王海燕，張文彬，劉凌云，謝錦波，胡小波

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200030）

水平排水板真空預壓法處理吹填土現(xiàn)場試驗研究

王海燕，張文彬，劉凌云，謝錦波，胡小波

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200030）

常規(guī)的豎向排水板真空預壓處理新近吹填流泥的平均壓縮量可達30%~40%，呈明顯的大變形特征，排水板彎曲變形嚴重，導致排水板中的真空度沿深度衰減較大，影響最終加固效果。針對吹填流泥的工程特性，通過對比試驗，研究了水平排水板真空預壓法在該類場地的應用。試驗結果表明，水平板真空預壓通過豎向管及水平向排水板組成排水體，能有效的保證其通水量和真空度的傳遞效果；且隨著土體固結，在深度方向相鄰排水板間距縮小，能有效減小排水距離，減少固結時間；其加固效果，尤其對深層土體的加固效果，要明顯優(yōu)于豎向板真空預壓。

真空預壓；吹填流泥；水平排水板；地基承載力

0 引言

近年來，沿海地區(qū)利用航道疏浚淤泥作為吹填材料的吹填造陸工程日益增多；經(jīng)水力吹填形成的陸域場地，含水率高達80%以上，新近吹填的場地甚至可以達到200%左右。許多工程實踐表明，運用真空預壓法處理后，吹填場地沉降量非常顯著，但加固后的強度相對較小[1]；基于上述原因，許多學者通過優(yōu)化處理方案和施工工藝等措施[2-7]，以期改善該類場地的加固效果。但是，這些方法均是在常規(guī)豎向板真空預壓基礎上的優(yōu)化改進。在實際工程當中，豎向板真空預壓處理新近吹填流泥的壓縮量可達30%~40%，呈明顯的大變形特征，排水板彎曲變形嚴重，導致排水板中的真空度沿深度衰減較大，影響最終的加固效果[8]。

有鑒于此，考慮真空預壓法處理該類場地側向收縮不大，若將排水板水平布置形成水平板真空預壓，能有效減少排水板的彎曲變形，改善真空度的傳遞效果。國外學者[9-11]針對水平板真空預壓進行相關試驗研究；成功研制了插板設備[12]，并在實際工程中取得了較好的加固效果；而目前在國內(nèi)尚未見過相關文獻的報道。本文依托溫州某吹填造陸工程，通過豎向板真空預壓和水平板真空預壓現(xiàn)場試驗，研究了2種工藝加固吹填流泥的沉降變形、孔隙水壓力、含水率、十字板抗剪強度、地基承載力的變化規(guī)律，探討了水平板真空預壓對流泥變形和強度的變化規(guī)律，并對其施工工藝進行初步研究。

1 試驗方案

試驗區(qū)位于溫州某吹填造陸工程場地中，吹填土深度在3.8~4.2 m之間，試驗區(qū)吹填土的主要物理性質(zhì)指標如表1所示，可知吹填土黏粒含量高達50%，粉粒含量達到47%，表現(xiàn)出高黏粒特征。

表1 試驗區(qū)吹填土主要物理性質(zhì)指標Table1 Physical properties of the blown filled mud in test area

試驗區(qū)分為A、B、C、D 4個小區(qū)，其中A區(qū)插設水平排水板，豎向及水平間距均為60 cm；B區(qū)插設水平排水板，豎向及水平間距均為80 cm；C區(qū)插設豎向排水板，間距60 cm，正方形布置；D區(qū)插設豎向排水板，間距80 cm，正方形布置；試驗區(qū)排水板均采用SPB100系列A型排水板；試驗區(qū)及水平排水板平面布置如圖1，水平排水板剖面布置如圖2。為保證各小區(qū)工況一致，考慮試驗區(qū)均面積較小，將A、B、C、D 4個小區(qū)鋪設在1塊真空膜下、作為1個大區(qū)進行真空預壓，并在中央布置1臺7.5 kW射流泵，如圖1。

圖1 試驗區(qū)平面布置圖（單位：m）Fig.1 Site plan of the test area（m）

圖2 水平板真空預壓剖面示意圖Fig.2 Section view of vacuum preloading method employing horizontal drains

2 施工工藝

水平板真空預壓適用于處理經(jīng)水力吹填形成的高含水率，高黏粒的陸域場地，水平板真空預壓的優(yōu)勢如下：1）在抽真空過程中，由于土體側向收縮不大，水平向排水板彎曲很小，能有效的保證排水板內(nèi)真空度的傳遞效果。2）在豎直方向，采用具有一定柔性和環(huán)剛度的管子作為豎向排水體；土體固結過程中，管子能適應土體的變形而彎曲，且其內(nèi)徑保持不變，能有效的保證豎向管內(nèi)真空度的傳遞效果。3）土體的固結過程主要以豎向固結為主，尤其是吹填土，加固后土層壓縮量可占整個吹填土層厚度的30%~40%。水平板真空預壓加固吹填土時，隨著固結的進行，深度方向上相鄰排水板間距大幅縮小，能有效減小排水距離，減少固結時間，改善加固效果。

為發(fā)揮水平板真空預壓的優(yōu)勢，實現(xiàn)其工程應用，本次試驗采取工藝如下：1）在豎向管的選取方面，比選了波紋管、真空濾管及鋼絲軟管，綜合考慮真空度傳遞效果、彎曲而不彎折特性及材料經(jīng)濟性，選擇波紋管作為豎向管。2）在水平排水板的插設方面，排水體采用“一管一板”的方式（即1根豎向管底部綁扎1根水平排水板；排水板與波紋管綁扎部位管壁需事先打滿小孔，以保證真空壓力能由豎向管傳遞至水平排水板中）；并設計了專門的水平板插板器，如圖3。3）在豎向管出泥段與泥面上水平濾管的連接方面，設計了專門的多通連接管將同一剖面的豎向管與水平濾管連接。

圖3 插板器Fig.3 Drain installation device

主要施工工藝步驟如下：1）在泥面上鋪設1層編織布，以形成施工人員行走、施工的平臺；2）“一管一板”排水體的綁扎工作在吹填區(qū)外圍的工作區(qū)完成，綁扎完成后搬運至試驗區(qū)；豎向波紋管底端需無紡布綁扎密封，防止吹填土進入管內(nèi)；排水板與波紋管綁扎部位管壁需事先打滿小孔，以保證真空壓力能由豎向管傳遞至水平排水板中；3）根據(jù)吹填土層的厚度，按由深到淺的順序?qū)㈩A制的排水體逐一插入試驗區(qū)中。插設排水體的工藝如下：①在預備插入排水體的區(qū)域鋪設1排長度與水平排水板長度相當?shù)?、由泡沫板組成的施工平臺；②施工人員用小刀在泡沫板一側的編織布上割開1條長度與水平排水板長度相當?shù)目谧樱虎鬯脚潘迤戒佋诳谧又械哪嗝嫔?；④施工人員均持有1個插板器，將插板器間隔放置在水平排水板上，使最下方的卡爪卡住水平排水板；⑤施工人員依據(jù)指令同時將水平排水板壓入吹填土中，直至到達這一插設斷面的設計深度；⑥重復步驟③至⑤插設這一斷面其它深度處的排水體；⑦重復步驟①到⑥，插設其余斷面的排水體。4）使用多通連接管將伸出泥面的豎向管與水平濾管相連，并安裝出膜口；5）鋪設編織布、無紡布和真空膜，將抽真空設備與出膜口連通；6）抽真空并進行監(jiān)測控制。

值得說明的是，本次試驗采用人工插板的方式效率仍然較低；待驗證其有效性后，可在后續(xù)的研究中研制水平板插板系統(tǒng)[12]，加快插板效率。

3 試驗成果及分析

3.1 真空度

試驗區(qū)膜下真空度如圖4所示。試驗區(qū)采用20—40—80 kPa的真空梯度，其中20 kPa真空壓力維持39 d，40 kPa真空壓力維持12 d，80 kPa真空壓力維持122 d。除設備故障、天氣等因素的影響，導致真空度出現(xiàn)短暫下降外，真空預壓期間真空度基本維持在80 kPa左右。

圖4 膜下真空度時程曲線Fig.4 Variation of vacuum degree with respect to time

3.2 泥面沉降

試驗區(qū)泥面沉降時程曲線見圖5，試驗區(qū)泥面沉降統(tǒng)計分析如表2。試驗結果可知：1）兩種工藝下，60 cm排水板間距的沉降量均大于80 cm排水板間距。2）在相同的排水板間距下，水平板真空預壓及豎向板真空預壓泥面沉降的發(fā)展規(guī)律基本相同，其最終沉降相差不大。

圖5 泥面沉降時程曲線Fig.5 Surface settlements with respect to time

表2 泥面沉降統(tǒng)計分析Table 2 Analysis of the surface settlements

3.3 孔隙水壓力

采用壓入法在吹填土中埋設振弦式孔壓計，埋設位置均在4根排水板間的形心位置（即離排水板最遠處），埋設深度為1.0 m和3.0 m，真空預壓期間最大負超靜孔隙水壓力統(tǒng)計分析如表3所示。試驗結果可知：1）兩種工藝下，60 cm排水板間距區(qū)域的最大負超靜孔隙水壓力均明顯大于80 cm排水板間距區(qū)域。土體中最大負超靜孔隙水壓力的變化，代表土中有效應力的增加。表明：縮小排水板間距，能有效改善土體加固效果。2）60 cm排水板間距區(qū)域，水平板真空預壓在1.0 m和3.0 m深度處的最大負超靜孔隙水壓力比豎向板真空預壓分別高3.29 kPa和4.22 kPa；80 cm排水板間距區(qū)域，水平板真空預壓在1.0 m和3.0 m深度處的最大負超靜孔隙水壓力比豎向板真空預壓分別高出1.26 kPa和1.54 kPa。表明：水平板真空預壓的加固效果優(yōu)于豎向板真空預壓。

表3 最大負超靜孔隙水壓力 kPaTable 3 Maximum of measured excess pore water pressure

3.4 含水率

卸載后，在試驗區(qū)50 cm、100 cm、150 cm深度處測試土體含水率，測試點均在4根排水板間的形心位置（即離排水板最遠處），含水率沿深度的變化關系曲線見圖6。試驗結果可知：1）兩種工藝下，80 cm排水板間距區(qū)域的含水率均明顯高于60 cm排水板間距區(qū)域的含水率。2）在相同的排水板間距下，水平板真空預壓50 cm深度處的含水率大于豎向板真空預壓。這是由于水平排水板真空預壓未設置水平濾管，使得其膜下真空度傳遞不如豎向排水板，淺層的加固效果不如豎向排水板；建議改進工藝，改善膜下真空度的傳遞效果。而100 cm、150 cm深度處的含水率均小于豎向板真空預壓。這是因為：在豎向板真空預壓中，土體固結導致豎向排水板嚴重彎折，影響其真空度傳遞及排水效果；而在水平板真空預壓中，整個排水體系能有效減少真空度的傳遞損失。因此，水平板真空預壓對于深層土體的加固效果要優(yōu)于豎向板真空預壓。

圖6 試驗區(qū)含水率Fig.6 Water content distribution of test area

3.5 十字板抗剪強度

卸載后，在試驗區(qū)50 cm、100 cm、150 cm深度處進行十字板抗剪強度試驗，測試點均在4根排水板間的形心位置，十字板抗剪強度沿深度的變化關系曲線見圖7。試驗結果可知：1）兩種工藝下，60 cm排水板間距區(qū)域的十字板抗剪強度均明顯高于80 cm排水板間距區(qū)域。2）在相同的排水板間距下，水平板真空預壓50 cm深度處十字板抗剪強度小于豎向板真空預壓；而100 cm、150 cm深度處的十字板抗剪強度均大于豎向板真空預壓。這一現(xiàn)象與含水率變化規(guī)律相一致，并可以相互印證。

圖7 試驗區(qū)十字板抗剪強度Fig.7 Shear strength measured by vane shear test

3.6 淺層載荷板試驗

試驗區(qū)淺層載荷板試驗最大加載荷載為100 kPa，分10次加載，承壓板為邊長70.7 cm、面積50 cm2的方形板。地基承載力特征值依據(jù)JTS 133-1—2013《水運工程巖土勘察規(guī)范》確定，試驗區(qū)承載力特征值數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表4，試驗結果可知：1）兩種工藝下，60 cm排水板間距區(qū)域加固效果明顯優(yōu)于80 cm排水板間距區(qū)域。2）在相同排水板間距下，豎向板真空預壓的承載力特征值高于水平板真空預壓。淺層載荷板試驗一般用于測定地基承壓板下1.5~2.0倍承壓板的寬度或直徑深度的承載力。表明：本次現(xiàn)場試驗中，豎向板真空預壓對于淺層土體的加固效果要優(yōu)于水平板真空預壓。這是由于水平板真空預壓未在泥面全面積布置水平排水系統(tǒng)，且第1層水平排水板埋設在30 cm深度處。而豎向板真空預壓豎向土柱部位強度較高，壓縮性相對較?。惠d荷板試驗時，此部位產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，能有效分擔排水板間的部分應力，具有減沉的效果；因此，在載荷板試驗中豎向板真空預壓地基承載力相對較高。3）豎向板80 cm區(qū)域，承壓板未按計劃放置在土柱上進行載荷板試驗，其承載力特征值僅為25 kPa，明顯小于水平板80 cm區(qū)域的承載力特征值。表明：土柱對于承載力的貢獻較大；因此，載荷板試驗過程中，宜按復合地基靜載荷試驗要點，將承壓板放置于土柱之上，其面積應為1根土柱承擔的處理面積。

表4 試驗區(qū)承載力特征值數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 4 Characteristic values of soil bearing capacity in test area

4 結論與建議

1）吹填土的固結過程呈大變形特征，常規(guī)的豎向板真空預壓，排水板彎折嚴重，影響排水板的真空度傳遞和排水效果，對于深層土體的加固效果影響較大。而水平板真空預壓通過豎向管及水平向排水板組成排水體，能有效的保證其通水量和真空度的傳遞效果；且隨著土體固結，在深度方向相鄰排水板間距縮小，能有效減小排水距離，減少固結時間；其加固效果，尤其是對深層土體的加固效果，要優(yōu)于豎向板真空預壓。但是，由于豎向土柱的存在及本次水平板真空預壓排水體布置方式的影響，豎向板真空預壓的淺層加固效果要略優(yōu)于水平板真空預壓，建議在今后的試驗及工程中，應繼續(xù)優(yōu)化水平板真空預壓工藝。

2）本次試驗對水平板真空預壓的施工工藝進行了初步研究，試驗研究發(fā)現(xiàn)水平板真空預壓加固效果較好，但是采用人工插板方式效率較低；擬在后續(xù)的研究工作中研制一種應用于吹填土中的水平板插板系統(tǒng)。

[1]葉國良，郭述軍，朱耀庭.超軟土的工程性質(zhì)分析[J].中國港灣建設，2010（5）：1-9. YE Guo-liang,GUO Shu-jun,ZHU Yao-ting.Analysis on engineering property of ultra soft soil[J].China Harbour Engineering, 2010(5):1-9.

[2]武亞軍，楊建波，張孟喜.真空加載方式對吹填流泥加固效果及土顆粒移動的影響研究[J].巖土力學，2013，34（8）：2 129-2 135. WU Ya-jun,YANG Jian-bo,ZHANG Meng-xi.Study of impact of vacuum loading mode on dredger fill flow mud consolidation effect and soil particles moving[J].Rock and Soil Mechanics,2013,34(8): 2 129-2 135.

[3]沈宇鵬，馮瑞玲，余江，等.增壓式真空預壓處理軟基的加固機理[J].吉林大學學報：地球科學版，2012，42（3）：792-797. SHEN Yu-peng,FENG Rui-ling,YU Jiang,et al.Reinforcement of vacuum preloading with air pressure boosted for soft ground treatment[J].Journal of Jilin University:Earth Science Edition, 2012,42(3):792-797.

[4]唐彤芝，董江平，黃家青，等.薄砂層長短板結合真空預壓法處理吹填淤泥土試驗研究[J].巖土工程學報，2012，34（5）：899-905. TANG Tong-zhi,DONG Jiang-ping,HUANG Jia-qing,et al.Experimental research on hydraulic filled mud consolidated by vacuum preloading method combining long and short boards with thin sand cushions[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012,34(5):899-905.

[5]董志良，張功新，周琦，等.天津濱海新區(qū)吹填造陸淺層超軟土加固技術研發(fā)及應用[J].巖石力學與工程學報，2011，30（5）：1 073-1 080. DONG Zhi-liang,ZHANG Gong-xin,ZHOU Qi,et al.Research and application of improvement technology of shallow ultra-soft soil formed by hydraulic reclamation in Tianjin Binhai new area[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(5): 1 073-1 080.

[6]曹永華，李衛(wèi)，劉天韻.淺層超軟土地基真空預壓加固技術[J].巖土工程學報，2011，33（S1）：234-238.CAO Yong-hua,LI Wei,LIU Tian-yun.Surface-layer improvement technology for ultra soft soil by vacuum preloading[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(S1):234-238.

[7] 孫立強，閆澍旺，李偉，等.超軟土真空預壓室內(nèi)模型試驗研究[J].巖土力學，2011，32（4）：984-990. SUN Li-qiang,YAN Shu-wang,LI Wei,et al.Study of super-soft soil vacuum preloading model test[J].Rock and Soil Mechanics, 2011,32(4):984-990.

[8]應舒，陳平山.真空預壓法中塑料排水板彎曲對固結的影響[J].巖石力學與工程學報，2011，30（S2）：3 633-3 640. YING Shu,CHEN Ping-shan.Effects of bended plastic drainage plates on consolidation caused by vacuum preloading[J].Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(S2):3 633-3 640.

[9]SHINSHA H,HINO Y,WATARI Y.Research in vacuum consolidation method employing horizontal drains(Part 1)[C]//22th Symposium of Geological Engineering Research.Japanese Geotechnical Society,1987:1 783-1 784.

[10]SHINSHA H,HINO Y,WATARI Y.Research in vacuum consolidation method employing horizontal drains(Part 2)[C]//22th Symposium of Geological Engineering Research.Japanese Geotechnical Society,1987:1 785-1 788.

[11]SHINSHA H,HINO Y,WATARI Y.Research in vacuum consolidation method employing horizontal drains(Part 3)[C]//22th Symposium of Geological Engineering Research.Japanese Geotechnical Society,1988:2 129-2 132.

[12]SHINSHA H,WATARI Y,KURUMADA Y.Improvement of very soft ground by vacuum consolidation using horizontal drains[C]// GEO-COAST.1991:387-392.

Field experimental study on dredger fill flow mud improved by vacuum preloading method employing horizontal drains

WANG Hai-yan,ZHANG Wen-bin,LIU Ling-yun,XIE Jin-bo,HU Xiao-bo
（Shanghai Third Harbour Engineering Science&Technology Research Institute,Shanghai 200030,China）

The vertical drains are normally applied in vacuum preloading method for the treatment of blown filled mud,the volume compaction ratio can be as high as 30%-40%.However,the vertical drains may have serious deformations in this process,as a result,the vacuum degree in the drains significantly decreases with the increase of depth,and the final reinforcement effect is affected.Based on the engineering properties of the blown filled mud,we conducted contrast tests to investigate the application of horizontal drains in vacuum preloading method.The results show that the water capacity and the vacuum degree can be effectively maintained using horizontal drains vacuum preloading system which is composed of vertical pipes and horizontal drains.The vertical spacing of drains decreased along with the soil's consolidation,accordingly the distance of drains can be effectively reduced,and the consolidation time can be further reduced.The reinforcement effect, especially for the soil of deep level,is obviously better than vertical drains.

vacuum preloading;blown filled mud;horizontal drains;bearing capacity

U655.544

A

2095-7874（2016）11-0057-06

10.7640/zggwjs201612012

2016-06-14

2016-08-31

王海燕（1978— ），女，河北樂亭人，碩士，高級工程師，副總經(jīng)理，巖土工程專業(yè)。E-mail：177175785920@163.com