真空预压部分改进技术处理吹填软土

杨爱武，闫澍旺，杜东菊，卢力强，王江宏

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300381；2. 天津城市建设学院土木工程系，天津 300381；3. 天津市软土工程特性与工程环境重点实验室，天津 300381)

真空预压是利用抽真空在土体中形成负压来加固软土地基的一种方法．现已在港口道路建筑工程的软基处理中广泛使用．国内外对真空预压技术及机理已进行了大量的研究[1-17]，取得了一定的研究成果．而对其改进技术则研究较少，倪洪波[18]对传统水平排水体厚度进行了部分改进，金小荣等[19]对真空预压部分工艺进行了改进，但都基于被处理的地基有一定的强度，在此基础上机械设备才可以进行施工，且水平排水材料基本上是50,cm砂．对于新近吹填高含水量接近泥浆状态的软土，真空预压施工新工艺尚处于探索中．天津滨海新区目前正在进行大规模吹填造陆工程，是世界上瞩目的围海造陆工程，其吹填物质成分有别于我国其他地区吹填土，且其该地区砂石材料紧缺，难以采用传统方法处理大面积新近吹填软土．笔者通过对真空预压排水条件的深入研究，提出水平排水材料的替代物，即用不同厚度的海绵与土工布和软式透水波纹管或土工布与软式透水波纹管组合代替传统的水平排水体——砂．通过试验发现，应用该水平排水材料进行吹填软基处理，能满足超软吹填场地前期处理要求，具体工程可根据实际需要再进行二次处理，总造价比传统方法低，且处理工期有所缩短，值得在工程实践中推广应用．

1 真空预压部分改进技术设计

笔者主要对真空预压水平排水体进行了改进，用人工合成材料替代传统材料——砂．共设计了 6种新型水平排水体，具体方案如下所述．

方案1土工布+软式透水波纹管+土工布+密封膜，竖向插排水板．

方案2土工布+8 cm海绵+软式透水波纹管+土工布+密封膜，竖向插排水板．

方案3土工布+2 cm海绵+软式透水波纹管+2 cm海绵+土工布+密封膜，竖向插排水板．

方案4土工布+软式透水波纹管+2 cm海绵+土工布+密封膜，竖向插排水板．

方案5土工布+6 cm砂+软式透水波纹管+土工布+密封膜，竖向插排水板．

方案6土工布+6 cm砂+软式透水波纹管+土工布+密封膜，竖向不插排水板．

2 试验模型及试验步骤

2.1 试验模型

在原位试验场挖2个试验坑，一个用作蓄水池及安装真空度源，尺寸为 4.0 m×4.0 m×1.0,m(长×宽×深)，另一个用来装泥浆进行真空预压改进技术模拟试验，尺寸为 8.0 m×8.0 m×1.5,m．试验前，在泥浆坑四周及底部先铺土工布，再在土工布上铺2层密封膜，目的是让泥浆坑在试验的过程中处于密封状态．各种方案的不同之处在于水平排水体的差别以及是否插塑料排水板．

2.2 试验步骤

(1) 调制泥浆：泥浆中土为海相层粉质黏土，天然含水量 33.4%，塑性指数为 12.4．将水灌入土中，人工拌和均匀，使其含水量控制在 100%～120%，然后充填于试验坑中，泥浆表面基本与坑顶齐平．

(2) 铺设新型水平排水体，并将塑料排水板按1 m×1 m 间距插入泥浆中，其上端穿破水平排水体并平放其中，铺设真空膜进行密封．

(3) 开始抽真空，等真空表读数上升到控制值(80,kPa)、水平排水体压缩稳定后进行沉降观测．按以下时间标准进行读数：第1小时每10,min读 1次数，第2小时每20,min读1次数，第3小时每30,min读1次数，随后每小时读1次数．

(4) 等沉降稳定后分区逐级加载：每级为5,kPa，持续 1,d后进行下一级加载，最大加载为15,kPa．Ⅰ区累计加载 0,kPa，Ⅱ区累计加载 5,kPa，Ⅲ区累计加载 10,kPa，Ⅳ区累计加载 15,kPa．分区示意图及实物图见图1及图2．

(5) 抽真空至孔隙水压力变化较小时结束试验，每种方案持续时间基本控制在9 d．

(6) 试验终止时，进行十字板剪切试验，同时取样进行物理力学性质试验．

图1 分区加载示意Fig.1 Zoning load diagram

图2 分区加载实物Fig.2 Zoning loaded physical map

3 试验结果分析

试验结果表明：每种方案均可使泥浆形成有一定强度的壳体．对每分区土体挖坑探测，发现形成的硬壳层为 50,cm左右．硬壳层一般指在软土层之上，当其表面暴露到空气中时，由于蒸发失水，经过雨水的淋滤及不断的物理化学变化，形成不同于下部土层，但与下部土层呈渐变的土层．硬壳层和其下的土层的初始成因虽然相同，但物理力学性质指标却存在明显的差异，其结构性强、强度较高、呈中等压缩性并具有很好的承载能力[20]．本文中所指壳体(硬壳层)主要指相对于下卧初始泥浆而言，有一定厚度和强度，呈可塑～软塑状态，承载能力达到 50～60,kPa左右的土体．试验前后效果见图 3及图 4，具体试验研究成果分析如下．

图3 试验前待处理泥浆Fig.3 Mud to be processed before test

图4 试验后加固土体Fig.4 Soil reinforcement after test

3.1 壳体强度

为确定壳体强度随深部变化特征，试验结束后分区按距排水板不同距离(0.1,m、0.4,m 和 0.6,m)进行了十字板剪切试验，取其平均值作为十字板剪切强度，如5所示．

图5 各区十字板剪切强度随深度变化曲线Fig.5 Curves of shear strength of vane shear test with depth in different zones

由文献[21]可知，利用十字板剪切试验可确定地基承载力标准值，即

式中： fk为地基承载力标准值；cu为十字板剪切强度；γ为土的重度；D为基础埋置深度．

将现场十字板试验实测平均值代入式(1)，计算出各方案壳体上部承载力，如表1所示．

试验结果表明：随深度增加，壳体剪切强度迅速减小，本试验在0.3,m以上强度下降速率明显大于下部强度下降速率．主要是因为上部土体强度是在水平排水体与塑料排水板共同作用下，由于真空负压使自由水排出而形成．排水体在真空作用下吸水能力向下迅速递减，因而上部土体强度下降速率明显．下部土体由于水平排水体影响小或没有影响，仅靠塑料排水板在真空负压作用下克服重力将自由水排出形成强度，因此变化速率偏小，强度也普遍低于壳体．插排水板的方案1～方案5，堆载预压对壳体抗剪强度影响明显增加，并随堆载增大而增加，增幅超过20%，其表面承载力标准值为 60～90,kPa，可基本满足二次处理对表层承载力的要求．在有排水条件时，根据有效应力原理，堆载作用增加了土体的有效应力，因此土体强度会随着堆载的增加而逐渐增加．没插排水板的方案6壳体强度最低，并且堆载对该方案壳体强度增加无明显作用，也可由有效应力原理解释．无排水条件时，水得不到充分排出，总应力增加，但有效应力增加小，因此强度增加有限．其强度主要靠水平排水体的吸水作用形成，但该方案也在地表形成具有 50～60,kPa承载力的壳体，可根据后续处理要求及对方案的综合评价来决定能否选用．

表1 各方案壳体上部承载力Tab.1 Bearing capacity of up crust of various programs

3.2 壳体的固结度

土体的固结度 Ut可通过沉降量或孔隙水压力得到．通过沉降量计算固结度时，必须得到土体的最终沉降量．最终沉降量可由已经观测到的不同时间间隔的沉降量推算．根据模型试验的实测沉降资料，可以推算出加固土体的最终沉降量[22]．沉降随时间发展曲线拟合的方法较多，主要有指数曲线和双曲线拟合法，另外，还有泊松曲线拟合以及Asaoka法等．本文对不同条件下土体的实测沉降进行指数曲线法拟合分析，计算出试验结束后各种方案的固结度，见表2．

表2 各种方案的固结度Tab.2 Degree of consolidation of various programs

试验结果表明：垂直排水对土体固结度影响明显，方案6固结效果欠佳，方案1～5壳体固结度高，比方案 6高出 20%．土体固结过程也就是水的排出过程，方案1～方案5比方案 6排水条件好，因此固结度高．但方案 1～方案 5的固结度差别不十分明显，说明水平排水体厚度对土体固结度影响不显著．

3.3 壳体厚度

采用真空预压方法加固软土地基时，对浅层处理效果较显著，而对加固的有效深度意见不一．不同的工程实践和试验研究得出不同的结论，有认为真空预压效果只限于浅层的，有认为可以达到 10,m 左右深度的，也有认为可达到塑料排水板底部附近的，对此至今没有形成一致的看法[23-24]．本文在各方案试验结束后，在加固土体中每一分区挖坑，人工测量硬壳层厚度，取其平均值作为该方案的有效加固深度，测量结果如图6所示．

图6 各方案壳体厚度Fig.6 Thickness of the crust of various programs

由图6可以看出：堆载对硬壳层的厚度增加有明显效果，并随堆载压力的增大而增大．在本文试验限定的条件下，当堆载区压力为15,kPa时，壳厚一般增加10%以上．堆载效果与加固土体的排水条件、土体水理特征密切相关，排水条件越好、土体渗透性好的堆载效果也越好．本试验方案 6未插排水板，堆载效果很差，厚度增加不到 3%．壳体的形成其实就是土中水的排出、土体固结的过程．排水条件好，随着堆载的增加，有效应力就增加，土体固结就越好，因此壳体厚度大．反之，则厚度越小．这也从理论上解释了排水及加载条件的变化对厚度的影响．

4 方案比选

通过对处理后壳体强度、固结度、厚度及其工程经济进行综合分析，方案 3技术可行，综合评价最好，适合于天津滨海新区吹填场地前期处理，值得在工程中推广．但仅从经济考虑，方案1较方案3操作简便，可在实践中先行先试．不插排水板也能形成一定厚度的壳体，值得进一步研究探索，为超软地基处理提供新的思路和方法．

5 现场试验

现场试验的目的就是在工程实践中验证模拟试验成果的实用性及可靠性，为二次传统真空预压提供操作平台，节省整个处理时间和费用，为滨海新区吹填软基处理工程实践服务．现场试验为临港工业区一吹填场地，该吹填场地吹填厚度为 8,m左右，总面积近 100,000,m2．本次现场试验选用方案1，并结合不插排水板试验结果，即无垂直排水体的情况下亦能形成一定厚度的硬壳．将本次现场试验竖向排水板插入深度定为 4.0,m，间距 1.2,m，总试验面积为10,000,m2，试验时间 45 d．试验前测定的吹填泥浆含水量在 120%～140%之间．试验结束后，进行现场原位测试以及室内试验．

5.1 处理后土体的物理力学性质

现场取样，进行室内试验，测定土的物理力学性质，结果见表3、表4及图7和图8．

表3 处理后吹填软土物性指标Tab.3 Indicator of physical properties of soft dredger fill after treatment

表4 处理后吹填软土力学指标Tab.4 Mechanical indicator of soft dredger fill after treatment

图7 处理后吹填软土粒径分析Fig.7 Particle size analysis of soft dredger fill after treat-Fig.7 ment

图8 处理后吹填软土颗粒频率分布Fig.8 Frequency distribution of soft dredger fill after Fig.8 treatment

可见试验场地吹填软土物质成分主要为细粒土，黏粒含量超过80%，粒径d为0.1～10.0,μm的分布频率最高，工程性质较差；但与刚吹填泥浆状态相比，工程性质有明显提高．表3和表4反映的指标表明其强度接近正常沉积海积软土，可基本满足作为二次地基处理的前期处理．

5.2 现场原位试验

5.2.1 静力触探试验

试验结束后，在场地6个地段进行了静力触探试验，其平均值见图 9．由图 9可知，壳体的厚度在0.3～0.4,m；上部强度高，接近海积软土；向下强度衰减明显，很快过渡到泥浆状态．

5.2.2 十字板剪切试验

在场地进行静力触探试验的同时，在其附近做十字板剪切试验，其平均值见图10．由图10可知，其变化趋势与静力触探趋于一致，表层土体十字板剪切强度可达20,kPa，按文献[18]计算，其强度可达60,kPa．总之，通过现场试验验证，用人工合成材料代替传统材料具有工程可行性，形成了具有一定厚度的壳体，可基本满足二次地基处理要求．目前对该类场地的处理，当采用类似传统方法时，先在吹填场地上铺设荆笆等铺垫材料，再在其上吹50～80,cm砂，然后插板进行真空处理．用本方法时，不需要再吹填砂，且可在泥浆状态直接进行第1次处理，节省了总处理时间和费用，处理效果亦很好，值得在工程实践中应用．

图9 锥尖阻力和侧摩阻力随深度变化曲线Fig.9 Cone tip resistance and lateral friction curve with Fig.9 depth

图10 十字板剪切强度随深度变化曲线Fig.10 Curve of shear strength of vane shear test with Fig.10 depth

6 结 论

(1) 以土工布与软式透水波纹管或土工布和海绵与软式透水波纹管组合可以作为真空预压新型水平排水体．经现场试验验证，基本满足新近吹填软土前期地基处理要求，值得在实践中应用．

(2) 真空预压处理软土地基时，垂直排水对处理效果影响明显，水平排水体厚度对处理效果的影响有限．

(3) 本文研究的新型水平排水体在无垂直排水体时亦能形成一定厚度的硬壳层，值得进一步研究．

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