真空吸水浅层软土加固法

2010-08-13高潮

中国港湾建设 2010年6期

高潮

（中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

在我国沿海和内陆的湖沼地区经常会遇到软土地基的问题，特别是近年来沿海滩涂的开发及围海造陆工程的进行，需要对新吹填的软土进行处理。

对大面积软土地基进行处理尤其是对新吹填土进行处理时，经常会遇到表层土很差，处于流塑状的淤泥甚至流泥，这种新吹填的土颗粒极细、含水量很大、压缩性很高、强度极低、固结速率极慢，机械设备无法在地基土上操作，因此给软基处理施工带来很大困难。目前主要采用在地基表面铺设土工布荆芭等材料后，用人工填土、填砂形成垫层[1-3]，再用轻型机械进行打设排水板等施工作业。这种方法存在的主要问题是：

1）由于工期需要，直接在新近吹填的软土上铺设传统垫层，施工难度大甚至难以实现，安全隐患也大；

2）由于垫层下土质很差，打设排水板时，大量泥浆沿排水板孔喷出，造成砂垫层污染，影响排水效果。

这些都为后期的预压处理带来困难，影响软基处理的效果。因此迫切需要开发一种快速便捷的浅层软土加固方法。

“真空吸水浅层软土加固法”的基本原理与真空预压相同，是直接对地基表层进行加固（加固深度可控），形成硬壳层，可在其上直接铺设砂垫层，较好地解决了上述两个问题。

在一些仅需浅层加固即可达到使用要求的地基或场地，可采用“真空吸水浅层软土加固法”结合人工插排水板使地基土达到固结要求。

1 施工工艺

在某港口新近吹填区选取一块8 m×10 m场地，进行真空吸水浅层软土加固试验，试验深度为1 m。需要的材料包括无纺布、土工格栅、塑料排水板、塑料密封膜、滤管、真空预压出膜装置、真空泵、孔隙水压力测头等。

在试验前先将现场需用材料进行组装，具体步骤为：

1）铺一层无纺布；

2）无纺布上铺一层土工格栅；

3）土工格栅上平铺一层塑料排水板，要求塑料排水板排列紧密，不留缝隙，并和土工格栅以及无纺布绑扎牢靠；

4）按照竖向塑料排水板正方形布置，间距为60 cm，在平铺的塑料排水板上做出标记，并预留插竖向塑料排水板的插口，要求插口穿透土工格栅和无纺布；

5）将事先剪好的长度为2.6 m的塑料排水板两头插入相邻的两个预留的插口中，并穿透土工格栅和无纺布，保证无纺布下每个塑料排水板外露1 m；

6）将以上组装好的材料卷好运至施工现场，从一边开始摊开，边展开边将外露的塑料排水板插入地基中；

7）埋设孔隙水压力测头，摆放真空滤管，安装出膜装置；

8）上铺一层无纺布；

9）铺三层塑料密封膜；

10）将真空泵与出膜装置进行连接，开始真空抽气施工。

2 加固效果

本次试验进行真空预压施工，累计预压时间为23 d。

2.1 十字板检验

按GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值公式[4]为：

式中：fa为由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值；Mb，Md，Mc为承载力系数；γ，γm分别为基础底面以下和以上土的重度；ck为土的黏聚力标准值。

当ck采用原位十字板抗剪强度指标时，φ=0，则Mb=0，Md=1，Mc=3.14，则

不考虑地基土埋深修正，利用下式可求出地基承载力特征值：

式中：Cu为十字板抗剪强度。

在真空预压施工前先进行了加固前的十字板检验，加固前后的检验结果见表1。

表1 十字板强度检验结果统计表kPa

2.2 载荷试验

载荷试验相当于基础受荷时的模型试验，比较直观，普遍认为成果比较可靠，在地基处理效果检验中被广泛采用，所以在本试验中也使用载荷试验检验加固后的效果。

本试验采用0.5 m2方形载荷板，载荷共分8级，每级加荷为20 kPa，每级荷载下的沉降分别为：20 kPa，1.89 mm；40 kPa，3.98 mm；60 kPa，8.04 mm；80 kPa，13.45 mm；100 kPa，19.26 mm。试验过程中，当载荷加至120 kPa时沉降急剧增大，故终止试验，根据规范规定，确定该处地基承载力标准值为50 kPa[4]。载荷试验的荷载-沉降曲线见图1。

图1 荷载-沉降曲线

2.3 孔隙水压力检验

插完塑料排水板后在加固区内布置了6个孔隙水压力测头，埋设深度分别为3个0.3 m和3个1.0 m。图2为真空预压过程中孔隙水压力消散过程线，根据孔隙水消散计算地基固结度[5]：

式中：Ut为计算点某时刻的固结度，%；Δu为计算点某时刻孔隙水应力实际消散值，kPa；P为预压荷载（膜下真空度或设计预压荷载80 kPa和由欠固结引起的超孔隙水压力之和）。

图2 真空预压过程中孔隙水压力消散过程线

利用孔隙水压力消散结果推算出的固结度仅代表孔隙水压力传感器埋设处的固结度，根据孔隙水压力消散结果，计算土层内不同深度的固结度如表2所示。

表2 土层内不同深度的固结度

2.4 强度增长

根据加固前的钻孔取土指标、现场原位测试结果及对监测资料的分析，根据《港口工程地基规范》采用的强度增长公式，对加固区进行强度增长推算[5]，结果见表3，可见强度增长效果明显。

式中：Cu为十字板强度；Ut为固结度（根据孔隙水压力计算的固结度）；Δσ为先期附加应力；φcu为固结快剪内摩擦角；τ为强度增长值；f为地基承载力。

表3 强度增长推算结果

2.5 加固前后土性指标变化

为检验加固效果，在加固前后各进行了2孔取土试验，试验结果见表4。

表4 土工试验成果汇总表

从土工试验成果汇总表看，加固前后不同深度处土的物理指标改善较大，含水量大幅度降低，密度增加，孔隙比、压缩指数等指标降低，加固效果明显。

2.6 加固效果分析

根据载荷试验结果看，加固后的地基承载力达到了50 kPa，这是比较直观和准确的，与通过强度增长公式推算的地基承载力基本相吻合。根据十字板强度推算的地基承载力1.0 m深度处数值为58.8 kPa，也和通过载荷试验结果比较接近，说明加固后地基承载力基本在50 kPa左右。十字板强度在0.3 m处强度偏高，有检验点的选取和具体的实际操作以及十字板强度检验本身的局限性造成。