劉 浩，余學(xué)鵬，崔俊杰，梁英俊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

近年來(lái)隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的大規(guī)模開(kāi)展，土地資源日趨緊張。在沿海地區(qū)應(yīng)用吹填圍海造陸的施工方法正被大規(guī)模使用，形成了以淤泥質(zhì)土為主的吹填土地基。吹填土具有含水率高、孔隙比大、滲透性差和強(qiáng)度低等特點(diǎn)，導(dǎo)致其承載力很低，所以必須對(duì)吹填土地基進(jìn)行加固處理。

真空預(yù)壓不僅能夠大幅度提高吹填土地基承載力，而且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，使其成為目前最常用的吹填土地基加固方法。由于常規(guī)真空預(yù)壓方法需要中粗砂墊層作為水平排水通道，受中粗砂價(jià)格上漲和環(huán)境保護(hù)的制約，常規(guī)真空預(yù)壓方法發(fā)展遇到了瓶頸。

直排式真空預(yù)壓和增壓防堵真空預(yù)壓都是在常規(guī)真空預(yù)壓基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，和常規(guī)真空預(yù)壓相比，它們都具有真空利用率高、原材料省、工程造價(jià)低和對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)直排式真空預(yù)壓較常規(guī)真空預(yù)壓的優(yōu)勢(shì)做了許多研究［1-3］。由于增壓防堵真空預(yù)壓出現(xiàn)時(shí)間較短，目前關(guān)于增壓防堵真空預(yù)壓的研究較少。

1 真空預(yù)壓原理簡(jiǎn)介

真空預(yù)壓過(guò)程是在總應(yīng)力不變的條件下，孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增加的過(guò)程，實(shí)質(zhì)為利用大氣壓差作為預(yù)壓荷載，使土體逐漸排水固結(jié)的過(guò)程［4］。由于密封膜把土體和大氣隔離，抽真空時(shí)使得砂墊層和排水板的孔隙水壓力迅速下降，逐步形成負(fù)壓，并導(dǎo)致土體內(nèi)部的孔隙水壓力和排水板內(nèi)的孔隙壓力存在壓差。在壓差作用下，土體中的孔隙水由排水板通道排出，孔隙水壓力降低。根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力原理可知:在總應(yīng)力不變的條件下，若孔隙水壓力降低，則有效應(yīng)力增加，其真空預(yù)壓原理如圖1所示。

圖1 真空預(yù)壓原理示意

2 幾種真空預(yù)壓方法簡(jiǎn)介

2.1 常規(guī)真空預(yù)壓

常規(guī)真空預(yù)壓是在需要加固的軟土內(nèi)打設(shè)排水板，然后在地面鋪設(shè)中粗砂墊層作為橫向排水系統(tǒng)，再在砂墊層頂部鋪設(shè)密封膜，利用射流真空泵進(jìn)行抽氣，形成真空度。常規(guī)真空預(yù)壓加固斷面如圖2所示。

圖2 常規(guī)真空預(yù)壓加固斷面

2.2 直排式真空預(yù)壓

直排式真空預(yù)壓法是在常規(guī)真空預(yù)壓基礎(chǔ)上取消了水平排水砂墊層和濾管，用密閉的主管、支管、連接管與排水板上部直接相連，與排水板形成封閉的真空壓力傳遞系統(tǒng)，消除了真空壓力傳遞過(guò)程中在水平排水砂墊層和濾管中的能量損耗，顯著提高了排水板內(nèi)真空壓力和真空作用能效［1］。直排式真空預(yù)壓加固斷面如圖3所示。

圖3 直排式真空預(yù)壓加固斷面

2.3 增壓防堵真空預(yù)壓

增壓防堵真空預(yù)壓也是在常規(guī)真空預(yù)壓基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，增壓防堵真空預(yù)壓加固斷面如4所示。和常規(guī)真空預(yù)壓方法相比，增壓防堵真空預(yù)壓方法做了如下改變［5-6］:

圖4 增壓防堵真空預(yù)壓加固斷面

(1)取消了水平砂墊層，用手型接頭將排水板和鋼絲軟管連接組成水平排水系統(tǒng);

(2)采用防淤堵無(wú)紡布濾膜PDPS整體式排水板代替普通FDPS塑料排水板;

(3)增加了表層增壓系統(tǒng)。

2.4 增壓的施工工藝和增壓原理

增壓系統(tǒng)通過(guò)在防淤堵排水板中間設(shè)置增壓管，和外面的增壓泵通過(guò)氣管相連。吹填土在真空作用下適當(dāng)時(shí)間開(kāi)始增壓。增壓采用間隙式增壓，首先保持真空在0.08 MPa以上，然后開(kāi)始逐步加正壓至0.02 MPa，使出水量明顯減少后逐步加正壓至0.00～0.02 MPa，在增壓過(guò)程中要保持真空不小于0.08 MPa，連續(xù)抽至無(wú)出水?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整增壓系統(tǒng)。

吹填土內(nèi)的自由水在真空壓力作用下，向排水板移動(dòng)，孔隙水壓力減小，進(jìn)而有效應(yīng)力增加，土體固結(jié)被加固。但由于吹填土的滲透系數(shù)很小，有機(jī)質(zhì)含量很高，導(dǎo)致在真空預(yù)壓后期真空壓力變化不明顯。增壓時(shí)，增壓管內(nèi)為正壓，塑料排水板內(nèi)為負(fù)壓，塑料排水板和增壓管之間會(huì)產(chǎn)生壓力差。自由水在壓差作用下產(chǎn)生，向排水板的定向流動(dòng)。加速了孔隙水的流動(dòng)，進(jìn)而使土體的有效應(yīng)力增加，土體加速固結(jié)。

2.5 增壓防堵、直排式和常規(guī)真空預(yù)壓對(duì)比

常規(guī)真空預(yù)壓真空度由水平排水系統(tǒng)(主管、濾管和砂墊層)傳遞到塑料排水板，再由塑料排水板傳遞到預(yù)壓土體。在真空度傳遞過(guò)程中，由于水平排水系統(tǒng)的阻尼作用，導(dǎo)致真空度損失很大。已有的資料［7-9］表明，真空泵抽水形成的近1個(gè)大氣壓的真空壓力，經(jīng)水平排水系統(tǒng)后有一定幅度的下降，下降幅度達(dá)10～15 kPa;排水板內(nèi)的真空度受土層和排水板濾膜的影響，采用常規(guī)塑料排水板作為豎向排水系統(tǒng)，在軟土中板底的真空度比板頭衰減更大。

與常規(guī)真空預(yù)壓法相比，增壓防堵真空預(yù)壓用手型接頭和鋼絲軟管替代水平排水系統(tǒng)，可使真空壓力基本無(wú)衰減地傳遞到軟土地基的排水板中，可加速吹填土的排水固結(jié);而防淤堵無(wú)紡布濾膜PDPS整體式排水板在材料和孔徑上板較普通的FDPS塑料排水板更具優(yōu)勢(shì)，防淤堵效果更好。綜上所述，在增壓防堵真空預(yù)壓的水平和豎向排水系統(tǒng)內(nèi)，真空壓力傳遞過(guò)程中能量損耗較常規(guī)真空預(yù)壓法有顯著降低，進(jìn)而提高了排水板內(nèi)真空強(qiáng)度和真空作用能效。同時(shí)，手型接頭和鋼絲軟管替代砂墊層能有效地降低工程造價(jià)，更符合環(huán)保的要求。

直排式真空預(yù)壓也取消了水平砂墊層，和增壓防堵真空預(yù)壓的區(qū)別在于塑料排水板和增壓系統(tǒng)，直排式真空預(yù)壓采用普通塑料排水板，增壓防堵真空預(yù)壓采用防淤堵無(wú)紡布濾膜PDPS整體式排水板;直排式真空預(yù)壓沒(méi)有表層的增壓系統(tǒng)。各種真空預(yù)壓方法的區(qū)別見(jiàn)表1。

表1 不同真空預(yù)壓方法的區(qū)別

3 試驗(yàn)概況

3.1 工程概況

天津新港北鐵路集裝箱中心站工程站場(chǎng)吹填土地基試驗(yàn)段工程場(chǎng)區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)至上更新統(tǒng)的沖海積層，巖性以黏性土、粉土、粉砂、細(xì)砂、淤泥、淤泥質(zhì)土為主，表覆第四系全新統(tǒng)人工吹填土層，從新到老分述如下。

(1)沖填土(Q4ml):灰色、褐灰色、灰褐色，流塑，厚度13.0 m左右。

(2)海相沉積層(Q4m)

粉質(zhì)黏土:灰色、褐灰色、灰褐色，軟塑～流塑，層狀分布。

粉土:灰色、褐灰色、灰褐色，中密～密實(shí)，潮濕，層狀分布。

(3)海陸交互相沉積層(Q4al+m)

黏土:灰黃色、褐黃色，黃灰色，軟塑～硬塑，透鏡狀分布。

粉質(zhì)黏土:灰黃色、褐黃色，黃灰色，軟塑～硬塑，層狀分布。

由試驗(yàn)段地質(zhì)條件可知:場(chǎng)地上部覆蓋13 m厚的吹填土，吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)較差，必須經(jīng)地基處理后才能滿足沉降和穩(wěn)定的要求。真空預(yù)壓是處理吹填土地基最常用的方法，鑒于常規(guī)真空預(yù)壓目前遇到的瓶頸，試驗(yàn)段優(yōu)先考慮直排式真空預(yù)壓和增壓防堵真空預(yù)壓進(jìn)行加固，為比較增壓防堵真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓在加固效果及經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)劣，以及為真空預(yù)壓設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參數(shù)，特設(shè)立試驗(yàn)段進(jìn)行驗(yàn)證分析。

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)段采用直排式真空預(yù)壓和增壓防堵真空預(yù)壓進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分別進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)及加固效果檢測(cè)。試驗(yàn)區(qū)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

3.3 試驗(yàn)段的監(jiān)測(cè)與檢測(cè)

為全面反映真空預(yù)壓施工質(zhì)量及加固效果，對(duì)直排式真空預(yù)壓和增壓防堵真空預(yù)壓進(jìn)行對(duì)比研究，參考已有的資料，在加固區(qū)布置多項(xiàng)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)項(xiàng)目［10-11］。

(1)試驗(yàn)段的監(jiān)測(cè)

表2 試驗(yàn)區(qū)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

其中包括:地表沉降、孔隙水壓力、水平位移、地下水位、膜下真空度等，并對(duì)真空預(yù)壓全過(guò)程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。

(2)試驗(yàn)段的檢測(cè)

為判定軟基處理完成的效果，在地基處理完成后在加固區(qū)內(nèi)鉆孔取樣，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，以獲取土樣的相關(guān)物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

預(yù)壓前后地基進(jìn)行原位測(cè)試，原位測(cè)試包括:載荷試驗(yàn)、靜力觸探、十字板強(qiáng)度試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)和檢測(cè)項(xiàng)目平面布置如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)和檢測(cè)項(xiàng)目平面布置

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)真空預(yù)壓的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，掌握了真空預(yù)壓過(guò)程中吹填土地基的分層沉降、孔隙水壓力、深層水平位移等的變化情況，為分析增壓防堵真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓提供了數(shù)據(jù)支持。

4.1 地表沉降觀測(cè)

試驗(yàn)段上部土層為新近吹填土，為欠固結(jié)土。吹填土地基的沉降主要包括打板期沉降、預(yù)壓期沉降和工后沉降。插板期間沉降就是在真空預(yù)壓法進(jìn)行地基加固時(shí)，對(duì)于插板前土體中有尚未消散超孔壓的地基土在插板過(guò)程中產(chǎn)生的固結(jié)沉降［12］。在打設(shè)塑料排水板過(guò)程中以及打設(shè)之后鋪膜之前，排水板縮短了吹填土的排水路徑，地基土在其自重壓力作用下，產(chǎn)生固結(jié)沉降。試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測(cè)過(guò)程中實(shí)測(cè)地表沉降量包括打板期沉降和真空預(yù)壓期間沉降，試驗(yàn)區(qū)地表沉降實(shí)測(cè)匯總?cè)绫?所示。

從表3可以看出，相同的加載時(shí)間下，采用增壓防堵真空預(yù)壓加固后的吹填土地表沉降較采用直排式真空預(yù)壓加固的地表沉降大66 mm。分析原因如下:PDPS整體式排水板較常規(guī)的FDPS塑料排水板防淤堵效果更好，地基沉降在初期發(fā)展更快;另外表層增壓系統(tǒng)能夠加速表層吹填土的固結(jié)，進(jìn)而沉降更大。

表3 試驗(yàn)區(qū)地表沉降實(shí)測(cè)匯總

4.2 分層沉降觀測(cè)

試驗(yàn)1區(qū)和2區(qū)的深層分層沉降統(tǒng)計(jì)如表4和表5所示。從表4和表5可以看出，無(wú)論是直排式真空預(yù)壓還是增壓防堵真空預(yù)壓，對(duì)吹填土地基都起到了很好的加固效果。增壓防堵真空預(yù)壓比直排式真空預(yù)壓在排水板中下部土層壓縮率相近，加固效果差異較小;在表層，土層經(jīng)增壓防堵真空預(yù)壓加固后壓縮率明顯大于經(jīng)直排式真空預(yù)壓加固的土層，增壓防堵真空預(yù)壓對(duì)吹填土在表層的加固效果更好。

表4 試驗(yàn)1區(qū)分層沉降統(tǒng)計(jì)

表5 試驗(yàn)2區(qū)分層沉降統(tǒng)計(jì)

4.3 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

在排水板打設(shè)完成之后，為觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)的孔隙水壓力消散情況，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)中心附近埋設(shè)1組孔隙水測(cè)頭，自地表以下2 m起向下每隔2 m埋設(shè)一個(gè)孔隙水壓力測(cè)頭，最大埋設(shè)深度為地表下13 m。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果繪制孔隙水壓力變化曲線如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7可以看出:在抽真空之前，吹填土地基內(nèi)的孔隙水壓力明顯大于測(cè)頭位置的靜水壓力，即吹填土地基內(nèi)存在超靜水壓力，地基土為欠固結(jié)土，與吹填土地基的應(yīng)力歷史基本吻合;抽真空以后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是受真空度衰減、土層土性的影響，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化值存在較大差異，試驗(yàn)1區(qū)孔隙水壓力變化值為45.8～87.5 kPa，試驗(yàn)2區(qū)孔隙水壓力變化值為42.9～103.5 kPa。

圖6 試驗(yàn)1區(qū)孔隙水壓力變化曲線

圖7 試驗(yàn)2區(qū)孔隙水壓力變化曲線

4.4 水平位移監(jiān)測(cè)

依據(jù)觀測(cè)結(jié)果繪制試驗(yàn)1區(qū)和2區(qū)的深層水平位移曲線如圖8所示。由圖8可以看出:在真空預(yù)壓過(guò)程中，試驗(yàn)1區(qū)和2區(qū)壓膜溝外的土體都呈現(xiàn)向內(nèi)側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，最大水平位移發(fā)生在預(yù)壓地面表層，深層水平位移量隨著深度的增加逐漸減小，影響深度可達(dá)到地表以下15 m。

圖8 試驗(yàn)段水平位移曲線

5 加固效果分析

真空預(yù)壓前后分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取土和室內(nèi)土工試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)，加固后進(jìn)行了載荷試驗(yàn)。

5.1 加固前后各土層變化

試驗(yàn)區(qū)吹填土經(jīng)過(guò)增壓防堵真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓地基處理之后，土體含水率、孔隙比降低，而壓縮模量和剪切強(qiáng)度均有所提高。加固前后吹填土地基物理力學(xué)指標(biāo)變化情況如表6和表7所示。

從表6和表7可以看出:除了試驗(yàn)2區(qū)②1土層受試驗(yàn)因素影響，個(gè)別數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確外，加固土層物理力學(xué)指標(biāo)變化明顯。

(1)物理性指標(biāo)

采用增壓防堵真空預(yù)壓加固后①2淤泥、②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②2淤泥的含水量分別下降了30.1%、19.1%和20.7%，直排式真空預(yù)壓加固后①2淤泥、②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②2淤泥的含水量分別下降了24.3%、10.8%和 14.5%;孔隙比分別降低了14.0% ～28.0%和10.4% ～23.3%;液性指數(shù)分別降低了23.9% ～40.2%和20.2% ～40.4%。

表6 增壓防堵真空預(yù)壓區(qū)加固前后土的物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比

(2)力學(xué)性指標(biāo)

增壓防堵真空預(yù)壓加固后的土體力學(xué)指標(biāo)有明顯改善，加固后①2淤泥、②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②2淤泥的壓縮模量分別提高了18.7%、13.0%和67.6%，②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②2淤泥的黏聚力分別提高了2.3 kPa和3.1 kPa;直排式真空預(yù)壓加固后①2淤泥和②2淤泥的壓縮模量分別提高了15.0%和58.1%，黏聚力改善效果并不明顯。

對(duì)比可知，增壓防堵真空預(yù)壓加固后的土體工程性質(zhì)更好。

5.2 十字板剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)加固前后十字板剪切強(qiáng)度如圖9所示。通過(guò)加固前后現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)可以看出，采用增壓防堵真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓加固后，土層的抗剪強(qiáng)度均有所提高。土層的十字板抗剪強(qiáng)度由加固前1.1～34.2 kPa增到加固后12.0～47.8 kPa。

圖9 加固前后十字板剪切強(qiáng)度對(duì)比

6 結(jié)論與問(wèn)題

6.1 結(jié)論

新工藝和新材料在真空預(yù)壓中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者做了多方面的研究，而且取得了很多成果，通過(guò)增壓防堵真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓的對(duì)比試驗(yàn)得到如下結(jié)論。

(1)增壓防堵真空預(yù)壓采用手型接頭將PDPS整體式排水板和鋼絲軟管相連作為水平排水系統(tǒng)，替代常規(guī)真空預(yù)壓的中粗砂墊層，提高了排水板內(nèi)真空強(qiáng)度和真空作用能效，能有效地降低工程造價(jià)，更符合環(huán)保的要求。

(2)加固吹填土地基增壓防堵真空預(yù)壓和直排式真空預(yù)壓都能起到很好效果，但是增壓防堵真空預(yù)壓在初期沉降速率更快，相同工期內(nèi)沉降更大;增壓防堵真空預(yù)壓能節(jié)省更多的預(yù)壓時(shí)間。

(3)增壓防堵真空預(yù)壓加固后的土體物理力學(xué)指標(biāo)均有明顯改善，增壓防堵真空預(yù)壓加固后的土體較直排式真空預(yù)壓加固后的土體工程性質(zhì)更好。

6.2 存在的問(wèn)題

(1)對(duì)比試驗(yàn)中增壓的作用效果，在監(jiān)測(cè)中并不明顯;而且關(guān)于增壓的壓力、增壓的時(shí)間以及增壓效果的檢測(cè)還存在不明確之處。

(2)與直排式真空預(yù)壓相似，采用現(xiàn)有規(guī)范推算真空預(yù)壓的沉降和固結(jié)度時(shí)，推算結(jié)果并不完全適用于增壓防堵真空預(yù)壓。

因此，為解決以上問(wèn)題增壓防堵真空預(yù)壓有待進(jìn)一步研究。

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