真空预压法处理吹填超软地基10 a进展及展望

2020-02-24李明东潘耀森郎钞棚戴仁辉董金奎柴新军

科学技术与工程 2020年1期

李明东, 潘耀森, 郎钞棚, 戴仁辉，董金奎，牛刚，柴新军

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院,南昌 330013；2.中煤第三建设(集团)有限责任公司，宿州 234000)

填海造陆是沿海国家拓展空间的重要手段,具有缓解人地冲突、优化生态环境、保障粮食安全、促进经济发展等重要作用[1]。荷兰、日本、中国、美国、新加坡、印度和马来西亚等[2-4]都开展了大量填海造陆工程,如表1所示。大量港池、航道、污染河湖需要进行清淤。美国年均航道疏浚量约2×108m3,英国年疏浚量约4 000×104m3,日本年均港口疏浚量约1 800×104m3,2017 年中国疏浚量突破10×108m3[5]。这些吹填疏浚土也常用造陆的方法来处理,同时提供建设用地。由于吹填土含水率极高、抗剪强度极低、压缩性极大,吹填地基属于超软地基,其承载力低、后期沉降大、沉降过程缓慢,需要对地基进行处理,以改善地基性能。

表1 部分国家(地区)吹填造陆规模和典型工程

瑞典学者Kjellmen于1952 年提出用真空预压法处理地基,通过抽真空在土体内部形成局部负压,降低孔隙水压力,增加有效应力,达到压密土体的目的。真空预压地基处理系统由抽气系统、排水(气)系统和密封系统三部分组成,排水系统由竖向排水体和水平滤管构成,如图1所示。传统真空预压法采用真空泵或射流泵作为抽气系统,采用内置水平滤管的地面砂垫层作为水平排水体,采用袋装沙井或塑料排水板作为竖向排水体,上覆塑料薄膜并将四周埋入密封沟形成密封系统。随着射流泵的采用、塑料排水板的推广和密封技术的日趋成熟,真空预压法的技术经济优越性逐渐展现,被广泛应用于公路、港口、水利等软基加固工程[9]。

图1 真空预压技术原理图Fig.1 Schematic diagram of vacuum preloading technology

21世纪初,中国开展了大量的围填海工程,采用真空预压处理这种吹填超软地基时,遇到了吹填土表面不具备机械施工条件、排水板淤堵、排水板弯折、真空度随深度严重衰减等问题,导致处理效果不理想。近十年来,针对这些问题开展了大量研究,研发了新产品,改良了工艺,探索了联合处理技术。总结归纳近10 a来真空预压法处理吹填超软地基的进展,指明各种技术的特点,对新吹填工程地基处理方案的选择具有指导意义；分析可能的研究发展方向,供科研和工程人员参考。

1 真空预压法处理吹填超软地基的施工工艺

1.1 吹填超软地基表面施工工作面搭建工艺

图2 砂被垫层三维示意图Fig.2 Three-dimensional diagram of sand-bed

新近吹填土淤泥地基表面承载力极低[10，11],无法直接实施真空预压地基处理的插板等工作。为解决这个问题,常规做法是自然晾晒2～3 a,表层自然干化后形成可以承受人工甚至机械的硬壳层,再进行深层真空预压。自然晾晒存在时间长、多雨地区效果差的问题[12],需要寻找快速有效的处理方法。中交四航工程研究院研发了“二次处理技术”[13],即先进行30 d的浅表层真空预压预处理,同时水力吹填1.0 m的粉细砂垫层并机械铺设0.5 m的中粗砂垫层,再真空恒载45 d后卸载,形成厚度为15～30 cm的硬壳层[14],可以作为承载排水板施工设备的工作面,然后再进行传统真空预压[15]。相对于传统方法,该法极大地缩短了工期,成本稍有增加,适合于砂源丰富的地区。也可采用一种大面积砂被垫层,如图2所示,它包括整体性较强的扁平结构体和限制土体侧向流动的复合式柔性结构。砂被垫层与下卧吹填泥构成一个整体承力体系,承载力高,可用作新近吹填淤泥地基一次性真空预压处理的工作平台[15]。砂被垫层法一次性排水处理就能进行深层排水板施工工期短、效果好。泡沫浮桥法采用高密度平板式泡沫在泥面上连续铺设临时浮桥,接着铺设无纺布,在浮筏上人工插设排水板[16]。每两排塑料排水板间铺设滤管,在其上铺设一层三维复合土工排水网[17],铺设密封膜、安装射流泵后即可进行真空预压。由于浮桥、三维复合土工排水网等材料可以重复利用,泡沫浮桥法的成本仅为传统真空预压的58.8%[17]。目前砂被垫层法和泡沫浮桥法的设计还处于半经验阶段,尚需对设计计算方法开展系统研究。

1.2 避免淤堵的施工工艺

传统真空预压过程中易出现排水板淤堵问题,出现淤泥抱团[18]、土柱等现象,导致排水固结效率降低、工期延长、排水板周围土体强度随着水平距离增加而衰减等问题,问题迫切需要解决。研究发现淤堵主要原因包括细颗粒随水流在排水体处逐渐累积[19],真空荷载不分级,或者分级梯度过大[20]。发现对相邻竖向排水体在同一时间施加不同的真空度,实现对超软土的异步真空吸水预压,试验结果表明,异步真空吸水法的排水量较传统真空预压法提高了29.3%,处理后土体含水率较传统方法降低了4.5%,十字板剪切强度提高了30%,处理后效果优于传统真空预压法仍须加强对异步真空预压真空度的优化研究,以进一步降低淤堵的影响,并探究异步真空预压的防淤堵机理[21-22]等。

1.3 底部抽真空施工工艺

传统真空预压法中真空由土层顶面向深部传递,底部抽真空则是将真空压力直接传输到底部,再由底部向上传递,如图3所示。采取底部真空预压对土层进行处理,相比传统真空预压法,新方法使土层含水率降低了10%,干密度增大了11%,不排水抗剪强度提高了35%,排水量较传统方法增加了38.5%[23],沉降量比传统增加了30%，最终沉降增加了22%[24]。还有一种吹填淤泥造陆的预压结构及方法,即将竖向排水体与降水管结合[25],如图3所示,能降低地下水位,提高自重应力,改善处理效果[26]。底部抽真空预压法目前尚处于试验研究阶段,在实际的大尺度工程实践中,真空度随深度的传递规律、加固土体性能沿深度的变化规律等尚有待研究,为技术推广应用提供依据。

图3 底部抽真空预压地基的结构布置图Fig.3 Schematic diagram of the structure for vacuum preloading from bottom

2 真空预压法处理吹填超软地基的材料

2.1 竖向排水体的改进

竖向排水体(预制塑料排水板,PVDs)是真空预压中必备材料,其中塑料排水板最常用[27-29]，其主要优点包括排水能力良好[30]、经济实惠[31]、使用方便[32]。原有普通竖向排水体易出现淤堵、弯折问题,导致加固效果下降、工期延长。经研究发现塑料排水板滤膜孔径在0.01 ～0.075 mm最易发生淤堵[33]。分别用孔径120 μm 的整体式排水板和普通排水板 (孔径40 μm)进行水力梯度为i=10的梯度比试验,发现前者梯度比大于3开始出现淤堵,最终稳定在3.35,轻微淤堵。后者梯度比最终稳定在12.5,严重淤堵,表明了适当扩大滤膜孔径可以减轻淤堵。过大的滤膜孔径对整体式排水板效果的提升并不明显,且容易造成土颗粒过量流失[34]。一种防淤堵排水板[35],它的滤膜采用亲水性材斜、新型结构,并与芯材黏结在一起。对比试验发现防淤堵排水板的真空度在3 d内由50 kPa线性增加到90 kPa,增速达到普遍排水板高两倍以上。真空预压处理后的含水率下降量比普通排水板提高10%。室内试验和现场调查表明,周围淤泥过大的沉降可能导致PVDs严重弯折,如图4所示,不利于真空度的传导和超静孔隙水应力的消散[36-38]。研究竖向排水板的变形对真空预压的影响,发现z形变形使预压淤泥的抗剪强度降低了36.4%,s形变形为10.0%[39]。从图4可以看出,部分PVDs在预压后仍然保持直线[37]。沉降自适应排水通道,如图5所示,骨架设有两段可压缩波纹软管,能适应淤泥层沉降而不发生弯折,确保排水通畅,提高了排水能力[40]。设置了与普通排水板连接的借口,方便与普通排水板连接；植物秸秆也可作为排水体,采用直径为45 mm的棉花秸秆捆进行室内试验,发现12 d沉降达到30 mm,表层含水率最大降幅为70%[41]。采用小麦秸秆作为排水体得到的地基沉降、土体含水量,不排水抗剪强度与传统真空预压的加固效果相近,且与传统方法相比,小麦秸秆用106.09元/m2,传统为144.5元/m2,总成本可节约26.58%[42]。研发沉降自适应排水通道、秸秆排水体的生产设备和施工机械,对于技术推广至关重要。采用透水管桩进行了室内试验,安装透水管桩实验组的超静孔压消散速度比普通桩要快15%[43],经试验发现使用透水桩作为排水体进行真空预压,兼具复合地基和真空预压的功能,使软弱地

图4 变形的PVDsFig.4 Deformed PVDs

图5 沉降自适应排水通道 Fig.5 Settlement-adaptive drainage channel

基处理后承载力达到普通桩的70%[44-45]。图6为透水管桩模型,由塑料水管经冲压钻孔加工而成,水管表面贴滤布,端口固定锥形塑料接头。尚可对排水桩与淤泥的界面作用开展研究,探究固结过程中桩土界面荷载发展过程和机理。

图6 透水管桩 Fig.6 Permeable pipe pile

2.2 砂垫层、密封膜的改进

砂垫层在传统真空预压法中具有排水层作用,它将真空度传递到排水体上,有助于在软黏土上形成具有一定承载力的工作面[46]。塑料薄膜通常作为密封膜用来密封整个区域,从而形成一个密闭环境。由于一次只能放置有限尺寸的薄膜,大面积吹填工程需要进行场地划分,使用内堤来分隔和锚定膜[47]。修筑内堤造价高且费时,直接用水平排水管带连接排水板来取代密封膜,气密性不好[48]，用一层黏土浆料覆盖在水平真空管顶部,如图7所示,排水体使用特殊设计的连接器连接到水平真空管,来替代砂垫层。试验验证发现固结度仅比砂垫层法小2%,节约了砂垫层成本[47]。采用无砂垫层真空预压现场试验,抽真空预压72 d,极限承载力由6 kPa上升到112 kPa,满足了设计要求[49]。研究发现调整砂垫层位置也能促进加固效果,即在吹填前在原始地表先设置砂层,再通过PVDs对砂层进行抽真空,可提高真空预压的效果。对比试验发现在100 d时改进方法的真空度提高了20 kPa。密封膜的环保性能越来越受到重视,研发可降解密封膜或可回收密封膜意义重大。

图7 排水体连接器示意图 Fig.7 Schematic diagram of drainage connectors

3 真空预压联合法处理吹填超软地基

3.1 真空堆载联合预压

对于承载力要求较高的建筑物,采用传统真空预压法往往难以达到要求。采用真空堆载联合预压对连云港矿石堆场软土地基进行处理,发现含水率减少了13.1%,孔隙减小了0.533[50],进行室内试验发现,含水率下降比传统真空预压大15.77%,最终沉降比传统真空预压增加了30%[51]。主要原因在于真空堆载联合预压能增大预压荷载,从而加速孔隙水的排出,增强加固效果。

3.2 真空电渗联合预压

图8 真空-电渗-堆载联合预压系统原理图Fig.8 Schematic diagram of preloading via vacuum-electroosmosis-stowage system

电渗法是一种新兴加固方法,具有加固速度快的优势,对渗透系数小、固结缓慢的淤泥、黏土等有良好效果,在工程中得到应用[52-54]。用电渗处理含水率100%的软土7.5 d后,含水率下降为36.2%,土样中小于0.005 mm 颗粒粒径从38%降至22%,塑性指数由15.16降至12.78[52]。但是电渗法存在阳极腐蚀严重、耗能高、地基土体性质处理不均的缺点。电极和土体接触面电阻很大,仅土壤-电极接触中,大约有21%的电压损失[55]。在真空-电渗联合法[56]的基础上使用EKG (electro-kinetic geosynthetics)电极材料的电极、不易腐蚀的导电塑料排水板进行了真空电渗联合试验研究,发现真空-电渗阳极处经处理后强度为26 kPa,比真空预压阳极处的强度提高了81.8%,电极腐蚀程度相比电渗法也大大减小[57]。真空-电渗-堆载联合预压系统将电渗、真空预压和堆载预压三种地基处理方法同时组合使用,优势互补,如图8所示[58]。现场试验[59]研究发现吹填土地基处理后各项物理力学性能得到明显改善,处理120 d后承载力达到110 kPa 。室内试验发现,经电渗后若有超一半面积含水率不变时,可以将阳极向阴极移动1/3的电极间距,这将提高电渗停止后的处理效果,阳极pH提高,腐蚀性减弱[55]。电渗可能只适用于真空预压最后阶段,经试验发现48 h电极周围土含水率从80%下降5%～10%,96 h后为含水率为55%,试验效果明显,其能耗占真空预压能耗的8%[60]。

3.3 真空化学联合预压处理

吹填淤泥颗粒细小、透水性差,使用化学方法改善提高其透水性,将大大改善预压效果。将SS-330和SS-331H加入淤泥后,淤泥的抗剪强度因化学反应增加了4～5倍,预压后的抗剪强度提高5～6倍[61]。加入高分子絮凝剂和脱水剂后,真空预压28 d的淤泥含水率下降量增加了6.9%[62],用氯化铁对软土地基进行预处理,发现淤泥的固结系数随着氯化铁加入量的增加不断增大,增加4～9倍[63]。真空预压前,在吹填土中加入2%石灰,表层土体的抗剪强度由20 kPa增加到26 kPa,60 cm深度处的抗剪强度值由8 kPa提高到20 kPa[64],整体沉降量增加了53.5%[65]。按室内试验结果推算,可节约工期和施工用电50%以上[65]。加入1%的代号为“S320”化学剂,真空预压14 d后表层土体的抗剪强度由4.8 kPa提高到30 kPa[66],研究发现主要原因是加入化学剂后土颗粒聚合成了大颗粒。研究发现,加入1%的代号为“S320”化学剂后,上清液pH超过11[67],需考虑由此可能造成的环境影响。现场水力吹填土体量大,尚需进一步研究混合工艺,以提高化学剂分布的均匀性[66]。

4 结论与展望

4.1 结论

总结了近10 a来利用真空预压处理吹填淤泥超软地基的进展,主要结论如下。

(1)二次处理技术、砂被垫层法和都能够构建吹填淤泥表面施工作业面,在砂源充足的情况下可选用二次处理技术,砂被垫层法用砂较少,泡沫浮桥法不需要砂源。

(2)排水体弯折和淤堵是真空度衰减的主要原因,严重影响真空预压的固结效果及工期。防弯折排水通道具有沉降自适应性,有利于减小真空度的衰减。采用秸秆作为排水体的优点是取材方便、成本低,还能缓解秸秆弃置焚烧等问题。防淤堵排水板使用效果好,可以加强推广。透水桩渗透系数大、强度和刚度高,透水桩联合真空预压地基能促进超静孔隙水压力的消散,兼具复合地基的功能,大幅提高地基承载力、减少工后沉降。

(3)采用无砂垫层的真空预压方法与传统真空预压方法处理效果相近,特别适用于缺少砂源的地区。

(4)当地基承载力目标较高时,根据地基土特征选择适合的联合预压能够改善处理效果,促进目标的实现。

(5)在对吹填淤泥中加入絮凝剂、高价金属离子、脱水剂有利于预压处理,主要原因在于土颗粒聚合成了大颗粒。

(6)底部抽真空能够实现更好的加固效果,在工艺成熟后应加强推广。