吳建奇 歐陽(yáng)財(cái)?shù)?符洪濤 許士偉 呂有暢

(1. 江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院, 江西贛州 341000; 2. 溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,浙江省軟弱土地基與海涂圍墾重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江溫州 325035; 3. 溫州市甌飛開(kāi)發(fā)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司, 浙江溫州 325035)

近年來(lái),隨著我國(guó)東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)土地資源的需求日益增加,圍海造陸成了解決該問(wèn)題的有效途徑。吹填土材料采用的是高含水率、高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度的疏浚海泥,海泥屬于超軟土,而處理超軟土最有效的方法則是利用真空預(yù)壓。[1-4]自1952年Kjellman第一次提出利用真空預(yù)壓加固超軟土[5]的想法以來(lái),經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,這項(xiàng)技術(shù)已被廣泛用到超軟土地基加固工程中。然而在利用傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)加固吹填淤泥地基時(shí)會(huì)遇到一個(gè)典型問(wèn)題——排水板嚴(yán)重淤堵。

許多學(xué)者為解決真空預(yù)壓過(guò)程中排水板淤堵問(wèn)題進(jìn)行了研究:朱群峰等通過(guò)研究排水板在實(shí)際工況下的通水特性,提出對(duì)于變形大且固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)的新近吹填淤泥地基加固工程應(yīng)優(yōu)先選用高性能排水板。[6]王軍等提出應(yīng)采用新型防淤堵排水板,通過(guò)對(duì)不同排水板的真空預(yù)壓試驗(yàn),驗(yàn)證了新型防淤堵真空預(yù)壓法的有效性。[7]雷華陽(yáng)等提出“交替式真空預(yù)壓法”[8],證明土顆粒的交替運(yùn)移可有效地抑制淤堵泥層的形成及“土柱”現(xiàn)象的產(chǎn)生,使整體加固效果更加均勻有效。史吏等進(jìn)行了增壓式真空預(yù)壓處理吹填淤泥的室內(nèi)模型試驗(yàn)[9],發(fā)現(xiàn)土體產(chǎn)生的微小劈裂裂縫,提高了土體的滲透性,加快了孔壓消散和土體固結(jié)。

部分學(xué)者從改變土的性質(zhì)出發(fā)提出用絮凝劑提高預(yù)壓效果:武亞軍等提出“利用化學(xué)藥劑絮凝沉積聯(lián)合真空預(yù)壓處理軟土地基”[10-12],通過(guò)絮凝真空預(yù)壓和普通真空預(yù)壓對(duì)比研究,表明藥劑真空預(yù)壓法具有非常好的防淤堵作用。趙森等提出一種“新型化學(xué)絮凝聯(lián)合真空預(yù)壓法”[13],表明摻入絮凝劑的吹填土加固效果明顯提高。Lin等通過(guò)摻入FeCl3溶液對(duì)污泥進(jìn)行絮凝處理,并聯(lián)合真空預(yù)壓法快速降低含水率,提高土體固結(jié)速率。[14]然而,化學(xué)絮凝劑會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,特別是含有重金屬離子的絮凝劑,甚至造成水污染,因此,絮凝固化真空預(yù)壓沒(méi)有在實(shí)際工程中大規(guī)模使用。

為進(jìn)一步研究和解決實(shí)踐工程中排水板淤堵問(wèn)題,基于孫立強(qiáng)等提出的“兩次插板真空預(yù)壓法”[15],Wang等提出了“兩階段抽真空法”[16],提高了加固效果。

目前,關(guān)于排水板的數(shù)量和工程實(shí)際相吻合的報(bào)道還不多,為模擬實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng),將采用新型防淤堵排水板,通過(guò)計(jì)算排水板的影響范圍,得出排水板數(shù)量。對(duì)兩次插板和兩階段真空預(yù)壓進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),其中兩階段真空預(yù)壓是:第一階段,先對(duì)一半排水板地基抽取真空,當(dāng)土體有一定抗剪強(qiáng)度后再對(duì)剩下的排水板抽取真空。兩次插板預(yù)壓是:在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)先插一半排水板并抽真空,等土體有一定強(qiáng)度后再布置插入新的排水板,繼續(xù)對(duì)土體進(jìn)行抽真空。通過(guò)兩次真空預(yù)壓或兩次插板真空預(yù)壓的室內(nèi)模型試驗(yàn),以加深對(duì)排水板的淤堵機(jī)理的研究,對(duì)真空預(yù)壓工程實(shí)踐提供參考。

1 模型試驗(yàn)

1.1 土的物理性質(zhì)

試驗(yàn)土樣來(lái)至浙江省溫州市甌飛工程第二期吹填現(xiàn)場(chǎng),通過(guò)室內(nèi)實(shí)測(cè)得到其物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。土的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 土的顆粒級(jí)配曲線Fig.1 A particle gradation curve of soil

表1 土的物理性質(zhì)Table 1 Basic physical property indexes of soil

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置模型示意圖如圖2所示,試驗(yàn)裝置主要有模型箱、排水系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)和真空泵四部分組成。

真空探頭;孔壓傳感器。圖2 試驗(yàn)裝置示意 mmFig.2 A schematic diagram of experimental apparatus

排水系統(tǒng)由整體式排水板、水-氣分離瓶、真空軟管組成。量測(cè)系統(tǒng)有刻度尺、真空表、電子秤和孔壓計(jì)組成。其中模型箱的尺寸為120 cm長(zhǎng),60 cm寬,60 cm高的有機(jī)玻璃制成。其中排水板寬度為100 mm,厚度為5 mm,排水板等效直徑按式(1)[17]確定:

(1)

式中:d為等效直徑;b為排水板寬度;δ為排水板厚度。

通過(guò)式(1)計(jì)算得到排水板等效直徑為66.85 mm,排水板間距取15～22倍的等效直徑,試驗(yàn)取18倍,模型箱中4根排水板的作用面積與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的作用面積之比為 0.5(模型比為 0.5)。因此試驗(yàn)排水板寬度取50 mm,間距為0.4 m。排水板實(shí)物圖如圖3所示。其中,對(duì)孔壓計(jì)的透水石進(jìn)行了飽和處理,參考了高志義等的做法[18],具體做法是將孔壓計(jì)的透水石取下放進(jìn)裝滿水的燒杯中,再將燒杯放進(jìn)自制的抽真空設(shè)備中抽真空48 h。停止抽真空后,將飽和的透水石在水下與孔壓計(jì)接好后將孔壓計(jì)頭表面注一層水以保證與空氣隔絕,小心地把孔壓計(jì)埋進(jìn)土內(nèi)指定位置。

圖3 改進(jìn)排水板Fig.3 Improved PVDs

同時(shí)在T1、T2、T3三個(gè)模型箱進(jìn)行試驗(yàn),箱內(nèi)均布置四根排水板。T1模型箱內(nèi)為傳統(tǒng)真空試驗(yàn)排水板平面布置示意,見(jiàn)圖4所示;T2、T3模型箱內(nèi)分別為兩次插板真空預(yù)壓試驗(yàn)和兩階段真空預(yù)壓試驗(yàn),排水板布置如圖5所示,其中,1號(hào)排水板為兩次插板真空預(yù)壓試驗(yàn)中首次插入的插板或兩階段真空預(yù)壓試驗(yàn)中先抽真空的插板,2號(hào)為兩次插板真空預(yù)壓試驗(yàn)中第二批插入的插板或兩階段真空預(yù)壓中后抽真空的插板。在三個(gè)模型箱內(nèi)均注入含水率相同的泥漿并且靜置24 h后待泥面高度穩(wěn)定在45 cm處,第二,將排水板布置到指定位置,孔壓計(jì)分別埋設(shè)在距土表面下20 cm、距排水板5,20 cm處各一個(gè);在同一深度處,在距排水板20 cm處,埋設(shè)真空探頭針。

圖4 傳統(tǒng)真空預(yù)壓排水板平面 cmFig.4 Arrangements for PVDs of conventional vacuum preloading

圖5 改進(jìn)方法中排水板的布置平面 cmFig.5 Arrangements for PVDs in the two kinds of improved vacuum preloading

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 真空度

圖6為T(mén)1、T2和T3三個(gè)模型箱試驗(yàn)時(shí)真空度隨時(shí)間變化曲線?？芍?在開(kāi)啟真空泵2 h后,真空度就達(dá)到了90 kPa以上并保持穩(wěn)定,證明氣密性良好。此外,三個(gè)模型箱的真空度基本一致,可認(rèn)為三個(gè)試驗(yàn)箱在相同真空壓力下抽真空。但是在試驗(yàn)后期,T1模型箱的真空度急劇下降,而沉降和排水卻依然存在,判斷是真空探頭的針頭堵塞導(dǎo)致,等試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)果然由于淤堵嚴(yán)重,針頭被細(xì)土顆粒堵住,而T2和T3卻沒(méi)有出現(xiàn)這種情況,所以?xún)纱尾灏搴蛢呻A段真空預(yù)壓在后期也可以更好地傳遞真空度,兩者在真空度這個(gè)指標(biāo)上并沒(méi)有顯著差別。

圖6 真空度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Changes of vacuum degrees with time

2.2 沉 降

試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)距排水板5,15 cm處的土層表面進(jìn)行沉降記錄,圖7是土體表面沉降隨時(shí)間變化曲線。由圖4可知:由于T1模型箱開(kāi)始就對(duì)4根排水板進(jìn)行抽真空,而T2和T3模型箱只對(duì)兩根排水板實(shí)施抽真空,所以沉降速率比較大,但是在后期沉降基本不變,原因是排水板發(fā)生淤堵。而T2和T3模型箱中前期沉降變化不大,但是在第50天,在T3模型箱進(jìn)行第二階段抽真空后,土體沉降變快,這是因?yàn)榈诙A段的排水板開(kāi)始工作。對(duì)T2模型箱在第一次抽真空沉降變化很小接近平穩(wěn)時(shí)進(jìn)行第二次插板處理,沉降又有很大變化,說(shuō)明第一次抽真空的排水板發(fā)生淤堵,已經(jīng)不能加固土體,對(duì)新插的排水板進(jìn)行抽真空處理,繼續(xù)加固土體。T1模型箱的距排水板15 cm處的沉降161 mm,但是在距排水板5 cm處的最終沉降只有121 mm,兩者的差距達(dá)到了40 cm。這是因?yàn)樵囼?yàn)初期細(xì)土顆粒向排水板移動(dòng),附著在排水板濾膜上發(fā)生淤堵,結(jié)果造成在排水板周?chē)纬闪酥旅艿摹巴林?土體發(fā)生不均勻固結(jié),靠近排水板的土體加固效果較好,遠(yuǎn)離排水板的土體加固效果不佳。T2和T3模型箱距離排水板不同位置的沉降基本相同,沉降差分別是3%和4%,所以進(jìn)行兩次插板真空預(yù)壓和兩階段真空預(yù)壓處理都可以減少“土柱”形成,土體可以均勻加固,靠近和遠(yuǎn)離排水板的土體加固效果不會(huì)相差太大。從圖7可知:兩次插板真空預(yù)壓的最大沉降要明顯大于兩階段真空預(yù)壓,高出22%,證明加固效果要好很多。

圖7 土體表面沉降隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Changes of subsidence at the earth’s surface with time

2.3 超靜孔隙水壓力

孔隙水壓力的過(guò)程監(jiān)測(cè)采用湖南湘銀河傳感科技有限公司生產(chǎn)的 YH04-B03 型孔壓計(jì)。試驗(yàn)時(shí)分別對(duì)距排水板5, 20 cm處深度為20 cm的孔隙水壓力進(jìn)行記錄,圖8為孔隙水壓力隨時(shí)間消散曲線?？芍?試驗(yàn)前期,T1箱常規(guī)真空預(yù)壓的孔壓消散較快,但后期隨著排水板的淤堵,孔壓基本不再減小,最終孔壓消散量為-61.2,-52.6 kPa。T2箱在進(jìn)行二次插板后抽真空時(shí),孔壓消散速度變快,最后消散量為-75.5,-71.5 kPa。T3箱在進(jìn)行第二階段抽真空后孔壓消散速率也明顯加快,最終達(dá)到-70.3,-67.4 kPa。T2和T3箱的最終孔壓消散值都大于T1箱,所以?xún)纱尾灏搴蛢呻A段真空預(yù)壓都可以防止排水板淤堵,提高加固效果。另外,兩次插板真空預(yù)壓的孔壓消散均大于兩階段真空預(yù)壓,說(shuō)明兩次插板真空預(yù)壓處理超軟土的效果比兩階段真空預(yù)壓好。

圖8 距土表面20 cm處超孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Relations between excess pore water pressure below the earth’s surface of 20 cm and time

2.4 十字板剪切強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)束,拆開(kāi)密封膜后,分別對(duì)距排水板5,15 cm處的土在豎向0,5,10,15,20 cm不同深度進(jìn)行十字板剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。圖9為距排水板5,15 cm處的十字板抗剪強(qiáng)度隨深度變化曲線?？芍?三個(gè)模型箱的抗剪強(qiáng)度都是靠近排水板的強(qiáng)度比遠(yuǎn)離的高。T1箱從表面到20 cm深度變化的平均抗剪強(qiáng)度為10.5 kPa 到25.5 kPa ,T2箱為24.5 kPa 到34.5 kPa,T3箱為19 kPa 到30.5 kPa。T2的平均抗剪強(qiáng)度要比T3高13%,說(shuō)明兩次插板真空預(yù)壓的加固效果要比兩階段真空預(yù)壓好。

圖9 十字板抗剪強(qiáng)度隨深度變化曲線Fig.9 Changes of cross-plate vane shear strength with time

此外,對(duì)T2沿著排水板徑向5,10,20 cm處測(cè)十字板抗剪強(qiáng)度,圖10所示的分別是T2中沿排水板徑向抗剪強(qiáng)度變化,其中,1號(hào)插板是第一次插的排水板,2號(hào)插板是第二次插的排水板?？芍?從距排水板5 ～20 cm,1號(hào)插板抗剪強(qiáng)度從31 kPa降到14 kPa,變化了17 kPa。而2號(hào)插板僅降低了8 kPa,表明兩次插板真空預(yù)壓的土體加固效果比一次插板處理的更加均勻和有效,兩次插板真空預(yù)壓可以有效緩解排水板淤堵問(wèn)題。

圖10 十字板抗剪強(qiáng)度隨排水板徑向變化曲線Fig.10 Changes of vane shear strength along the radial direction of PVDs

2.5 含水率

十字板剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)不同位置取出的土進(jìn)行含水率測(cè)定試驗(yàn),并繪制含水率隨深度變化曲線如圖11,可知:T1箱內(nèi)的含水率變化范圍由高到低在40%～61%,相比于初始含水率(105%)下降了44%～65%。T2箱內(nèi)土經(jīng)處理后,含水率大概在33%～43%,降低了62%～72%。T3箱內(nèi)加固后土體含水率為38%～50%,降低了55%～67%。所以說(shuō)明兩次插板真空預(yù)壓的處理效果要比兩階段真空預(yù)壓好,該趨勢(shì)與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖11 含水率隨深度變化曲線Fig.11 Changes of the water content along depth

另外,對(duì)T2箱土樣進(jìn)行含水率測(cè)試,圖12為T(mén)2箱中沿排水板徑向土的含水率變化情況,可見(jiàn):1號(hào)插板附近土體的含水率隨排水板徑向變化比較大,從5 cm處的41.5%到20 cm處的59.6%,變化達(dá)到18.1%。而2號(hào)插板的含水率則從36.6%變到43.6%,變化為7%。說(shuō)明兩次插板真空預(yù)壓可以有效防止排水板淤堵,讓土體更加均勻固結(jié)。

圖12 含水率隨排水板徑向變化曲線Fig.12 Changes of the water content along the radial direction of PVDs

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)兩次插板和兩階段真空預(yù)壓室內(nèi)模型對(duì)比試驗(yàn),研究排水板淤堵導(dǎo)致不均勻固結(jié)問(wèn)題,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的分析,可以得出以下結(jié)論:

1)通過(guò)采用兩次插板和兩階段真空預(yù)壓都可以有效緩決豎向排水板淤堵問(wèn)題,進(jìn)一步降低土體不均勻固結(jié)。

2)兩次插板真空預(yù)壓的最大沉降要明顯大于兩階段真空預(yù)壓,沉降分別為208,170 mm,最大相差22%;比較平均十字板抗剪強(qiáng)度,分別是29.5,24.75 kPa,兩者相差19%以上,說(shuō)明兩次插板的加固效果要比兩階段真空預(yù)壓好。

3)兩次插板真空預(yù)壓處理超軟土地基的效果要比兩階段真空預(yù)壓好,但是二次插板須要重新密封,增加施工工序,提高成本。因此,建議采用真空預(yù)壓加固含水率較高的吹填土地基加固時(shí),先利用排水板進(jìn)行一次加固,然后再利用新排水板板進(jìn)行加固處理,可以取得更好效果。