真空預壓加固流泥效果分析

馮軍，劉愛民，高志義

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222）

0 引言

隨著東部沿海城市對外貿(mào)易的日益頻繁，水上交通需求量迅速擴大，土地也日趨緊張，使得沿海灘涂的開發(fā)和淺層水域的利用成了這些地區(qū)著手擴大發(fā)展空間首要考慮的問題。這些灘涂和淺層水域新吹填的軟土地基加固較多采用真空預壓法，取得了顯著的成果和巨大的經(jīng)濟社會效益。

近來在大連、黃驊和青島等地的某些軟基加固工程中，新近吹填的軟土表層用真空預壓處理后，表層3～5m土體盡管含水率、孔隙比等物性指標均有較大改善，但部分土體仍處于流塑狀態(tài)，強度很低，遠達不到設(shè)計要求。為了了解真空預壓對這種流泥的加固效果并分析原因，采用室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場工程實例相結(jié)合的方法進行研究。認為真空預壓對某些地區(qū)流泥的加固效果不很理想的原因，主要是該吹填流泥的顆粒極細，細小顆粒對孔隙水的吸附作用較大。真空預壓法加固流泥時應慎重。

1 研究方法

真空預壓加固流泥的效果及原因分析研究采用室內(nèi)模型試驗與現(xiàn)場工程數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法。模型試驗的流泥取自黃驊某工程真空預壓加固效果較差區(qū)域附近；真空預壓加固現(xiàn)場工程的監(jiān)測、檢測數(shù)據(jù)來源于青島某工程的軟基加固實測資料。

1.1 室內(nèi)模型試驗

真空預壓模型試驗[1]的試驗槽為長方體鐵箱，尺寸為長2.4m，寬1.5m，高2.0m，四周和底面鋼板及焊縫相當嚴密，保證真空預壓試驗過程中不會漏氣。根據(jù)施工現(xiàn)場抽真空設(shè)備各部件尺寸的比例做成小型的抽真空設(shè)備，要求其抽真空能力超過95 kPa。試驗槽內(nèi)插B型原生塑料排水板，插板深度1.5m，間距0.6m，正方形布置，上鋪20 cm中粗砂墊層，膜下真空度不小于80 kPa。試驗槽塑料排水板及監(jiān)測、檢測項目布置平面和立面圖見圖1、圖2。

圖1 試驗槽內(nèi)排水板及檢測項目平面布置（單位：mm）

圖2 試驗槽內(nèi)排水板及監(jiān)測儀器布置

加固前、后分別進行了槽內(nèi)十字板和取原狀土樣室內(nèi)試驗，對比土體的加固效果，同時在加固過程中的不同時段還進行了3次含水率試驗，了解含水率變化情況。

1.2 青島某軟基處理工程

青島某軟基處理工程[2]是典型的圍海造陸工程吹填形成的軟土地基，陸域形成時間較短，約2 a左右，處于欠固結(jié)狀態(tài)。該工程采用真空預壓法加固軟土（部分區(qū)域表層為流泥），排水板間距為1.0m，正方形布置，表層鋪設(shè)40 cm中粗砂墊層，連續(xù)抽氣95 d，最后10 d實測平均沉降速率小于2.0mm/d，根據(jù)實測平均沉降曲線用雙曲線法推算的地基固結(jié)度大于85%。卸載后現(xiàn)場進行十字板剪切試驗，表明土體抗剪強度較低，不能滿足地基強度要求。

2 流泥監(jiān)測、檢測數(shù)據(jù)分析

在室內(nèi)模型試驗和青島某工程實例的監(jiān)測、檢測過程中，取得了大量翔實的現(xiàn)場原位檢測和室內(nèi)土工試驗資料，為真空預壓加固流泥效果的研究提供了可靠的數(shù)據(jù)來源。

2.1 淤泥的物性指標

真空預壓加固前、后分別對黃驊和青島某軟基處理工程取原狀土樣進行土體物性指標試驗，對比軟土地基的加固效果，各試驗參數(shù)如表1。

表1 黃驊和青島某軟基處理工程原狀土真空預壓加固前、后物性指標對比

由表1可以看到土體的含水率和孔隙比等物性指標均有較大變化，表明真空預壓對土體物性指標的改善起了很大作用，但就影響土體力學性質(zhì)的物性指標而言，含水率和孔隙比的絕對值仍很大。

2.2 孔隙水壓力監(jiān)測

真空預壓模型試驗和現(xiàn)場軟基處理工程加固過程中都進行了孔隙水壓力監(jiān)測（孔隙水壓力儀埋設(shè)在正方形布置塑料排水板的形心位置，均取埋設(shè)深度為1m孔隙水壓力儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)），試驗槽膜下真空度維持在80 kPa以上，現(xiàn)場軟基處理工程膜下平均真空度維持在85 kPa以上?？紫端畨毫ψ兓€如圖3、圖4。

由圖3、圖4可見，青島某軟基處理工程經(jīng)過滿載95 d真空預壓加固，孔隙水壓力消散約為40.6 kPa，應力固結(jié)度達到47.8%。模型試驗盡管排水板間距很?。?.6m），滿載預壓時間很長（150 d），但孔隙水壓力消散僅為33.4 kPa，應力固結(jié)度為41.8%。模型試驗盡管縮小了排水板間距，延長了真空預壓抽氣時間，但應力固結(jié)度不足50%，強度很低。

圖3 模型試驗孔隙水壓力變化曲線

2.3 十字板強度檢測

模型試驗和工程實例的真空預壓加固前、后分別進行了十字板剪切試驗，十字板檢測的位置在正方形布置塑料排水板的形心處。加固前新吹填的流泥十字板強度很低，基本為0，模型試驗和現(xiàn)場軟基加固后十字板檢測深度和抗剪強度結(jié)果如表2。

圖4 青島某工程孔隙水壓力變化曲線

表2 模型試驗和現(xiàn)場軟基處理工程加固后十字板強度

由表2可見模型試驗和青島某軟基處理工程表層的流泥經(jīng)過真空預壓加固后強度都很低，達不到設(shè)計要求。由于土質(zhì)、加固時間及排水板間距的差異，青島某工程表層的軟土強度更低；模型試驗盡管排水板間距縮小為0.6m[3]，但十字板抗剪強度也只有14.2 kPa，強度較低，因此縮小排水板間距并不能對該軟土的強度有很明顯的提高。

3 加固效果及原因分析

3.1 加固過程中室內(nèi)取樣試驗結(jié)果分析

原狀土的強度與土體的含水率密切相關(guān)，為了了解真空預壓加固過程中含水率的變化情況，在模型試驗加固過程中的不同加固時段，揭開塑料密封膜取原狀土進行3次含水率試驗，在真空預壓加固過程中含水率變化曲線如圖5所示。

圖5 真空預壓加固過程中含水率變化曲線

由圖5可見，排水板間距0.6m模型試驗不同時段土體含水率的變化過程，在試驗前期（前30 d）含水率減小很快，由115%減小到了56%，經(jīng)過30 d加固，含水率減小了59%，當加固一段時間后（30～70 d），固結(jié)排水速率明顯變緩，含水率由56%下降到了53.1%，經(jīng)過40 d的加固，含水率僅減小3.9%，而從70 d含水率53.1%到150 d含水率51.4%，80 d的真空預壓作用含水率僅減小了2.7%（當加固時間達到某一時間點或某一含水率時，真空預壓的后續(xù)排水效果不再明顯，此時繼續(xù)使用該法很不經(jīng)濟）[4]。因此認為，土體達到了真空預壓處理流泥含水率的下限左右時，真空預壓后續(xù)的排水固結(jié)效果就不明顯了。

3.2 土的顆粒分析

加固后，模型槽內(nèi)和施工現(xiàn)場分別取土進行室內(nèi)顆粒分析試驗，發(fā)現(xiàn)這些流泥黏粒（粒徑小于0.005mm）含量很高，平均值約為40%，最大達到48%。手觸摸流泥感覺滑膩，同觸摸油脂的感覺相似，可以推斷該流泥不僅黏粒含量高，而且黏粒中更細小顆粒的含量也高（目前室內(nèi)土工試驗無法對粒徑小于0.005mm的顆粒進一步區(qū)分）。根據(jù)土工原理，對于顆粒極細的這種流泥來說，由于極細顆粒所吸附的強結(jié)合水和弱結(jié)合水的水膜很厚，在80 kPa預壓荷載作用下排水固結(jié)，土顆粒間的自由水可以排出，表現(xiàn)為土體發(fā)生較大的沉降，孔壓有一定的消散，但是在該壓力作用下土顆粒吸附的弱結(jié)合水很難排出，表現(xiàn)為土體在受到剪力作用時，由于結(jié)合水的潤滑作用，土的抗剪強度很低。

3.3 固結(jié)快剪指標分析

模型試驗和青島某工程的軟土，在真空預壓加固后強度較低，為了了解其強度同其它工程的差異，在試驗室做了大量的固結(jié)快剪試驗，同天津港某工程的軟土進行對比，軟土固結(jié)快剪對比曲線如圖6，各試驗參數(shù)見表3。

圖6 不同地區(qū)軟土固結(jié)快剪對比

根據(jù)固結(jié)快剪對比曲線可以了解不同固結(jié)壓力下，土體完全固結(jié)的抗剪強度情況。由圖6及表3可見，天津港某軟基加固工程軟土固結(jié)快剪的抗剪強度τ（固結(jié)壓力為100 kPa時）和內(nèi)摩擦角φcq的數(shù)值遠較其它兩個工程大。

JTJ250—98《港口工程地基規(guī)范》[5]中建議的土體強度增長公式為：

表3 黃驊、青島及天津港軟基工程土體固結(jié)快剪強度指標對比

式中：ΔSuk為加荷過程中強度增量的標準值；σzk為平均垂直附加應力的標準值；U為平均固結(jié)度；φcq為固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角標準值。

由式（1）可知，土體的強度增長值是由預壓荷載、固結(jié)度和固結(jié)快剪的內(nèi)摩擦角共同決定的，在預壓荷載和固結(jié)度一定的情況下，土體強度的增長量就是固結(jié)快剪的內(nèi)摩擦角正切值的線性函數(shù)，因此當真空預壓加固能夠滿足設(shè)計卸載標準時（真空預壓正常施工，預壓荷載和固結(jié)度可以滿足設(shè)計要求），土體強度增長的情況是由土體固結(jié)快剪的內(nèi)摩擦角決定的。

室內(nèi)固結(jié)快剪試驗結(jié)果證實，黃驊某工程的表層流泥在80 kPa荷載作用下完全固結(jié)后，抗剪強度只有23 kPa，按照GB50007—2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[6]土的抗剪強度指標，確定地基承載力特征值公式為：

式中：fa為由土的抗剪強度指標確定的地基承載力特征值；Mb，Md，Mc為承載力系數(shù)；γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；b為基礎(chǔ)底面寬度，大于6m時按6m取值；γm為基礎(chǔ)底面以下土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度；d為基礎(chǔ)埋置深度；ck為基底下1倍短邊深度內(nèi)土的黏聚力標準值。

經(jīng)計算可知黃驊某工程流泥在80 kPa附加荷載作用下完全固結(jié)后，換算地基承載力為55.3 kPa，較低。

因此，這兩個新近吹填軟基加固工程表層的流泥，在真空預壓荷載作用下固結(jié)度達到85%時，其強度仍然偏低，理論分析與工程實例加固效果完全吻合。

黃驊與天津港某工程軟土固結(jié)快剪對比的結(jié)果理論上表明，黃驊某工程軟土在110 kPa預壓荷載作用下可以達到天津港某工程軟土80 kPa預壓荷載作用的加固效果。

通過分析可知，該流泥加固效果較差，主要是由于其黏粒含量較高，顆粒極細且滑膩，土體完全固結(jié)后內(nèi)摩擦角太小，其抗剪強度較低；盡管前期土體含水率減小明顯，但后期土?？紫堕g自由水逐漸減小且細顆粒比表面積大對其吸附作用也較大，真空預壓對距離排水板較遠位置孔隙水的預壓作用相對不明顯。

4 結(jié)論

某些工程新近吹填的流泥，在真空預壓80 kPa預壓荷載作用下，經(jīng)過一定時間排水固結(jié)，可以達到卸載標準，但土體強度較低。真空預壓加固流泥的效果分析如下：

1）真空預壓加固某些新近吹填的流泥，土體含水率變化差異很大，前期排水迅速，含水率減小很快，后期減小很慢。該模型試驗前30 d流泥含水率減小值是后120 d減小值的12倍多。

2）從監(jiān)測的數(shù)據(jù)來看，對于這種流泥加固后孔隙水壓力消散值較小，應力固結(jié)度不足50%。

3）真空預壓對流泥加固后，土體的強度較低。這主要是由于土顆粒粒徑太小，結(jié)合水較多，真空預壓的80 kPa荷載不足以將這部分水排出。因此對于此種土，僅通過縮小排水板間距改善加固效果的方法不可行。

4）真空預壓對流泥排水固結(jié)作用后，物性指標改善明顯，而力學指標提高不大，因此真空預壓處理這種新近吹填顆粒極細的流泥應慎重，此法加固這種流泥時應通過試驗進行深入分析。

5）真空預壓對流泥的加固效果前期較為明顯，土體沉降較大，含水率大大減??；后期可根據(jù)地基加固深度要求結(jié)合其它方法處理效果較好。若是淺層地基處理可結(jié)合拌生石灰的方法，若是深層地基處理可考慮結(jié)合電滲法進行加固。

[1] 劉愛民，馮軍.土性對真空預壓加固效果影響的室內(nèi)試驗研究[R].天津：天津港灣工程研究所，2005.

[2] 劉愛民，馮軍.青島海西灣造修船基地西圍堰軟基處理工程加固效果檢驗報告[R].天津：天津港灣工程質(zhì)量檢測中心，2006.

[3] 任文芳.塑料排水板間距對真空預壓加固時間的影響[J].中國港灣建設(shè)，2005（3）：30-32.

[4] 陳環(huán).真空預壓法機理研究十年[J].港口工程，1991（4）：17-25.

[5] JTJ250—98，港口工程地基規(guī)范[S].

[6] GB50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].