林生法，范明橋，姜彥彬，徐鍇，李杰

（南京水利科學研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210024）

0 引言

目前，我國城市土地資源緊張，尤其是發(fā)達沿海城市，為充分開發(fā)利用土地資源，在沿海淤泥灘地進行了大量的填海造陸工程。圍海造陸土地一級開發(fā)中，常要求經(jīng)真空預壓加固后場地的地基承載力為50 kPa。由于吹填淤泥具有高含水率、高壓縮性、高黏土含量、高孔隙比、低滲透性和低強度等工程特性，“四高二低”的特點導致了剛吹填完成的淤泥強度極低，場地后期沉降量大、工后不均勻沉降顯著。真空預壓法技術成熟、施工速度快、加固效果好，已廣泛應用于水利、交通、工民建等領域的軟土地基處理工程中，是新近吹填淤泥地基較為理想的處理方法[1-2]。同時，真空預壓場地內(nèi)真空度影響真空預壓處理深度、處理效率與效果，有時甚至直接關系到工程的成敗。如何提高排水板與場地淤泥中的真空度，降低真空度在場地傳遞中的沿程與局部損耗，一直是真空預壓研究的重點[3]。

本文針對以上問題，開展了基于新吹填淤泥地基加固的相關現(xiàn)場對比試驗，并提出了氣管直吸聯(lián)合覆膜真空預壓快速加固新方法?；诂F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，該方法取得了良好的加固效果[4]。

1 現(xiàn)場試驗概況

1.1 現(xiàn)場各試驗分區(qū)概況

本項目把吹填淤泥試驗區(qū)分為4塊，每塊面積約1 000 m2，各自獨立，編號為A、B、C、D區(qū)。4個試驗區(qū)排水板布置完全相同，即都采用B型排水板，0.6 m×0.6 m正方形布置。其中B、C區(qū)上覆真空膜，插板深度2.5~2.8 m。而A、D區(qū)不覆真空膜，插板深度2.1~2.3 m，板頭在淤泥下30~50 cm，利用表面吹填淤泥作為密封。

為了對各個分區(qū)的加固效果進行分析，在各個分區(qū)場地中間布置1個沉降標，并在各區(qū)中心2 m深埋設1個孔隙水壓力計。每塊場地配置1臺7.5 kW真空泵，分別采用不同真空預壓方法對吹填泥進行處理，詳見4個試驗區(qū)參數(shù)對比表1及試驗區(qū)平面圖1所示。

表1 試驗分區(qū)參數(shù)對比Table 1 Comparison of test partition parameters

圖1 試驗區(qū)平面圖（單位：mm）Fig.1 Plan of the test site （mm）

1.2 各試驗分區(qū)現(xiàn)場概況

1）A區(qū)采用氣管直吸真空預壓方法對淤泥進行排水固結(jié)處理。該方法首先采用水上浮動工作平臺人工插設排水板，在排水板頂部插入特別研制的帶有出水口的塑料板帽。板帽為敞口內(nèi)收間距形式，便于排水板插入。板帽通過PE專用快速氣動三通接頭和PU專用氣管相連，氣管內(nèi)徑8 mm。每排氣管用主管串聯(lián)后連接到真空發(fā)生裝置（真空泵），開啟真空泵可以直接抽取場地土中孔隙水，達到降低土體孔隙水，增強土體強度的目的，故簡稱A區(qū)試驗方式為“氣管直吸”真空預壓法。板帽、排水板接頭、氣管組成封閉直接抽吸系統(tǒng)實物圖，詳見圖2。

圖2 氣管抽吸系統(tǒng)Fig.2 Air pipe suction system

由于采用了在排水板安裝板帽、專用快速氣動三通接頭和專用氣管后通過支管、主管（4根）直接連接真空系統(tǒng)，抽氣過程中排水板始終位于泥面之下。由于排水板頭上30~50 cm的表層淤泥起到密封作用，故不使用薄膜密封。由于板帽、三通接頭等都在泥下，表面只能看到場區(qū)邊緣氣管和支管連接以及主管與真空泵連接，詳見圖3。

圖3 主管與真空泵連接系統(tǒng)Fig.3 Connected system between the main pile and the vacuum pump

2）B區(qū)采用直吸聯(lián)合真空膜方法，先在泥面鋪設1層編織布，然后用和A區(qū)相同的方法插板、安裝接頭和氣管，并連接水平排水管路詳見圖4。圖4為只鋪設編織布的現(xiàn)場照片，后期還需鋪設1層土工布和2層專用密封膜。

圖4 B區(qū)排水板施工Fig.4 Drain board construction in partition B

3）C區(qū)采用無砂墊層真空方法[1，5-8]。先在泥面鋪設1層編織布，然后在泡沫板上人工插板，板頭和濾管綁扎，濾管先連接主管，主管連接真空泵。濾管之上再鋪設1層編織布，編織布上面鋪設2層聚氯乙烯密封膜。

4）D區(qū)采用常規(guī)濾管置于泥面下作為水平排水管路，同A區(qū)一樣，利用泥面密封，不覆膜，即所謂低位真空預壓[3，9]。泡沫板上插板，板頭和濾管綁扎，板頭置于泥面下0.3~0.5 m。

2 現(xiàn)場試驗結(jié)果分析

為了對比各分區(qū)加固吹填淤泥層效果，對最終處理效果進行分析，分析的內(nèi)容主要是新近吹填淤泥地基真空預壓下各試驗分區(qū)的場地真空度、地表沉降、超孔隙水壓力消散、土的含水率及淤泥強度的增長。

2.1 抽真空歷時

吹填淤泥基本呈流動狀，為減輕土顆粒流動而吸附在排水板周圍，堵塞排水板后降低排水板的滲透性。所以，抽氣初期控制抽氣主管真空壓力為30~40 kPa，各試驗分區(qū)抽真空歷時見表2。

表2 各試驗分區(qū)抽真空歷時Table 2 Vacuum supply duration in every test partition d

從表2可知，各區(qū)真空處理時間已達3~4個月，各區(qū)吹填淤泥壓縮變形速率已小于1 mm/d，達到停泵標準。

2.2 場地真空度與地表沉降

場地中的真空度與地表沉降是軟基分析的基礎，其變化規(guī)律是控制施工進度和安排后期施工最重要的指標[8]，本試驗區(qū)各分區(qū)的場地真空度、地表沉降與時間曲線關系見圖5。

圖5 試驗分區(qū)真空度、地表沉降與時間曲線關系Fig.5 Curves of vacuum degree，ground surface settlement and time

如圖5所示，4個試驗分區(qū)為減輕淤泥“抱團”現(xiàn)象，在抽氣初期控制真空壓力20~50 kPa，10 d后逐步增大真空壓力。無膜區(qū)A、D區(qū)真空度一直較小，基本為0。有膜的B、C區(qū)膜下真空壓力達到70~90 kPa，其中B、C區(qū)有個別期間真空度降為0是由于停電、取土樣、做一些原位試驗引起的，整體上B區(qū)真空度略低于C區(qū)。隨著地表沉降的不斷增加，表面積水蒸發(fā)，A、D區(qū)淤泥表面產(chǎn)生裂縫，少量板頭有漏氣現(xiàn)象，導致真空壓力下降。經(jīng)過檢查對有漏氣的板頭進行處理，為防止淤泥再次產(chǎn)生裂縫導致漏氣，故采取表面注水措施。但是，由于不能檢查出所有漏氣部位，不能完全解決漏氣問題，導致A、D區(qū)真空有所上升，但也只能到20~50 kPa。分析其原因是由于局部表面覆水通過淤泥裂縫與板頭聯(lián)通所致。

在抽真空作用下各區(qū)淤泥均產(chǎn)生了較大地表沉降，其中B、C區(qū)地表沉降分別達到750 mm、720 mm，加固效果顯著。有膜B區(qū)抽氣時間短于C區(qū)，并且B區(qū)真空度低于C區(qū)，但沉降量已超過C區(qū)，說明B區(qū)采用氣管直吸聯(lián)合覆膜方法真空效果較好，原因可能是B區(qū)真空度在場地傳遞中的沿程與局部損耗比C區(qū)小，B區(qū)場地中的排水板負壓比C區(qū)場地中的排水板負壓大。

2.3 孔隙水壓力

超靜孔隙水壓力消散觀測是了解地基土體固結(jié)狀態(tài)的手段，因此通過超靜孔隙水壓力消散隨時間變化曲線的實測資料，可以判斷真空預壓加固軟基的效果[8]。各試驗分區(qū)超靜孔隙水壓力消散如圖6所示。

圖6 超靜孔隙水壓力消散隨時間變化曲線Fig.6 Curve of excess pore water pressure dissipation changing with time

如圖6所示各試驗分區(qū)在真空抽氣期間，超靜孔隙水壓力不斷消散，說明各區(qū)排水固結(jié)一直在持續(xù)進行。抽真空初期，由于吹填淤泥土顆粒尚未形成骨架，無法傳遞粒間應力，因此孔隙水壓力和有效應力變化較小，主要表現(xiàn)為自由水的排出[1]。從圖6可以知道，B區(qū)超靜孔隙水壓力消散約為50 kPa，C區(qū)超靜孔隙水壓力消散約為40 kPa。根據(jù)有效應力原理[10]與齊永正[11]等人研究成果，超靜孔隙水壓力消散值轉(zhuǎn)化為有效應力。隨著排水固結(jié)，土體中的孔隙減小，土顆粒越緊密，土顆粒之間嚙合力增大，土的強度得到提高。對B與C區(qū)進行現(xiàn)場十字板剪切試驗，試驗結(jié)果詳見表3?？芍馏w強度增長與地表沉降、超靜孔隙水壓力消散基本一致。

表3 B、C區(qū)十字板強度Table 3 Vane strength in partition B and C

2.4 含水率

自然落淤的淤泥與自重沉積后的吹填淤泥含水率分布極不均勻，往往是上部高下部低，2012年12月9日深度0.5 m取樣含水率為115%。2013年4月18日經(jīng)抽氣加固后對場區(qū)不同區(qū)域取樣測定處理后淤泥的含水率結(jié)果見表4。

表4 吹填淤泥處理后含水率ωTable 4 Water contentωafter treating the dredge fill mud

根據(jù)表4各區(qū)含水率均有大幅度下降。覆膜的B、C區(qū)淤泥含水率已降至40%或以下，而加固前淤泥含水率為110%左右，排水固結(jié)效果明顯。無膜區(qū)含水率也有較大幅度減少，但與要達到形成結(jié)構(gòu)強度的程度相比還有一定差距。

2.5 淤泥強度增長

從有膜B、C區(qū)現(xiàn)場抽氣情況看，存在明顯的板周圍“抱團”現(xiàn)象。這是因為初始吹填淤泥呈流動狀，細小的土顆粒在真空吸力作用下向板周聚集，形成以排水板為中心的圓柱狀土柱，土柱之外則產(chǎn)生明顯的沉陷。與其外土體相比，土柱要堅硬的多，強度相對較高，且越靠近排水板強度越高，而在4根排水板正中心位置強度最低。為進一步確定處理效果，對B、C區(qū)淤泥地基進行了淺層載荷板試驗，可以直接得到地基的承載能力。按照規(guī)范[12]載荷板尺寸為0.707 m×0.707 m=0.5 m2，試驗獲得B區(qū)極限承載力為110 kPa、C區(qū)極限承載力為100 kPa，兩區(qū)地基承載力特征值分別為B區(qū)55 kPa、C區(qū)50 kPa，均達到了50 kPa的地基使用要求。

2.6 最終處理效果分析

從沉降、含水率變化情況來看，4種真空預壓方法處理吹填淤泥均取得了一定的效果。其中覆膜區(qū)效果優(yōu)于無膜區(qū)，因此影響處理效果的關鍵在于淤泥表面的密封狀況。利用吹填淤泥自身滲透性弱、封閉性好的優(yōu)點，將其用來保持排水板真空度，可以省去鋪真空密封膜的工序，降低工程造價。

然而如前所述，無膜區(qū)隨著淤泥逐步沉降，表面失水，0.3~0.5 m覆蓋厚度還不足以有效防止淤泥表面產(chǎn)生裂縫與排水板貫通。所有排水板都是通過氣管或濾管相通的，只要有個別排水板與大氣聯(lián)通，必然造成整個真空預壓系統(tǒng)漏氣，真空度下降，影響處理效果。所以要保證系統(tǒng)密封性，一是加大淤泥覆蓋厚度，二是要防止表面裂縫產(chǎn)生。對于吹填泥來說加大淤泥覆蓋厚度，表面覆蓋淤泥在短期自然晾干、自重固結(jié)作用下，強度增長有限，遠達不到場地使用對承載力的要求。表面覆泥可以消除大部分開縫，但由于沉降的不均勻（板頭小、板間大），仍然會有少量裂縫產(chǎn)生，與排水板相通，造成板中真空度下降，影響排水固結(jié)效果。無膜區(qū)淤泥含水率雖然也在下降，但其下降速度遠小于有膜區(qū)，淤泥含水率還較高，土體強度還基本沒有形成。

B區(qū)采用氣管直吸聯(lián)合覆膜真空預壓方法進行處理，C區(qū)采用無砂墊層真空預壓方法，相同抽氣時間內(nèi)B區(qū)淤泥沉降量、沉降速率、處理后地基承載力均大于C區(qū)，而處理后含水率小于C區(qū)，采用B區(qū)真空預壓方法處理效果明顯更好一些。造成這種情況的可能原因是：氣管直吸系統(tǒng)排水板芯通過板帽、氣管與真空直接相連，泵與板之間是密封直通的，真空傳遞幾乎沒有損失。而濾管系統(tǒng)排水板芯要透過板芯外面包裹的濾布、濾管外面包裹的濾布、濾管與真空泵相連，泵與板之間多了2層濾布，真空傳遞有一定損失。此外由于排水板是綁扎在濾管上的，淤泥也有可能淤堵在濾管濾布和排水板濾布之間，對真空傳遞造成阻塞。要使用無砂墊層真空預壓方法可考慮將排水板直接插入到濾管中的連接方式，而不是用綁扎連接方式，當然效果還有待驗證。

根據(jù)淤泥強度的形成和增長規(guī)律，在其含水率大于液限（本場淤泥液限棕L=45.8%）時基本不具有結(jié)構(gòu)強度。當含水率低于液限后，土體強度隨著土中水分即含水率的減少而快速增長。在有膜區(qū)域，從淤泥含水率的降低幅度看，淤泥含水率已小于其液限（棕L=45.8%），土體結(jié)構(gòu)強度已經(jīng)初步形成。

3 結(jié)語

1） 由于無膜A區(qū)和D區(qū)場地真空預壓試驗方法無法保證排水板內(nèi)較高的真空度，故不適宜在本場地作吹填淤泥處理方法使用。

2） 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，氣管直吸聯(lián)合覆膜與無砂墊層真空預壓方法適宜在本場地作吹填淤泥處理方法使用，并且氣管直吸聯(lián)合覆膜比無砂墊層真空預壓方法處理效果更好。

3） 氣管直吸聯(lián)合覆膜能減少真空度在傳遞中的損失，快速實現(xiàn)排水固結(jié)，快速實現(xiàn)加固吹填淤泥層，并滿足后續(xù)工程施工承載力要求，可推廣應用于我國大面積吹填造陸工程中。

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