吹填造陆工程浅层预处理和深层真空预压法工艺的变更完善

2012-06-11宋旭龙李俊丰李海峰

海河水利 2012年5期

宋旭龙，李俊丰，李海峰，石洁，郑宁

（华北水利水电工程集团有限公司，天津 300170）

1 引言

天津某临海工业区吹填造陆后为国家重点招商项目用地，意义重大，业主与各参建单位签订了《工程质量保证承诺责任书》，要求必须一次性施工成功。造陆前，-13 m高程以上至原泥面的土层为海相沉积层，由于成土历史短被划称成第四纪“全新”新鲜层，属淤泥、淤泥质黏土或亚黏土，孔隙比大、压缩性高、强度低。上部是造陆中新近吹填的新鲜淤泥土，犹如稀汤。按原设计在这样的超软土地基上直接进行深层真空预压加固处理，安全性和可行性是各参建单位面临的一大难题。

2 工程概况

天津某临海工业区利用沿海滩涂进行围海造陆建设开发，采用常规的一次深层真空预压法对新近吹填的软基进行加固处理，首期开工3个标段，加固面积共6 km2，各标段均为2 km2。原设计方案的一次性深层真空预压荷载为650 mmHg，吹填土厚度为5.8 m，吹填土余水排尽后在原泥面铺1层200 g/m2编织布，其上铺2层优质荆笆和1层土工布，再吹填80 cm厚砂性土，上铺30cm中粗砂垫层，打设竖直排水通道（为B型塑料排水板，间距1 m，正方形布置，板底标高为-13 m），铺设滤管和密封膜并安装射流泵，抽气排水作业。其设计卸载标准为：固结度≮85%、连续5～10 d实测地表沉降速率≯2 mm/d，有效荷载预压时间≮90 d，地基承载力特征值要求分层达到80 kPa。

3 案例分析

3.1 案例一

3.1.1 基本情况

该工业区首期开工的3个造陆工程施工标段，新近吹填的陆域地基上大部分呈灰褐色、流塑状态，土性极差。该吹填土层还未完全排水固结，处于欠固结状态，具有较高的含水率（高达124%）和极低的强度、土颗粒极细、压缩性极高、固结速率极慢等显著特征，如按原设计的一次性深层真空预压方案来实施，存在以下问题：

（1）场区面积大（每标段 2 km2），设计也没有指导性的排水方案，市场上好多施工单位在投标时的合同量清单中根本未考虑排水费用，再加上场地条件的制约必须强排，排水费用较大，新近吹填土层上的明水本已很难排出，如再在其上吹填0.8 m砂性土工作垫层，势必因排水影响吹填施工进度和效率。

（2）正值11月份大风季节，吹填施工根本无法正常进行，施工船舶安全风险极高。

（3）由于垫层下吹填土层土质极差，机械打设深板扰动时大量的泥浆沿排水板喷出，造成黄砂垫层污染，影响排水效果。

3.1.2 改进浅层真空预压施工工艺

（1）准备工作：测量放样，按板间距0.8 m菱形布点并标计；备料、下料及板端封堵：浅板设计长度为4～6 m，一般情况下下料长度计算是下插回折0.2 m+5 m+外露长度0.8 m=6 m；板端封堵采用沥青封头。

（2）工人持斧在土工布上按测量标计点位破口，另一工人紧跟快速插下浅板，大批量的工人按此法重复作业，则一个标段2 km2插浅板最多一个月可完成。

（3）检查插板区，将板口泥浆清除干净。

（4）铺设40 mm软式滤管，务必做好管路连接工作。

（5）检查场区，重点检查翻浆是否污染板头和滤管，可采取清除、补插板或更换局部被污染滤管。

（6）铺设一层长丝土工布（300 g/m2），并在冬季利用机械沿四周隔埝挖设明沟或采取其他方式形成自然排水体系。

（7）填筑覆水围埝。

（8）按 1 000～1 500 m2安装 1 个功率≮7.5 kW的射流泵（扬程≮26 m），并连接抽真空设备。

（9）试抽，进行密封性检查和整改。

（10）正式抽气：抄表记录，不断地进行密封性检查和整改。

（11）卸载：满载预压 50～60 d 后，经检验加固效果后，方可卸载。

3.1.3 效果分析

根据实际情况，3个标段浅层处理均在50 d后提出检验申请，经检验和过程监控分析，具体如下：

（1）沉降量：地基沉降量由两部分组成，一是插板期间吹填土层沉降（包括插板前吹填土层的自然沉降），二是浅层真空预压期间的沉降。沉降观测结果，见表1。

表1 各标段不同阶段地基沉降

（2）孔隙水压力监测和固结度推算：人工插完浅板后，在4根排水板所围区域的中心位置分不同深度埋设孔隙水压力测头，用以监测预压期间土体内部孔隙水压力消散情况。图1为浅层真空预压过程中孔隙水压力随时间变化曲线。

图1 东三区浅层真空预压一区孔隙水压力值随时间变化曲线

根据孔隙水压力消散情况，推算土层内不同深度的固结度，见表2。

表2 不同深度土层固结度

（3）浅层加固检验（十字板强度、标贯及土工试验）：2010年4月25日，对某工业区首期工程3标段岩土进行了工程勘察，孔号ⅢS31，孔口标高3.912 m，钢环编号813。详细勘查数据，见表3-4。

表3 岩土勘察抗剪强度统计

表4 岩土勘察标贯击数统计

标贯击数曲线、十字板强度曲线，如图2-3所示。

图2 南港ⅢS31孔标贯击数曲线

（4）强度增长推算：依据地勘资料和规范，对加固区进行强度推算。强度增长值计算公式为：

图3 南港ⅢS31孔十字板强度曲线

式中：τ为强度增长值；Cu为十字板强度；Ut为固结度；△σ为先期附加应力；фcu为固结快剪内摩擦角。

地基承载力计算公式为：

式中：f为地基承载力。

依据勘察报告统计，各标段吹填土层预处理后吹填土层0.4～1m处以下承载力容许特征值分别是：1标段为35 kPa、2标段为30 kPa、3标段为33 kPa。因新近吹填土层为泥浆，呈稀汤状，传统的室内试验存在一定局限性而无法操作，但结合浅层预处理后的土工试验成果表来看，含水率由124%下降到67.8%，密度有所提高，孔隙比和压缩指数也有所降低。而且各标段吹填土层预处理后标贯击数平均值均＞3击，表层0.5～1 m厚硬壳承载力较高，结合强度增长推算值，说明浅层真空预压加固后地基承载力基本在50 kPa左右。再经深层插板桩机跟进作业检验，未发生桩机倾倒、隐落的安全事故，由此可判定3个标段此次浅层预处理后地基强度和加固效果增长明显，达到了取消0.8 m厚吹填砂性土目的，为后续的深层处理工序提供了理想而又安全的施工条件。

3.2 案例二

3.2.1 基本情况

2010年6月，工程施工正处于深层真空预压阶段，海运黄砂供应极为紧缺，加上铺砂工人严重不足，各施工单位处于半停工状态。经监理单位与业主沟通，各参建单位代表开会讨论，取消了原黄砂垫层设计方案，实施黑砂垫层真空预压法，并做如下修改完善：

（1）40 cm黑砂垫层上挖设底宽20 cm、深≮20 cm的滤管沟，每根深板露出的板头必须与滤管连接，且滤管在沟中必须用黄砂裹覆回填。

（2）在打设深板过程中，一旦发现特软的局部面积，必须在打设深板间距的基础上再加密补打4～6 m深短板。具体的深层真空预压施工工艺如下：

检修或进一步完善排水系统→吹填40cm黑砂垫层→测量放样、布点标识→打设深层板→特软区人工加密插设短板→检验并清除板口翻浆及垫层面浆皮→挖设滤管沟→布设滤管、板管和管路连接→检验并清洁或更换已污染的滤管→黄砂裹覆回填→按放样位置挖设压膜沟→检验压膜沟和场区，彻底清除尖锐固物→铺设“1布2膜”→安泵并连接抽真空设备→试抽气→检验合格后进入正式抽气→检测合格后卸载。

3.2.2 加固效果

经统计，深层真空预压在满载条件下抽气排水有效时间为70～75d，加固完成后经勘察和第三方检测单位对所有的加固区进行了检验，加固效果达到设计卸载标准和要求。

（1）分层沉降分析：打设塑料排水板后，按设计要求，在各个加固区的中心点附近埋设了1组深层分层沉降仪，以便掌握地基中各土层的变形情况。根据施工单位提供的数据，深层真空预压开始前，插板沉降（包括浅层预压沉降）在720～1 470 mm之间，深层真空预压期间分层沉降管口实测沉降在307～1 659 mm之间（包括保护区），综合统计在整个预压处理期间沉降在1 418～3 079 mm之间。同时，根据各分区分层沉降管口观测资料推算的固结度均大于85.0%，且卸载前各真空区的5～10 d沉降速率均不大于2 mm/d。考虑到场地使用条件等要求，经参建各方商量进行卸载前带压钻探，并依据现场十字板剪切试验结果判定是否卸载。

（2）孔隙水压力分析：打设塑料排水板后，分别在4根排水板所围区域的中心位置按照设计要求在不同深度埋设孔隙水压力测头，用以监测预压施工期间土体内部孔隙水压力消散情况，同时根据孔隙水压力的增减情况及消散大小每3 d更新1次监测数据，依据现场情况进行分析：整个抽气区的中部区比四周边缘的负超静水压力要大，这反映出边界的影响。随着测点深度加大，总的趋势是负超静水压力逐渐减小，但在地面-6 m处形成的负超静水压力最大。地基处理的底端部分孔隙水压力消散良好，说明塑料排水板已按设计深度打设到位，且真空压力向下传递有效。根据孔隙水压力观测结果可知，在抽真空过程中土体不同深度的孔隙水压力发生了明显的消散，符合一般的真空预压情况。

（3）加固前后取土试验及十字板剪切试验：根据加固前后的取土试验结果进行对比分析可知，加固过程中地基土的物理力学指标有较大改善，主要加固土层土性指标均有所提高。通过加固前后现场取土及十字板剪切试验可以看出，各加固土层的含水率及十字板抗剪强度均有所提高。含水率由加固前的20.2%～124%下降到加固后的18.9%～52.0%，降幅明显，其中表层吹填土层含水率下降幅度较大，同时各真空区满足含水率极限值不大于52%、平均值不大于47%的设计要求；十字板抗剪强度由加固前0.4～34.8 kPa增到加固后的 15.1～38.7 kPa，增幅明显，其中表层吹填土层十字板抗剪强度增幅较大，同时满足标准区十字板强度极限值不小于18kPa、平均值不小于23 kPa，过渡区十字板强度极限值不小于15kPa、平均值不小于18 kPa的设计要求，不适于进行现场十字板剪切试验的下层土体的标贯击数均大于3击。

4 案例启示

（1）经真空预压处理后，新近吹填土层及原滩面以下土层的压缩沉降还没有科学而准确的指导性数值，目前还是依据施工积累的经验和教训，因此相关责任单位应不断研究，并在相关文件中提出指导性意见，以减少施工费用或避免施工费用的浪费。

（2）浅层预处理适用于新近吹填的粉土、粉质黏土地基，但浅层真空预压法的使用，应结合当地气候、人力资源等条件综合考虑，建议最优的方案是利用冬季插浅板、铺设滤管、铺设管上土工布及设置排水系统后，来年春季再进行真空预压施工，避免冬季真空抽气排水作业造成施工安全风险大、安全措施费用投入大、加固效果相对差、施工成本相对增加等问题。

（3）在首次对黑砂垫层真空预压法优化完善施工后（即每根板头与滤管连接、在黑砂垫层中设置黄砂裹管沟），经施工现场的黑砂垫层卸载区与黄砂垫层卸载区的加固效果试验对比，黑砂垫层承载力在10 t以上，且真空抽气排水作业时间在50～75 d范围内；而黄砂垫层卸载区承载力在8～10 t范围内，真空抽气排水作业时间在90 d以上。由此可以看出，优化完善黑砂垫层真空预压法的真空提水更直接又快捷，加固效果相对较好，工期相对缩短。

（4）浅层预处理抽气排水作业时间短，采用“1布2膜”较为实用可行，若深层真空预压处理套用“1布2膜”则风险较大。这是因为，深层真空抽气排水施工时间长，从铺膜到卸载多数。横跨夏秋冬3个季节，再好的膜也会因气候等因素发生问题。再因为吹填黑砂垫层和人工铺设的黄砂垫层较平整清洁，建议加固区中间大部分面积可取消土工布，但加固区边界压膜沟处必须铺设或加铺土工布，以防压膜沟开口处固物顶破密封膜。