[科普中國]-淺層處理

簡介

經(jīng)過國內(nèi)外幾十年的不斷探索和研究，目前真空預壓法已廣泛應用于港口碼頭、機場及高速公路等工程建設中的超軟地基處理中，與堆載預壓法相比，它具有加荷速度快、無需堆載材料、不易出現(xiàn)地基失穩(wěn)事故等優(yōu)點。新吹填淤泥含水率極高，且土體強度極低，若采用常規(guī)真空預壓法，必須先鋪設土工布、筋芭或土工格柵以及一定厚度的中粗砂排水墊層后才能使機械設備進場作業(yè)，設置的中粗砂排水墊層一方面可以使淤泥固結(jié)孔隙水通暢地排出，另一方面也起到硬殼層作用。但由于目前許多地區(qū)中粗砂嚴重短缺，無法滿足新吹填淤泥地基處理的需求。因而，探索研究取消排水砂墊層的新吹填淤泥地基處理技術(shù)是目前工程中最具實際意義的課題。為此，工程技術(shù)人員對取消砂墊層的新吹填淤泥地基淺層處理進行了一些探討研究，但實踐表明，取消砂墊層后，按通常的真空預壓法思路進行的地基處理，多數(shù)情況下并不能達到設計要求，這說明，這種新的思路和處理方法尚需要進一步開展研究，因而在總結(jié)以往經(jīng)驗的基礎上開展現(xiàn)場試驗研究無疑對探索如何提高地基處理效果具有重要意義。

新吹填淤泥地基處理一般采用按控制工后沉降或控制承載力（或強度）的標準來進行設計，其中按控制工后沉降的要求更高，它隱含了對地基承載力（或強度）的要求，通常采用深層處理方法，即將吹填淤泥和原地基軟土一起進行處理，否則無法滿足工后沉降的要求。按控制承載力（或強度）對吹填淤泥地基進行處理的主要目是使地基上部一定厚度范圍內(nèi)土體強度得到明顯改善，提高地表承載力，以滿足后續(xù)工程建設和大型機械設備進場作業(yè)的需求，處理時一般采用淺層處理方法，即對表層一定厚度的淤泥地基進行處理，以提高土體強度，改善地基承載力。對多數(shù)新吹填淤泥工程來說，由于其地表承載力極低，無法進行后續(xù)作業(yè)，如何盡快提高地基淺層承載力是其面臨的最大問題，同時后續(xù)建設時需根據(jù)用地特性要求，多數(shù)將進行二次地基處理，若在吹填淤泥處理中采用全深度處理技術(shù)必然造成不必要的浪費。因此，采用淺層處理方法可有效縮短吹填淤泥地基處理工期、節(jié)約工程投資，避免不必要的工程浪費。結(jié)合溫州某新吹填淤泥處理工程對取消排水墊層的吹填淤泥淺層處理特性、施工工藝等進行了現(xiàn)場試驗研究1。

工程概況溫州某新吹填淤泥地基處理工程位于溫州市龍灣區(qū)海城街道東南約5 km 處，吹填面積約470 萬m2 ，根據(jù)場地勘察資料，工程場地原地基上部主要為海相、沖海相的含細砂淤泥、淤泥軟土，該層土具有高壓縮性和低強度等特點，屬典型軟土地基，厚度達30 m以上，其下主要分布著海相、湖沼相的黏土、粉質(zhì)黏土。工程原場地上部為采用水力吹填所形成的淤泥，吹填淤泥來自于附近海域的淤泥土，吹填完成后，新吹填淤泥層厚約3 m，呈流動態(tài)，強度極低，吹填淤泥含水率高達130%，含砂量小于5%，孔隙比大，屬于典型的超軟超含水率軟土2。

吹填淤泥地基淺層處理技術(shù)根據(jù)工程場地后期使用要求和特性，確定地基處理完成后0～1.5 m 范圍內(nèi)吹填淤泥土體的承載力特征值達到50 kPa，同時由于當?shù)厣霸摧^為緊缺，為縮短工期，降低工程成本，經(jīng)多方專家論證后確定對新吹填淤泥地基采用取消砂墊層的淺層處理方法，即僅對新吹填淤泥層進行處理，確定的新淤泥地基處理施工順序和工藝如下。

①搭設浮橋：沿地基處理真空預壓分區(qū)（一般為3～5 萬m2）的周邊，將竹竿插入到原地基土層內(nèi)，并在新吹填淤泥泥面上形成具有一定承載力的竹架，形成浮橋，具有施工便道和放置真空設備的功能。

②鋪設編織布：在新吹填淤泥地基的泥面上直接鋪設一層編織布，以便將吹填泥和排水板頭及真空管路隔離開，并有利于地基的固結(jié)排水。

③人工插板：借用可循環(huán)使用浮筏，采用人工的方式將裁減好的塑料排水板插入到新吹填淤泥中，并按設計間距將排水板頭與真空濾管綁扎一起，排水板間距為80cm，呈正方形布置，打設深度為3.2 m（打穿吹填淤泥），濾管間距為80 cm，排水板板頭與濾管相連。

④真空濾管：由于新吹填淤泥具有大變形特性，在處理過程中一般會產(chǎn)生較大的差異沉降，因此本工程采用塑料軟濾管代替常規(guī)真空預壓法中的UPVC 塑料管，該塑料軟濾管所形成的水平通道為φ 63 mm（內(nèi)徑50mm），并在外側(cè)包兩層無紡布。同時為了保證膜下真空度傳遞的均勻性，真空濾管的布置采用環(huán)形閉合回路方式，而不是常規(guī)的條形或魚刺形。

⑤鋪設無紡布：待排水板和真空濾管布設完畢后，在其上鋪設一層無紡土工布，其作用是保護密封膜，并有利于地基的固結(jié)排水。

⑥鋪設密封膜：在無紡布上面鋪設兩層聚乙烯密封膜薄膜。

⑦真空泵布置：真空泵在場地均勻布置，布置密度為1000 m2/臺3。

現(xiàn)場試驗及結(jié)果分析為探索取消排水墊層后新吹填淤泥地基淺層處理特性與效果，在現(xiàn)場實施的過程中布置了原位監(jiān)測儀器，并開展了現(xiàn)場和室內(nèi)試驗研究，主要包括膜下真空度、表層沉降、孔隙水壓力、加固前后土體力學性質(zhì)試驗以及載荷試驗等內(nèi)容，其中孔隙水壓力計均勻分布在新吹填淤泥地基中。

由于現(xiàn)場實際監(jiān)測儀器較多，僅選取02 區(qū)和03 區(qū)2 個典型區(qū)域，對新吹填淤泥淺層處理中監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

1 膜下真空度

膜下真空度達到設計要求并維持穩(wěn)定是取消排水墊層后新吹填淤泥地基淺層處理成功的關鍵。02 和03 試驗區(qū)現(xiàn)場情況表明，按每1000 m2 布置1 臺真空泵，當開泵率達到30%時，3 d 后02 區(qū)接近70 kPa，而03 區(qū)達到70 kPa 以上。

待15 d 后將開泵率再增加至80%時，02 區(qū)膜下真空度接近80 kPa，03 區(qū)可達到80 kPa 以上，使開泵率保持不變可維持真空壓力的穩(wěn)定，抽真空兩個月后開始逐漸降低開泵率，膜下真空度也隨之下降。在實施過程中發(fā)現(xiàn)02 區(qū)出現(xiàn)膜下真空度比03 區(qū)小的原因是在抽真空過程中，周邊密封溝出現(xiàn)空洞，膜面部分破損，同時由于覆水較深，未能完全排查漏氣點，因此抽真空后期即使開泵率與前期保持相同，膜下真空度也難以達到之前的水平。由此可見，取消排水墊層后，每1000 m2 布置1 臺真空泵完全可以保證膜下真空度達到設計要求，同時在抽真空過程中應及時對密封膜進行維護，避免漏氣點出現(xiàn)而導致膜下真空度水平下降。

2 地表沉降

該區(qū)累計沉降量平均值為91.7 cm，最大值為114.6 cm，最小值為74.3 cm，差異沉降為40.3 cm。該區(qū)累計沉降量平均值為102.4 cm，最大值為115.7 cm，最小值為84.1 cm，差異沉降為31.6 cm。差異沉降較大的原因是場地內(nèi)分布著眾多的較硬田埂，其上的吹填淤泥層較薄，沉降量相對也較小?？梢钥闯?，抽真空初期，地表沉降速率較大，與時間幾乎成線性關系，這說明對新吹填淤泥的處理效果明顯。抽真空45 d 后，沉降速率降低至1.0 cm/d 以下，但沉降仍在繼續(xù)，直至抽真空3 個月左右，沉降速率大約為3 mm/d，再持續(xù)一段時間后沉降趨于收斂，施工完成時，用三點法與雙曲線法估算兩個區(qū)域的固結(jié)度約為85%左右。

3 孔隙水壓力

在02 和03 區(qū)中心分別埋設了一組振弦式孔壓計，其中02 區(qū)的埋設深度為0.5，1.0，1.5 m，03 區(qū)的埋設深度為1.0，2.0，3.0 m，可以看出，對于取消排水墊層的新吹填淤泥地基處理來說，孔壓消散可以分為三個階段：第一階段為剛開始時抽取膜下的地表水，此時孔隙水壓力反映的主要是靜水壓力變化，該階段持續(xù)時間較短。第二階段為隨著抽真空時間的增加，吹填淤泥土體發(fā)生了固結(jié)，而由于吹填淤泥黏粒含量大，滲透性小，使得土體固結(jié)緩慢發(fā)生，孔壓消散速度慢，孔壓在一段時間內(nèi)變化不大。第三階段為孔壓消散變快，主要原因可能是土體經(jīng)過一段較長時間的固結(jié)后，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，形成了某些貫通性的孔隙，有利于土體內(nèi)真空度的傳遞，因此孔壓下降較快。抽真空結(jié)束時，0.5，1.0，1.5 m 深處的孔壓消散值分別是-56.4，-55.1，-47.3 kPa，同時孔壓消散值沿深度減小，說明真空度在排水板中沿深度是發(fā)生衰減的。

4 土體物理力學指標

為比較吹填淤泥處理前后物理力學指標的變化，在試驗區(qū)中心鉆孔取樣并進行了室內(nèi)試驗。加固前吹填淤泥層的含水率高達130%，加固后淤泥層的含水率降低至49%～55%，液性指數(shù)降低至約為1.22，孔隙比由加固前的2.32 降低至1.37，這表明新吹填淤泥地基經(jīng)過淺層處理后物理力學性質(zhì)得到明顯改善。地基處理完成后，02 區(qū)吹填淤泥孔隙比減小了34.5%，03 區(qū)減小了40.8%，而它們所對應的最大沉降與吹填淤泥厚度的比分別為35.8%和36.2%，這說明地基發(fā)生的沉降主要是被處理的吹填淤泥土層壓縮引起的。

5 載荷板試驗

為檢驗新吹填淤泥淺層處理效果，在02 和03 試驗區(qū)中心進行了表層載荷板試驗，承壓板尺寸為0.707m×0.707 m。試驗結(jié)果表明，02 區(qū)的地基承載力特征值大于65 kPa，03 區(qū)地基承載力特征值大于55 kPa，這說明經(jīng)過淺層處理后，新吹填淤泥土體強度在淺層已得到較大提高，地基承載力能夠滿足設計要求。

6 真空濾管

以往真空預壓所使用的濾管一般為UPVC 塑料管，但吹填淤泥在處理過程中產(chǎn)生了較大的差異沉降，因此，UPVC 塑料管難以適應沉降變化，濾管間的連接會經(jīng)常被拉脫，從而造成真空負壓傳遞中斷，影響加固效果。為此，在本試驗場地中選擇了塑料軟式透水管代替UPVC 塑料管，其管外徑為63 mm，內(nèi)徑為50 mm，并外包兩層無紡土工布，并在管壁每隔5 cm打設直徑為8 mm 的螺旋孔，平面布置形式為環(huán)形閉合回路，即在邊界處采用三通將主管與場區(qū)內(nèi)的支管連接起來，而不是常規(guī)真空預壓法中的條形或魚刺形。實踐表明，采用替代的真空濾管和布置方式可使管內(nèi)真空度能順利地傳遞到膜下，并有效地保證整個場區(qū)膜下真空度的均勻性2。

總結(jié)（1）試驗結(jié)果表明，采用本工程的淺層處理方法可以使新吹填淤泥地基承載力明顯提高，并縮短了工期，降低了工程造價。

（2）試驗結(jié)果表明，取消排水墊層后，每1000 m2布置1 臺真空泵可以保證膜下真空度能達到設計要求。

（3）在淺層地基處理中所發(fā)生的沉降基本是由被處理的新吹填淤泥土層壓縮所引起。

（4）取消排水墊層后，真空濾管的選擇與布置方式、真空膜的密封性與維護等對真空度的傳遞及提高地基處理效果具有重要影響。

（5）取消排水墊層的新吹填淤泥地基淺層處理是近年來工程人員積極探索的一種新技術(shù)，尚有許多問題如設計計算理論與方法、施工工藝等都值得進一步深入研究2。