孫佳銳 王常明 吳長(zhǎng)江

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012;2.北京中兵巖土工程有限公司，北京 100053)

0 引言

吹填土一般具有含水量高、重度較小、孔隙比大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，因此吹填土地基需經(jīng)地基處理[1]。常規(guī)的真空預(yù)壓法與直排式真空預(yù)壓法工藝的不同之處主要在于，直排式真空預(yù)壓法不需要鋪設(shè)砂墊層，通過(guò)將主管和次管與排水板和真空泵相連。真空壓力受濾管、濾膜、砂墊層的阻尼作用，所受能量損失很大，直排式真空預(yù)壓法可以相應(yīng)減少真空壓力的沿程損失，相應(yīng)地節(jié)省了中粗砂材料，從而也可以減少工程造價(jià)[2-3]。陳 環(huán)用一維負(fù)壓固結(jié)儀進(jìn)行的試驗(yàn)中表明，在相同的壓差下正壓與負(fù)壓的加固效果相同[4]。關(guān)于沉降預(yù)測(cè)的研究，由于大多數(shù)沉降計(jì)算方法中都對(duì)計(jì)算模型、地層剖面以及加壓條件等做了簡(jiǎn)化，所以往往所計(jì)算出的沉降結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果有不同程度的偏差，為此提出了根據(jù)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)來(lái)推算沉降過(guò)程和最終沉降量的經(jīng)驗(yàn)方法[5-6]。朱建才等對(duì)真空預(yù)壓中孔隙水壓力消散規(guī)律進(jìn)行了研究[7]，張功新等研究了真空度與孔隙水壓力的關(guān)系分析，結(jié)合廣州南沙一真空預(yù)壓工程，針對(duì)孔壓計(jì)所測(cè)孔隙水壓力得出負(fù)壓與孔壓并不相同，并建議真空預(yù)壓監(jiān)測(cè)中負(fù)壓僅是指負(fù)的超靜孔隙水壓力[8-9]。劉華強(qiáng)等[10]就某軟土加固工程的固結(jié)度與地基承載力進(jìn)行研究，分析真空預(yù)壓法的應(yīng)用價(jià)值。本文就直排式真空預(yù)壓法處理杭州灣地區(qū)吹填土地基為工程案例，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地面沉降和孔隙水壓力監(jiān)測(cè)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)方法預(yù)測(cè)吹填土地基的沉降量及固結(jié)度，對(duì)直排式真空預(yù)壓法地基固結(jié)的合理性及適用性進(jìn)行分析。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，地貌單元屬于錢塘江河口沖海積平原，所揭露地層為全新世(Q4)、晚更新世(Q3)近代海沉積層與海陸交互相沉積層，該區(qū)域第四系松散沉積層的厚度大于100 m。真空預(yù)壓地基處理試驗(yàn)區(qū)F為120 m×90 m。

根據(jù)野外鉆探記錄及室內(nèi)土工資料分析，依據(jù)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)區(qū)剖線所揭示地層，各土層厚度及埋深如圖1所示，按物理力學(xué)性質(zhì)特征、成因類型、土性特征分為以下土層：①--2a層吹填土，灰色、黃灰色，濕—很濕，松散，搖振反應(yīng)迅速，無(wú)光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低。該層為圍墾區(qū)新近沖填土，以細(xì)砂、粉砂為主，夾黏性土，含貝殼碎屑及腐殖質(zhì)，成分不均;①--2b層吹填土，黃灰色、灰色，軟塑—流塑，搖振反應(yīng)無(wú)—緩慢，稍有光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低。該層底部為錢塘江表層新近淤積土，上部為原圍墾區(qū)表層促淤沉積土及沖填土，主要以軟塑—流塑狀黏性土夾少量粉土及粉砂為主，含腐殖質(zhì)，擱置年限約7～10年。③--1淤泥質(zhì)黏土，灰色，軟塑—流塑，飽和，無(wú)搖振反應(yīng)，有光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度高，韌性高，含腐殖質(zhì)，部分深度處相變?yōu)榉圪|(zhì)黏土或淤泥質(zhì)土，局部夾少量薄層粉土;③--3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰色，軟塑—流塑，飽和，無(wú)搖振反應(yīng)，有光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，含腐殖質(zhì)及云母碎屑，層狀構(gòu)造，層間夾薄層狀粉土;⑤--1層粉土夾粉質(zhì)黏土，青灰色、灰黃色，稍密—中密，搖振反應(yīng)迅速，無(wú)光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低，含云母碎屑及腐殖質(zhì)，局部為粉砂，層狀構(gòu)造，夾粉質(zhì)黏土;⑥--1層黏土，灰綠色、灰黃色，可塑—硬塑，飽和，無(wú)搖振反應(yīng)，有光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度高，韌性高，含鐵錳質(zhì)氧化物;⑥--3層粉土，青灰色、灰黃色，中密，濕—稍濕，搖振反應(yīng)迅速，有光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低，含云母碎屑，局部為粉砂。土層其主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

圖1 地層剖面圖

表1 土層主要物理力學(xué)參數(shù)

2 地基處理方案及結(jié)果分析

2.1 地基處理方案

真空預(yù)壓處理場(chǎng)地排水板插打方式均呈正方形布置，插打深度為24～28.5 m不等，間距1.2 m×1.2 m，如圖2所示，所采用塑料排水板型號(hào)SPB100--C型。采用雙排黏土攪拌樁作為四周密封墻，采用φ700雙頭攪拌樁機(jī)進(jìn)行施工，攪拌樁直徑700 mm，搭接寬度200 mm，各個(gè)分區(qū)攪拌樁長(zhǎng)度4～7 m不等。本工程雙排黏土攪拌樁采用淤泥、泥漿、黏土等配制，黏粒含量應(yīng)大于15%。泥漿攪拌樁的滲透系數(shù)要求小于1×10-5cm/s。在連續(xù)抽真空短時(shí)間后，預(yù)壓荷載保持在80 kPa以上，保證地基處理效果良好，要求經(jīng)真空預(yù)壓處理后的地基固結(jié)度達(dá)到85%以上。

圖2 排水板插打形式及密封墻示意圖

2.2 監(jiān)測(cè)方案

真空預(yù)壓試驗(yàn)場(chǎng)地做了全面的地面沉降監(jiān)測(cè)和孔隙水壓力監(jiān)測(cè)裝置布置，監(jiān)測(cè)裝置平面布置圖如圖3所示(以F試驗(yàn)場(chǎng)地120 m×90 m為例)。沉降監(jiān)測(cè)裝置每隔30 m放置一個(gè)，每天定時(shí)測(cè)量及統(tǒng)計(jì)場(chǎng)地地面沉降數(shù)據(jù)，所測(cè)數(shù)據(jù)為預(yù)壓荷載作用下產(chǎn)生的平均沉降量。孔隙水壓力監(jiān)測(cè)裝置每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別在深度2、5、8、11、14、17、20 m處設(shè)置測(cè)頭，并每天觀測(cè)各測(cè)點(diǎn)不同深度測(cè)頭所測(cè)孔隙水壓力，歷時(shí)真空預(yù)壓81天。

圖3 監(jiān)測(cè)裝置平面布置圖

2.3 結(jié)果分析

本文中地面沉降量不包括真空預(yù)壓之前施工期間的沉降，僅為真空預(yù)壓期間抽真空之后產(chǎn)生的地面平均沉降量的總和。將F區(qū)塊FS12、FS32、FS33、FS25、FS35五個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的平均沉降量繪制圖4，可以看出，不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的地面沉降差異較大，體現(xiàn)出沉降的不均勻性，但整體沉降趨勢(shì)一致，其中監(jiān)測(cè)到的最大沉降值為672.8 mm，平均值為516.1 mm，可以看出中心位置沉降量較邊緣位置沉降量大。對(duì)孔隙水壓力結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，各測(cè)頭孔隙水壓力變化規(guī)律一致，隨著加固時(shí)間的增加，地基中孔隙水壓力的消散趨勢(shì)逐漸的變緩，深層測(cè)頭監(jiān)測(cè)的孔隙水壓力消散值變化較淺層較緩，其中2、5、8 m深度測(cè)頭孔隙水壓力由真空預(yù)壓加載前初始正孔隙水壓力變?yōu)樨?fù)孔隙水壓力，如圖5所示。

圖4 地面沉降--時(shí)間關(guān)系曲線

圖5 FP1孔隙水壓力變化圖

2.3.1 經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測(cè)地基沉降

基于實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)真空預(yù)壓軟土地基最終沉降量，就雙曲線法和指數(shù)曲線法分別預(yù)測(cè)最終沉降量，并結(jié)合兩種方法進(jìn)行固結(jié)度計(jì)算比較和分析，驗(yàn)證地基處理效果。

雙曲線可用式(1)來(lái)表示：

式中：st——t時(shí)刻的沉降量;

tα——雙曲線起點(diǎn)或拐點(diǎn)處時(shí)間;

sα——tα?xí)r刻的沉降量;

α、β——待定系數(shù)。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取sα=202.1 mm(t=20天)。

圖6 實(shí)測(cè)沉降算得的線性圖

推算得出該地基處理后最終沉降量：st=572.4 mm，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，停止抽真空后地基沉降量總計(jì)為504.1 mm。經(jīng)計(jì)算，固結(jié)度U1=504.1/572.4×100%=88.07%。

指數(shù)曲線法是指將土體沉降與時(shí)間形成的關(guān)系曲線用指數(shù)曲線來(lái)進(jìn)行擬合，在恒載曲線段上取三點(diǎn)(s1，t1)、(s2，t2)、(s3，t3)，且要滿足t3-t2=t2-t1=Δt，計(jì)算公式如式(2)所示。

式中：s∞——最終沉降量;

s1、s2、s3——實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)。

s1=109.4 mm(2017年10月19日地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù));

s2=406.1 mm(2017年11月19日地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù));

s3=504.1 mm(2017年12月18日地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù));

經(jīng)計(jì)算，固結(jié)度U2=90.1%。

通過(guò)指數(shù)曲線法與雙曲線法算得固結(jié)度分別為88.07%和90.1%，可以看出真空預(yù)壓處理效果較好。經(jīng)雙曲線法和指數(shù)曲線法推算出真空預(yù)壓期間各天的沉降量，與實(shí)測(cè)沉降量相比較，如圖7所示，可以看出雙曲線法更接近實(shí)測(cè)沉降值，指數(shù)曲線法次之。

圖7 沉降值對(duì)比曲線圖

2.3.2 孔隙水壓力推算固結(jié)度

由孔隙水壓力壓力消散值來(lái)求解固結(jié)度為：

式中：Ut——計(jì)算點(diǎn)某時(shí)刻固結(jié)度;

Δut——計(jì)算點(diǎn)某時(shí)刻的孔隙水壓力實(shí)際消散值，kPa;

P——預(yù)壓荷載，kPa;

uC——預(yù)壓前超靜水壓力，kPa。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析，據(jù)真空預(yù)壓孔隙水壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所得FP1、FP2、FP3、FP4、FP5五個(gè)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)裝置各測(cè)頭土體的固結(jié)度，算得各自算術(shù)平均值得到綜合固結(jié)度為，F(xiàn)P1--89.6%，F(xiàn)P2--81.3%，F(xiàn)P3--80.1%，F(xiàn)P4--86.5%，F(xiàn)P5--88.7%，綜合五個(gè)監(jiān)測(cè)裝置得地基固結(jié)度為85.2%，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，孔隙水壓力計(jì)不一定能處理得很好，以沉降數(shù)據(jù)計(jì)算固結(jié)度較為穩(wěn)定。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及地基處理規(guī)范[11]，可以看出地基固結(jié)度均滿足要求，地基處理效果良好。結(jié)合地面實(shí)測(cè)沉降與實(shí)測(cè)孔隙水壓力所算得地基固結(jié)度如表2所示。

表2 地基固結(jié)度

3 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降和孔隙水壓力資料推算地基最大沉降量及固結(jié)度，分析得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)雙曲線法和指數(shù)曲線法兩種方法推算加固地基的最終沉降量，雙曲線法的沉降預(yù)測(cè)值為572.4 mm，固結(jié)度達(dá)到88.07%;指數(shù)曲線法所推測(cè)沉降值為559.5 mm，固結(jié)度達(dá)到90.1%。

(2)同一測(cè)點(diǎn)不同深度測(cè)頭的孔隙水壓力消散規(guī)律具有較好的一致性，由孔隙水壓力數(shù)據(jù)計(jì)算的地基固結(jié)度為85.2%。

(3)沉降與孔隙水壓力監(jiān)測(cè)資料可以很好進(jìn)行真空預(yù)壓加固吹填土地基的效果分析，上述直排式真空預(yù)壓法達(dá)到地基處理要求，是一種高效的吹填土地基處理方法，可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。