浅表层吹填土真空预压技术的室内模拟研究

李　涛，胡晓阳，陈　达，蔡广杰，张济棉，孟　鑫，高　健

(浙江水利水电学院，浙江　杭州　310018)



浅表层吹填土真空预压技术的室内模拟研究

李涛，胡晓阳，陈达，蔡广杰，张济棉，孟鑫，高健

(浙江水利水电学院，浙江杭州310018)

摘要：针对浅表层吹填土的真空预压技术，从模型试验的角度针对排水板的不同布置形式进行了试验研究。通过模型试验与土体表面沉降、真空度测量，认为真空度随排水板沿深度的消散和在土体内部传递的消散不可忽略，在这些区域中，驱动土体固结发展的可能不是真空度的传递，而是土中水的缓慢渗流。最大排水距离应该是衡量不同排水板布置效果的关键数据。

关键词：真空预压技术(VPT)；室内模型模拟；浅表层吹填土；吹填淤泥

1问题的提出

随着经济和社会的发展，人类对土地的需求量越来越大，世界各地的围海造陆工程也日益增多。围海造陆是缓解沿海地区人多地少，有限的土地资源不足以满足发展居住、绿化、交通、工业、商业等建设需要的矛盾的重要途径。近年来，国内沿海发达地区掀起了一股围海造陆的热潮，特别在港口建设方面普遍采取填海造陆，尽量不占用现有土地，利用水力吹填工艺把海底淤泥质土吹上来形成陆域，再对填海造陆工程大面积软弱淤泥进行排水固结处理。

经新吹填形成的陆域其地基土体大部分是淤泥及淤泥质黏土，成流塑状态，具有很高的含水率和极低的强度，通常需要较长时间的晾晒、风干并配以必要的工程措施才能让施工机具和人员进场，再采用真空预压法进行软基加固，进一步提高地基承载力，满足场地的使用要求。从目前工程建设形势看，无砂垫层的真空预压法浅层加固软土地基有很宽广的应用前景。一方面，采取先浅层后深层的二次软基加固处理方法，尽快将超软土(泥浆)改变为工程用土，从而提高施工效率、节省工期、降低成本；另一方面，依据设计人员以往在工民建结构设计中尽量利用地表硬壳层依规范进行设计的原则，重视硬壳层的作用，将浅层加固后的地基视为上覆硬壳层的双层地基[1-2]。

目前关于浅表层吹填土真空预压技术的研究主要集中在现场试验和实施方法[3-6]以及理论模型的建立和微观分析[7-9]，关于室内试验的研究还不多，鲍树峰等[10]和史燕南等[11]关于真空浅表层土预压的室内研究着重分析的是固化剂材料的效果。关于浅表层排水板，特别是排水板布置形式模拟的模型试验研究开展得很少。本文拟从模型试验模拟的角度开展室内试验的设计和研究。

2模型试验设计

采用模型试验的方式对浅表层吹填土的真空预压处理技术进行模拟，以往室内模拟中一般都选取单井节点单元进行模拟，如鲍树峰[10]等采用直径150 mm(内径40 mm)高度1 000 mm的钢圆筒方式模拟真空加载的一个点位，史燕南等[11]采用的是直接制作三联试模。这样的试验装置由于直接在整个装置中均匀加载真空压力，所以无法反映真空度在排水板中的消散和排水板相互之间影响的效应。

本文所叙述的模型试验重点放在对于多点位排水板的模拟上。因此试验土所安置的模型箱采用3 mm厚铁板焊接而成的未封口长方体容器(见图1)，模型箱尺寸：L=60 cm，W=60 cm，H=80 cm。为了对比排水板布置形式不同而产生的效果，本次试验将2种布置形式的对比试验同时进行。

试验中所采用的竖向排水材料为符合现行规范的B型塑料排水板(加工后宽度为2.5 cm，厚度为4.0 mm)；排水板连接管采用直径2 cm的PVC管，密封材料为2层0.12～0.14 mm的密封膜。

在试验中采用1∶4的缩比例尺模型，一般目前工程中常用的排水板布置方式为间距80 cm的正方形。因此本试验采取20 cm间距正方形布置形式和最大排水距离等效的等腰三角型布置形式(见图2)。

另外，真空过程中水气分离和真空度保持，需要在真空泵和模型箱中间设置气水分离的排水桶和保持真空的压力平衡桶，整个试验装置布置形式见图3。

试验中选取旋片式真空泵，极限真空>0.09 MPa。排水桶与压力平衡桶采用全密封的铁桶；排水桶顶盖和侧壁底端各焊接2个接管接口和1个排水阀门；压力平衡桶顶盖焊接3个接管接口和1个真空测量阀门。

为了在真空试验过程中观测真空度、沉降等数据，在2个模型箱密封膜下各布置真空表1个、膜下10 cm土体内各布置真空表1个，压力平衡桶安置真空表1个，另外安置土体的沉降观测专用尺子和铅锤等。

3试验实施及数据

为了有针对性地对比上述2种排水板布置方案的加固效果，分别从试验土样表面沉降的变化过程和真空表的观测数据进行分析。

3.1试验土样表面沉降数据

2种排水板布置方案土样加固过程中的表面沉降大小见图4～5。由于存在真空膜铺设无法完全贴合、模型箱缩比例尺寸后边缘的影响等材料仪器布置问题，真空泵启动时瞬间沉降比较大(试验中观测值在5～10 cm)，由于很难区分瞬间沉降和材料仪器布置影响的区别，因此去除了真空泵开泵最初10 min内的沉降数据。

从图4～5可以看出，2种布置形式实际上对于吹填土的压缩效果是比较接近的，也就是说在采用最大排水距离等效的情况下，正方形布置形式和等腰三角形布置形式最终真空预压处理的效果是相近的。

3.2真空表数据

在试验装置中安置了5个真空表，2个模型箱密封膜下各布置真空表1个，膜下10 cm土体内安置真空表1个，压力平衡桶安置真空表1个，具体数据见图6。

从图6可见，在模型试验中，真空度发展非常迅速，在试验开始很短时间内真空度趋向稳定。压力平衡筒、2种排水板布置的膜下PVC抽真空管内的真空度基本稳定在真空泵的压力0.9 MPa左右，在试验前期缓慢增加，中后期慢慢下降。

而2种排水板布置的膜下土体内的真空度增加很少，只能达到真空泵的1/10左右，说明在排水板周边的吹填土中真空度消散非常快速；在试验末期吹填土中真空度反而缓慢增加，可能是由于土体固结稳定后孔隙有所发展所致。

3.3土性指标数据

试验土样为温州市龙湾二期围垦工程二标吹填试验区。土粒比重为2.75，液限为48.92%，塑限为25.49%，试验前后土样指标参数见表1。

从含水率、湿密度和孔隙比试验前后数据来看，基本符合工程实际情况，说明模型试验设计和实施都比较合理。

4结论

(1)采用模型试验模拟浅表层吹填土的真空预压处理技术中，真空度随排水板沿深度的消散和在土体内部传递中的消散不可忽略。在这些区域，驱动土体固结发展的可能并不是真空度的传递，而是土中水的缓慢渗流。

(2)最大排水距离应该是衡量不同排水板布置方式效果的关键数据。在不同排水板布置形式中，如果最大排水距离是等效的，在土体表面沉降和真空度的效应上基本近似。

(3)在浅表层吹填土真空预压处理技术的室内模拟中，关于模型比例参数、试验时间和选取仪器材料布置影响的问题还有待进一步深入研究，以便于更接近地模拟真实工程情况。

参考文献：

[1]鲍树峰,董志良,莫海鸿,等. 新近吹填淤泥地基真空固结排水系统现场研发[J].岩石力学与工程学报,2014,33(A2)：4218-4226.

[2]叶竞雄,李晨,王鑫文,等.天津滨海新区某工程吹填淤泥质土地基承载力检验分析[J].中国水运,2015,15(3)：332-333.

[3]吴兴龙,张开伟,徐剑.无砂垫层真空预压在吹填淤泥软基处理中的效果分析[J].岩土工程技术,2013(6) ：315-320.

[4]胡继业,王波,刘宏伟,等.惠州荃湾吹填淤泥地基浅表层真空预压处理[J].水运工程,2015,507(9)：152-157.

[5]袁保军,方伟.中厚层吹填淤泥超软地基一次真空预压处理现场试验[J].水运工程,2015,503(5)：202-206.

[6]吴月龙,朱方方,张红,等.改进型真空预压法在沿海吹填淤泥地基处理中的应用[J].土工基础,2014,27(5)：4-8.

[7]陈平山,董志良,张功新.新吹填淤泥浅表层加固中“土桩”形成机理及数值分析[J].水运工程,2015,500(2)：88-94.

[8]郑新亮,武霄,陈允进.吹填淤泥排水加固沉降计算的新方法[J].水运工程,2014(8)：159-162.

[9]鲍树峰,周琦,陈平山,等.负压非均匀分布边界条件下砂井地基固结解析[J].水运工程,2015,501(3)：12-20.

[10]鲍树峰,董志良,莫海鸿,等.高黏粒含量新吹填淤泥加固新技术室内研发[J].岩土力学,2015,36(1)：61-67.

[11]史燕南,俞炯奇,周剑锋,等.吹填淤泥固化室内试验研究[J].水运工程,2014,491(5)：138-142.

(责任编辑郎忘忧)

Laboratory Simulation Study on Vacuum Preloading Technology of Shallow Surface Dredger Fill

LI Tao,HU Xiao-yang, CHEN Da, CAI Guang-jie, ZHANG Ji-mian, MENG Xin, GAO Jian

(Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, Zhejiang, China)

Key words:vacuum preloading technology; indoor model simulation; shallow surface dredger fill; reclamation silt

Abstract:For the vacuum preloading technology of shallow surface dredger fill, from the perspective of simulation model test, different arrangement forms of drainage board were studied. Through the implementation of model test and the measurement of soil surface subsidence and vacuum degree, it was argued that the vacuum degree dissipation along with drainage board in depth and soil internal transfer cannot be ignored in fact. In these area, soil consolidation development may not be caused by the vacuum degree transfer, but the slow seepage of soil water. However, the maximum drainage distance should be the key data to measure the effect of different drainage board arrangement.

收稿日期：2016-01-29

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(201511481004)；水利公益性行业科研专项经费项目(201401010)。

作者简介：李涛(1977-)，男，副教授，博士，主要研究岩土数值计算及工程安全监测。Email：litao@zjweu.edu.cn

中图分类号：TV411

文献标识码：A

文章编号：1008-701X(2016)02-0005-03

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.002