无砂垫层真空预压法处理湖相吹填淤泥效果评价

周卫文 朱栋梁

(湖北水总水利水电建设股份有限公司，湖北 武汉 430056)

鄂州梧桐湖新区离岛新近吹填超软淤泥土具有含水率高、压缩性大、强度极低等特征，吹填土区域一般深度在3m以上，最深处6m。由于采用绞吸式挖泥船施工，原湖底土体结构被破坏，吹填之后土体的初始承载力接近零，且静置时间超过30天后，土体仍然呈现流塑状态，人员和机械无法进入。因此必须先经过表层硬化处理，才能作为工程建设场地使用。由于砂源限制及吹填淤泥的流塑状态，无法采用以中粗砂作为施工和排水垫层的常规真空预压工艺。因此，替之以无砂垫层处理超软淤泥土真空预压工艺，不仅可以避免常规真空预压方法中砂垫层荷载超过吹填区域的地基承载力，而且节省了大量的中粗砂资源。无垫砂层真空预压工艺的特征是将竖向塑料排水板和膜下无纺土工布及真空管路连接后，再与真空系统连接[1-3]，其中水平管路与无纺土工布构成的排水系统代替传统砂层起到水平排水的作用。

由于无砂垫层真空预压处理后的淤泥土一般承载能力相对较低、易变形，在取样、运输、切样及试验的过程中非常容易因扰动而破坏其形成的结构，故要评估鄂州梧桐湖新区离岛无砂垫层真空预压法处理超软淤泥土的效果，还需以平板荷载试验、静力触探试验、十字板剪切试验等原位测试数据为依据。我国在20世纪80年代以后，原位测试技术出现了前所未有的发展，应用范围不断扩大，技术也不断成熟[4-5]。《真空预压加固软土地基技术规程》(JTS 147-2—2019)[6]指出“软土地基加固前、后应进行现场原位强度检测和现场取土及室内试验，必要时应进行加固后的地基承载力检测”。

本文进行了平板荷载试验、静力触探试验、十字板剪切试验等原位测试，计算和分析了对应的贯入阻力、十字板抗剪强度、地基基本承载力特征值等多项指标，以期为湖相吹填超软淤泥土区域地基处理的设计、施工、检测等提供支撑或参考。

1 工程背景

1.1 试验场地

鄂州梧桐湖新区离岛吹填土区采用绞吸式挖泥船进行多点多次吹填而成，吹填面积约200万m2，吹填淤泥土厚度约3～6m(见图1)，新近吹填河湖相淤泥具有含水率高、压缩性大、透水性差、初始承载力极低的特点，且静置数月后仍为流塑状态。

图1 鄂州梧桐湖新区离岛软基处理工程场地

该场地内所取的试验土样的含水率为80%～160%，比重2.6～2.7，天然密度平均值为1.42g/cm3。试验时，将多处土样混合并搅拌均匀，搅拌后土样的颗粒组成为0.075～0.005mm，颗粒占比51.4%，粒径小于0.005mm的占46.5%，Al2O3/SiO2为0.31，液限69.0%，塑限38.5%，塑性指数30.5。

1.2 无砂垫层真空预压法处理方法

无砂垫层真空预压处理方法主要工作内容包括浮筏和搭建浮桥组装、工作垫层铺设、竖向排水体(塑料排水板)打设、水平真空管网的铺设与水平塑料排水板连接、无纺布铺设、土工布密封膜施工、密封沟开挖及回填、真空泵安装和抽吸等工序。无砂垫层真空预压处理施工工艺见图2。

图2 无砂垫层真空预压处理施工工艺

2 原位测试方法与方案

表面沉降速率是反映真空预压处理地基阶段沉降效果的最重要指标之一。通过设置沉降板进行观测，获得的沉降速率如图3所示，当沉降速率基本达到稳定时，进行原位测试来评估处理效果。

图3 试验区沉降速率-时间曲线表

2.1 原位测试方法

2.1.1 浅层平板载荷试验

平板载荷试验是一种测定变形特性的原位测试方法，能够反映承压板下1.5～2.0倍承压板直径或宽度范围内地基土强度、变形的综合性状。依据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[7]，本次浅层平板载荷试验采用刚性承压板，承压板面积为 0.5m2，试验过程中采用8～10级分级加载；每级荷载施加后，间隔10 min、10 min、10 min、15 min、15min测读一次沉降，以后间隔 30 min测读一次沉降。当出现下列情况之一时，终止试验：ⓐ承压板周边的土出现明显侧向挤出，周边岩土出现明显隆起或径向裂缝持续发展；ⓑ本级荷载的沉降量大于前级荷载沉降量的5倍，荷载与沉降曲线出现明显陡降；ⓒ在某级荷载下24h沉降速率不能达到相对稳定标准；ⓓ总沉降量与承压板直径(或宽度)之比超过0.06。做出p-s曲线后，可以用来确定地基土承载力的特征值以及地基土的变形模量。

2.1.2 静力触探试验

静力触探是指利用压力装置将有触探探头的探杆以一定速度压入试验土层，通过量测系统测量土的贯入阻力等指标[5,7-9]，来确定土体基本物理力学特性的方法，本次测试采用轻型静力触探仪进行，贯入速度为(1.2±0.3)m/min。

2.1.3 十字板剪切试验

十字板剪切试验是将十字板头以静力压入软土中以均匀的速度转动直至土体破坏，通过测得转动力矩计算出软土的抗剪强度的方法[5,7-9]。本次采用电测式十字板剪切仪，转动剪切速率为1°～2°/s。

2.2 试验方案

将试验场地分为五个区域，并在每个区域内均匀布点，且保证每区域测点数目不小于三个，浅层平板载荷试验点编号及场地区域划分见图4。

图4 试验点分布示意图

3 试验结果与分析

3.1浅层平板荷载试验的p-s曲线

不同区域平板载荷试验p-s曲线见图5。

图5 不同区域平板载荷试验p-s曲线

3.2 地基承载力特征值

依据相关规范[7-8]，地基承载力特征值按下列三种方式确定：ⓐ当p-s曲线上有比例界限时，取比例界限所对应的荷载；ⓑ当极限荷载小于对应比例界限的1/2时，可取极限荷载的一半；ⓒ当不能按上述两款要求确定时，按相对变形值确定，即取s/b=0.01～0.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。同一土层参加统计试验点不小于三点，当试验实测值的极差不超过其平均值的30%时，取其平均值作为该土层地基承载力特征值。

所获得的不同区域的浅层平板载荷试验结果见表1。

表1 平板载荷试验结果统计

本次无砂垫层真空预压地基处理承载力特征值设计值为50kPa，由平板载荷试验得承载力特征值均值均达到该要求，证明无砂垫层真空预压处理大面积超软淤泥行之有效。

3.3 地基变形模量分析

浅层平板荷载试验的变形模量E0可按下式计算：

式中I0——刚性板的形状系数，本次试验采用方形承压板，取值0.886；

μ——泊松比，梁子湖地区取0.38；

d——层压板边长，本次试验为0.707m；

p——p-s曲线线性段的压力,kPa；

s——与p相对应的沉降,mm。

计算的地基变形模量见图6。

图6 变形模量分布

不同区域、不同检测点承载力特征值和变形模量差别较大，这一方面与处理效果有关，另一方面与试验检测点位置有关：在疏浚淤泥管道的地基管口，根据斯托克斯定律，重力作用下颗粒下沉的速度和颗粒直径的平方成正比，靠近管口处颗粒直径较大，变形模量、地基承载力特征值均较大。在试验场区，最小变形模量仅有2.35MPa，最大变形模量高达12.7MPa。

3.4 静力触探贯入曲线分析

此外，为了验证无砂垫层真空预压的效果，还进行了静力触探测试，静力触探的结果以1号、2号、3号点为例，获得的贯入曲线见图7。

图7 静力触探贯入曲线

贯入曲线的横坐标为探头贯入阻力，纵坐标为深度。静力触探结果表明，在表层0.2m内，由处理前贯入阻力接近于零，到处理后比贯阻力为200～400kPa，表明土体在表层0.2m范围内的强度有了明显的提高，但随着深度增加，土体强度提高的效果明显减弱，在1.0m左右出现拐点，此后各个深度比贯阻力的大小基本稳定，在3.9m左右时为原始地基，因此比贯阻力显著增大。总体来看，无砂垫层真空预压法处理湖相吹填淤泥土地基在1.0m深度内能形成硬壳层，可以满足后期机械进场等要求，但由于真空度沿深度方向衰减等因素，导致1.0m以下淤泥土强度改善效果不如浅层好，这是因为梁子湖地区土粒径较小(小于0.005mm颗粒占比50%以上)，渗透性较低，真空损失大，深层范围的水不易被排出。

3.5 十字半剪切强度与灵敏度分析

由于无砂垫层真空预压处理的地基效果主要在表层硬壳层，通过十字半剪切试验，可以测得表层硬壳层土体的不排水抗剪强度Qu(见表2)。

表2 十字半剪切强度与灵敏度统计

表2的结果表明，超软淤泥土在无砂垫层真空预压处理后结构强度提高；当其结构被十字板板头破坏之后，土的强度再度降低。工程上常用灵敏度St来衡量土体结构性对强度的影响，其中St=Qu/Q′u。目前，十字板剪切试验是测量土灵敏度的主要方法，真空预压处理后的超软淤泥土的灵敏度见表2。灵敏度反映的是土体的结构性，此次所测的地基土灵敏度都小于2，均为低灵敏度土体，说明土的结构性较弱，表明无砂垫层真空预压处理后的土体，其结构性尚不显著。十字板现场剪切试验减少了室内试验土样扰动带来的影响，所求指标可靠，方法简便、快速，可以认为十字板测试结果更能准确地反映实际状况。因此，在求软土灵敏度的方法中，应首先考虑十字板现场剪切试验。

此外，不同于一般自然沉积土，抗剪强度与地下深度并没有简单的正相关关系，这是因为真空预压的局限，只形成了一定厚度的硬壳层，在1.5m及以下，土体为塑性甚至流动状态，显示出不同于自重沉积土的特性。由表2还可发现VST-1点1.0m处抗剪强度明显偏大，结合该处静力触探发现该处地基在1.0m左右的端阻力较大，这是因为在该深度范围内存在夹层。

4 结 论

通过对无砂垫层真空预压后的吹填超软淤泥土场地进行平板荷载试验、十字剪切试验、静力触探试验等一系列原位测试和分析，得到了如下结论：

a.经过无砂垫层真空预压后，吹填超软淤泥土场地的地基承载力、不排水抗剪强度均有明显提高，其物理力学性能均有了明显改善，说明无砂垫层真空预压法处理加固大面积高压缩性淤泥土行之有效，可以为进一步的施工提供作业面。

b.由贯入曲线可知，在表层1m内加固效果良好，随着深度的加大，加固效果显著减弱。

c.由十字剪切板试验可知，无砂垫层真空预压后土体为低灵敏度土体，表明处理后的土体结构性并不显著。

d.随着城市和农村河湖水环境治理、运维的常态化，河湖疏浚底泥堆放场地处理和二次开发利用成为敏感话题。研究堆场无砂垫层真空预压后土层力学改善效果，发现1m厚度范围内物理力学性质得到极大改善，超过1m深土层承载力改善不明显。改善后浅土层可为今后园林绿化种植、浅埋地下管线(电力、通信、燃气、给水等)提供地基土垫层。较深土层结构力学性能较差，存在流动易扰动问题。今后场地开发过程中可结合载荷要求，对深地基土进行局部加固处理，采用局部真空降水预压、换土回填、钻孔注浆、桩基等针对性加固方式。本文试验研究成果可为河湖底泥吹填场地二次开发利用提供扎实的地基土力学评价基础，助力因地制宜、因地施策地进行场地地基处理。