū)排水板間距分別為0.4，0.6，0.8 m。

3）布設真空排水管網

直排式真空排水管網分為主管、支管、連接管3種，主管直接與真空射流泵連接，支管與主管連接。

在塑料排水板頂端安裝排水板板頭連接器，通過PU 管將板頭連接器與支管結點密閉連接（圖2），排水板板頭連接器和支管連接管通過工廠標準化加工而成，可大批量生產，提高作業(yè)效率。

圖2 真空排水網與塑料排水板連接方式

4）鋪密封膜，布置射流泵，抽真空

真空排水管網鋪設完成后開挖壓膜溝。密封膜采用2 層聚氯乙烯薄膜。在鋪膜前鋪設1 層土工布，以保護密封膜不被刺破。設計抽真空130 d，真空預壓滿載后進行聯合堆載，堆載2.0 m厚碎石土。

5）卸載

試驗區(qū)卸載標準：①按實測沉降曲線推算地基土固結度不小于85%；②連續(xù)10 d 實測沉降速率不大于2.0 mm/d。

該方案原設計抽真空時間為130 d。到達預定時間時，監(jiān)測數據表明1區(qū)沉降速率已小于2.0 mm/d；而2區(qū)沉降速率達5.0 mm/d，此時，延長抽真空時間40 d，即抽真空170 d，2區(qū)滿足卸載標準；但170 d時3區(qū)仍未達到卸載標準。綜合考慮時間成本，對3 個區(qū)在抽真空170 d后同時卸載。

3.2 試驗成果分析

為控制試驗質量并檢驗軟土加固效果，對試驗進行了過程監(jiān)測與檢測。過程監(jiān)測包括：地基土體變形、孔隙水壓力、地下水位變化及真空壓力傳遞情況；試驗結束后，通過取原狀土進行土工試驗、原位十字板剪切試驗，檢驗地基加固效果。

3.2.1 監(jiān)測結果分析

1）膜下真空度

膜下真空度的大小直接反映真空度的傳遞能力，直接影響加固效果。試驗區(qū)從開始正式抽真空后，泵口壓力保持在95 kPa 以上。為監(jiān)測真空度的傳遞，分別在抽真空主管管路中和膜下布設了真空度測頭，真空度隨時間變化曲線見圖3?？芍?，管路中真空度和膜下真空度均保持在80～90 kPa，真空管路中真空度略高于膜下真空度。這表明真空度的傳遞效果良好。

圖3 真空度隨時間變化曲線

2）地表沉降

地表沉降直觀反應排水固結的效果，其觀測包括施工瞬時沉降和抽真空期間沉降2 部分。實測沉降過程見圖 4?？芍?，實測沉降 1 區(qū)＞2 區(qū)＞3 區(qū)，卸載前 10 d，1 區(qū)沉降速率為 0.5 mm/d，2 區(qū)為 1.8 mm/d，均小于2.0 mm/d，沉降趨于穩(wěn)定，滿足卸載標準②的要求，而3 區(qū)為3.1 mm/d 大于2.0 mm/d，尚未達到卸載標準②的要求。

圖4 各分區(qū)沉降隨時間變化曲線

排水固結法固結度的計算方法很多，本文采用了JTS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》推薦的較為先進的經驗雙曲線法。結合實測沉降曲線，利用JTS 147-1—2010 中的方法計算地基土固結度。地表沉降統計結果見表2。可知，排水板間距最小的1區(qū)固結度最大，達到91.8%，2 區(qū)固結度達到88.2%，1 區(qū)、2 區(qū)均滿足卸載標準①的要求，同時均滿足工后沉降要求；3 區(qū)固結度僅69.2%，遠未達到卸載標準和理想的處理效果。

3）孔隙水壓力消散規(guī)律

以具有代表性的2區(qū)實測孔隙水壓力隨時間變化曲線為例，研究不同深度孔壓的消散規(guī)律。2 區(qū)孔隙水壓力隨時間變化曲線見圖5?？芍?，隨著真空度的上升孔隙水壓力一直處于下降狀態(tài)，在聯合堆載后，孔隙水壓力有所上升，但隨著堆載后土體逐漸穩(wěn)定及真空和堆載壓力的傳遞，孔隙水壓力又逐漸下降，最大下降值約100 kPa，抽真空后期漸趨穩(wěn)定?？紫端畨毫﹄S時間的消散趨勢，表明土體逐漸固結，地基強度不斷增加。針對4 m 深度處的孔壓計數據不穩(wěn)定現象，可能是因為處理過程中土體壓縮導致孔壓計與排水板距離之間變化。

表2 各分區(qū)沉降

圖5 2區(qū)孔隙水壓力隨時間變化曲線

孔隙水壓力消散一部分是因為超靜孔隙水壓力，主要是因為地下水位下降引起的靜水壓力的降低值。在試驗區(qū)周邊的地下水位管埋設后地下水會沿管口外溢也說明了這一問題。

3.2.2 檢測結果分析

1）土工試驗

地基加固前后分別在現場取原狀土進行室內土工試驗，比較加固前后的土性物理力學指標變化情況，結果見表3?？芍鼗庸毯蟮奈锢砹W指標得到了不同程度的改善，地基加固效果明顯。地基處理前因土樣太軟不能成樣而無法進行直剪快剪試驗和無側限抗壓強度試驗，處理后土樣力學指標均有大幅提高。

表3 主要處理土層加固前后物理力學指標對比

為檢測排水板的有效影響半徑，采取土樣的位置均選取在各區(qū)布置排水板的形心位置處。

2）十字板剪切試驗

加固前、后十字板剪切強度對比曲線見圖6。可知，地基加固后十字板剪切強度有較大幅度的增長，地基加固效果顯著。加固前，軟土十字板剪切強度平均不到 2 kPa。加固后，1 區(qū)為 30.7 kPa，增幅達 15 倍；2區(qū)為26.7 kPa，增幅達14倍；3區(qū)為16.1 kPa，增幅達7.7 倍。1 區(qū)、2 區(qū)提高幅度很大，處理效果明顯好于3區(qū)。

圖6 加固前后十字板剪切強度對比曲線

3）承載力計算

依據港口行業(yè)相關規(guī)范及工程經驗，按照含水率、塑性指數查表得各區(qū)表層容許承載力見表4。

表4 根據物性指標經驗提供地基承載力

依據港口行業(yè)相關規(guī)范及工程經驗，按十字板剪切強度計算容許承載力f，計算式為

式中：Cu為十字板抗剪強度，kPa；r為基礎地面以上土的加權平均重度，kN/m3；D為基礎埋置深度，m。

計算各區(qū)容許承載力見表5。

表5 據十字板抗剪強度計算地基承載力

從表 4、5 可以看出，加固后試驗 1 區(qū)、2 區(qū)地基承載力均達到80 kPa以上，完全符合設計要求，而3區(qū)承載力未達到設計要求。對比表3中軟土各項物理力學性指標，同樣說明了1區(qū)、2區(qū)加固效果顯著。

4 結論與建議

直排式真空預壓現場研究試驗結果表明，該方法處理場區(qū)超軟土效果顯著，通過研究改變塑料排水板間距，經過一次軟基處理能夠達到要求的效果，避免了二次處理所帶來的處理費用高、施工周期長等問題，為指導大面積施工提供了經驗。

1）從經濟、技術上綜合考慮，推薦場區(qū)大面積吹填超軟土地層采用直排式真空預壓法排水板間距60 cm為宜。

2）塑料排水板間距對于加固土層處理效果影響很大。處理不同類型的土層時，應根據加固土層的工程特性，有針對性地進行現場試驗，設計合適的排水板打設間距。

3）地基處理效果的好壞及方案的選擇，根本在于對處理土層工程特性的認識。本次試驗對吹填超軟的化學成分、固結特性等方面做了一些研究，但尚未形成土體規(guī)律性的研究成果。因此，建議后續(xù)試驗中探究諸多影響因素與塑料排水板間距之間的相關性，如軟土固結參數、次固結參數與排水板間距之間的關系等，為快速選擇技術和經濟上的最優(yōu)方案提供參考。