吹填超软土直排式真空预压现场试验研究

刘健 周文皎 孙帅勤 万军利

（1.中交水运规划设计院有限公司，北京 100100；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100091）

为适应沿海地区港口建设土地资源短缺的需求，陆域形成常常采用疏浚淤泥作为吹填料，经水力吹填形成场地。吹填超软土含水率高，呈浮～流泥状，孔隙比大，基本没有强度［1-2］，须经过加固处理才能满足使用要求。通常采用真空预压法、真空联合堆载预压进行处理［3］。真空预压法以低廉的施工成本、较短的预压时间、较少的土石方用量、稳定的加载过程等优点而被广泛使用［4］，但在处理吹填超软土时也存在很多问题。

大连一处吹填超软土工程在经过常规真空预压联合堆载预压处理后，淤泥含水率仍然很大，强度提高很小，处理效果不佳，仍须进行二次处理。原因是：①场区吹填超软土微观特性有其特殊性，黏土矿物含量较高，黏土矿物中伊利石含量占2/3 以上，其次为伊蒙混层矿物、绿泥石和高岭石；②常规真空预压法真空荷载能量传递衰减快，排水效率低，导致处理深度有限；③塑料排水板影响半径有限，按照传统塑料排水板间距设计达不到要求的处理效果。

针对本场区吹填超软土的工程特性，本文采用直排式真空预压法［5］进行地基处理，开展了现场对比试验，结合各种监测、检测成果，对塑料排水板不同打设间距的加固效果进行研究，推荐最佳处理方案，为场区大面积施工及类似工程提供可借鉴的经验。

1 工程概况

该工程吹填总面积约66 万m2，吹填材料为港池航道疏浚淤泥，形成陆域表层2～6 m 为流泥，含水率85%～159%，平均含水率为125.8%，黏粒含量约为52%；下层为2～5 m 的淤泥，平均含水率为67.3%。上述地层具有高黏粒含量、高含水率、高压缩性、低强度、低渗透系数的工程特性，属典型吹填超软土地基。土层的主要物理力学指标见表1。

表1 主要处理土层物理力学指标

2 试验方案

根据JTS 147-2—2009《真空预压加固软土地基技术规程》要求，排水板间距宜为0.7～1.3 m。但当吹填土以超软土（含水率＞120%、塑性指数＞20 的软黏性土）为主时，采用常规真空预压法处理效果不佳。加固过程中排水量大，加固后排水板中心处地基土上部强度增长明显，而沿径向和深度方向强度衰减明显，导致地基整体强度增长小，甚至没有变化，地基处理效果难以满足使用要求。为此，需要对传统的处理方法进行改进，同时针对处理土层的工程特性，有区别地进行塑料排水板间距设计，即对塑料排水板有效影响半径进行研究。

本文现场试验采用直排式真空预压法进行软土地基处理。该工法是在常规真空预压法基础上的改进与创新［6］，主要用密闭真空管网代替常规真空预压法的水平砂垫层和滤管、滤膜，在节省了中粗砂等稀缺资源同时消除了真空压力通过水平砂垫层、滤管和滤膜传递过程中所产生的真空能量损耗，从而提高了真空荷载的能量利用率，缩短了加固时间，提高了加固效果，降低了工程造价。

试验区总面积1 800 m2（60 m×30 m），划分为3 个区（图1）。塑料排水板采用国标B 型规格，正方形布置，打设至穿透处理土层。根据试验前对场地的钻孔探摸情况，排水板平均打设深度10.0 m。地基处理要求为经加固后地基承载力不小于80 kPa，工后沉降小于30 cm。

图1 试验分区布置示意（单位：m）

试验区的3 个区除塑料排水板间距不同外，其余试验步骤、措施均相同，并同步开始抽真空。为减少试验区边界效应的影响，防止软基加固沉降后周边淤泥涌入试验区，在试验区四周10 m 范围进行过渡处理，打设长3.0 m塑料排水板，间距0.8 m。

3 现场对比试验

3.1 试验过程

1）铺设工作垫层

为满足轻型设备施工，在原软土泥面上自下而上铺设1 层编织布、2 层土工格栅和1 层临时竹竿网，形成工作垫层。

2）打设塑料排水板

塑料排水板打设采用轻型振动式打设机，1 区—3 区排水板间距分别为0.4，0.6，0.8 m。

3）布设真空排水管网

直排式真空排水管网分为主管、支管、连接管3种，主管直接与真空射流泵连接，支管与主管连接。

在塑料排水板顶端安装排水板板头连接器，通过PU 管将板头连接器与支管结点密闭连接（图2），排水板板头连接器和支管连接管通过工厂标准化加工而成，可大批量生产，提高作业效率。

图2 真空排水网与塑料排水板连接方式

4）铺密封膜，布置射流泵，抽真空

真空排水管网铺设完成后开挖压膜沟。密封膜采用2 层聚氯乙烯薄膜。在铺膜前铺设1 层土工布，以保护密封膜不被刺破。设计抽真空130 d，真空预压满载后进行联合堆载，堆载2.0 m厚碎石土。

5）卸载

试验区卸载标准：①按实测沉降曲线推算地基土固结度不小于85%；②连续10 d 实测沉降速率不大于2.0 mm/d。

该方案原设计抽真空时间为130 d。到达预定时间时，监测数据表明1区沉降速率已小于2.0 mm/d；而2区沉降速率达5.0 mm/d，此时，延长抽真空时间40 d，即抽真空170 d，2区满足卸载标准；但170 d时3区仍未达到卸载标准。综合考虑时间成本，对3 个区在抽真空170 d后同时卸载。

3.2 试验成果分析

为控制试验质量并检验软土加固效果，对试验进行了过程监测与检测。过程监测包括：地基土体变形、孔隙水压力、地下水位变化及真空压力传递情况；试验结束后，通过取原状土进行土工试验、原位十字板剪切试验，检验地基加固效果。

3.2.1 监测结果分析

1）膜下真空度

膜下真空度的大小直接反映真空度的传递能力，直接影响加固效果。试验区从开始正式抽真空后，泵口压力保持在95 kPa 以上。为监测真空度的传递，分别在抽真空主管管路中和膜下布设了真空度测头，真空度随时间变化曲线见图3。可知，管路中真空度和膜下真空度均保持在80～90 kPa，真空管路中真空度略高于膜下真空度。这表明真空度的传递效果良好。

图3 真空度随时间变化曲线

2）地表沉降

地表沉降直观反应排水固结的效果，其观测包括施工瞬时沉降和抽真空期间沉降2 部分。实测沉降过程见图 4。可知，实测沉降 1 区＞2 区＞3 区，卸载前 10 d，1 区沉降速率为 0.5 mm/d，2 区为 1.8 mm/d，均小于2.0 mm/d，沉降趋于稳定，满足卸载标准②的要求，而3 区为3.1 mm/d 大于2.0 mm/d，尚未达到卸载标准②的要求。

图4 各分区沉降随时间变化曲线

排水固结法固结度的计算方法很多，本文采用了JTS 147-1—2010《港口工程地基规范》推荐的较为先进的经验双曲线法。结合实测沉降曲线，利用JTS 147-1—2010 中的方法计算地基土固结度。地表沉降统计结果见表2。可知，排水板间距最小的1区固结度最大，达到91.8%，2 区固结度达到88.2%，1 区、2 区均满足卸载标准①的要求，同时均满足工后沉降要求；3 区固结度仅69.2%，远未达到卸载标准和理想的处理效果。

3）孔隙水压力消散规律

以具有代表性的2区实测孔隙水压力随时间变化曲线为例，研究不同深度孔压的消散规律。2 区孔隙水压力随时间变化曲线见图5。可知，随着真空度的上升孔隙水压力一直处于下降状态，在联合堆载后，孔隙水压力有所上升，但随着堆载后土体逐渐稳定及真空和堆载压力的传递，孔隙水压力又逐渐下降，最大下降值约100 kPa，抽真空后期渐趋稳定。孔隙水压力随时间的消散趋势，表明土体逐渐固结，地基强度不断增加。针对4 m 深度处的孔压计数据不稳定现象，可能是因为处理过程中土体压缩导致孔压计与排水板距离之间变化。

表2 各分区沉降

图5 2区孔隙水压力随时间变化曲线

孔隙水压力消散一部分是因为超静孔隙水压力，主要是因为地下水位下降引起的静水压力的降低值。在试验区周边的地下水位管埋设后地下水会沿管口外溢也说明了这一问题。

3.2.2 检测结果分析

1）土工试验

地基加固前后分别在现场取原状土进行室内土工试验，比较加固前后的土性物理力学指标变化情况，结果见表3。可知，地基加固后的物理力学指标得到了不同程度的改善，地基加固效果明显。地基处理前因土样太软不能成样而无法进行直剪快剪试验和无侧限抗压强度试验，处理后土样力学指标均有大幅提高。

表3 主要处理土层加固前后物理力学指标对比

为检测排水板的有效影响半径，采取土样的位置均选取在各区布置排水板的形心位置处。

2）十字板剪切试验

加固前、后十字板剪切强度对比曲线见图6。可知，地基加固后十字板剪切强度有较大幅度的增长，地基加固效果显著。加固前，软土十字板剪切强度平均不到 2 kPa。加固后，1 区为 30.7 kPa，增幅达 15 倍；2区为26.7 kPa，增幅达14倍；3区为16.1 kPa，增幅达7.7 倍。1 区、2 区提高幅度很大，处理效果明显好于3区。

图6 加固前后十字板剪切强度对比曲线

3）承载力计算

依据港口行业相关规范及工程经验，按照含水率、塑性指数查表得各区表层容许承载力见表4。

表4 根据物性指标经验提供地基承载力

依据港口行业相关规范及工程经验，按十字板剪切强度计算容许承载力f，计算式为

式中：Cu为十字板抗剪强度，kPa；r为基础地面以上土的加权平均重度，kN/m3；D为基础埋置深度，m。

计算各区容许承载力见表5。

表5 据十字板抗剪强度计算地基承载力

从表 4、5 可以看出，加固后试验 1 区、2 区地基承载力均达到80 kPa以上，完全符合设计要求，而3区承载力未达到设计要求。对比表3中软土各项物理力学性指标，同样说明了1区、2区加固效果显著。

4 结论与建议

直排式真空预压现场研究试验结果表明，该方法处理场区超软土效果显著，通过研究改变塑料排水板间距，经过一次软基处理能够达到要求的效果，避免了二次处理所带来的处理费用高、施工周期长等问题，为指导大面积施工提供了经验。

1）从经济、技术上综合考虑，推荐场区大面积吹填超软土地层采用直排式真空预压法排水板间距60 cm为宜。

2）塑料排水板间距对于加固土层处理效果影响很大。处理不同类型的土层时，应根据加固土层的工程特性，有针对性地进行现场试验，设计合适的排水板打设间距。

3）地基处理效果的好坏及方案的选择，根本在于对处理土层工程特性的认识。本次试验对吹填超软的化学成分、固结特性等方面做了一些研究，但尚未形成土体规律性的研究成果。因此，建议后续试验中探究诸多影响因素与塑料排水板间距之间的相关性，如软土固结参数、次固结参数与排水板间距之间的关系等，为快速选择技术和经济上的最优方案提供参考。