張呂華 寧波舟山港股份有限公司

張浩 南京瑞迪建設(shè)科技有限公司

1.引言

隨著國家沿海經(jīng)濟(jì)帶的快速發(fā)展，土地資源需求量越來越大，圍海造地工程成為一種目前常用的方法。我國海岸線超過1.8萬km，沿線土地資源分布極不均衡，圍海造地工程對(duì)拋填料需求巨大，隨著多年圍海造地工程的開展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求，作為圍海造地首選原材料的砂石料極度匱乏，而航道疏浚、清淤等產(chǎn)生的疏浚土無處排放。近年來，對(duì)采用吹填疏浚土并經(jīng)加固處理后形成陸域的思路已從研究階段進(jìn)入實(shí)施階段，并取得了較好的成效。但在實(shí)踐過程中，仍然存在較多的工程問題，本文依托某吹填疏浚土圍海造地工程，對(duì)采用真空預(yù)壓處理淺層疏浚土的各項(xiàng)參數(shù)及效果進(jìn)行分析，提出修正優(yōu)化參數(shù)，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

2.工程概況

2.1 項(xiàng)目概況

本工程位于浙江省臺(tái)州港某新建港區(qū)，陸域形成總面積約38萬m2，其中吹填形成陸域面積約25萬m2。吹填土土質(zhì)差，開挖深度淺，吹填后吹填區(qū)土體含水率高，泥漿容重小，經(jīng)短時(shí)間落淤晾曬后容重?zé)o明顯變化，為滿足進(jìn)一步陸域地基處理施工的要求，設(shè)計(jì)采用真空預(yù)壓法對(duì)淺層5m范圍內(nèi)吹填土進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理后的硬殼層作為工作面層再對(duì)下部的吹填土和軟土進(jìn)行處理。工程平面布置圖見圖1。

圖1 工程平面布置圖

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)及施工方案

設(shè)計(jì)首先采用拋填宕渣形成圍堤，在圍堤內(nèi)吹填疏浚土，吹填厚度約為9.6m，靜置落淤沉降3個(gè)月，然后表層鋪設(shè)一層土工布，進(jìn)行人工插設(shè)排水板，如圖2～3所示。排水板長(zhǎng)度5.5m，間距0.8m，在插設(shè)前預(yù)先將其與排水濾管連接；上覆密封膜，進(jìn)行淺層真空預(yù)壓，預(yù)壓期間膜上覆水。設(shè)計(jì)真空預(yù)壓3個(gè)月，加固深度范圍內(nèi)地基承載力達(dá)到40kPa。

圖2 排水板與濾管

施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→搭設(shè)浮橋→鋪設(shè)編織土工布→打設(shè)排水板、布設(shè)濾管→鋪設(shè)無紡?fù)凉げ?、密封膜→布設(shè)真空泵→抽氣加載→加固效果檢測(cè)→卸載。

2.3 監(jiān)測(cè)與檢測(cè)方案

為監(jiān)控淺層疏浚土真空預(yù)壓過程，施工期間布置了沉降板、孔隙水壓力計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)沉降、真空壓力傳遞等進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤，以指導(dǎo)施工。為評(píng)估淺層疏浚土真空預(yù)壓效果，采用十字板、靜力觸探和鉆孔取土試驗(yàn)等方法對(duì)處理深度范圍內(nèi)疏浚土進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器平面布置圖如圖4所示，原位試驗(yàn)平面布置圖如圖5所示。

圖3 人工插排

圖4 監(jiān)測(cè)儀器平面布置圖

圖5 原位試驗(yàn)平面布置圖

3.效果分析

通過對(duì)淺層真空預(yù)壓施工過程的深入研究，本文將從淺層真空預(yù)壓處理深度、真空壓力傳遞、沉降及固結(jié)度分析、預(yù)壓時(shí)間、處理后強(qiáng)度等方面進(jìn)行分析。

3.1 真空壓力傳遞及衰減度分析

吹填疏浚土一般黏粒含量很高，塑性指數(shù)超過20，滲透系數(shù)在10-6～10-7cm/s，滲透性很差，真空壓力在其內(nèi)部傳遞衰減很快。本工程排水板間距0.8m，真空預(yù)壓處理深度5m，在施工過程中，按照豎向間距埋設(shè)了孔隙水壓力計(jì)觀測(cè)土中超靜孔隙水壓力，來反映真空壓力在土中的傳遞情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知：監(jiān)測(cè)得到的超靜孔隙水壓力能夠反映真空壓力在土中的傳遞情況，真空傳遞效率隨處理深度的增大而降低，同時(shí)也隨著距離排水板的間距增大而降低。真空壓力在5m深度監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)均能夠監(jiān)測(cè)到有效數(shù)據(jù)，說明真空壓力遍布整個(gè)淺層地基處理區(qū)域，且最小孔隙水壓在20kPa以上，0.8m的排水板間距能夠滿足淺層真空預(yù)壓處理對(duì)真空壓力衰減的要求；從超靜孔隙水壓力的數(shù)值規(guī)律來看，超靜孔隙水壓力受處理深度、距離排水板間距共同影響，總體呈現(xiàn)處理深度越小，距離排水板間距越近，超靜孔隙水壓力越接近真空壓力，真空衰減度越??；處理深度越大，距離排水板間距越遠(yuǎn)，超靜孔隙水壓力越小，真空衰減度越大。

表1 真空預(yù)壓區(qū)超靜孔隙水壓力統(tǒng)計(jì)表

3.2 沉降及固結(jié)度分析

疏浚土采用水力法吹填，落淤沉降后上部含水率超過200%，呈泥水狀態(tài)。沉降監(jiān)測(cè)初始值以泥水面為基準(zhǔn)，待密封膜吸緊并排出表層水后（約5～10天），布置沉降板進(jìn)行沉降觀測(cè)，此時(shí)泥面下降量約1m左右，該部分沉降量直接計(jì)入總沉降量中。表2給出了土體地表累計(jì)沉降量，圖6～7給出了兩個(gè)典型斷面沉降隨荷載、時(shí)間的變化曲線。

從表2和圖6～7可知：在真空壓力80kPa作用下，淺層疏浚土前期沉降速率較快，最大沉降速率為45.5mm/d，真空預(yù)壓約兩個(gè)月左右，沉降速率降低，累計(jì)沉降曲線趨于收斂，最大累計(jì)沉降量在2.2～3.0m之間。該工程真空預(yù)壓處理時(shí)間為三個(gè)月，后期一個(gè)月沉降量對(duì)地基處理效果影響很小，此類工程建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降收斂情況確定卸載時(shí)間。

圖6 CJ-Q2-1-2斷面地表沉降荷載時(shí)程線

吹填疏浚土具有高含水率的特性，疏浚土壓縮沉降的過程主要是土中水分被擠出，表3給出真空預(yù)壓處理前后的含水率，忽略少量的氣體影響，根據(jù)含水率變化計(jì)算沉降量與表2中的實(shí)測(cè)沉降量基本吻合。

表2 土體累計(jì)沉降量和固結(jié)度統(tǒng)計(jì)表

表3 疏浚土處理前后的含水率

3.3 處理效果分析

3.3.1 十字板剪切試驗(yàn)

真空預(yù)壓結(jié)束后，采用十字板剪切試驗(yàn)對(duì)處理范圍內(nèi)的疏浚土進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，地基承載力特征值參照相關(guān)規(guī)范，采用式（1）進(jìn)行計(jì)算，十字板剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算得到的地基承載力特征值見表4。

式中：fak—地基承載力特征值（kPa）；cu—土的十字板剪切強(qiáng)度；γ—土的天然重度（kN/m3），取15kN/m3；

h—基礎(chǔ)埋置深度（m），當(dāng)h＞3.0m時(shí)，宜根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行折減。

由表4可知：淺層進(jìn)行真空預(yù)壓預(yù)處理后，處理范圍內(nèi)吹填疏浚土十字板剪切強(qiáng)度有明顯提高，處理后最大值為36.3kPa，由公式（1）計(jì)算得到的地基承載力最小值為46.4kPa，預(yù)處理區(qū)域均滿足設(shè)計(jì)要求的40kPa。

表4 預(yù)壓區(qū)處理后各斷面十字板剪切試驗(yàn)及地基承載力特征值

3.3.2 土工試驗(yàn)

真空預(yù)壓結(jié)束后，采用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取土試樣進(jìn)行檢測(cè)，土工試驗(yàn)數(shù)值見表5，可以看出淺層吹填疏浚土經(jīng)真空預(yù)壓處理后性質(zhì)指標(biāo)有很大提高，平均含水率降低至40.4%，粘聚力提升至6.5kPa。表5給出了真空預(yù)壓處理后的土工試驗(yàn)值。

表5 真空預(yù)壓處理后的土工試驗(yàn)平均值

3.3.3預(yù)處理深度驗(yàn)算

淺層真空預(yù)壓的目的是使表層一定深度內(nèi)的吹填疏浚土固結(jié)排水，形成硬殼層，便于后續(xù)處理深部軟土地基時(shí)施工機(jī)械行走、工作，該工作面不僅需要一定的承載力，而且應(yīng)有一定的厚度。本節(jié)對(duì)真空預(yù)壓預(yù)處理厚度進(jìn)行復(fù)核，該工程中預(yù)處理厚度為5m，本節(jié)參照相關(guān)規(guī)范，采用式（2）進(jìn)行抗沖切驗(yàn)算：

式中：Fl—地基土凈反力設(shè)計(jì)值；βhp—受沖切承載力截面高度影響系數(shù)，當(dāng)h不大于800mm時(shí)，βhp取1.0；當(dāng)h大于或等于2000mm時(shí)，βhp取0.9；ft—基礎(chǔ)的抗拉性能，按土體粘聚力取值；am—沖切破壞最不利一側(cè)計(jì)算長(zhǎng)度，am=(at+ab)/2；h0—基礎(chǔ)沖切破壞的有效高度。

根據(jù)履帶式液壓插板機(jī)參數(shù)，插板機(jī)自重取16t，履帶尺寸取5×0.5m，考慮插拔排水板套管反作用力，支撐插板機(jī)的地基土凈反力約為40kPa，該工程的計(jì)算參數(shù)見表6。

由表6可知，預(yù)處理硬殼層的最小厚度為2.96m時(shí)，插板機(jī)械站立在預(yù)處理工作平面上才不至于產(chǎn)生沖切破壞。由3.2節(jié)淺層真空預(yù)處理的沉降數(shù)據(jù)可知，處理區(qū)域的最大沉降量在2.2～3.0m之間，5m的淺層真空預(yù)壓處理明顯無法滿足抵抗沖切破壞的最小有效厚度。為了抗沖切破壞的安全性，考慮1.2倍的安全系數(shù)，淺層真空預(yù)壓工作平面處理后的最小有效深度為3.56m，避免插板機(jī)械上工作面時(shí)產(chǎn)生沖切破壞的最小真空預(yù)壓處理深度應(yīng)在7～9m之間。

表6 預(yù)處理工作面抗沖切驗(yàn)算的計(jì)算參數(shù)

圖7 CJ-Q2-2-1斷面地表沉降荷載時(shí)程線

4.結(jié)論與建議

本文主要對(duì)吹填疏浚土的淺層真空預(yù)壓處理效果進(jìn)行分析與研究，主要結(jié)論如下：

（1）超靜孔隙水壓力能夠反映真空壓力在土中的傳遞情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，真空壓力遍布整個(gè)淺層地基處理區(qū)域，且最小孔隙水壓在20kPa以上，真空壓力傳遞效果良好。超靜孔隙水壓力受處理深度、距離排水板間距共同影響，總體呈現(xiàn)處理深度越小，距離排水板間距越近，超靜孔隙水壓力越接近真空壓力，真空衰減度越小。

（2）對(duì)淺層真空預(yù)壓處理吹填疏浚土的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初期地表沉降較為明顯，最大沉降速率為45.5mm/d，最大沉降量在2.2～3m之間。真空預(yù)壓約兩個(gè)月左右，沉降速率降低，累計(jì)沉降曲線趨于收斂，后期一個(gè)月沉降量對(duì)地基處理效果影響很小，此類工程建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降收斂情況確定卸載時(shí)間。

（3）真空預(yù)壓法處理淺層疏浚土之后，強(qiáng)度性質(zhì)指標(biāo)有了很大的提升，粘聚力提升至6.5kPa，地基承載力特征值均滿足設(shè)計(jì)要求的40kPa。對(duì)插板機(jī)站立在預(yù)處理平面上的抗沖切破壞進(jìn)行了驗(yàn)算，為保證插板機(jī)站立在工作平面瞬間的安全性，建議抵抗沖切破壞的最小真空預(yù)壓處理深度應(yīng)在7～9m之間。