浅谈地表水倒灌对真空预压加固软土地基的影响

2011-03-12刘宏伟解林博张健

中国港湾建设 2011年1期

刘宏伟，解林博，张健

（1.天津临港工业区建设开发有限责任公司，天津 300452；2.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试验室，天津市港口岩土工程技术重点试验室，天津 300222）

真空预压法自上世纪80年代初引入我国并试验成功后，设计、施工水平取得了长足的发展，是目前软土地基加固的一种较成熟方法[1-2]。在具体施工中，会因现场条件的差别发生各种问题，但发生海水倒灌的情况较少。在真空预压满载一段时间后，如果发生大面积的地表水倒灌，对加固地基会产生怎样的影响，本文将结合工程实例进行探讨。

1 工程背景

黄骅港综合港区起步工程W3-W5后方地基处理真空预压加固区位于黄骅港综合港区建材码头和多用途码头南侧[3]，见图1。其天然地基为第四纪沉积土层，具有渗透系数小、沉积历史短的特点，地基土在自重作用下未达到完全固结，原泥面标高-1.2～-1.5m；天然泥面以上采用吹填方式形成陆域，吹填土主要为淤泥和淤泥质粉质黏土，含水率高、天然孔隙比大、强度低。吹填至标高3.5m，土性指标见表1。由于吹填土没有达到预定标高，在搭设工作垫层后再吹填黑砂至6.0m。工作垫层由1层编织布、2层荆笆、1层竹排、1层竹笆和1层土工布组成。

图1 本工程平面位置图

本工程分东、西两个加固区，东侧加固区于2009年5月开始施工，7月4日已全部正式抽气；西侧加固区于7月15日开始施工，8月31日已全部正式抽气。

由于真空预压施工区的南面正在吹填，在12月20日真空预压施工临近卸载时，在大风与大潮的综合影响下，西侧真空区发生了倒灌事故。挡水土埝被南侧吹填池子中的海水冲垮，海水连同表层的浮泥一同涌入真空预压区，造成了真空预压施工区的发电机及配电柜短路，5个真空区内的射流泵停止工作。海水顺着射流泵通道侵入膜下，造成了倒灌。随后监测到的孔隙水压力大幅反弹，而由于真空预压区完全被海水淹没，沉降盘和测斜管无法进行测量。

表1 各土层主要物理力学指标

2 倒灌过程机理分析

真空预压加固软土地基的原理是利用密封膜将膜下软土与大气隔离开来，使用真空泵对膜下进行抽真空，使得密封膜上下形成一个压力差，软土中的孔隙水会在压力作用下顺着提前打设的塑料排水板和砂垫层排出土体，从而使软土的含水率减少，固结度和强度得到提高。一旦在施工过程中发生倒灌，那么软土中打设的塑料排水板就会反过来成为进水通道，由于密封膜上下的压力差，形成虹吸作用，将膜上水迅速地吸入土体中，造成土体强度的降低。

土体内孔隙水压力的反弹是由于膜下真空度下降所致。随着地表水的涌入，真空膜下的气压会迅速升高，真空度下降，并顺着塑料排水板传递到土体深处，从而导致孔隙水压力的大幅反弹。

3 现场十字板试验

由于当时挡水土埝已经被冲垮，真空区与吹填区连成一片，要进行复工非常困难，加上真空预压区已经临近卸载，针对土体强度实际降低多少，还能否满足使用要求，后续方案如何处理等问题，对真空预压区土体进行了十字板试验（见表2）[4]，并推算地基的承载力。

表2 十字板抗剪强度试验结果对比

从加固前后现场十字板试验结果可以看出：

1）加固后十字板强度比加固前均有大幅度提高，离真空膜越近，加固效果越明显；

2）受到海水倒灌影响的西侧真空预压施工区，在土体表层标高-3m以上，加固后强度比东侧真空区略微低些，其下的土体强度基本相同。

4 试验结果分析

1）由于真空预压区内的土体基本为软土，尤其是吹填土与原状的①、②层土，透水性很差。在经过近4个月的加固后，土体已经有了一定程度的固结，发生倒灌后，海水会顺着排水通道回到土体内，但是由于土体的结构已经发生变化，土相颗粒排列更加密实；软土透水性较差，在短时间内，海水基本只在排水通道附近形成小范围渗入，而很难进入到土体深处。

2）停气后，真空膜上下的压力迅速恢复平衡，压力差很快消失，虹吸效果只是短期内存在。

3）真空预压区内土体地下水位很高，土体越深，静水压力越大，虹吸效果就越小，因此，倒灌的海水只是短期内在土体表层形成浸泡。

4）砂垫层是通铺在土体表面的，砂垫层内埋有网状滤管，滤管与真空泵相连，倒灌发生时，海水会迅速充满滤管并向砂垫层渗透，砂垫层饱和后，海水在膜上压力作用下通过砂垫层向表层土体呈“面式”渗透，而深层土体只是受到来自排水板的“线式”渗透，因此，表层的土体强度受影响更大。