真空预压加固碱渣地基的应用与效果分析

陈运涛，尚德志，刘宝发

（1.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 中交股份岩土工程重点实验室，天津 300222；2.中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300461；3.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

碱渣是氨碱法生产纯碱时产生的工业废料，其主要化学成分以Ca为主，具有含水量高、孔隙比大、强度低的特点[1-2].20世纪80、90年代天津碱厂在生产纯碱的过程中把大量的碱渣堆放在沿海滩涂，随着近年滨海新区规划建设的不断深入，特别是“八个功能区”的兴建，给土地资源带来很大压力.如何利用这些废弃的碱渣堆场，是一个需要解决问题.

本文描述了在堆放碱渣的滩涂上面进行软基加固工程的现场条件、加固方案和监测过程.对现场取得的实际监测数据进行了分析和比较，对地基土体的加固效果进行了评价.

1 工程地质条件[3]

本工程加固前现场原状取土的结果表明该区域地层自上而下为：①碱渣，层厚3.0～4.0m，孔隙比大，含水量高，强度低；②淤泥质粉质粘土，层厚2.0 m，软塑状；③淤泥质粘土，层厚2.0 m，流塑状；④淤泥，层厚4.0m，流塑状；⑤淤泥质粘土，层厚6m，软塑～流塑状；⑥粉质粘土，可塑状，含大量贝壳，未揭穿.

以上资料表明本工程地基上部是含水量很高的碱渣，下部由近代海相沉积土层组成，淤泥层厚，压缩性高，强度低，属于软土地基，不经加固处理不能正常使用.

2 地基加固方案及监测仪器布置

采用真空预压法处理地基，在地表铺设0.4m厚的砂垫层层，打设B型塑料排水板，正方形形布置，间距1.0m，打设深度19.5m，真空满载压力85 kPa，真空满载时间不小于100 d，加固后地基承载力不小于80 kPa.

为了掌握施工过程中碱渣层及各软土层的固结、沉降变化情况，确保施工质量，设计安排了以下监测工作内容：地表沉降监测、分层沉降监测、孔隙水压力监测.监测仪器布置平面图见图1.

3 监测结果及分析

3.1 实测地表沉降数据分析

在真空荷载的施加过程中，地表沉降随着真空压力的负压作用而逐渐增长，对各沉降盘沉降和沉降速率进行统计，实测地表沉降量时程曲线和沉降速率曲线见图2、图3.

对图2和图3沉降数据进行分析，在真空度稳定达到85 kPa后一周内地表沉降速率大于20 mm/d，30 d内地表沉降速率大于8 mm/d，因此前期地表沉降量较大，在真空度稳定的前50 d内，整个地基的沉降量较大，可占总沉降量的80%以上，随着真空预压时间的推移，沉降曲线呈收敛的态势，经过3个多月的真空预压，沉降盘的沉降速率明显变小，沉降速率只有2mm/d左右，有的已经小于1mm/d，此时地基沉降已基本稳定.图3沉降速率随着时间的推移，其值有所波动是真空压力不稳定造成的，但整体趋势是减小.

3.2 孔隙水压力

真空荷载下地基孔隙水压力不断消散，图4是孔隙水压力消散曲线.由图4曲线分析可以知同一施工区内相同的施工条件下，碱渣层孔隙水压力消散的速度要快于淤泥质土层孔隙水压力消散的速度，同时由表1可以看出碱渣层孔隙水压力消散量为77.3 kPa也大于淤泥质土层孔隙水压力消散量.

3.3 分层沉降

打设塑料排水板后，按设计要求，在加固区埋设了深层分层沉降仪，实测分层沉降曲线见图5，各土层沉降量统计结果见表2.

表1 孔隙水压力消散结果统计表Tab.1 Statistical tableofwater pressure dissipation

由图5实测分层沉降时程曲线看出，施加真空荷载的初期碱渣层沉降曲线较其他土层较陡，说明前期碱渣层沉降速率大，固结速率快，随着时间的增加，碱渣沉降曲线变缓，沉降速率逐渐减小，从分层曲线整体来看碱渣层在真空荷载下的变形规律与淤泥质粘土层变性规律基本一致.根据分层沉降曲线推算各土层的固结度，由表2知，碱渣层固结度为88.6%，略大于其他土层的固结度，与孔隙水压力观测结果一致.由表2可知地基土体沉降主要集中在在+6.4～+2.4m的碱渣层和1.6～5.6m的淤泥层，其他土层沉降相对较小，碱渣层沉降量几乎占到总沉降量的30%以上.

表2 各土层沉降量结果统计表Tab.2 Statistical table of settlement forevery soil layer

4 处理效果分析

4.1 固结度分析

一般认为，从实测沉降资料推算的地基最终沉降较为准确.由实测沉降曲线来看前期沉降量明显较陡，占总沉降量的比例很大，其应力一应变关系明显呈非线性，其实际压缩过程不一定符合指数曲线关系，因此本工程地基最终沉降量采用沉降双曲线法推算[4].计算方法如下：

图5 分层沉降时程曲线Fig.5 Time-history curveof stratified settlement

4.2 加固前后土性变化

为了了解真空预压加固的效果，加固前、后在加固区中心进行原状取土，并取样进行室内土工试验.加固前、后各主要土层物理力学性质变化见表3.

由表3可以看出，加固后地基各土层土体含水率、孔隙比、压缩系数均有不同程度的变化，其中碱渣层的含水率降低51.46%，孔隙比降低51.09%，压缩系数降低88.18%，说明碱渣层物理性质得到明显改善.从表3数据分析碱渣层物理性质变化量明显大于其他加固土层，说明本工程碱渣层加固效果优于其他土层.

4.3 现场十字板试验

根据加固前后十字板试验成果，绘制抗剪强度随深度变化的对比关系曲线见图6，加固前后各土层十字板强度的统计结果见表4.

由图4可以看出加固后各土层十字板强度明显增长，碱渣层加固后十字板强度达到43.7kPa，增加16.9kPa，而其他加固土层十字板强度增长5.4～13.8kPa，说明碱渣层加固效果优于其他加固土层.

根据式 ( 4)[5]推算加固后碱渣地基各土层容许承载力均可达到80 kPa以上.

5 结论

本文以实际工程为背景，说明真空预压应用于加固碱渣地基是成功有效的.通过对这一工程的跟踪监测，得到大量有价值的数据，进而对这些数据进行分析，得到如下结论.

表3 加固前后土的物理力学指标对比表Tab.3 Contrast table of physicalandmechanical indexes forsoilof before and after reinforcement

表4 加固前后十字板强度对比表Tab.4 Contrast table of vane shear strength before and after reinforcement

1）碱渣具有含水量高、孔隙比大、压缩性大等与软土相近的特性，经过真空预压处理碱渣物理指标如含水率、孔隙比、密度和压缩系数等都有一定的改善，承载力可以达到80 kPa以上，说明真空预压法处理碱渣地基是一种解决碱渣排放，缓解土地资源压力的经济实用方法.

2）根据本工程的监测结果，在相同的真空预压条件下，碱渣的固结度略大于淤泥及淤泥质粘土的固结度.

3）本工程碱渣渗透系数约为1.65×104cm s1，明显大于淤泥质土层的渗透系数，施工过程中压膜沟挖设深度应超过碱渣层厚度0.5m以上，否则易出现漏气现象.

4）碱渣孔隙比，压缩系数远大于一般的粘土，加固区内由于回填碱渣厚度不均，随着真空预压加载的进行而出现不均匀沉降现象，容易造成密封膜的开裂，因此在铺设密封膜的过程中应留出一定的伸缩量以防在加固过程中出现密封膜撕裂的现象.

[1]闫澍旺，侯晋芳，刘润.碱渣与粉煤灰拌合物的岩土工程及环境特性研究 [J].岩土工程学报，2006，27（12）：2305-2308.

[2]叶国良，苗中海.碱渣的综合利用 [J].港口工程，1998（12）：10-16.

[3]陈运涛.天津港集装箱物流中心东区地基处理工程 D区加固效果检验报告 [R].天津：天津港湾工程研究所，2007.

[4]JTS 147-1-2010，港口工程地基规范 [S].

[5]GB 50021-2001，岩土工程勘察规范（2009）[S].