水平排水板真空预压法处理吹填土现场试验研究

王海燕，张文彬，刘凌云，谢锦波，胡小波

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200030）

水平排水板真空预压法处理吹填土现场试验研究

王海燕，张文彬，刘凌云，谢锦波，胡小波

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200030）

常规的竖向排水板真空预压处理新近吹填流泥的平均压缩量可达30%~40%，呈明显的大变形特征，排水板弯曲变形严重，导致排水板中的真空度沿深度衰减较大，影响最终加固效果。针对吹填流泥的工程特性，通过对比试验，研究了水平排水板真空预压法在该类场地的应用。试验结果表明，水平板真空预压通过竖向管及水平向排水板组成排水体，能有效的保证其通水量和真空度的传递效果；且随着土体固结，在深度方向相邻排水板间距缩小，能有效减小排水距离，减少固结时间；其加固效果，尤其对深层土体的加固效果，要明显优于竖向板真空预压。

真空预压；吹填流泥；水平排水板；地基承载力

0 引言

近年来，沿海地区利用航道疏浚淤泥作为吹填材料的吹填造陆工程日益增多；经水力吹填形成的陆域场地，含水率高达80%以上，新近吹填的场地甚至可以达到200%左右。许多工程实践表明，运用真空预压法处理后，吹填场地沉降量非常显著，但加固后的强度相对较小[1]；基于上述原因，许多学者通过优化处理方案和施工工艺等措施[2-7]，以期改善该类场地的加固效果。但是，这些方法均是在常规竖向板真空预压基础上的优化改进。在实际工程当中，竖向板真空预压处理新近吹填流泥的压缩量可达30%~40%，呈明显的大变形特征，排水板弯曲变形严重，导致排水板中的真空度沿深度衰减较大，影响最终的加固效果[8]。

有鉴于此，考虑真空预压法处理该类场地侧向收缩不大，若将排水板水平布置形成水平板真空预压，能有效减少排水板的弯曲变形，改善真空度的传递效果。国外学者[9-11]针对水平板真空预压进行相关试验研究；成功研制了插板设备[12]，并在实际工程中取得了较好的加固效果；而目前在国内尚未见过相关文献的报道。本文依托温州某吹填造陆工程，通过竖向板真空预压和水平板真空预压现场试验，研究了2种工艺加固吹填流泥的沉降变形、孔隙水压力、含水率、十字板抗剪强度、地基承载力的变化规律，探讨了水平板真空预压对流泥变形和强度的变化规律，并对其施工工艺进行初步研究。

1 试验方案

试验区位于温州某吹填造陆工程场地中，吹填土深度在3.8~4.2 m之间，试验区吹填土的主要物理性质指标如表1所示，可知吹填土黏粒含量高达50%，粉粒含量达到47%，表现出高黏粒特征。

表1 试验区吹填土主要物理性质指标Table1 Physical properties of the blown filled mud in test area

试验区分为A、B、C、D 4个小区，其中A区插设水平排水板，竖向及水平间距均为60 cm；B区插设水平排水板，竖向及水平间距均为80 cm；C区插设竖向排水板，间距60 cm，正方形布置；D区插设竖向排水板，间距80 cm，正方形布置；试验区排水板均采用SPB100系列A型排水板；试验区及水平排水板平面布置如图1，水平排水板剖面布置如图2。为保证各小区工况一致，考虑试验区均面积较小，将A、B、C、D 4个小区铺设在1块真空膜下、作为1个大区进行真空预压，并在中央布置1台7.5 kW射流泵，如图1。

图1 试验区平面布置图（单位：m）Fig.1 Site plan of the test area（m）

图2 水平板真空预压剖面示意图Fig.2 Section view of vacuum preloading method employing horizontal drains

2 施工工艺

水平板真空预压适用于处理经水力吹填形成的高含水率，高黏粒的陆域场地，水平板真空预压的优势如下：1）在抽真空过程中，由于土体侧向收缩不大，水平向排水板弯曲很小，能有效的保证排水板内真空度的传递效果。2）在竖直方向，采用具有一定柔性和环刚度的管子作为竖向排水体；土体固结过程中，管子能适应土体的变形而弯曲，且其内径保持不变，能有效的保证竖向管内真空度的传递效果。3）土体的固结过程主要以竖向固结为主，尤其是吹填土，加固后土层压缩量可占整个吹填土层厚度的30%~40%。水平板真空预压加固吹填土时，随着固结的进行，深度方向上相邻排水板间距大幅缩小，能有效减小排水距离，减少固结时间，改善加固效果。

为发挥水平板真空预压的优势，实现其工程应用，本次试验采取工艺如下：1）在竖向管的选取方面，比选了波纹管、真空滤管及钢丝软管，综合考虑真空度传递效果、弯曲而不弯折特性及材料经济性，选择波纹管作为竖向管。2）在水平排水板的插设方面，排水体采用“一管一板”的方式（即1根竖向管底部绑扎1根水平排水板；排水板与波纹管绑扎部位管壁需事先打满小孔，以保证真空压力能由竖向管传递至水平排水板中）；并设计了专门的水平板插板器，如图3。3）在竖向管出泥段与泥面上水平滤管的连接方面，设计了专门的多通连接管将同一剖面的竖向管与水平滤管连接。

图3 插板器Fig.3 Drain installation device

主要施工工艺步骤如下：1）在泥面上铺设1层编织布，以形成施工人员行走、施工的平台；2）“一管一板”排水体的绑扎工作在吹填区外围的工作区完成，绑扎完成后搬运至试验区；竖向波纹管底端需无纺布绑扎密封，防止吹填土进入管内；排水板与波纹管绑扎部位管壁需事先打满小孔，以保证真空压力能由竖向管传递至水平排水板中；3）根据吹填土层的厚度，按由深到浅的顺序将预制的排水体逐一插入试验区中。插设排水体的工艺如下：①在预备插入排水体的区域铺设1排长度与水平排水板长度相当的、由泡沫板组成的施工平台；②施工人员用小刀在泡沫板一侧的编织布上割开1条长度与水平排水板长度相当的口子；③水平排水板平铺在口子中的泥面上；④施工人员均持有1个插板器，将插板器间隔放置在水平排水板上，使最下方的卡爪卡住水平排水板；⑤施工人员依据指令同时将水平排水板压入吹填土中，直至到达这一插设断面的设计深度；⑥重复步骤③至⑤插设这一断面其它深度处的排水体；⑦重复步骤①到⑥，插设其余断面的排水体。4）使用多通连接管将伸出泥面的竖向管与水平滤管相连，并安装出膜口；5）铺设编织布、无纺布和真空膜，将抽真空设备与出膜口连通；6）抽真空并进行监测控制。

值得说明的是，本次试验采用人工插板的方式效率仍然较低；待验证其有效性后，可在后续的研究中研制水平板插板系统[12]，加快插板效率。

3 试验成果及分析

3.1 真空度

试验区膜下真空度如图4所示。试验区采用20—40—80 kPa的真空梯度，其中20 kPa真空压力维持39 d，40 kPa真空压力维持12 d，80 kPa真空压力维持122 d。除设备故障、天气等因素的影响，导致真空度出现短暂下降外，真空预压期间真空度基本维持在80 kPa左右。

图4 膜下真空度时程曲线Fig.4 Variation of vacuum degree with respect to time

3.2 泥面沉降

试验区泥面沉降时程曲线见图5，试验区泥面沉降统计分析如表2。试验结果可知：1）两种工艺下，60 cm排水板间距的沉降量均大于80 cm排水板间距。2）在相同的排水板间距下，水平板真空预压及竖向板真空预压泥面沉降的发展规律基本相同，其最终沉降相差不大。

图5 泥面沉降时程曲线Fig.5 Surface settlements with respect to time

表2 泥面沉降统计分析Table 2 Analysis of the surface settlements

3.3 孔隙水压力

采用压入法在吹填土中埋设振弦式孔压计，埋设位置均在4根排水板间的形心位置（即离排水板最远处），埋设深度为1.0 m和3.0 m，真空预压期间最大负超静孔隙水压力统计分析如表3所示。试验结果可知：1）两种工艺下，60 cm排水板间距区域的最大负超静孔隙水压力均明显大于80 cm排水板间距区域。土体中最大负超静孔隙水压力的变化，代表土中有效应力的增加。表明：缩小排水板间距，能有效改善土体加固效果。2）60 cm排水板间距区域，水平板真空预压在1.0 m和3.0 m深度处的最大负超静孔隙水压力比竖向板真空预压分别高3.29 kPa和4.22 kPa；80 cm排水板间距区域，水平板真空预压在1.0 m和3.0 m深度处的最大负超静孔隙水压力比竖向板真空预压分别高出1.26 kPa和1.54 kPa。表明：水平板真空预压的加固效果优于竖向板真空预压。

表3 最大负超静孔隙水压力 kPaTable 3 Maximum of measured excess pore water pressure

3.4 含水率

卸载后，在试验区50 cm、100 cm、150 cm深度处测试土体含水率，测试点均在4根排水板间的形心位置（即离排水板最远处），含水率沿深度的变化关系曲线见图6。试验结果可知：1）两种工艺下，80 cm排水板间距区域的含水率均明显高于60 cm排水板间距区域的含水率。2）在相同的排水板间距下，水平板真空预压50 cm深度处的含水率大于竖向板真空预压。这是由于水平排水板真空预压未设置水平滤管，使得其膜下真空度传递不如竖向排水板，浅层的加固效果不如竖向排水板；建议改进工艺，改善膜下真空度的传递效果。而100 cm、150 cm深度处的含水率均小于竖向板真空预压。这是因为：在竖向板真空预压中，土体固结导致竖向排水板严重弯折，影响其真空度传递及排水效果；而在水平板真空预压中，整个排水体系能有效减少真空度的传递损失。因此，水平板真空预压对于深层土体的加固效果要优于竖向板真空预压。

图6 试验区含水率Fig.6 Water content distribution of test area

3.5 十字板抗剪强度

卸载后，在试验区50 cm、100 cm、150 cm深度处进行十字板抗剪强度试验，测试点均在4根排水板间的形心位置，十字板抗剪强度沿深度的变化关系曲线见图7。试验结果可知：1）两种工艺下，60 cm排水板间距区域的十字板抗剪强度均明显高于80 cm排水板间距区域。2）在相同的排水板间距下，水平板真空预压50 cm深度处十字板抗剪强度小于竖向板真空预压；而100 cm、150 cm深度处的十字板抗剪强度均大于竖向板真空预压。这一现象与含水率变化规律相一致，并可以相互印证。

图7 试验区十字板抗剪强度Fig.7 Shear strength measured by vane shear test

3.6 浅层载荷板试验

试验区浅层载荷板试验最大加载荷载为100 kPa，分10次加载，承压板为边长70.7 cm、面积50 cm2的方形板。地基承载力特征值依据JTS 133-1—2013《水运工程岩土勘察规范》确定，试验区承载力特征值数据统计见表4，试验结果可知：1）两种工艺下，60 cm排水板间距区域加固效果明显优于80 cm排水板间距区域。2）在相同排水板间距下，竖向板真空预压的承载力特征值高于水平板真空预压。浅层载荷板试验一般用于测定地基承压板下1.5~2.0倍承压板的宽度或直径深度的承载力。表明：本次现场试验中，竖向板真空预压对于浅层土体的加固效果要优于水平板真空预压。这是由于水平板真空预压未在泥面全面积布置水平排水系统，且第1层水平排水板埋设在30 cm深度处。而竖向板真空预压竖向土柱部位强度较高，压缩性相对较小；载荷板试验时，此部位产生应力集中现象，能有效分担排水板间的部分应力，具有减沉的效果；因此，在载荷板试验中竖向板真空预压地基承载力相对较高。3）竖向板80 cm区域，承压板未按计划放置在土柱上进行载荷板试验，其承载力特征值仅为25 kPa，明显小于水平板80 cm区域的承载力特征值。表明：土柱对于承载力的贡献较大；因此，载荷板试验过程中，宜按复合地基静载荷试验要点，将承压板放置于土柱之上，其面积应为1根土柱承担的处理面积。

表4 试验区承载力特征值数据统计Table 4 Characteristic values of soil bearing capacity in test area

4 结论与建议

1）吹填土的固结过程呈大变形特征，常规的竖向板真空预压，排水板弯折严重，影响排水板的真空度传递和排水效果，对于深层土体的加固效果影响较大。而水平板真空预压通过竖向管及水平向排水板组成排水体，能有效的保证其通水量和真空度的传递效果；且随着土体固结，在深度方向相邻排水板间距缩小，能有效减小排水距离，减少固结时间；其加固效果，尤其是对深层土体的加固效果，要优于竖向板真空预压。但是，由于竖向土柱的存在及本次水平板真空预压排水体布置方式的影响，竖向板真空预压的浅层加固效果要略优于水平板真空预压，建议在今后的试验及工程中，应继续优化水平板真空预压工艺。

2）本次试验对水平板真空预压的施工工艺进行了初步研究，试验研究发现水平板真空预压加固效果较好，但是采用人工插板方式效率较低；拟在后续的研究工作中研制一种应用于吹填土中的水平板插板系统。

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Field experimental study on dredger fill flow mud improved by vacuum preloading method employing horizontal drains

WANG Hai-yan,ZHANG Wen-bin,LIU Ling-yun,XIE Jin-bo,HU Xiao-bo
（Shanghai Third Harbour Engineering Science&Technology Research Institute,Shanghai 200030,China）

The vertical drains are normally applied in vacuum preloading method for the treatment of blown filled mud,the volume compaction ratio can be as high as 30%-40%.However,the vertical drains may have serious deformations in this process,as a result,the vacuum degree in the drains significantly decreases with the increase of depth,and the final reinforcement effect is affected.Based on the engineering properties of the blown filled mud,we conducted contrast tests to investigate the application of horizontal drains in vacuum preloading method.The results show that the water capacity and the vacuum degree can be effectively maintained using horizontal drains vacuum preloading system which is composed of vertical pipes and horizontal drains.The vertical spacing of drains decreased along with the soil's consolidation,accordingly the distance of drains can be effectively reduced,and the consolidation time can be further reduced.The reinforcement effect, especially for the soil of deep level,is obviously better than vertical drains.

vacuum preloading;blown filled mud;horizontal drains;bearing capacity

U655.544

A

2095-7874（2016）11-0057-06

10.7640/zggwjs201612012

2016-06-14

2016-08-31

王海燕（1978— ），女，河北乐亭人，硕士，高级工程师，副总经理，岩土工程专业。E-mail：177175785920@163.com