超软土浅层加固技术中不同土工合成材料组合应用对比研究

2013-06-30耿宏业鲍树峰陈伟东余东华

中国港湾建设 2013年1期

耿宏业，鲍树峰，陈伟东，余东华

（1.神华粤电珠海港煤炭码头有限责任公司，广东珠海 519020；2.中交四航工程研究院有限公司，广东广州 510230）

0 引言

近几年的工程实践表明，经过超软土浅层加固技术（改进的真空预压技术）处理后的地基完全可以满足后续吹填砂垫层和机械插深板的施工要求[1-5]。然而，相对于成熟的传统真空预压法而言，超软土浅层加固技术的应用仍处于探索阶段，虽已在厦门港、温州地区、天津滨海新区等地方得到了成功应用，但还存在不少问题需要进一步研究，如超软土浅层加固技术中如何选取土工合成材料组合。

土工合成材料在岩土工程中的应用始于20世纪50年代末。70年代是土工合成材料从幼年成长为壮年的时代，应用范围发展到水利、公路、海港、建筑等各个领域。而我国土工合成材料的应用起步较晚，但发展较快，80年代初期在国内开始试验应用，其应用范围涉及建筑、铁路、水利、环保、港口等各个领域。尤其是近年来，在真空预压软基处理中应用得相当广泛，目前也已迅速延伸到围海造陆工程的超软土浅层加固技术中[1-5]。关于土工合成材料在软土地基上高填土路堤工程中的加筋机理已经有许多研究成果[6-8]，然而，还未见在超软土浅层加固技术中的相关研究成果报道。

本文先对超软土浅层加固技术中土工合成材料的作用及其加筋机理进行深入分析，然后依托珠海港高栏港区某超软土浅层处理工程开展现场对比试验，探讨土工合成材料的不同组合对超软土浅层加固效果的影响，并给出适用于超软土浅层加固技术的最佳组合。

1 土工合成材料的作用

超软土浅层加固技术中水平向铺设的土工合成材料组合方式有很多，其中一种组合方式从泥面往上依次为[5]：编织土工布→第一层无纺土工布→水平排水滤管（用滤膜包裹且已连接竖向排水短板）→双向拉伸土工格栅→第二层无纺土工布→两层密封膜。这种组合方式下各自的作用如下：

1）编织土工布。铺设底层编织布是该技术中的第一道关键工序，其作用除了为后续工序提供必要的施工作业面外，更为重要的是将水平排水系统与其下浮泥隔开。

2）第一层无纺土工布。防止抽真空过程中细小颗粒封堵水平排水滤管及其与竖向排水通道的连接处，从而避免削弱抽真空作用强度，另一方面还起到加筋作用。

3）双向拉伸土工格栅。主要起加筋作用，能使施工期上部施加的荷载均匀分布在地基上，从而一定程度上削弱施工过程中产生的不均匀沉降，可为后续深层处理时提供施工平台，另一方面还提高了垫层的三维透水性。

4）第二层无纺土工布。主要是防止抽真空过程中其上面的密封膜被尖物刺破。

5）二层密封膜，作为真空预压时的密封系统。

其中，第一层无纺土工布、土工格栅、第二层无纺土工布与已连为一体的排水板和滤管共同组成无砂垫层排水系统，可提高排水效率[5]。

2 土工合成材料加筋机理分析

超软土浅层加固技术中土工合成材料的加筋作用主要体现在以下4个关键施工工序中：

1）第一道关键工序：人工铺设第一层无纺土工布。相应的加筋垫层为“编织土工布+加固前的超软土地基”。

2）第二道关键工序：人工插设竖向排水通道，如排水板、袋装砂井等。相应的加筋垫层为“第一层无纺土工布+编织土工布+加固前的超软土地基”。

3）第三道关键工序：吹填、平整砂垫层。相应的加筋垫层为“所有土工合成材料+加固后的超软土地基”。

4）第四道关键工序：机械插设深板。相应的加筋垫层为“所有土工合成材料+加固后的超软土地基+砂垫层”

图1为上述1）、2）和3）三个工序中施工荷载传递示意图。对于第4）个工序中的外荷载包括“施工荷载+约为1.5 m厚的砂垫层荷载”，其传递过程与图1类似，唯一不同的是仅在图1基础上加上大面积砂垫层荷载。

图1 施工荷载传递示意图

下面基于图1对第3）和4）两个工序中土工合成材料的加筋机理进行详细分析。

2.1 受力过程

在施工荷载作用下，下卧地基内会产生垂直和侧向应力（如图1（c）所示），这致使地基表层及一定深度内发生不同程度的、中心大两侧小的、成盘状的弯曲沉降和侧向位移，同时，土工合成材料也随之发生弯曲伸长变形，从而使土与土工合成材料之间产生界面摩阻力（如图1（b）所示）。这种界面摩阻力有利于土工合成材料产生拉应变和拉应力以及剪应变和剪应力，从而对土工合成材料能起到一定程度的锚固作用。由于在锚固段上，土与土工合成材料界面处的拉应变和剪应变是相对的、并非绝对固定，因此，这种锚固作用的大小可以借助界面上的相对应变值来量化。由图1（b）可知：土工合成材料的拉应变的分布应该是由机械装置与土工合成材料接触面的中心轴线向两侧递减分布的，而且，土工合成材料的上述受力过程是随施工荷载不断移动而协调进行的。

2.2 加筋机理

土与土工合成材料在界面上的应变协调相容是土工合成材料发挥加筋作用的基本机理。

考虑到土工合成材料比地基土的抗拉强度及变形模量要相对大许多，同时又有界面上的锚固作用，因此，土工合成材料对其下卧地基土的侧向挤出起抑制作用。而且超软土浅层加固技术中土工合成材料是大面积铺设的，因此，可借助于界面上的摩阻力来传递机械施工荷载，对机械下陷起阻抑作用，同时，地基中应力分布会减小与扩散。

2.3 加筋作用的极限状态

根据上述受力过程和加筋机理可以推论机械施工期间土工合成材料所能达到的极限状态。但是，需区别以下两种基本情况。

1）当土工合成材料的拉应变和剪应变超过某一数值后，尽管其拉应力和剪应力仍未达到极限值，但土与土工合成材料的界面摩阻力已达到极限值而发生逐步剪坏现象，因此，随着土工合成材料的拉剪应变继续增长，界面上保持的残余抗摩剪强度已不能发挥锚固作用，也即不能满足它继续有效地发挥加筋作用。此时，达到了可能的加筋作用的极限状态。

2）土与土工合成材料的界面摩阻力虽未达到极限值，仍能继续保持协调相容，但土工合成材料某些部位已因“拉剪应变较大，相应的拉剪应力达到了极限值”而发生了拉剪破坏。此时，也达到了可能的加筋作用的极限状态。

工程实际中，由于应力分布较复杂，上述两种基本情况会出现相互交叉的情况。

3 工程应用

下文依托珠海港高栏港区某浅层超软土处理工程开展了现场对比试验，探讨了组合1“编织布+土工无纺布+土工格栅”和组合2“编织布+土工无纺布+土工无纺布”对超软土加固效果的影响，并给出了适用于超软土浅层加固技术的最优组合。

3.1 工程概况

该工程新近吹填超软土厚度为4.5 m左右，浅层土体含水率高达153.3%，呈浮泥～流泥状。

现场对比试验区的主要施工方案如表1所示。

表1 现场对比试验区施工方案

3.2 监测和检测方案

为了对比两个试验区超软土的加固效果，合理布置了监测检测项目。两个试验区的监测检测测点布置图详见图2。

图2 监测检测测点布置图

1）监测项目：选取有代表性的位置，测试位于4根排水板中心、不同深度处（分别为1 m、2 m、3 m、4 m）的土体孔压消散情况；排水板不同深度处（分别为1 m、2 m、3 m、4 m）的孔压消散情况；地表沉降变化。

2）检测项目：选取有代表性的位置，在4根排水板中心处进行静力触探试验以及十字板试验，以测试板间土体相关力学指标。

3.3 加固效果对比分析

下面主要从排水效果、地表沉降情况、原位检测结果（静力触探试验和十字板试验成果）进行分析。

3.3.1 排水效果

孔压消散情况能很好地反映真空压力在“水平排水通道→竖向排水通道→土体”传递过程中的损失程度，同时也反映了排水系统的排水效果。

3.3.1.1 排水板中的孔压消散情况

两个试验区测点处排水板中的孔压消散规律如图3所示。

图3 排水板中孔压消散值-时间的变化曲线

由图3可知：

1）试验A区测点测试数据于2011年9月19日、2011年10月7日均因现场突然停电而突变；试验B区测点处孔压消散值于2011年10月9日—2011年10月20日期间出现“突然降低，几天后又回升”的现象，这主要由于随着抽真空的进行膜上有一定深度的积水而12 d后又被抽走所致。

2）试验A区测点处板中的孔压消散值最后稳定在-80 kPa左右，而试验B区测点处板中的孔压消散值最后稳定在-30 kPa左右，前者明显大于后者，因此，前者的真空压力传递效果和排水效果也均优于后者。

3.3.1.2 土体中的孔压消散情况

两个试验区测点处土体中孔压消散规律如图4所示。

图4 土体中孔压消散值-时间的变化曲线

由图4可知：

1）2011年10月9日—2011年10月20日期间，两个试验区测点处孔压消散值均出现“突然降低，几天后又回升”的现象，这主要由于随着抽真空的进行膜上有一定深度的积水而12 d后又被抽走所致。

2）抽真空约50 d后，两个试验区测点处的孔压消散值仍然一直在增大，未出现趋于稳定的趋势。

3）抽真空约50 d后，试验A区测点处的孔压消散较试验B区的快。但是，两个试验区测点不同深度处的孔压消散规律不一致，试验A区测点2 m和3 m处的孔压消散值明显大于1 m和4 m处的孔压消散值，而试验B区测点的孔压消散值随深度增加而增大。

4）由于试验A区土体中的孔压消散较试验B区快，因此，前者排水效果和加固效果均优于后者。

经分析，相应于上面第3）点的主要原因是：

1）吹填泥浆、浮泥经水力分选后，粒径较大的粉粒沉降速率快，而粒径较小的黏粒沉降速率较慢，符合Stocke定律。因此，下部土层颗粒较粗，结构性相对较好，有利于真空度的传递和孔压的消散。

2）空间分布的不均匀性：受吹填土料工程性质、吹填时水利条件等多方面因素的影响，大面积吹填泥浆、浮泥空间分布不均性显著。

3.3.2 地表沉降

土体固结必然产生一定的沉降。因此，对加固过程中的地表沉降进行跟踪观测，可以了解超软土的固结过程，同时也可以反映出该种处理方法在提高超软土结构强度方面（也即加固效果）是否有效[2]。

各区平均地表沉降随时间变化曲线如图5所示。

图5 平均地表沉降随时间的变化对比曲线

由图5可知：

1）2011年9月22日之前（抽真空时间为14 d）平均沉降速率明显大于抽真空后期，几乎成45°直线增长。抽真空45 d后，平均沉降速率仍然较大，大于10 mm/d，且无稳定趋势。

2）抽真空5 d后，试验A区的总沉降值就逐渐大于试验B区的总沉降值；卸载时，分别为984 mm和1024 mm。因此，试验A区加固效果优于试验B区。

3.3.3 静力触探和十字板试验成果

土体原位测试结果，如不同深度的比贯阻力和原位抗剪强度，也能直观地反映出超软土的加固效果。

试验A区和试验B区测点土体不同深度处的比贯入阻力和原位抗剪强度的对比情况如图6所示。考虑到两个试验区均发生了1 m左右的沉降，静力触探和十字板的最大测试深度均取为3.5 m。

图6 两试验区静力触探试验和十字板试验结果对比

由图6可知：

1）试验A区测点处地表以下1 m范围内土体的比贯阻力值和原位抗剪强度值明显大于试验B区，因此，前者浅层范围内的加固效果明显优于后者。

2）两个试验区2.5 m深以下的土体比贯阻力值和原位抗剪强度值明显高出许多，其主要原因有两方面：①吹填泥浆中土体颗粒的沉积规律符合Stocke定律，土层下部以粗颗粒为主；②吹填泥浆中的细颗粒随水流动性很强，在浅层抽真空负压差作用下，极易随水向排水板周围聚集形成“土柱”，进而导致下部土层颗粒较粗，结构性相对较好。

3）两个试验区1.0～2.5 m深度范围内加固后的Ps值和Cu值均接近于0 kPa，基本没有强度，加固效果很差。这与图4中孔隙水压力消散曲线规律不是很一致，其主要原因可能有两方面：①吹填淤泥在加固过程中，土体结构性逐渐加强，孔压计对土体孔隙中流体的运动效应比较敏感，能较好地测得孔压消散情况；②尽管土体有一定的结构性，但相对而言，十字板和静力触探测试过程中对这类土体的扰动作用较大，这种结构性极易被破坏，因此，测试值往往较低，不能完全真实反映实际情况。

3.4 加筋效果对比分析

土工合成材料的加筋效果主要取决于其自身力学性能和加固后筋土界面的界面摩阻力大小两方面。

根据第3.3节可知，试验A区的土体加固效果明显优于试验B区，因此，相同的外荷载作用下，前者筋土界面的摩阻力大于后者。另外，试验A区的双向土工格栅（TGSG2020）纵横向极限抗拉强度≥20 kN/m，而试验B区的土工无纺布（300 g/m2）的断裂强力≥9.5 kN/m，因此，相同的外荷载作用下，前者自身力学性能大于后者。

另一方面，加固后推土机等施工机械是否能顺利进行铺设砂垫层施工以及液压插板机械是否能顺利进行塑料排水板插设施工也综合反映了两个试验区土工合成材料的加筋效果。

实际施工中，试验B区铺设砂垫层时出现严重冒泥现象，而试验A区铺设砂垫层时较顺利，究其原因是试验B区砂垫层施工时，土与土工合成材料的界面摩阻力已达到极限值而发生逐步剪坏现象，界面上保持的残余抗摩剪强度已不能发挥锚固作用，也即不能满足它继续有效地发挥加筋作用，已经达到了可能的加筋作用的极限状态。

综上所述，在相同的外荷载下，试验A区土工合成材料组合的加筋效果明显优于试验B区。