增压式真空预压法在疏浚砂尾水区地基处理中的应用

2022-11-05卢家琦江辉煌马驰李耀华吴开健

铁道建筑 2022年10期

卢家琦江辉煌马驰李耀华吴开健

1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东深圳 518057；3.中交广州水运工程设计研究院有限公司，广州 510221

真空预压技术在沿海地区软基处理中有着很大的优势［1-4］，具有处理范围广、处理成本低、处理深度大等优点。传统的真空预压技术存在一些缺点［5］，比如工程实践中真空度沿程衰减较大，尤其随着深度增加，中下部软基处理效果较差，工后承载力低，工后沉降大，往往需二次加固处理，导致工期加长。此外，工程上使用的排水板容易发生折断、淤堵、倒齿，造成排水通道失效，导致处理效果较差。随着科技的进步，增压式真空预压法应运而生。杨子江等［6］介绍了增压式真空预压的工作原理，阐述了该处理方法的相关施工工艺及相应的施工材料，提出相应的施工控制措施和施工难点，并与传统方法进行了对比，展现了新方法的优点，但是对于其加固机理研究较少。沈宇鹏等［7］通过观测沉降发现增压管的设置加大预压期的沉降主要发生在增压管影响范围内，认为增压真空预压排水板的间距宜采用1.0 m，但是并没有研究小于1.0 m的间距，对于排水板布置未给出定量的结论。Ke等［8］通过研究排水量、沉降试验后的抗剪强度等指标，发现加压时间对加固效果有较大影响，给出了1.5 h的最优加压时间，但对于加压温度影响的研究较少。Rila等［9］认为增压式真空预压处理深层软基时更容易在土体中产生裂缝，增加了深层的渗透性和真空压力的传输效率，但是未定义增压后真空在深层土体中的传递作用。雷华阳等［10-11］通过电镜扫描试验和压汞试验分析发现，增压式真空预压加固后的土体骨架颗粒形态更均匀密实，细小孔隙的数量更多，加固效果优于常规真空预压法。

航道疏浚物土质差异性较大，特别在吹填尾水流线末端的疏浚沉淀物，黏粒含量高，土体塑性指数大于25，含水率大于85%，孔隙比大于1.5，导致其承载力低，使用常规方法处理工期较长，工序较繁琐，并且难以保证工后效果。因此，采用增压式真空预压处理是很好的选择。本文结合一软基处理项目，详细介绍增压式真空预压的应用，为区域相关软基处理项目提供参考。

1 工程概况

项目位于湛江市东海岛的北部，场区北侧临海域，南侧邻疏港公路和东海岛铁路，西侧邻规划的石化产业园区预留发展用地，东侧为排海通道。场地存在较厚的吹填土（淤泥）层、淤泥（夹砂）和淤泥质黏土层，须进行填土及软基处理。

1.1 工程地质条件

在勘察揭露深度范围内，地基土的构成与分布自上而下分别为：①第四系人工填土层。②全新统冲海积和海相沉积层。③下更新统湛江组海陆交互相沉积层。其中，回填料采用航道改扩建工程中含砂量较高（粒径大于0.075 mm的颗粒含量大于50%）的疏浚物。根据现场取样进行室内颗分试验分析，疏浚砂尾水区的疏浚砂大于0.075 mm的颗粒含量在63.5%。各土层物理性及力学指标见表1。

表1 各土层物理性及力学指标

项目用地区域地下水有浅层第四系地层中的潜水、承压水两种类型。其中，潜水主要赋存于浅层填土和全新统冲海积层中。勘察期间测得钻孔的地下水稳定水位埋深为0.3～4.3 m。根据工程经验，沿海建设场地在地势增高后（与周边地势持平），最终高水位一般可至地表下0.5～1.0 m。承压水主要赋存于湛江组地层中，含水层岩性为砂土，富水性丰富。

1.2 不良地质条件

1）拟建场地浅部分布的吹填土含砾中粗砂、中粗砂夹黏性土在水动力作用下易产生流砂现象，在反复振动荷载作用下易产生砂土液化现象，在基坑开挖时易产生渗流液化。

2）疏浚砂尾水沉淀区面积较大，吹填土（砂）中含水率较高，黏粒含量较高，并且部分区域存在海积淤泥，土质软弱、不均且成分复杂，使用常规软基处理方法工期较长，并且由于土体压缩性较大，容易导致不均匀沉降等问题。

2 软基处理方案

2.1 方案对比选择

处理含水率较大的深厚软基，选择插板排水固结堆载预压和真空预压法较合适，插板排水固结堆载预压相对于真空预压法处理时间较长，工序较繁，所需的预压资料较多，短时期内难以准备齐全。常规真空预压法的排水板滤膜孔径小，淤泥颗粒被堵塞在滤膜外，容易形成泥饼，会造成抽不动的现象。另外，常规真空预压法采用排水板绕接真空滤管的方式进行联结，真空度沿程损失快；抽真空设备为射流真空泵，需使用的数量多，能耗大，且不便管理。因此，沉淀区地基处理采用增压式真空预压法。

2.2 施工阶段主要技术要求

增压式真空预压排水固结方案地基处理的施工顺序如下：吹填结束后场地整平→铺设工作砂垫层（1.0 m厚）→打设黏土密封墙→插板机打设排水板（间距0.9 m，正方形布置）、插增压管（间距2.7 m，正方形布置）→布设滤管及检测设备→连通排水板与滤管→铺设无纺土工布→铺设密封膜→布设真空泵及其他抽真空装置→土体增压、抽气加载→卸载→碾压整平至交工标高→检测、验收。设计增压式真空预压区断面图如图1所示。

图1 增压式真空预压区情况

主要施工阶段技术要求如下。

1）排水板的选取与插设。常用的普通排水板滤膜较厚，等效孔径小，易淤堵，抽真空芯板易倒伏，通水量小。本项目采用新型的整体式排水板，滤膜为防淤堵排水板滤膜，滤布与板芯热熔结合，形成连续框架结构，整体性、强度都比普通排水板要强。由于其整体性好，滤布在高压状态下不会折入板芯，其通水量远大于普通排水板。从原理上分析，新型整体式排水板的井阻小于普通排水板，可获得更优的排水效果。两种排水板滤膜如图2所示，排水板相关参数见表2。

图2 排水板滤膜

表2 排水板相关参数

排水板施工采用轨道式振动插板机，施工主要步骤为：①插板机移机就位。按规范进行桩位放标，调正套管垂直度，对准插放桩位，将塑料排水板插入空心套管中，排水板从插入杆端头引出、折回，夹上短钢筋。②插打塑料排水板。使用振动或液压的方式将套管沉入至设计标高。③拔出空心套管。在套管提升过程中，塑料排水板板头受到短钢筋压力被留在土中。④切割塑料排水板。套管底提升至砂面以上后，留出塑料排水板埋入砂垫层的长度（25 cm），将塑料排水板割断。

2）连接增压管路、埋设不倒翁集水井（又称水汽分离集水井，见图3）。两相邻排水板之间需采用手形接头、真空支管连接，手形接头接管部分由圆台组成，圆台外侧必须有三角倒齿。排水板与手形接头连接时，应将板头剪平整。排水板板头应插入手形接头的底部。手形接头连接完成后，排水板、手形接头应贴近地面。真空支管延加固区域的短边方向布置，而真空主管需沿加固区域的长边方向布置，主管两侧的支管长度为50 m。所有接头及管网连接完成后，用木工枪钉进行再固定。设计排水板间距为0.9 m，正方形布置。

图3 水汽分离集水井

在预压区内，每1 000 m2为一个增压单元，增压单元为正方形。增压管路连接时，预留有一定的伸缩量防止后期土体变形。不倒翁集水井沿加固区域的长边方向均匀分布在真空主管之间，埋设时坡度不应过大，埋设堆填料使用黏土、可塑性淤泥。不倒翁集水井埋设完成后，及时进行封口处理。根据气平行计算不倒翁集水井容积不小于2.5 m3。

3）密封墙施工。泥浆密封墙的泥浆采用淤泥或粉质黏土。搅拌桩封闭墙采取双排桩，单桩设计直径700 mm，纵横两桩之间彼此搭接长度为200 mm，间距500 mm，深度需穿过淤泥混砂层，进入黏土层0.5 m。泥浆掺入比要求不小于35%，另掺入5%的膨润土；泥浆比重要求不小于1.35，淤泥密封墙渗透系数小于1×10-6cm∕s。搅拌桩施工下搅速度控制为1.2 m∕min，上搅速度0.8 m∕min。要求施工4喷4搅以上，严格控制工艺指标，尤其是搅喷速度。桩位定位偏差应控制在±70 mm范围内，控制桩管下插时的垂直度偏差不大于±5%。密封墙施工工序包括：①制浆。制浆黏土可以选取现场真空预压区域周围的淤泥，要求淤泥中黏粒（粒径小于0.005 mm的颗粒）掺入量不低于25%，泥浆制备采用圆筒式搅拌机完成，根据每罐的拌和量先加入一定量水，按比例掺入膨润土，然后向搅拌桶内添加黏土混合搅拌，根据泥浆相对密度要求添加水和黏土，泥浆相对密度达到1.3后才能使用。②搅拌喷浆。采用双搅拌头深层搅拌机对黏土密封墙搅拌，搅头为两个直径70 cm的快刀，搅拌时形成宽70 cm、长120 cm的8字形，施工双排密封墙按8字形排列，每根桩批次搭接20 cm，打设过程中控制套管垂直度偏差不得大于±1.5%。拌和深度要求穿透透水层并进入下部不透水层1.5 m，拌和程序为4次喷浆4次搅拌，施工中严格控制喷搅工艺及搅拌速度。

真空度监测曲线见图4。可知：施工正式开始后逐渐抽真空至-85 kPa以上，整个施工阶段真空度曲线稳定，表明密封效果良好，上述改进措施有效。

图4 真空度监测曲线

4）孔隙水压力监测。孔隙水压力计在6 m深度以上区域每2 m设置1个测头；6 m深度以下直至排水板底以下2 m，每3 m埋设1个测头。测头平面位置位于排水板正方形平面布置的几何形心上。孔隙水压力计应在抽真空开始之前埋设，埋设后记录测量初始值。

5）沉降监测。真空预压处理每分区均匀布置沉降板，布置间距为50 m×50 m。沉降板在膜上埋放时，需要预先在膜上铺一层土工布，然后用砂找平，安放好沉降板后将沉降板和杆用砂包袋围好。打设插板引起的地面沉降应由前后地面标高测量确定。

6）增压施工。根据沉降速率逐渐抽真空至85 kPa（满载后）以上，连续抽真空至出水量明显减少，平均沉降减小至25～40 mm后，开始增压施工。增压采用间歇式工作方式。施工时，气压控制在0～20 kPa（需根据场地实际情况调整），真空度减小至10～20 kPa时停止增压；之后再次抽真空维持至85 kPa以上、出水量减少时，再次增压施工。一般24 h增压施工一次，每次1.5～2.0 h。增压施工重复循环15～20次，最近一周平均沉降降至25 mm以下时，增压施工结束。

3 增压式真空预压法效果分析

该项目吹填区面积为72 090 m2，其中南部区域面积29 268 m2为吹填尾水流线沉淀区。相比较其他区域，沉淀区具有淤泥层厚、含水率更高、孔隙比大、承载力低、工后沉降大等特点，土质极差，因此该区域采用增压式真空预压处理。在增压施工过程中，监测孔隙水压力和沉降变化，结果见图5。

图5 监测数据曲线

由图5可知：从通电加压至85 kPa的过程中，3个点的孔隙水压力逐渐加速降低，沉降速率加快，累计沉降加速增大，说明尾水区正在加速固结；加压至达到满载时，沉降速率达到峰值，这期间累计沉降变化最快；在达到满载后的增压阶段，孔隙水压力和沉降速率均因增压而发生波动。满载之后，孔隙水压力继续减小，但曲线逐渐趋于平稳，说明孔隙水压力消减速率逐渐减小，尾水区固结度越来越高，累计沉降持续增长，沉降速率也趋于稳定；在加压100 d之后，沉降速率小于1 mm∕d。根据整个施工阶段的监测数据，可将增压式真空预压的固结分为3个阶段：加速固结阶段、稳定固结阶段、缓慢固结阶段。

在沉降速率连续10 d小于1 mm∕d时，使用浅冈法预测计算尾水区工后沉降，得到计算结果显示其平均工后沉降为471 mm，平均剩余沉降为93 mm，固结度达到80%。不同区域地基处理效果见表3。可知，沉降板布置间距100 m时，最大差异沉降为34 mm。

表3 不同区域地基处理效果

在真空预压区和非真空预压区各选取2个测点进行静载试验，压板面积1 m2。在最大试验荷载160 kPa时真空预压区测点1、测点2沉降分别为3.1、2.6 mm，非真空预压区测点1、测点2沉降分别为6.2、4.7 mm。在承载力特征值80 kPa时真空预压区测点1、测点2沉降分别为1.7、1.6 mm，非真空预压区测点1、测点2沉降分别为2.5、2.4 mm。静载试验地基的荷载-位移曲线见图6。可知，真空预压区在七级荷载下均未发生破坏，两区域的单点承载力特征值均达到80 kPa，满足设计要求。