直抽式无砂法真空预压试验研究

高雷，陈举，张帆，尹自强

（1.天津大学，天津 300072；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实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

目前国内的真空预压普遍采用铺设黑砂作为工作垫层，随着黑砂的大量过度开采，使得砂储量越来越少，同时也带来了对海洋的严重污染，为解决这两大难题，进行直抽式无砂法真空预压试验研究。

1 试验内容

试验研究主要依托天津港东疆港区，通过现场试验进行研究，在天津港东疆港区进行一项示范工程，对东疆港区吹填土地基的工程性质、加固机理，施工工艺、加固效果、经济性等进行研究，开发出一套适合用于大面积吹填土地基的无砂垫层新型真空预压技术——直抽式无砂垫层真空预压加固新工艺。

2 试验设计与主要参数确定

场地采用无砂垫层直抽式真空预压方案，以滤管作为水平排水通道，塑料排水板作为竖向排水通道。排水板间距80 cm，正方形布置，打设底标高-14.5 m。排水板外露长度0.2 m；在每排排水板位置挖滤管沟，沟深30～50 cm，底宽大于15 cm；在沟内铺设滤管，排水板缠绕滤管1圈半，用自拉锁固定，同时用土工布缠绕接头部位；人工填埋滤管沟；一次性在加固区铺设2层密封膜，安装抽真空设备，加载抽气。工艺断面见图1，排水板滤管连接见图2、图3。

图1 工艺断面Fig.1 Processsection

图2 排水板在压膜沟内示意图Fig.2 Sketch of drainageboard in film trench

图3 排水板与滤管正面图Fig.3 Front view of drainage board and tube

3 试验区加固效果检验与分析

3.1 孔隙水压力监测分析

加固过程中土体孔隙水压力不断下降，表明孔隙水不断排出，土体有效应力不断增长，物理力学指标不断得到改善。但在加固的初始阶段，孔压测头位置为粉土或粉质黏土的孔隙水压力下降速度明显大于测头位置为淤泥、淤泥质土的孔隙水压力，例如部分位置存在粉质黏土、或粉土夹层加固初期孔压消散较快；测头位置为淤泥，加固初始阶段土体尚处于黏性变形阶段，并没有形成有效的土骨架，因此有效应力增长缓慢，孔压消散亦比较慢[1]。

3.2 沉降监测分析

试验区平均沉降曲线见图4，进行双曲线拟合，结果见图5，推算试验区最终沉降量为2 128 mm，已完成沉降量为1 828 mm，其中插板期沉降量为608 mm，卸载时沉降速率为1.4 mm/d，加固后固结度为85.1%[1-3]。

图5 试验区双曲线拟合直线Fig.5 Hyperbolic fitting line of experimental area

3.3 加固前后土性指标对比

为了更好的显示试验区加固前后主要物理指标[4]的变化，对不同土层加固前后含水率、湿密度、孔隙比等平均值进行对比，见表1。

表1 试验区加固前后不同土层物理性质指标变化统计Table 1 Index changesof physical properties of different soil layersbefore and after the reinforcement of experimental area

试验区加固后土层1-1平均含水率降低23.2%，湿密度增加6.6%，土层1-2平均含水率降低14.1%，湿密度增加3.7%；土层2-1含水率降低17.5%，湿密度增加5.1%；土层2-2含水率降低14.3%，湿密度增加3.7%；土层2-3含水率降低10.8%，湿密度增长0.9%。

从表1中可以看出，加固前后主要加固土层2-2以上的土质物理指标得到较大的改善。

3.4 试验区十字板强度检测

试验区加固前整个深度十字板平均强度值为15.6 kPa，加固后平均强度值为29.3 kPa，增长幅度达到88.3%。加固前、加固后试验区十字板剪切强度随深度变化曲线见图6[5]。

图6 试验区十字板剪切强度随加固深度变化曲线Fig.6 Changing curveof the cross plate shear strength in theexperimental area with the reinforcement depth

4 与传统真空预压技术对比

某工程和试验区相临，加固前土质相似，地基处理总面积为166 671.9 m2，共分为6个加固区，全部采用真空预压处理方式。加固区表层吹填0.6 m厚的粉细砂，又铺设0.3 m厚中粗砂，塑料排水板打设情况同试验区一致。

1）加固施工工艺对比

试验区附近某项目采用传统真空预压工艺，试验区采用直抽式无砂法真空预压工艺。

2） 荷载对比

某传统项目地基处理工程采用传统真空预压工艺，在加固区表层吹填0.6 m粉细砂，0.3 m黄砂。试验区采用无砂真空预压工艺，没有铺设砂垫层。两者在加固过程中所受荷载不同，某项目除85 kPa的真空负压外，比试验区增加外荷载相差15 kPa左右。

3）排水板间距对比

某项目排水板间距0.8 m，试验区排水板间距0.8 m，排水板间距及打设深度均相同。

4）抽气时间及卸载标准

传统工艺的满载抽气时间为不少于90 d，而试验区由于缺少砂荷载预压，抽真空有效时间增加为100 d（满负荷抽气）。

传统工艺与试验区的卸载标准均为：固结度≥85%（按沉降量曲线计算），且连续5 d的平均沉降速率不大于3.0 mm/d。

5）加固前后土性指标对比

传统区与试验区加固前后的力学指标对比见表2所示。从土质物理力学指标分析，试验区与传统区域指标变化相近，加固效果和某项目相当[1]。

表2 传统区与试验区主要物理力学指标对比Table 2 Comparison of the main physical and mechanical indexes of the conventional zone and the experimental area

6）加固前后十字板强度对比

根据加固前某项目的原位十字板检测报告，加固前-10 m标高以上范围，土体平均十字板强度为11.3 kPa；试验区加固前-10 m标高以上范围土体平均十字板强度为11.5 kPa；加固前十字板强度基本近似，试验区表层略好。

根据加固后某项目的原位十字板检测报告，加固后-10 m标高以上范围，土体平均十字板强度为24.4 kPa；试验区加固后-10 m标高以上范围内土体平均十字板强度为27.7 kPa；某项目和试验区十字板强度对比见图7。

从十字板强度分析，试验区加固效果与某项目相当。

7） 工程造价分析

在大面积施工条件下，直抽式无砂法真空预压工艺工程造价为132元/m2，传统真空预压工艺170元/m2，由于试验区未铺设粉细砂及黄砂，所以采用直抽式无砂法真空预压工艺能节约造价38元/m2，每平米节约成本22.4%。

5 应用前景

直抽式无砂法真空预压工艺包括浅层加固和深层加固两个部分，当只进行吹填土浅层加固时可以单独采用浅层工艺，把排水板绑扎在滤管上，人工打设排水板的同时把滤管压入泥下30～50 cm，一次性铺设两层密封膜。当地基表层吹填土强度很低，采用二次加固，浅层加固和深层加固相结合，利用浅层加固在地基表层形成可以行走打板机械的硬壳层，卸载后进行深层直抽式无砂法真空预压。该工艺减少了吹填土晾晒时间，有效缩短加固工期；工艺简单，施工人员掌握容易，施工质量控制容易；在施工过程中不使用粉细砂和中粗砂等自然资源，避免了砂资源的乱采乱挖，符合环保和节约的社会理念；工程造价相对较低，社会效益和经济效益显著，具有广泛的应用前景。

6 结语

通过大量的现场试验和室内试验分析，对试验方案进行了细致研究，总结如下：

1）提出并验证了直抽式无砂法真空预压工艺在施工中不使用粉细砂和中粗砂，加固效果与传统工艺相当，减少了施工工艺，节省砂源从而降低了工程成本，也避免了砂资源的乱采乱挖，符合环保的社会理念。

2）某项目加固前后与试验区加固前后土性的物理力学指标及十字板变化幅度相近，均满足设计要求，试验区无砂法真空预压工艺与传统真空预压工艺加固效果相当。

3）直抽式无砂法真空预压工艺适合浅层、深层、或者二次加固，工艺简单，施工人员容易掌握，施工质量容易控制，经济环保，具有广泛的推广价值。