增压式真空预压在连云港软土地基处理中的应用

林岩，李彪，诸葛爱军

（1.连云港港口工程设计研究院有限公司，江苏连云港 222042；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，天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津 300222）

增压式真空预压在连云港软土地基处理中的应用

林岩1，李彪2，诸葛爱军2

（1.连云港港口工程设计研究院有限公司，江苏连云港 222042；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，天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津 300222）

通过在对连云港地区软地基处理中增压式真空预压和直排式真空预压应用情况的对比试验，探讨了增压式真空预压和直排式真空预压的区别。根据孔隙水压力监测及工后检测结果，研究了增压式真空预压在增压段内的孔隙水压力变化，并对两种真空预压方式的处理效果进行对比，结果表明：增压管在真空预压过程中能够传递真空压力；在增压过程中，高压空气从增压管处向上进入膜下，导致膜下和正常排水板处真空压力降低，并没有达到增压的预期目的；两种真空预压方式对于地基的加固效果相当；增压式真空预压的加固原理及施工方法还有待进一步研究和改进。

增压式真空预压；直排式真空预压；孔隙水压力；固结沉降；十字板剪切强度；孔隙比

0 引言

直排式真空预压和增压式真空预压都是在常规真空预压基础上发展而来，和常规真空预压相比，它们都具有真空利用率高、原材料省、工程造价低和对环境友好等特点[1-3]。直排式真空预压和增压式真空预压加固软基的原理同常规真空预压加固相同，只不过直排式真空预压取消了常规真空预压中的水平排水砂垫层，将软基中的垂直塑料排水板和真空抽气管直接连接，消除了真空压力传递过程中的水平排水砂垫层中的能力损耗，提高了排水板内的真空压力和真空作用能效[3]，增压式真空预压在直排式真空预压的基础上布置增压系统，在抽真空后期适时增压。增压采用间歇式增压，首先保持膜下真空度在80 kPa以上，然后逐步加正压至200 kPa并2 h后停止增压，改为正常抽真空模式，具体增压压力与持续时间可根据现场实际情况做适当调整。软土地基中的自由水在真空压力作用下，向排水板移动，孔隙水压力减小，有效应力增加，土体发生固结。但由于淤泥土的渗透系数很小，黏粒含量很高，导致真空预压后期，加固效果不明显[1-2]。增压时，增压管内为正压，排水板内为负压，自由水在增压管和排水板之间的压差作用下向排水板定向流动，加速了自由水的排出速度，进而使土体的有效应力增加，加速土体固结[1-2]。

本文介绍增压式真空预压和直排式真空预压在连云港地区的应用情况，研究了增压式真空预压在增压段内的孔隙水压力变化，并对两种真空预压方式的处理效果进行对比。

1 工程简介

本工程位于连云港旗台作业区，北侧为30万t航道（连云港区）及相应码头泊位，南侧为旗台山与南防波堤。本项目的地基土为Q4后期沉积土和近期人工吹填土，主要土层有流泥、淤泥及粉质黏土等。这种土由于沉积历史较短，具有含水率高、压缩性大、强度低、透水性差的特点，同时地基土在自重作用下未达到完全固结，处于欠固结状态。地基土层由上到下依次为：

①1流泥：近期人工吹填而成，灰色，高压缩性，流塑。场区普遍分布。

①2淤泥：近期人工吹填而成，灰色，高压缩性，软塑。由人工吹填形成，主要以淤泥为主，部分加固区含有粉土夹层。

②淤泥：海相沉积土层，灰色～灰青色，高压缩性，软塑，场区普遍分布。

③粉质黏土：海相沉积土层，灰褐色，中等压缩性，硬塑。部分加固区为黏土。

由以上地质情况可知，淤泥的物理力学性质较差，必须经地基处理后才能满足沉降和稳定的要求。真空预压是处理吹填土地基最常用的方法，鉴于常规真空预压在连云港地区遇到的瓶颈，试验段优先考虑直排式真空预压和增压式真空预压进行加固，为比较增压式真空预压和直排式真空预压在加固效果及经济上的优劣，以及为以后地基加固工程提供设计依据，设立试验段进行验证分析。增压式真空预压和直排式真空预压主要设计参数如表1所示。增压式真空预压工艺断面布置图见图1。

表1 加固区主要设计参数Table 1 Main design parameters of reinforcement area

图1 增压式真空预压工艺断面布置示意图Fig.1 Schematic diagram of section layout of the vacuum preload ing w ith air pressure boost

增压式真空预压施工工艺为：先在待处理区域铺设1层150 g/m2编织土工布与1层竹笆，然后铺设0.6 m风化砂垫层，待铺设完工后，插打防淤堵型塑料排水板（深度25 m），塑料排水板间距为0.8 m，正方形布置，插板完成开始打设增压管（总长度为5 m，埋深大于2 m，与其相应位置排水板搭接长度不小于3.0 m，排水板板头反弯进淤泥不少于1.5 m），待增压管和排水板全部施工完毕后，再依次铺设真空管（用四通手型接头与排水板相接）与增压管（与气压管相接）、1层150 g/m2编织土工布、1层200 g/m2高密度宽幅短丝针刺无纺土工布与2层PVC密封膜，铺设完成后开始抽真空。

直排式真空预压方案施工工艺为：先在待处理区域铺设1层150 g/m2编织土工布与1层竹笆，然后铺设0.6 m风化砂垫层，待铺设完工后，插打防淤堵型塑料排水板（深度25 m），塑料排水板间距为0.8 m，正方形布置，插板完成半个月后，再依次铺设真空管（用四通手型接头与排水板相接）、1层150 g/m2编织土工布、1层200 g/m2高密度宽幅短丝针刺无纺土工布与2层PVC密封膜，铺设完成后开始抽真空。

2 增压过程中监测数据分析

本工程1区（增压式真空预压区）铺膜完成后15 d真空压力达到85 kPa，在抽真空103 d后开始增压，增压压力为800 kPa（空压机处），18 d后增压结束，增压完成后继续抽真空直至卸载。为了分析增压过程中高压空气的去向和是否达到增压的目的，特在增压区中布置1个增压监测断面，分别在增压管、排水板和增压管、排水中间土体内延深度方向埋设孔隙水压力测头，具体埋设位置如图2所示，观测结果如图3～图6所示。

图2 增压式真空预压增压监测断面布图Fig.2 Pressure boost monitoring section layout of the vacuum preloading w ith air pressure boost

图3 增压管处真空压力-时间曲线Fig.3 Vacuum pressure-time curve of the booster tube

图4 排水板处真空压力-时间曲线Fig.4 Vacuum pressure-time curve of the Plastic drain board

图5 孔隙水压力（S1）-时间曲线Fig.5 Curve of pore water pressu re(S1)-time

图6 孔隙水压力（S）-时间曲线Fig.6 Curve of pore water pressure(S)-time

由图3和图4可以看出，当正常抽真空时，增压管连接负压源也可以将真空压力传递到其相同位置的排水板内，只是真空压力在这个传递过程中较正常排水板损失大。

通过图4和图5可以看出正常抽真空时地表测头的真空压力（约为50 kPa左右）要比排水板内的真空压力低。其原因有二：一是由于在打板过程翻浆及打板后地下水随排水板渗出，导致场地泥浆满布，地表侧头处于泥浆中；二是由于增压式真空预压为直排式，膜下压力要低于排水内压力。

由图3～图6可以看出，在增压时，增压管处排水板和正常排水板内的真空压力有很大变化（增压管处排水板内真空压力降低了20 kPa左右，排水板内真空压力降低了40 kPa左右），并且地表的真空压力也降低约15 kPa左右，但埋在土体中的孔隙水压力并没有变化且在增压结束后也没有明显变化。

现假设两种情况，一种是增压过程中，高压空气没有穿透土体，只是在土体侧面形成正压，增大排水板和增压管之间的压差，使土体中的自由水向排水板方向移动，加速自由水的排出（如图7中第一种情况所示），另一种情况是增压过程中，高压空气穿透了土体，将自由水带到排水板内排出（如图7中第二种情况所示）。如果增压过程中正压传递同第一种情况一样，那么土体中的孔隙水压力测头会有先上升后下降的趋势，而排水板内的真空压力不会变化；如果增压过程中正压传递同第二种情况一样，那么土体中的孔隙水压力测头会出现先上升，增压结束后孔隙水压力测头迅速下降的趋势，排水板内的真空压力会迅速减小。但现场观测结果表明，在增压时增压管处排水板内的真空压力和正常排水板内的真空压力都迅速减小，土体内的孔隙水压力没有上升或下降的变化，增压结束后也没有消散加快的趋势，这表明正压没有像假设的一样对土体固结排水起到作用，而是穿过增压管上部土体进入膜下，导致膜下和正常排水板处真空压力降低。

图7 增压过程正压传递示意图Fig.7 Schematic diagram of positive pressure transfer in pressurization process

3 检测数据分析

真空预压加固前后分别在1区和2区进行了现场十字板剪切试验和现场取土及室内试验。

3.1 加固前后土的物理指标的变化

加固后1区（增压式真空预压区）和2区（直排式真空预压区）的土体含水率、孔隙比均有所降低。加固前后土的物理指标有明显变化，其变化情况如表2所示。

表2 加固前后土的物理性质指标变化统计Table 2 Index changes of physicalproper ties of soilbefore and after the reinforcement

通过表2可以看出，加固前含水率：1区（增压式真空预压区）为75.8%，2区（直排式真空预压区）为74.5%；孔隙比：1区为2.082，2区为2.046。由此可见，加固前土性基本一样，差别不大。加固后增压式真空预压区含水率降低了13.6%，孔隙比降低了0.337；传统真空预压区含水率降低了13.8%，孔隙比降低了0.346。

由以上对比可知，真空预压结束后土的物理指标均有很大改善，考虑土质均匀性差别和检测误差，可以认为在本工程中两种真空预压方式的加固效果大致相同。

3.2 加固前后十字板剪切强度的变化

加固前后十字板剪切强度均值见表3，加固前后十字板剪切强度如图8所示。

表3 加固前后十字板剪切强度变化统计Table Changes of the cross p late shear strength before and after the reinforcement kPa

图8 十字板剪切强度随加固深度变化曲线Fig.8 Changing curve of the cross p late shear strength w ith the reinforcementdepth

通过表3和图8可以看出加固后土体的抗剪强度均有所提高。1区十字板剪切强度均值为21.3 kPa，2区为22.0 kPa，加固前两个区十字板剪切强度均值相差不大。加固后1区、2区、十字板剪切强度均值分别为36.0 kPa、37.1 kPa。由此可见增压式真空预压区和传统直排真空预压区加固前后十字板剪切强度增长量相当。

4 结语

通过对增压式真空预压和直排式真空预压的现场对比试验，可以得出以下结论：

1）增压管在抽真空时能够传递真空压力，但真空压力随深度衰减较正常排水板处大；

2）本试验中，增压式真空预压在增压过程中，高压空气从增压管处向上进入膜下，导致膜下和正常排水板处真空压力降低，并没有达到增压的预期目的；

3）增压式真空预压和直排式真空预压对于地基的加固效果相当；

4）增压式真空预压的加固原理及施工方法还有待进一步研究和改进。

[1]刘浩，余学鹏，崔俊杰，等.增压防堵真空预压加固吹填土对比试验研究[J].铁道标准设计，2014，58（1）：28-33. LIU Hao,YU Xue-peng,CUI Jun-jie,et al.Comparative experiment study on the strengthening of dredger fill using vacuum preloading method based on pressurization and anti-clogging technology[J].Railway Standard Design,2014,58(1):28-33.

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[5]JTS 147-1—2010，港口工程地基规范[S]. JTS 147-1—2010,Code for soil foundations of port engineering [S].

App lication of air-boosted vacuum preloading on soft soil foundation treatment in Lianyungang

LIN Yan1,LIBiao2,ZHUGE Ai-jun2
（1.Lianyungang Port Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222042,China;2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory ofPort Geotechnical Engineering,Ministry ofCommunication,Key Laboratory of Geotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin Harbor Engineering Quality Testing Center Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Through the contrast test of the vacuum preloading with air pressure boost and the direct vacuum preloading in the soft ground treatment in Lianyungang area,we discussed the difference between the two methods.According to the pore water pressure monitoring and test results after work,we studied the change of pore water pressure of the vacuum preloading with air pressure boost,and compared the treatment effectof the two kinds of vacuum preloading method.The results show that:booster tube in the process of vacuum preloading can transfer vacuum pressure;during the pressurization process,the high pressure air from the booster tube enters the vacuum system,leading to the reduction of the vacuum pressure of the vacuum system and the expected goal of the air pressure boost is notachieved;the two kinds of vacuum preloading method for the consolidation effect of the foundation is quite;the reinforcement principle and construction method of the vacuum preloading with air pressure boost stillneeds further research and improvement.

vacuum preloading with air pressure boost;direct vacuum preloading method;pore water pressure;consolidation settlement;vane shear strength;void ratio

U655.544.4；TU472.33

A

2095-7874（2016）11-0046-06

10.7640/zggw js201611011

2016-06-13

2016-08-26

林岩（1982— ），男，河北石家庄人，硕士，工程师，主要从事岩土工程地基处理等方面的工作。E-mail：19820411linyan@163.com