耿宏業(yè)，鮑樹(shù)峰，陳偉東，余東華

（1.神華粵電珠海港煤炭碼頭有限責(zé)任公司，廣東 珠海 519020；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

近幾年的工程實(shí)踐表明，經(jīng)過(guò)超軟土淺層加固技術(shù)（改進(jìn)的真空預(yù)壓技術(shù)）處理后的地基完全可以滿足后續(xù)吹填砂墊層和機(jī)械插深板的施工要求[1-5]。然而，相對(duì)于成熟的傳統(tǒng)真空預(yù)壓法而言，超軟土淺層加固技術(shù)的應(yīng)用仍處于探索階段，雖已在廈門(mén)港、溫州地區(qū)、天津?yàn)I海新區(qū)等地方得到了成功應(yīng)用，但還存在不少問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，如超軟土淺層加固技術(shù)中如何選取土工合成材料組合。

土工合成材料在巖土工程中的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代末。70年代是土工合成材料從幼年成長(zhǎng)為壯年的時(shí)代，應(yīng)用范圍發(fā)展到水利、公路、海港、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。而我國(guó)土工合成材料的應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展較快，80年代初期在國(guó)內(nèi)開(kāi)始試驗(yàn)應(yīng)用，其應(yīng)用范圍涉及建筑、鐵路、水利、環(huán)保、港口等各個(gè)領(lǐng)域。尤其是近年來(lái)，在真空預(yù)壓軟基處理中應(yīng)用得相當(dāng)廣泛，目前也已迅速延伸到圍海造陸工程的超軟土淺層加固技術(shù)中[1-5]。關(guān)于土工合成材料在軟土地基上高填土路堤工程中的加筋機(jī)理已經(jīng)有許多研究成果[6-8]，然而，還未見(jiàn)在超軟土淺層加固技術(shù)中的相關(guān)研究成果報(bào)道。

本文先對(duì)超軟土淺層加固技術(shù)中土工合成材料的作用及其加筋機(jī)理進(jìn)行深入分析，然后依托珠海港高欄港區(qū)某超軟土淺層處理工程開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，探討土工合成材料的不同組合對(duì)超軟土淺層加固效果的影響，并給出適用于超軟土淺層加固技術(shù)的最佳組合。

1 土工合成材料的作用

超軟土淺層加固技術(shù)中水平向鋪設(shè)的土工合成材料組合方式有很多，其中一種組合方式從泥面往上依次為[5]：編織土工布→第一層無(wú)紡?fù)凉げ肌脚潘疄V管（用濾膜包裹且已連接豎向排水短板）→雙向拉伸土工格柵→第二層無(wú)紡?fù)凉げ肌鷥蓪用芊饽?。這種組合方式下各自的作用如下：

1）編織土工布。鋪設(shè)底層編織布是該技術(shù)中的第一道關(guān)鍵工序，其作用除了為后續(xù)工序提供必要的施工作業(yè)面外，更為重要的是將水平排水系統(tǒng)與其下浮泥隔開(kāi)。

2）第一層無(wú)紡?fù)凉げ?。防止抽真空過(guò)程中細(xì)小顆粒封堵水平排水濾管及其與豎向排水通道的連接處，從而避免削弱抽真空作用強(qiáng)度，另一方面還起到加筋作用。

3）雙向拉伸土工格柵。主要起加筋作用，能使施工期上部施加的荷載均勻分布在地基上，從而一定程度上削弱施工過(guò)程中產(chǎn)生的不均勻沉降，可為后續(xù)深層處理時(shí)提供施工平臺(tái)，另一方面還提高了墊層的三維透水性。

4）第二層無(wú)紡?fù)凉げ?。主要是防止抽真空過(guò)程中其上面的密封膜被尖物刺破。

5）二層密封膜，作為真空預(yù)壓時(shí)的密封系統(tǒng)。

其中，第一層無(wú)紡?fù)凉げ?、土工格柵、第二層無(wú)紡?fù)凉げ寂c已連為一體的排水板和濾管共同組成無(wú)砂墊層排水系統(tǒng)，可提高排水效率[5]。

2 土工合成材料加筋機(jī)理分析

超軟土淺層加固技術(shù)中土工合成材料的加筋作用主要體現(xiàn)在以下4個(gè)關(guān)鍵施工工序中：

1）第一道關(guān)鍵工序：人工鋪設(shè)第一層無(wú)紡?fù)凉げ?。相?yīng)的加筋墊層為“編織土工布+加固前的超軟土地基”。

2）第二道關(guān)鍵工序：人工插設(shè)豎向排水通道，如排水板、袋裝砂井等。相應(yīng)的加筋墊層為“第一層無(wú)紡?fù)凉げ?編織土工布+加固前的超軟土地基”。

3）第三道關(guān)鍵工序：吹填、平整砂墊層。相應(yīng)的加筋墊層為“所有土工合成材料+加固后的超軟土地基”。

4）第四道關(guān)鍵工序：機(jī)械插設(shè)深板。相應(yīng)的加筋墊層為“所有土工合成材料+加固后的超軟土地基+砂墊層”

圖1為上述1）、2）和3）三個(gè)工序中施工荷載傳遞示意圖。對(duì)于第4）個(gè)工序中的外荷載包括“施工荷載+約為1.5 m厚的砂墊層荷載”，其傳遞過(guò)程與圖1類似，唯一不同的是僅在圖1基礎(chǔ)上加上大面積砂墊層荷載。

圖1 施工荷載傳遞示意圖

下面基于圖1對(duì)第3）和4）兩個(gè)工序中土工合成材料的加筋機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 受力過(guò)程

在施工荷載作用下，下臥地基內(nèi)會(huì)產(chǎn)生垂直和側(cè)向應(yīng)力（如圖1（c）所示），這致使地基表層及一定深度內(nèi)發(fā)生不同程度的、中心大兩側(cè)小的、成盤(pán)狀的彎曲沉降和側(cè)向位移，同時(shí)，土工合成材料也隨之發(fā)生彎曲伸長(zhǎng)變形，從而使土與土工合成材料之間產(chǎn)生界面摩阻力（如圖1（b）所示）。這種界面摩阻力有利于土工合成材料產(chǎn)生拉應(yīng)變和拉應(yīng)力以及剪應(yīng)變和剪應(yīng)力，從而對(duì)土工合成材料能起到一定程度的錨固作用。由于在錨固段上，土與土工合成材料界面處的拉應(yīng)變和剪應(yīng)變是相對(duì)的、并非絕對(duì)固定，因此，這種錨固作用的大小可以借助界面上的相對(duì)應(yīng)變值來(lái)量化。由圖1（b）可知：土工合成材料的拉應(yīng)變的分布應(yīng)該是由機(jī)械裝置與土工合成材料接觸面的中心軸線向兩側(cè)遞減分布的，而且，土工合成材料的上述受力過(guò)程是隨施工荷載不斷移動(dòng)而協(xié)調(diào)進(jìn)行的。

2.2 加筋機(jī)理

土與土工合成材料在界面上的應(yīng)變協(xié)調(diào)相容是土工合成材料發(fā)揮加筋作用的基本機(jī)理。

考慮到土工合成材料比地基土的抗拉強(qiáng)度及變形模量要相對(duì)大許多，同時(shí)又有界面上的錨固作用，因此，土工合成材料對(duì)其下臥地基土的側(cè)向擠出起抑制作用。而且超軟土淺層加固技術(shù)中土工合成材料是大面積鋪設(shè)的，因此，可借助于界面上的摩阻力來(lái)傳遞機(jī)械施工荷載，對(duì)機(jī)械下陷起阻抑作用，同時(shí)，地基中應(yīng)力分布會(huì)減小與擴(kuò)散。

2.3 加筋作用的極限狀態(tài)

根據(jù)上述受力過(guò)程和加筋機(jī)理可以推論機(jī)械施工期間土工合成材料所能達(dá)到的極限狀態(tài)。但是，需區(qū)別以下兩種基本情況。

1）當(dāng)土工合成材料的拉應(yīng)變和剪應(yīng)變超過(guò)某一數(shù)值后，盡管其拉應(yīng)力和剪應(yīng)力仍未達(dá)到極限值，但土與土工合成材料的界面摩阻力已達(dá)到極限值而發(fā)生逐步剪壞現(xiàn)象，因此，隨著土工合成材料的拉剪應(yīng)變繼續(xù)增長(zhǎng)，界面上保持的殘余抗摩剪強(qiáng)度已不能發(fā)揮錨固作用，也即不能滿足它繼續(xù)有效地發(fā)揮加筋作用。此時(shí)，達(dá)到了可能的加筋作用的極限狀態(tài)。

2）土與土工合成材料的界面摩阻力雖未達(dá)到極限值，仍能繼續(xù)保持協(xié)調(diào)相容，但土工合成材料某些部位已因“拉剪應(yīng)變較大，相應(yīng)的拉剪應(yīng)力達(dá)到了極限值”而發(fā)生了拉剪破壞。此時(shí)，也達(dá)到了可能的加筋作用的極限狀態(tài)。

工程實(shí)際中，由于應(yīng)力分布較復(fù)雜，上述兩種基本情況會(huì)出現(xiàn)相互交叉的情況。

3 工程應(yīng)用

下文依托珠海港高欄港區(qū)某淺層超軟土處理工程開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，探討了組合1“編織布+土工無(wú)紡布+土工格柵”和組合2“編織布+土工無(wú)紡布+土工無(wú)紡布”對(duì)超軟土加固效果的影響，并給出了適用于超軟土淺層加固技術(shù)的最優(yōu)組合。

3.1 工程概況

該工程新近吹填超軟土厚度為4.5 m左右，淺層土體含水率高達(dá)153.3%，呈浮泥～流泥狀。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)區(qū)的主要施工方案如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)區(qū)施工方案

3.2 監(jiān)測(cè)和檢測(cè)方案

為了對(duì)比兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)超軟土的加固效果，合理布置了監(jiān)測(cè)檢測(cè)項(xiàng)目。兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的監(jiān)測(cè)檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖詳見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

1）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：選取有代表性的位置，測(cè)試位于4根排水板中心、不同深度處（分別為1 m、2 m、3 m、4 m）的土體孔壓消散情況；排水板不同深度處（分別為1 m、2 m、3 m、4 m）的孔壓消散情況；地表沉降變化。

2）檢測(cè)項(xiàng)目：選取有代表性的位置，在4根排水板中心處進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)以及十字板試驗(yàn)，以測(cè)試板間土體相關(guān)力學(xué)指標(biāo)。

3.3 加固效果對(duì)比分析

下面主要從排水效果、地表沉降情況、原位檢測(cè)結(jié)果（靜力觸探試驗(yàn)和十字板試驗(yàn)成果）進(jìn)行分析。

3.3.1 排水效果

孔壓消散情況能很好地反映真空壓力在“水平排水通道→豎向排水通道→土體”傳遞過(guò)程中的損失程度，同時(shí)也反映了排水系統(tǒng)的排水效果。

3.3.1.1 排水板中的孔壓消散情況

兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)測(cè)點(diǎn)處排水板中的孔壓消散規(guī)律如圖3所示。

圖3 排水板中孔壓消散值-時(shí)間的變化曲線

由圖3可知：

1）試驗(yàn)A區(qū)測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)于2011年9月19日、2011年10月7日均因現(xiàn)場(chǎng)突然停電而突變；試驗(yàn)B區(qū)測(cè)點(diǎn)處孔壓消散值于2011年10月9日—2011年10月20日期間出現(xiàn)“突然降低，幾天后又回升”的現(xiàn)象，這主要由于隨著抽真空的進(jìn)行膜上有一定深度的積水而12 d后又被抽走所致。

2）試驗(yàn)A區(qū)測(cè)點(diǎn)處板中的孔壓消散值最后穩(wěn)定在-80 kPa左右，而試驗(yàn)B區(qū)測(cè)點(diǎn)處板中的孔壓消散值最后穩(wěn)定在-30 kPa左右，前者明顯大于后者，因此，前者的真空壓力傳遞效果和排水效果也均優(yōu)于后者。

3.3.1.2 土體中的孔壓消散情況

兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)測(cè)點(diǎn)處土體中孔壓消散規(guī)律如圖4所示。

圖4 土體中孔壓消散值-時(shí)間的變化曲線

由圖4可知：

1）2011年10月9日—2011年10月20日期間，兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)測(cè)點(diǎn)處孔壓消散值均出現(xiàn)“突然降低，幾天后又回升”的現(xiàn)象，這主要由于隨著抽真空的進(jìn)行膜上有一定深度的積水而12 d后又被抽走所致。

2）抽真空約50 d后，兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)測(cè)點(diǎn)處的孔壓消散值仍然一直在增大，未出現(xiàn)趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

3）抽真空約50 d后，試驗(yàn)A區(qū)測(cè)點(diǎn)處的孔壓消散較試驗(yàn)B區(qū)的快。但是，兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)測(cè)點(diǎn)不同深度處的孔壓消散規(guī)律不一致，試驗(yàn)A區(qū)測(cè)點(diǎn)2 m和3 m處的孔壓消散值明顯大于1 m和4 m處的孔壓消散值，而試驗(yàn)B區(qū)測(cè)點(diǎn)的孔壓消散值隨深度增加而增大。

4）由于試驗(yàn)A區(qū)土體中的孔壓消散較試驗(yàn)B區(qū)快，因此，前者排水效果和加固效果均優(yōu)于后者。

經(jīng)分析，相應(yīng)于上面第3）點(diǎn)的主要原因是：

1）吹填泥漿、浮泥經(jīng)水力分選后，粒徑較大的粉粒沉降速率快，而粒徑較小的黏粒沉降速率較慢，符合Stocke定律。因此，下部土層顆粒較粗，結(jié)構(gòu)性相對(duì)較好，有利于真空度的傳遞和孔壓的消散。

2）空間分布的不均勻性：受吹填土料工程性質(zhì)、吹填時(shí)水利條件等多方面因素的影響，大面積吹填泥漿、浮泥空間分布不均性顯著。

3.3.2 地表沉降

土體固結(jié)必然產(chǎn)生一定的沉降。因此，對(duì)加固過(guò)程中的地表沉降進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，可以了解超軟土的固結(jié)過(guò)程，同時(shí)也可以反映出該種處理方法在提高超軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面（也即加固效果）是否有效[2]。

各區(qū)平均地表沉降隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖5 平均地表沉降隨時(shí)間的變化對(duì)比曲線

由圖5可知：

1）2011年9月22日之前（抽真空時(shí)間為14 d）平均沉降速率明顯大于抽真空后期，幾乎成45°直線增長(zhǎng)。抽真空45 d后，平均沉降速率仍然較大，大于10 mm/d，且無(wú)穩(wěn)定趨勢(shì)。

2）抽真空5 d后，試驗(yàn)A區(qū)的總沉降值就逐漸大于試驗(yàn)B區(qū)的總沉降值；卸載時(shí)，分別為984 mm和1024 mm。因此，試驗(yàn)A區(qū)加固效果優(yōu)于試驗(yàn)B區(qū)。

3.3.3 靜力觸探和十字板試驗(yàn)成果

土體原位測(cè)試結(jié)果，如不同深度的比貫阻力和原位抗剪強(qiáng)度，也能直觀地反映出超軟土的加固效果。

試驗(yàn)A區(qū)和試驗(yàn)B區(qū)測(cè)點(diǎn)土體不同深度處的比貫入阻力和原位抗剪強(qiáng)度的對(duì)比情況如圖6所示?？紤]到兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)均發(fā)生了1 m左右的沉降，靜力觸探和十字板的最大測(cè)試深度均取為3.5 m。

圖6 兩試驗(yàn)區(qū)靜力觸探試驗(yàn)和十字板試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖6可知：

1）試驗(yàn)A區(qū)測(cè)點(diǎn)處地表以下1 m范圍內(nèi)土體的比貫阻力值和原位抗剪強(qiáng)度值明顯大于試驗(yàn)B區(qū)，因此，前者淺層范圍內(nèi)的加固效果明顯優(yōu)于后者。

2）兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)2.5 m深以下的土體比貫阻力值和原位抗剪強(qiáng)度值明顯高出許多，其主要原因有兩方面：①吹填泥漿中土體顆粒的沉積規(guī)律符合Stocke定律，土層下部以粗顆粒為主；②吹填泥漿中的細(xì)顆粒隨水流動(dòng)性很強(qiáng)，在淺層抽真空負(fù)壓差作用下，極易隨水向排水板周圍聚集形成“土柱”，進(jìn)而導(dǎo)致下部土層顆粒較粗，結(jié)構(gòu)性相對(duì)較好。

3）兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)1.0～2.5 m深度范圍內(nèi)加固后的Ps值和Cu值均接近于0 kPa，基本沒(méi)有強(qiáng)度，加固效果很差。這與圖4中孔隙水壓力消散曲線規(guī)律不是很一致，其主要原因可能有兩方面：①吹填淤泥在加固過(guò)程中，土體結(jié)構(gòu)性逐漸加強(qiáng)，孔壓計(jì)對(duì)土體孔隙中流體的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)比較敏感，能較好地測(cè)得孔壓消散情況；②盡管土體有一定的結(jié)構(gòu)性，但相對(duì)而言，十字板和靜力觸探測(cè)試過(guò)程中對(duì)這類土體的擾動(dòng)作用較大，這種結(jié)構(gòu)性極易被破壞，因此，測(cè)試值往往較低，不能完全真實(shí)反映實(shí)際情況。

3.4 加筋效果對(duì)比分析

土工合成材料的加筋效果主要取決于其自身力學(xué)性能和加固后筋土界面的界面摩阻力大小兩方面。

根據(jù)第3.3節(jié)可知，試驗(yàn)A區(qū)的土體加固效果明顯優(yōu)于試驗(yàn)B區(qū)，因此，相同的外荷載作用下，前者筋土界面的摩阻力大于后者。另外，試驗(yàn)A區(qū)的雙向土工格柵（TGSG2020）縱橫向極限抗拉強(qiáng)度≥20 kN/m，而試驗(yàn)B區(qū)的土工無(wú)紡布（300 g/m2）的斷裂強(qiáng)力≥9.5 kN/m，因此，相同的外荷載作用下，前者自身力學(xué)性能大于后者。

另一方面，加固后推土機(jī)等施工機(jī)械是否能順利進(jìn)行鋪設(shè)砂墊層施工以及液壓插板機(jī)械是否能順利進(jìn)行塑料排水板插設(shè)施工也綜合反映了兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)土工合成材料的加筋效果。

實(shí)際施工中，試驗(yàn)B區(qū)鋪設(shè)砂墊層時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重冒泥現(xiàn)象，而試驗(yàn)A區(qū)鋪設(shè)砂墊層時(shí)較順利，究其原因是試驗(yàn)B區(qū)砂墊層施工時(shí)，土與土工合成材料的界面摩阻力已達(dá)到極限值而發(fā)生逐步剪壞現(xiàn)象，界面上保持的殘余抗摩剪強(qiáng)度已不能發(fā)揮錨固作用，也即不能滿足它繼續(xù)有效地發(fā)揮加筋作用，已經(jīng)達(dá)到了可能的加筋作用的極限狀態(tài)。

綜上所述，在相同的外荷載下，試驗(yàn)A區(qū)土工合成材料組合的加筋效果明顯優(yōu)于試驗(yàn)B區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文先對(duì)超軟土淺層加固技術(shù)中土工合成材料的作用及其加筋機(jī)理進(jìn)行深入分析，然后依托珠海港高欄港區(qū)某淺層超軟土處理工程開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，研究了組合1“編織布+土工無(wú)紡布+土工格柵”和組合2“編織布+土工無(wú)紡布+土工無(wú)紡布”對(duì)超軟土加固效果的影響，得出了以下結(jié)論：

1）組合1的三維透水性優(yōu)于組合2。

2）組合1更有助于土體加固效果的提高。

3）組合1的加筋效果優(yōu)于組合2。

因此，超軟土淺層加固技術(shù)應(yīng)優(yōu)先考慮土工合成材料組合1，即“編織布+土工無(wú)紡布+土工格柵”。

[1]葉國(guó)良，郭述軍，朱耀庭.超軟土的工程性質(zhì)分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2010（5）：1-9.

[2]文海家，嚴(yán)春風(fēng)，汪東云.吹填軟土的工程特性研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21（2）：79-83.

[3]成玉祥.濱海吹填土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度形成機(jī)理與真空預(yù)壓法關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

[4]張功新，陳平山.淺表層超軟弱土快速加固技術(shù)研究[R].廣州：中交四航工程研究院有限公司，2009：1-9.

[5]董志良，張功新，周琦，等.天津?yàn)I海新區(qū)吹填造陸超軟土淺層加固技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（5）：1073-1080.

[6]徐少曼，洪昌華.土工合成材料加筋堤壩軟基的非線性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21（4）：438-443.

[7]唐洪祥，王海清.土工合成材料補(bǔ)強(qiáng)軟基的作用機(jī)理與整體穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2005，16（12）：1879-1884.

[8]董金玉，楊繼紅，孫文懷，楊傳喜.土工合成材料在高速公路軟基處理中的應(yīng)用研究[J]. 巖土工程界，2004，7（12）：78-80.