真空井点降水、挤密砂桩联合浅层强夯在软基处理中的应用

2021-06-23姚宝宽李全军李传勋

地基处理 2021年2期

姚宝宽，刘聪，李全军，李传勋

（1.江苏省地矿局第三地质大队，江苏镇江 212111；2.江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江 212013）

0 引言

我国东南沿海地区土地资源供求矛盾日益突出。为缓解城市土地资源短缺现状，近年来沿海城市大力发展围海造陆工程以解决建筑、机场、港口码头建设用地需求。据统计我国填海造陆面积已达11 000～12 000 km2[1]。在砂石材料紧缺，节能减排及疏浚淤泥再利用的趋势下，疏浚淤泥正逐渐成为主要的吹填材料之一，其形成的吹填土地基具有压缩性高、含水量大、强度低等特点[2]，该类地基必须进行处理后方可使用。常用的软土地基处理方法有置换法、振密挤密法（如挤密砂桩法、强夯法）、排水固结法（如真空预压法、真空井点降水法）等[3]。

真空井点降水又叫轻型井点降水，通过布设井管并利用抽真空设备来降低地下水位，具有排水量大、施工周期短、造价低等优点。当降水深度小于6 m且含水层的渗透系数较小时采用该方法效果更优。真空井点降水对设备安装要求严格，防止井管漏气导致真空度降低影响排水效果。降水过程中附近地表沉降大，地基承载力提高效果不明显。

较于真空井点降水法，Kjellman[4]于1952年提出真空预压法，该方法通过设置竖向排水通道（如砂井、塑料排水板等）在地基表面铺设砂垫层（砂垫层作为横向排水通道缩短排水时间）及覆盖不透气密封膜，利用真空装置对排水体系抽气，使地基内部形成负压区，在负压作用下，孔隙水通过竖向排水通道排出，达到排水固结、地基强度增长的效果。真空预压的成败取决于密封膜下真空度的大小。于志强和朱耀庭[5]对真空预压施工区四周进行密封墙防渗处理，处理后真空度达到80 kPa以上。夏玉斌和陈允进[6]在传统真空预压技术上进行改进，设计出直排式真空预压，真空度较传统方法高出10%～50%，大幅度提高真空利用率。王双成等[7]对分层真空预压开展试验研究。采用分层真空预压能够使地基内部维持较高的真空度，提高土体排水固结效率，有效限制传统真空预压在处理吹填土时真空度衰减快，土体固结不足等问题。真空预压技术已发展成熟，但诸多研究表明[8-10]，采用真空预压处理软弱地基时，地基变形过大会导致塑料排水板弯曲，进而导致竖向排水量减少。真空预压在疏浚淤泥时塑料排水板易淤堵，导致地基承载力提高幅度不够。

尽管真空井点降水和真空预压可有效降低地下水及加速孔隙水的消散，达到快速排水固结的目的，但加固后的地基承载力增强有限，常常导致处理后的地基承载力仍然达不到实际工程的要求。

为更多地提高处理后的地基承载力，采用复合地基技术实现途径之一，例如挤密砂桩技术。挤密砂桩是复合地基的一种，通过振捣、挤密等方式将密实砂土填入要处理的软土地基中，这一过程使桩间土体受挤压而密实，另一方面打入的砂桩具有更高的强度，因而使得原地基的承载力提高、变形减小。实际工程和研究表明[11-13]，减少砂桩的间距可以达到承载力和变形的设计要求，而单一地加密砂桩往往造成造价偏高，在经济上造成浪费。砂桩复合地基属于散体材料桩复合地基，其承载力主要取决于桩周土的强度，如果将砂桩与降水措施有机结合，可提高软基处理效果。

另外，最新有报道在散体材料桩复合地基处理后，在复合地基表面做低能强夯，有助于复合地基表面形成致密的硬壳层。

鉴于单一的采用一种地基加固方法往往达不到很好效果，且每种方法都有其适用范围和局限性。于是周健等[14]采用低能量强夯联合真空井点降水对粉质黏土地基进行现场试验研究，利用真空井点降水可有效降低地下水位及加快强夯产生的超孔隙水压力的消散，避免出现“橡皮土”。孙运青等[15]对砂桩联合轻型井点降水处理吹填软土地基的效果进行分析，砂桩除了作为增强体形成复合地基效应外，与轻型井点降水结合能快速降低地下水位，大约经过150 h地下水位趋于稳定。刘嘉等[16]将井点降水与强夯相结合。井点降水加速了强夯产生的超孔隙水压力消散，有效解决了强夯在处理饱和淤泥质软土时遇到的问题。李征[17]采用塑料排水板联合挤密砂桩与堆载预压三种工艺对软土地基进行处理。在预压荷载作用下，排水板与挤密砂桩可作为竖向排水通道提高排水效率。随着土体固结度的增加，桩周土体对桩体的约束力增大，地基强度得到提高。徐东升等[18]采用强夯置换砂桩对海相淤泥软土地基进行试验研究，试验结果表明强夯置换过程中，超孔隙水压力7 d左右基本上可完全消散，进一步加快土体固结速度。

由上可知，采用两种及两种以上方法形成复合处理方法可得到更加满意的效果。基于此，本文将真空井点降水、挤密砂桩、浅层强夯三种工法结合在一起，砂桩在振密、挤密过程中会对桩周土体产生扰动，增大桩间土的渗透系数及土体的密实度，真空井点降水则起到加速强夯产生的超孔隙水压力消散及降低地下水位的作用。砂桩填料采用一定配比的现场砂土料，不仅增加土体密实度还可作为竖向排水通道以加快地基土的固结。最后通过浅层强夯进一步加固上部土体，提高复合地基承载力。该工艺能解决现有真空预压、强夯等技术的缺陷，其加固深度可通过桩管的置入深度控制，便于施工过程的监督和管理，以保证这一种工法、技术就能满足不同层厚、不同深度、不同地质条件的复杂软土地基的加固处理。

1 工程概况

福建永荣科技二期软基处理工程，场地位于莆田市秀屿区东庄镇湄洲湾港秀屿港区石门澳作业区内。在建场地为己内酰胺化学材料生产基地，年产值60万吨，一期工程规模为20万吨/年，二期工程未建。为解决后期建设用地需求及满足生产设备的使用，开展围海造陆工程，2014年开始回填和吹填。为更好的进行大面积地基处理，先在试验区开展施工。试验区选定有代表性区域（吹填土最厚、下卧淤泥最厚）。试验区采用填料夯实，东西长约2.45 km，宽约0.68 km，勘察面积约1.67 km2。试验场地原貌如图1所示。本项目要求的技术参数为处理后的地基承载力达到70 kPa，沉降小于20 cm。

图1 试验场地原貌Fig.1 The original appearance of the test site

2 工程地质条件及水文条件

2.1 工程地质条件

江苏省岩土工程勘察设计研究院《福建永荣科技二期软基处理设计勘察报告》揭示的各层土体物理性质参数如表1所示，土层压缩曲线如图2所示。

表1 土层物理性质参数表Table 1 Physical property parameters of soil layers

图2 土层压缩曲线Fig.2 Soil compression curves

2.2 水文条件概述

场地内的素填土（砂）属强透水和强含水层，吹填土和淤泥属不透水层，粉质黏土属弱透水弱含水层。

3 地基加固技术指标要求

福建永荣科技二期软基处理工程主要是解决浅部、中部软弱土层。试验区加固深度达15 m左右，预期达到以下技术指标：

（1）加固的有效深度：15 m范围内。

（2）加固后的地基承载力特征值：fak≥70 kPa。

（3）加固后的地基沉降：＜20 cm。

4 方案选择

本次软基处理项目为造陆工程的一部分，其重点、难点是处理上部约5 m厚流塑状粉质黏土及下部约 10 m厚流塑状欠固结淤泥。流塑状粉质黏土均匀性差，无法满足施工设备的进入。流塑状欠固结淤泥层厚较深，天然含水量高，具有流变性、低透水性、低强度和不均匀性的特点。该层土在自然排水固结和剪切应力作用下会发生缓慢而长久的沉降变形，对地基沉降、不均匀沉降及地基稳定性均有不利影响。考虑到以上问题，一般的地基加固方法无法满足要求，通过方案比选，决定采用分层真空井点降水联合挤密砂桩和强夯法对软土地基进行加固，其目的就是充分发挥各种处理方法的优势并尽量避免每种处理方法所面临的劣势。图3为具体的挤密砂桩与真空井点降水示意图。

图3 挤密砂桩与真空井点降水示意图Fig.3 Schematic diagram of sand compaction piles and vacuum well point dewatering

5 施工工艺

真空井点降水、挤密砂桩联合浅层强夯的施工工艺流程如下：

施打密封墙→布设真空井点→分层降水→挤密砂桩施工→浅层强夯。

各施工工序主要内容如下：

（1）施打密封墙：为提高砂桩施工质量，确保加固区域不受外围地下水的影响，在加固区域边线外3～5 m处增设外围密封墙。外围密封墙采用深层搅拌桩的方法，搅拌桩桩径70 cm，桩与桩搭接20 cm。对渗透系数较大的土层，需多搅多喷。

（2）布设真空井点：布点间距3.0 m×3.0 m，加固深度为粉质黏土层以上。井点内分别投入4、8、12、15 m四根不同长度的井管。4、8 m降水井管采用水冲法置入含水层内，12、15 m降水井管将其放入钢管中并灌入滤料（滤料为中粗砂），通过振动上拔钢管使降水井管置入含水层内。当井管沉入含水层内即可连接支管，各支管再连接主管，主管再与抽真空设备相连，每一分层组成一回路，形成4、8、12、15 m四个回路。其中4、8 m井管采用铁管，12、15 m井管采用PVC管，主管采用管径为50 mm的PVC管。

（3）挤密砂桩施工：在外围密封墙、真空井点布设完成后且地下水位下降4～6 m时，即可进行挤密砂桩施工。砂桩间距 3.0 m×3.0 m，桩入土深12 m，采用逐级填料法，填料高度不超过0.5 m，保证提管时砂料有足够高度。在夯管灌入所需砂及沙包土混合料后，夯锤顶在砂石混合料上，上提夯管。随着夯管上提，夯管内砂石料下落并在振动作用下与软弱土体混合并振密，上提2～3 m，将夯锤慢慢放下，夯击数可根据土体情况确定，最后一击夯沉量控制在5～10 cm。

（4）浅层强夯：在挤密砂桩施工完成后即可进行强夯。强夯分两遍点夯、一遍满夯。第一遍点夯采用500 kN·m夯击能，夯沉量如表2所示。第二遍点夯采用800 kN·m夯击能，夯沉量如表3所示。第三遍满夯采用1 000 kN·m夯击能，夯沉量如表4所示。强夯施工过程中应待前一遍强夯施工引起的土体孔隙水压力消散达到90%以后再进行下一遍强夯。强夯收锤标准以达到夯击数且最后连续两击的夯沉量不小于10 cm进行控制。

表2 第一遍点夯夯沉量Table 2 Sinking amount after the first point ramming

夯击次数夯前读数夯沉量总夯沉量初值 1.37 0.00 0.00一击 1.75 0.38 0.38二击 2.01 0.26 0.64

表3 第二遍点夯夯沉量Table 3 Sinking amount after the second point ramming m

表4 满夯夯沉量Table 4 Sinking amount after full ramming

夯击次数夯前读数夯沉量总夯沉量初值 1.18 0.00 0.00一击 1.43 0.25 0.25二击 1.58 0.15 0.40三击 1.85 0.27 0.67四击 1.95 0.10 0.77

6 处理效果分析

为验证分层真空井点降水联合挤密砂桩和强夯对软土地基加固后的效果，对加固前后土样效果进行分析，并分别给出静力触探试验、十字板剪切试验、土工试验、载荷试验各试验点在处理前后参数变化情况。

6.1 加固前后土样效果对比

图4、图5为地基加固前后现场分区段取样图，取样点设置在两砂桩点间，取样深度达16 m，主要分析桩间土的加固效果。

图4 加固前土样Fig.4 Soil sample before reinforcement

根据钻孔取样，各钻孔5 m以下均由流塑状淤泥质土改变为淤泥质粉砂土，局部土层为粉质黏土。由图5还可明显看出，加固后的土层均匀性得到改善，取样连续，密实度高，加固效果对比显著。

图5 加固后土样Fig.5 Soil sample after reinforcement

6.2 静力触探试验

加固前后静力触探强度如表5所示。其中第一层土处理前为淤泥，处理后为粉质黏土夹砂，部分位置含砂量较大。第二层土处理前为素填土（砂），处理后为中砂。第三层土处理前为淤泥、淤泥质土，处理后为淤泥质土及粉质黏土。

表5 加固前后静力触探强度对比Table 5 Comparison of static penetration intensity before and after reinforcement

从表5可以看出，加固前后土层的锥尖阻力与锥侧阻力平均值得到提高，其中3号桩点的提高幅度最为明显，第一层土的锥侧阻力平均值由2.59 kPa提高到12.66 kPa，提高了8.07 kPa；第二层土的锥侧阻力平均值由 7.85 kPa提高到18.26 kPa，提高了10.41 kPa；第三层土的锥侧阻力平均值由5.71 kPa提高到10.03 kPa，提高了4.32 kPa。