真空预压加固吹填土地基承载力评估分析*

黄朝煊

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

0 引言

在社会经济发展迅速及海岸线土地资源短缺的情况下，吹填造地是沿海城市及区域发展的重要方式之一，浙江省沿海滩涂区分布有深厚海相淤泥，使用淤泥吹填更经济，实际工程多采用真空预压加固吹填土地基[1-2]。

真空预压法由瑞典岩土专家Kjellman[1]于20世纪50年代首先提出，并通过现场试验验证加固效果。国内于1957年首次进行真空预压加固地基试验研究，岑仰润[3]开展了真空预压加固地基试验与理论研究。吹填土通过真空预压排水固结处理，使土体颗粒发生错位重新排列，进而使土体颗粒更密实，提高土体抗剪强度[4]。

林孔锱[5]对淤泥土排水固结后地基抗剪强度进行分析，并进行堤防滑动稳定计算；徐宏等[6]对真空预压加固软土地基抗剪强度进行分析；闫澍旺等[7]对软土地基排水固结后承载力特征值进行研究；雷华阳等[8]对吹填场区地基承载力特性与破坏模式进行研究；黄朝煊等[9-15]对软土地基预压固结后抗剪强度与抗剪强度指标变化进行分析，并对塑料排水板处理软土地基进行深入研究，为工程实际应用提供参考，文献[16-18]对吹填土真空预压处理技术进行了总结分析。

目前，对吹填土地基真空预压处理后地基承载力特征值评估的研究较少，为此，依托浙江省舟山市某吹填工程，对真空预压加固技术进行总结，对真空预压过程及相关监测资料进行分析，并对加固后的吹填土地基承载力进行评估，确保吹填工程顺利验收，为类似工程提供参考。

1 工程概况

本工程面积约4 666 667m2，现状涂面高程-1.500～-2.200m，局部高程-3.000～-3.700m，地面建设标高2.800m，需在现有围垦区的基础上进行回填加高，总回填量约1 700万m3，利用淤泥土进行吹填，采用真空预压加固软土地基[19]。设计吹填土场地标高≥3.700m，真空预压处理后场地平均标高须达2.350m。

2 地基加固

由于围垦区毗邻大海，附近海涂淤泥土料储量丰富，可考虑作为回填材料。为满足业主提出的要求，采用浅层处理法对新吹填淤泥进行处理，处理标准为：地基承载力标准值50kPa，不控制工后沉降。本工程真空预压加固如图1所示，吹填土物理性质指标如表1所示。

图1 真空预压加固示意

表1 吹填土物理性质指标

场地吹填后晾置约30d，待吹填区明水全部排干，进行真空预压加固。定期测量吹填土晾置过程中孔隙比与含水率变化，如图2所示。由图2可知，吹填土晾置30d后，孔隙比由7.3降至3.5，含水率由268%降至120%，可知吹填土在大应变自重固结作用下，土体强度得到一定程度提高。

图2 孔隙比与含水率变化曲线

真空预压加固步骤如下。

1)搭设浮桥

浮桥采用泡沫板和竹胶板等进行搭设，浮桥两侧可绑扎竹杆。

2)铺设土工编织布

为隔离淤泥并作为施工持力层，在淤泥面上铺设200g/m2土工编织布。

3)布设真空管路

将排水板按设计长度裁剪，缠绕在滤管上。将UPVC塑料管制成花管，外包1层90g/m2无纺土工布后进行真空管路布置。

4)人工插设排水板

采用SPB-B型排水板，在人工插设排水板过程中需检查排水板与管路连接质量，确保缠绕搭接。

5)铺设无纺土工布

排水板施工完成后，在其上方铺设1层200g/m2无纺土工布，铺设时需保证密封薄膜不被破坏。

6)铺设密封薄膜

在无纺土工布上方铺设2层0.12～0.14mm厚聚乙烯密封薄膜，并将加固区周边薄膜踩入淤泥中，以便密封。

7)试抽真空

安装真空泵，并试抽真空。真空泵均匀布置在场地中央，每1 000m2布置1台。首先开启一半真空泵，然后逐渐增加真空泵开启数量。确认无漏气后，抽真空7～10d，待吹填土具有一定强度后开启全部真空泵。将真空度提高至80kPa，抽真空70～90d，达到设计卸载标准后停泵卸载。

3 监测结果分析

为对真空预压加固过程中真空度传递、土体孔隙水压随时间变化及地基沉降等进行监测，排水板插设完成后，在真空预压区布置1个板内真空度测试组和1个土中孔隙水压测试组，真空度测针借助排水板进行有效布置。排水板内真空度随时间变化曲线如图3所示，真空度随深度衰减曲线如图4所示。

图3 真空度随时间变化曲线

图4 真空度随深度衰减曲线

由图3，4可知，密封薄膜下真空度最大，且受土体侧向土压力作用影响，排水板内真空度随深度的增加逐渐衰减，衰减速率约为4.5kPa/m。

5m深度处土体孔隙水压随时间变化曲线如图5所示，由图5可知，孔隙水压随时间的增加逐渐减小，真空预压40d后，孔隙水压衰减为负值，自重应力影响下的超静孔隙水压逐渐消散。

图5 5m深度处土体孔隙水压随时间变化曲线

根据设计要求，在真空预压区埋设1组沉降仪，以便掌握地基变形情况。根据监测数据绘制地基沉降随时间变化曲线，如图6所示。由图6可知，地基沉降随时间的增加逐渐增大，真空预压85d时的沉降达0.7m。

图6 地基沉降随时间变化曲线

4 真空预压加固后地基承载力

4.1 不同理论计算公式得到的地基承载力

吹填土经真空预压加固后，物理力学指标得到明显改善，如表2所示。由表2可知，加固后的地基土为淤泥质黏土，且土质均一性较好，含水率标准值降低，湿密度标准值增加。

根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[20]第5.2.5条规定的地基承载力特征值计算公式，得到吹填土真空预压加固后地基承载力特征值为35.03kPa，不满足≥50kPa的设计要求，这是因为《建筑地基基础设计规范》5.2.5条计算公式限制了偏心距≤0.033倍基础底面宽度，计算结果较保守。

根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》[21]推荐的汉森公式得到吹填土真空预压加固后地基承载力特征值为39.94kPa，不满足≥50kPa的设计要求，这是因为计算时取基础宽度为1m，但实际施工时基础宽度>1m。

4.2 十字板抗剪强度推算的地基承载力

吹填土加固后不同深度处十字板剪切试验结果如表3所示，由表3可知，在真空预压有效加固深度范围内，表层土十字板抗剪强度最大，随着土层深度的增加，十字板抗剪强度逐渐减小。这是因为吹填土表层真空荷载最大，且排水固结更充分，加固后土体抗剪强度较大，随着土层深度的增加，受土体侧向土压力挤压影响，吹填土逐渐淤堵排水板，真空度逐渐衰减，因此，深层土体排水固结效果较差，即十字板抗剪强度较低。

表3 不同深度处十字板抗剪强度

根据十字板剪S切试验结果得到十字板抗剪强度与深度拟合关系曲线，如图7所示，回归关系式为：

图7 十字板抗剪强度与深度拟合关系曲线

Su=20.17-1.64z

(1)

式中：Su表示十字板抗剪强度；z表示深度。

吹填土预压加固前十字板抗剪强度接近零，基本无强度，预压加固后十字板抗剪强度基本为13.61～18.53kPa，可知吹填土通过真空预压加固后抗剪强度增长显著，真空预压效果良好。

根据SL 389—2008《滩涂治理工程技术规范》[22]第7.1.2条给出的滩涂软土地基承载力特征值与软土地基抗剪强度关系公式，由吹填土预压加固后十字板抗剪强度推算的地基承载力特征值为51.14kPa，满足≥50kPa的设计要求。

4.3 浅层平板荷载试验得到的地基承载力

按照《建筑地基基础设计规范》《建筑地基处理技术规范》有关要求开展浅层平板荷载试验，承压板尺寸为1.0m×1.0m(长×宽)，试验过程中逐级加载、卸载。采用浅层平板荷载试验结果分析吹填土预压加固后地基承载力特征值，第i级荷载加载过程中土体变形模量Ei计算如下：

Ei=(1-μ2)I0I1KiD

(2)

式中：μ表示土体泊松比；I0表示承压板影响系数；I1表示承压板埋深修正系数；Ki表示第i级荷载加载过程中荷载-沉降关系曲线斜率；D表示承压板边长。

压缩模量Esi与变形模量关系式为：

(3)

Ki表达式为：

(4)

式中：Si，Si+1分别表示第i，i+1级荷载作用下的土体沉降；Pi，Pi+1分别表示第i，i+1级总荷载。

Ⅱ-6，Ⅱ-11区块地基土压缩模量变化曲线如图8所示，由图8可知，随着总荷载的增加，地基土压缩模量逐渐减小。

图8 地基土压缩模量变化曲线

Ⅱ-6，Ⅱ-11区块地基土荷载-沉降曲线如图9所示，由图9可知，随着总荷载的增加，地基土稳定后沉降逐渐增大，当加载至最大荷载时，地基土沉降基本可快速稳定。依据《建筑地基基础设计规范》《建筑地基处理技术规范》相关规定可判定地基承载力特征值≥100kPa，满足≥50kPa的设计要求。

图9 地基土荷载-沉降曲线

5 结语

依托浙江省舟山市某吹填工程，对真空预压加固技术进行总结，并对预压加固后地基承载力进行研究，得出以下结论。

1)对吹填土真空预压加固后物理力学指标变化进行分析，可知加固后的地基土为淤泥质黏土，且土质均一性较好，含水率标准值降低，湿密度标准值增加。

2)对真空预压加固过程中真空度传递、土体孔隙水压变化及地基沉降等进行监测，监测结果表明，密封薄膜下真空度最大，且受土体侧向土压力作用影响，排水板内真空度随深度的增加逐渐衰减，衰减速率约为4.5kPa/m。

3)根据《建筑地基基础设计规范》第5.2.5条的规定，计算得到吹填土真空预压加固后地基承载力特征值为35.03kPa，不满足≥50kPa的设计要求。

4)根据《建筑地基处理技术规范》推荐的汉森公式，计算得到吹填土真空预压加固后地基承载力特征值为39.94kPa，不满足≥50kPa的设计要求。

5)开展1～4m深度处地基土十字板剪切试验，结果表明，预压加固后十字板抗剪强度基本为13.61～18.53kPa，可知吹填土经真空预压加固后抗剪强度增长显著，真空预压效果良好。根据十字板抗剪强度推算的地基承载力特征值为51.14kPa，满足≥50kPa的设计要求。

6)开展浅层平板荷载试验，根据试验结果及《建筑地基基础设计规范》《建筑地基处理技术规范》相关规定，可判定地基承载力特征值≥100kPa，满足≥50kPa的设计要求。