汪中衛(wèi)

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 上海 200092)

0 引 言

近年中國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)由于土地資源短缺，大面積吹填用地項(xiàng)目越來(lái)越多，由于此類(lèi)項(xiàng)目地層條件多為淤泥等超軟地基，大多采用真空預(yù)壓進(jìn)行大面積地基加固，以降低工程成本。

自提出真空預(yù)壓法以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和巖土工程界對(duì)真空預(yù)壓機(jī)理、加固效果以及分析計(jì)算進(jìn)行了大量研究與工程應(yīng)用。在室內(nèi)試驗(yàn)與原位測(cè)試方面，大量對(duì)比試驗(yàn)表明真空預(yù)壓加固效果比較明顯。沈杰[1]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)認(rèn)為真空預(yù)壓效果與土體初始含水率呈負(fù)相關(guān)，婁晨暉[2]通過(guò)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)淤泥含水量越高越易引起塑料排水板(PVD)淤堵。孫立強(qiáng)等[3-4]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將抽真空分成兩階段，減緩初始負(fù)壓下降速度和增加后期二次插板的方式有利于穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)和減小土顆粒移動(dòng)，從而大幅緩解淤堵效應(yīng)。周波等[5]對(duì)南沙深厚軟基公路真空預(yù)壓試驗(yàn)段進(jìn)行了變形、孔壓觀測(cè)和土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)加固后地基土的力學(xué)性能有較大提高；關(guān)云飛等[6]通過(guò)對(duì)膜下真空度、地表沉降、孔壓以及十字板剪切強(qiáng)度等進(jìn)行測(cè)試，認(rèn)為真空預(yù)壓對(duì)吹填層加固效果明顯，滿(mǎn)足工程承載力要求；曾國(guó)海等[7]通過(guò)對(duì)溫州吹填軟土真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)結(jié)果分析后認(rèn)為加固效果良好，同時(shí)水平管道加密和濾管內(nèi)嵌PVC圓管可有效改善真空度傳遞，加快軟土固結(jié)；樓曉明等[8]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探與十字板等原位測(cè)試數(shù)據(jù)推算，認(rèn)為加固后地基強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度明顯，并提出強(qiáng)度增幅、超固結(jié)比、真空固結(jié)應(yīng)力隨深度變化規(guī)律；梁志榮等[9]對(duì)上海迪斯尼場(chǎng)地真空預(yù)壓項(xiàng)目的地表沉降、分層沉降和孔壓等進(jìn)行分析，認(rèn)為真空預(yù)壓適用于上海軟土地基處理，但壓縮量主要集中在10 m以上地層；劉賀等[10]通過(guò)對(duì)“淺層處理+深層真空預(yù)壓”加固溫州吹填軟土現(xiàn)場(chǎng)地表沉降、孔壓和荷載板試驗(yàn)分析，認(rèn)為改進(jìn)工藝能達(dá)到淺層55 kPa和深層80 kPa的預(yù)期承載力目標(biāo)，并在現(xiàn)場(chǎng)觀察到明顯的土柱效應(yīng)。鮑樹(shù)峰等[11-12]通過(guò)對(duì)珠海某新近吹填淤泥地基真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和分析,發(fā)現(xiàn)高黏粒含量、豎向排水體反濾層孔徑過(guò)小和真空加載速度過(guò)快是豎向排水體嚴(yán)重淤堵的主要因素，整個(gè)排水系統(tǒng)負(fù)壓損失最高可達(dá)57%，同時(shí)認(rèn)為水平排水墊層和豎向排水體中的負(fù)壓可分別考慮為隨時(shí)間變化的線性衰減模式和非線性衰減模式。

在有效加固深度方面，閆澍旺等[13]通過(guò)設(shè)置彈簧裝置的室內(nèi)試驗(yàn)裝置模擬真空預(yù)壓作用機(jī)理，結(jié)果表明有效加固深度與真空度傳遞有關(guān)，而與真空度大小沒(méi)有關(guān)系，并通過(guò)工程實(shí)例得到真空預(yù)壓的有效加固深度可以超過(guò)10 m(極限提水高度)；李就好[14]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析認(rèn)為加固深度可達(dá)到豎向排水體下2～3 m；嚴(yán)蘊(yùn)等[15]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)認(rèn)為加固深度在18 m范圍內(nèi)；Chu等[16-17]通過(guò)研究認(rèn)為在排水板深度范圍內(nèi)均能有效加固，同時(shí)通過(guò)工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)20 m長(zhǎng)排水板以下土層仍有加固效果；劉志中等[18]基于真空度沿深度衰減特性和分層總和法改進(jìn)了沉降計(jì)算方法并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，認(rèn)為當(dāng)真空度按3.5～4.5 kPa·m-1衰減計(jì)算時(shí)，與實(shí)測(cè)值比較接近，相對(duì)誤差在-18%～10%之間。

在土柱效應(yīng)方面，Harvey[19]研究發(fā)現(xiàn)，靠近砂井土體最先固結(jié)形成低滲透性的圓柱狀隔離帶(土柱效應(yīng))，從而影響距砂井較遠(yuǎn)處土體固結(jié)；唐彤芝等[20]分析了某濱海地區(qū)新近吹填淤泥土的顆粒組成和物理力學(xué)性質(zhì)，認(rèn)為吹填淤泥土高流動(dòng)性、高含水率、細(xì)顆粒、低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是“土柱效應(yīng)”形成的主要因素。蔡袁強(qiáng)[21]對(duì)真空預(yù)壓在吹填淤泥地基中處理效果差的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析與總結(jié)，其中對(duì)預(yù)壓過(guò)程中變形發(fā)展規(guī)律和土柱形成機(jī)理進(jìn)行了重點(diǎn)分析，吹填淤泥種類(lèi)對(duì)土柱厚度有明顯影響，細(xì)顆粒含量多的淤泥土柱增長(zhǎng)速率較低，但孔壓消散更慢，并通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出了系列改進(jìn)改良措施。

本文依托溫州沿海某吹填區(qū)軟土地基真空預(yù)壓處理道路工程實(shí)例，結(jié)合場(chǎng)地特征及施工工藝，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試分析判斷真空預(yù)壓對(duì)典型溫州吹填淤泥的加固有效性，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試量化分析加固效果和豎向排水體周邊的“土柱效應(yīng)”，探討真空預(yù)壓的有效影響深度和均勻性等問(wèn)題，為溫州類(lèi)似工程的真空預(yù)壓加固設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

工程位于溫州市某沿海吹填區(qū)，現(xiàn)狀為淺灘吹填場(chǎng)地，其新吹填土及其下臥淤泥層均表現(xiàn)為典型的海相沉積軟土，具有典型的“三高兩低”軟土特征。根據(jù)勘察資料，場(chǎng)地埋深35 m以?xún)?nèi)的地基巖土主要?jiǎng)澐譃?個(gè)層次，自上而下依次為：①1層吹填土流塑～軟塑狀，高壓縮性；②1層為淤泥，流塑，無(wú)層理，局部含少量貝殼碎屑，全區(qū)分布；②2層為含砂淤泥，流塑，無(wú)層理，局部分布。實(shí)測(cè)地下水穩(wěn)定水位埋深在0.30～1.20 m之間。土層地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面(單位:m)Fig.1 Geological Profile (Unit:m)

1.2 真空預(yù)壓地基加固

首先對(duì)場(chǎng)地吹填土層進(jìn)行淺層真空預(yù)處理，使其滿(mǎn)足基本施工進(jìn)場(chǎng)條件，然后對(duì)道路區(qū)在填筑施工前采用真空預(yù)壓法(塑料排水板+砂墊層+真空膜)進(jìn)行地基加固，加固范圍為道路紅線外再擴(kuò)5 m，以提高地基土承載力和控制道路工后沉降。施工流水為:土工布鋪設(shè) 500 mm厚砂墊層→打塑料排水板→水平真空管網(wǎng)鋪設(shè)→密封溝及真空膜鋪設(shè)→抽真空。膜下真空度不小于80 kPa，真空預(yù)壓期為260 d。真空預(yù)壓地基加固處理剖面如圖2所示，其中L為塑料排水板長(zhǎng)度，m為無(wú)紡布的密度。

圖2 真空預(yù)壓加固設(shè)計(jì)剖面Fig.2 Design Profile of Vacuum Preloading Reinforcement

1.3 加固前后對(duì)比分析勘察孔位布置

為分析吹填區(qū)真空預(yù)壓處理加固效果，在道路區(qū)與一般區(qū)域分別布置勘察孔與原位測(cè)試孔，其中察探孔取土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，原位測(cè)試孔進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)?？孜徊贾萌鐖D3所示。

圖3 勘察孔位布置(單位:cm)Fig.3 Layout of Survey Holes (Unit:cm)

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為真空預(yù)壓加固區(qū)域的含水量、孔隙比和壓縮模量的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。從圖4(a)～(c)可以看出，真空預(yù)壓能夠降低深度15 m以?xún)?nèi)土體的含水量和孔隙比，同時(shí)提高土體壓縮模量。從勘察孔ZK5，ZK5A的數(shù)據(jù)來(lái)看，加固效果似乎更為明顯，與真空預(yù)壓加固存在不均勻性有一定的相關(guān)性。圖4(d)為15 m深度范圍內(nèi)加固前后各指標(biāo)平均值的比值，從對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看，在15 m深度范圍內(nèi)，真空預(yù)壓能夠降低約10%的含水量和孔隙比，壓縮模量約提高10%。

圖4 真空預(yù)壓前后物理力學(xué)指標(biāo)變化Fig.4 Changes of Physical and Mechanical Indexes Before and After Vacuum Preloading

3 原位測(cè)試結(jié)果分析

3.1 十字板剪切試驗(yàn)

圖5為真空預(yù)壓前后十字板剪切強(qiáng)度變化。由圖5可知，作為對(duì)比組的未加固區(qū)域各測(cè)試孔(SK4A～SK8A)十字板剪切強(qiáng)度沿深度分布規(guī)律基本一致,而且其數(shù)值基本接近,表明本吹填場(chǎng)地各層土性分布均勻,與圖1土層地質(zhì)剖面相對(duì)應(yīng)，由于在8～10 m左右深度位置局部存在含砂淤泥，部分測(cè)試孔在相應(yīng)深度位置測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)明顯離散與突變。

圖5 真空預(yù)壓前后十字板剪切強(qiáng)度變化Fig.5 Changes of Vane Shear Strength Before and After by Vacuum Preloading

由圖5(a),(b)可知，加固后區(qū)域各測(cè)試孔(SK1，SK4，SK6，SK8)十字板剪切強(qiáng)度在0～15 m深度以?xún)?nèi)其值明顯高于未加固區(qū)域相應(yīng)值，而深度15 m以下則基本上無(wú)明顯變化，同時(shí)在0～15 m深度范圍內(nèi)加固區(qū)十字板強(qiáng)度提高幅度有明顯不同，沿深度增幅在5%～90%之間不等，平均增幅約45%。同時(shí)由圖5(c)可知，強(qiáng)度提高幅度在0～15 m深度范圍內(nèi)沿深度逐漸衰減，基本呈線性下降，超過(guò)15 m深度后其比值基本穩(wěn)定在1.0左右。十字板剪切對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明本場(chǎng)地加固有效深度約為15 m。

海相沉積軟土普遍具有高靈敏度，受擾動(dòng)后強(qiáng)度大幅下降?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中對(duì)部分測(cè)試孔8 m以?xún)?nèi)深度進(jìn)行了擾動(dòng)后土體的十字板強(qiáng)度測(cè)試，以分析土體的靈敏度。

圖6為加固前后土體的靈敏度變化情況，可以發(fā)現(xiàn)加固前土體的平均靈敏度在5～7左右，加固后土體的平均靈敏度在4～5左右。如果剔除測(cè)試孔SK8A的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)加固前后土體的靈敏度變化并不大，即真空加固對(duì)土體的靈敏度改善不明顯。這也從另外一個(gè)角度說(shuō)明，經(jīng)真空預(yù)壓加固后，其原狀土強(qiáng)度與擾動(dòng)后強(qiáng)度均有明顯提高。

圖6 真空預(yù)壓前后土體靈敏度變化Fig.6 Changes of Soil Sensitivity Before and After Vacuum Preloading

3.2 靜力觸探試驗(yàn)

由圖7可知，作為對(duì)比組的未加固區(qū)域各測(cè)試孔(JK4A～JK8A)靜力觸探(CPT)側(cè)阻與端阻值沿深度分布規(guī)律基本一致,而且其數(shù)值基本接近，從另一個(gè)角度表明本吹填場(chǎng)地在平面上土性分布較均勻，同時(shí)受8～10 m深度處含砂淤泥的影響，靜力觸探曲線沿深度分布規(guī)律也與十字板剪切試驗(yàn)類(lèi)似，在含砂淤泥深度位置測(cè)試結(jié)果亦出現(xiàn)明顯離散與突變。

圖7 真空預(yù)壓前后靜力觸探阻力變化Fig.7 Changes of CPT Resistance Before and After Vacuum Preloading

通過(guò)靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，真空預(yù)壓加固對(duì)0～15 m深度范圍內(nèi)的靜力觸探阻力有明顯提高。從端阻力曲線來(lái)看，在0～10 m深度土體提高更為明顯，剔除含砂淤泥處異常離散數(shù)據(jù)，在0～15 m深度范圍內(nèi)提高幅度在11%～130%，平均增幅約90%。從側(cè)阻曲線上來(lái)看，總體增幅沿深度近似線性衰減，剔除含砂淤泥處異常離散數(shù)據(jù)，在0～15 m深度范圍內(nèi)提高幅度在4%～134%，平均增幅約40%。當(dāng)超過(guò)15 m深度后，端阻力與側(cè)阻力比值均穩(wěn)定在1.0左右，表明在15 m深度范圍內(nèi)能夠有效加固。

將靜力觸探對(duì)比測(cè)試結(jié)果與十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，兩者表現(xiàn)出的土層加固效果規(guī)律基本一致，都表現(xiàn)為土體強(qiáng)度增加幅度隨深度逐漸線性衰減，尤其是側(cè)阻力與十字板剪切強(qiáng)度沿深度分布規(guī)律表現(xiàn)較強(qiáng)的一致性。

從圖5和圖7可以看出，靜力觸探側(cè)阻力與十字板剪切強(qiáng)度在0～15 m深度范圍內(nèi)平均增幅基本接近。

4 加固效果探討

由于溫州海相軟土滲透性低，其滲透系數(shù)量級(jí)在1×10-8cm·s-1左右，黏性極大，由于打設(shè)塑料排水板易引起涂抹效應(yīng)，很容易引起塑料排水板的排水排氣通道封閉，同時(shí)預(yù)壓過(guò)程中極易形成“土柱效應(yīng)”，從而造成排水排氣淤堵，導(dǎo)致真空度無(wú)法向深層和徑向傳導(dǎo)，易導(dǎo)致加固失效。本節(jié)對(duì)真空預(yù)壓加固效果進(jìn)行探討。

4.1 加固均勻性

從機(jī)理上分析，在平面范圍內(nèi)，塑料排水板真空度與相應(yīng)位置砂墊層和水平管道通氣和抽氣能力直接相關(guān)；從真空度沿塑料排水板徑向傳遞特征來(lái)看，真空度離開(kāi)排水板逐漸衰減；由于土柱效應(yīng)問(wèn)題，導(dǎo)致土柱影響區(qū)域內(nèi)與影響區(qū)域外固結(jié)度差別顯著。以上因素客觀上影響著真空預(yù)壓加固效果的均勻性問(wèn)題。

從本工程的現(xiàn)場(chǎng)十字板和靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，加固后場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值相對(duì)于加固前有明顯的離散性，說(shuō)明真空預(yù)壓加固后的場(chǎng)地存在一定的不均勻性，不同測(cè)試孔加固后提高幅度明顯不同，如SK4，SK6和SK8原位測(cè)試孔相對(duì)于SK4A，SK6A和SK8A孔在0～15 m深度范圍內(nèi)十字板剪切強(qiáng)度平均增幅在32%～57%之間，JK4，JK6和JK8原位測(cè)試孔相對(duì)于JK4A，JK6A和JK8A孔在0～15 m深度范圍內(nèi)側(cè)阻力平均增幅在45%～78%之間，在平面范圍內(nèi)體現(xiàn)出較大的不均勻性，這與蔡袁強(qiáng)[21]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)證明溫州吹填軟土存在明顯的“土柱效應(yīng)”相一致。

4.2 有效加固深度

真空預(yù)壓不同于真空提水，其固結(jié)是由抽真空所產(chǎn)生的負(fù)孔壓引起，真空度傳遞深度直接影響加固深度，其與豎向排水體的排水能力、井阻以及土柱效應(yīng)等因素有關(guān)，真空預(yù)壓有效加固深度機(jī)理至今未在學(xué)術(shù)上形成一致觀點(diǎn)。劉志中等[18]根據(jù)收集的相關(guān)文獻(xiàn)資料，認(rèn)為真空度沿深度衰減速率在2.5～6.3 kPa·m-1之間，但主要集中在4.7～6.3 kPa·m-1?；诒疚牡膶?shí)測(cè)結(jié)果，按有效加固影響深度15 m和真空度按線性衰減考慮，本項(xiàng)目中真空度沿深度衰減值約為5.3 kPa·m-1，與劉志中等[18]所統(tǒng)計(jì)的大部分案例接近，說(shuō)明真空預(yù)壓加固對(duì)本工程場(chǎng)地適應(yīng)性和有效性較好。

4.3 預(yù)壓期間沉降量

根據(jù)加固前初始孔隙比e0(近似按1.5考慮)和加固后的孔隙比變化量Δe(按10%變化量考慮)，可以大致推算加固期間的地表沉降量。加固深度H按15 m計(jì)，可近似估算預(yù)壓期間的總沉降量s=ΔeH/(1+e0)≈900 mm，與本項(xiàng)目實(shí)測(cè)平均值[22]接近，較溫州類(lèi)似項(xiàng)目(500～800 mm)[6-7]偏大，這主要與預(yù)壓工期有較大相關(guān)性，一般真空預(yù)壓工期為120 d，固結(jié)度在70%～80%，而本項(xiàng)目預(yù)壓工期為260 d，按正常推算，固結(jié)度應(yīng)該在95%以上，故其總沉降量偏大。

因此，從真空預(yù)壓加固效果評(píng)判主要指標(biāo)(如物理指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)和有效加固深度)來(lái)看，真空預(yù)壓對(duì)溫州海相軟土有較好的加固效果，可以作為一種低成本的大面積加固手段。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用傳統(tǒng)真空預(yù)壓法加固溫州沿海吹填區(qū)軟土地基在技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)合理。

(2)真空預(yù)壓加固能夠改善和提高物理力學(xué)指標(biāo)，有效加固深度在15 m左右。

(3)在有效加固深度范圍內(nèi)，加固后土體的含水量和孔隙比平均降低約10%，壓縮模量能夠提高約10%。

(4)十字板剪切強(qiáng)度在有效加固深度范圍內(nèi)平均增幅約45%，靜力觸探側(cè)阻力平均增幅約40%。

(5)在有效加固深度范圍內(nèi)加固效果基本呈線性衰減；受“土柱效應(yīng)”等因素影響，在平面上加固效果呈現(xiàn)一定的不均勻性。