雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法處理超軟海底吹填淤泥

彭 吉力,蘇 波,董江平,王柏歡

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098;2.中交上航局航道建設(shè)有限公司,浙江寧波 315200)

真空預(yù)壓法是一種有效的軟基加固方法,近年來(lái)隨著我國(guó)沿海地區(qū)吹填成陸工程的大量出現(xiàn),真空預(yù)壓法也越來(lái)越多地被應(yīng)用到處理超軟海底淤泥工程中.

普通的真空預(yù)壓法是在軟基表面鋪墊40～50 cm厚的砂墊層之后,在砂墊層中埋入水平濾管,構(gòu)成水平向排水系統(tǒng);在土體中打入塑料排水板,作為豎向排水系統(tǒng);然后將密封膜鋪設(shè)在軟基表面的砂墊層上,薄膜四周埋入土中;通過(guò)抽真空系統(tǒng),借埋設(shè)于砂墊層中的水平濾管,將薄膜下土體間的空氣抽出,使其形成相對(duì)負(fù)壓,由于塑料排水板滲透性較大,該負(fù)壓能夠快速傳遞到砂井中,從而在排水板和排水板周?chē)馏w之間形成孔壓差,使土體中的孔隙水流入排水板并被排出,從而達(dá)到加固軟基的目的.

對(duì)于沿海吹填成陸工程中的海底吹填淤泥場(chǎng)地地基,采用常規(guī)的真空預(yù)壓法往往難以達(dá)到加固的目的,如本研究所依托的溫州市吹填地基加固工程中,如果采用常規(guī)真空預(yù)壓法,40 cm厚砂墊層荷載再加上墊層攤鋪機(jī)械的荷載,總荷載將大于地基承載力,鋪設(shè)難以進(jìn)行.而且我國(guó)砂資源日益稀缺,因此無(wú)砂墊層真空預(yù)壓是可行的方案[1].已有的研究表明[2-3],真空預(yù)壓法處理之后,在地表會(huì)形成一個(gè)硬殼層,如溫州市吹填地基加固工程中,已加固的常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓形成的硬殼層厚度一般為0.5～1.0m.考慮到硬殼層以下的土體可能無(wú)法達(dá)到處理目標(biāo)所要求的加固效果,而硬殼層厚度又不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,因此本文提出采用雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法,并進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究,其加固效果要明顯優(yōu)于常規(guī)的無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法.

1 雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法施工工藝

在常規(guī)的真空預(yù)壓工程中,墊層的主要作用是:(a)傳遞抽真空系統(tǒng)中的低壓,在膜下形成低壓力場(chǎng),其流體絕對(duì)壓力為26～31 kPa,也就是通常所說(shuō)的真空度為80～85kPa;(b)將抽吸出來(lái)的地基中的水、氣匯集并由管道排出場(chǎng)地.越接近墊層,塑料排水板中的流體壓力越低,也就是軟土中存在真空作用隨深度衰減的規(guī)律.真空作用越小,那么加固效果顯然就越差[4-5].常規(guī)的真空預(yù)壓剖面如圖1所示.

圖1 常規(guī)真空預(yù)壓法示意圖Fig.1 Section sketch of conventional vacuum preloading

為了增加硬殼層厚度,確保達(dá)到設(shè)計(jì)要求的加固效果,采用雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法.即除了地表的無(wú)砂墊層水平濾層外,在地下2.0m深處也布置一層水平濾層,與地表的水平濾層一樣,該地下濾層也由50mm外徑的透水軟管構(gòu)成,透水軟管上也綁扎塑料排水板,塑料排水板長(zhǎng)度為1.5m.雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓剖面如圖2所示.

雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法的施工步驟如下.

a.先將塑料排水板綁扎在透水軟管上,塑料排水板長(zhǎng)度根據(jù)軟土層厚度確定,試驗(yàn)區(qū)淤泥層厚度為2.5m,因此塑料排水板長(zhǎng)度分別為1.5m(地下濾層)和2.5m(地表濾層).

b.在加固區(qū)地表鋪設(shè)一層150g/m2的編織布,以使施工人員可以在場(chǎng)區(qū)上行走、施工,不致掉入淤泥中.

c.地下濾層施工:人工用插桿把地下濾管層壓入到地下2.0m處,此時(shí)塑料排水板是向上的,且要確保其不露出地面,塑料排水板長(zhǎng)度1.5m,板頭在地面以下0.5m,塑料排水板采用B型板,正方形布置,間距0.8m.

d.地表透水軟管布置好之后,鋪設(shè)一層200g/m2無(wú)紡?fù)凉げ?以改善水平濾層透氣性能,透水軟管、塑料排水板、無(wú)紡?fù)凉げ脊餐瑯?gòu)成水平向、豎直向排水體系.

e.再鋪2層厚度為0.12mm的聚氯乙烯密封膜,并將膜邊人工踩入淤泥中.

f.布置抽真空系統(tǒng)并與地表、地下透水軟管連接.

g.開(kāi)始抽真空并監(jiān)測(cè),平均沉降速率達(dá)到連續(xù)10天不大于2mm/d、靜力觸探或十字板試驗(yàn)測(cè)得承載力大于50kPa即可卸載.

由于地下濾層的施工是由人工將綁扎好的塑料排水板的透水軟管壓入地基中,能夠施工的深度受限于土的軟硬程度[6],因此雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法不適用于厚度較大或初始土體強(qiáng)度較大的軟基處理,但是對(duì)于沿海吹填厚度不大的超軟淤泥處理,則具有施工可行性,增加的材料不多,是比較經(jīng)濟(jì)的常規(guī)真空預(yù)壓改進(jìn)方法.

圖2 雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法示意圖Fig.2 Section sketch of vacuum preloading with doub le-layer filter pipe in non-sand-mat layer

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)位于浙江省溫州市龍灣區(qū),該試驗(yàn)區(qū)屬于溫州市吹填成陸工程的一部分.溫州市吹填成陸工程總的近期規(guī)劃范圍包括龍灣丁山一期工程、天成工程、永興南園工程,面積17.7km2.

吹泥船將海底淤泥與海水混合物吹至吹填區(qū),形成陸地,吹填的厚度為2.5～4.5m.吹填后淤泥的天然含水率遠(yuǎn)大于液限含水率,飽和度接近100%,由現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)得到的土體不排水強(qiáng)度極低(均小于2kPa).顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表明該吹填土所有粒組的粒徑均小于0.075mm,其中粒徑小于0.005mm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.4%.

根據(jù)吹填區(qū)日后的用途,對(duì)后續(xù)用于場(chǎng)區(qū)內(nèi)道路的部分提出的處理要求為:在加固后0～1.5m深度內(nèi),地基承載力特征值f ak≥50kPa,要求在處理后,一些較大的施工機(jī)械可以在其上實(shí)施道路施工.由于吹填后形成的場(chǎng)地地基承載力極低,一般的軟基處理方法例如復(fù)合地基、強(qiáng)夯等均無(wú)實(shí)施條件,只有無(wú)砂墊層真空預(yù)壓施工荷載較小,具有實(shí)施可行性[7],因此該吹填區(qū)域采用了無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法處理.為了研究雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法和常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法的區(qū)別,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn).

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)為矩形,長(zhǎng)50 m、寬 20 m,加固面積為1000m2.為了便于對(duì)比研究,在同一個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)、同一塊密封膜內(nèi)劃分2個(gè)分區(qū),分別布置了雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓和普通的無(wú)砂墊層真空預(yù)壓,平面分布以及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)布置情況如圖3所示.布置了2臺(tái)射流真空泵,正常情況下只開(kāi)1臺(tái),另1臺(tái)備用.

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平面示意圖Fig.3 Layout of field test

從2010年1月31日開(kāi)始抽真空,至2010年5月9日,大部分時(shí)間膜下真空度穩(wěn)定在80kPa以上,抽真空歷時(shí)98d.膜下真空度如圖4所示.

監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括表面沉降、分層沉降和孔隙水壓力.觀測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖3.孔隙水壓力計(jì)采用人工埋設(shè)法,埋設(shè)在2個(gè)分區(qū)的加固區(qū)中部,在由4根排水板形成的矩形的形心處,各布置1組孔隙水壓力傳感器,每組3個(gè)探頭,按深度方向每向下1m左右埋設(shè)1個(gè)探頭.

2.1 表面沉降

表面沉降是軟基分析的基礎(chǔ),也是加固效果最直接的反映.圖5為2個(gè)分區(qū)的表面沉降曲線.常規(guī)的無(wú)砂墊層真空預(yù)壓區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)A區(qū))2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降值分別為50.3 cm和58.2 cm.考慮到加固區(qū)淤泥層厚度約為2.5m,可知真空預(yù)壓的加固效果是比較顯著的.

圖4 真空荷載作用曲線Fig.4 Vacuum loading curve

圖5 表面沉降曲線Fig.5 Surface settlement curve

雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)B區(qū))場(chǎng)地中心和邊緣處的累積沉降曲線表明,在真空預(yù)壓期間,2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降值分別為66.3 cm和73.3 cm.B區(qū)中部沉降比A區(qū)要大26%,B區(qū)邊緣沉降比A區(qū)要大32%.這不僅表明雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓加固效果要好于常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓,而且雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓的加固效果更均勻,中部沉降大于邊緣沉降的幅度由常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓的16%降低到11%.

圖6為A區(qū)和B區(qū)的平均沉降速率曲線,B區(qū)的平均沉降速率在抽真空過(guò)程中大于A區(qū).

2.2 分層沉降

通過(guò)分層沉降的觀測(cè),可以了解地基不同深度處的沉降量,從而計(jì)算出各土層的壓縮量[8].由于試驗(yàn)區(qū)軟土厚度不大,因此分別在A區(qū)和B區(qū)布置了1根分層沉降管,每根沉降管放置了2個(gè)沉降磁環(huán).磁環(huán)初始深度以及沉降曲線如圖7所示.

圖6 表面平均沉降速率曲線Fig.6 Surface settlement velocity curve

圖7 分層沉降曲線Fig.7 Layered settlement curve

A區(qū)和B區(qū)磁環(huán)之間的土層壓縮量如表1所示.由表1數(shù)據(jù)分析可知,B區(qū)0～1.1m范圍內(nèi)的土體在抽真空過(guò)程中壓縮量比A區(qū)要大11%,B區(qū)1.1～2.0m范圍內(nèi)土體壓縮量則比A區(qū)要大83%,可知雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓在整個(gè)土層中的加固效果要好于常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓,尤其是對(duì)深度較大處的土層,其加固效果更要顯著好于常規(guī)方法,這是由于真空有效作用是隨著深度增加而明顯衰減的[9-10].雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓在2.0m處增加了一層濾管和向上的塑料排水板,因此使得介于0～2.0m之間的土體受到的真空作用是比較均勻的,可以取得較好的加固效果.

表1 磁環(huán)間壓縮量Table 1 Compression of soil layers between two magnetic rings

2.3 孔隙水壓力

孔隙水壓力觀測(cè)是了解地基土體固結(jié)狀態(tài)的手段,通過(guò)不同深度孔壓隨時(shí)間變化曲線的實(shí)測(cè)資料,可以判斷真空預(yù)壓加固軟基的程度.由于真空預(yù)壓加固地基的地下水水位變化、曼德?tīng)栃?yīng)以及測(cè)量孔容易串氣等因素的影響,孔壓數(shù)據(jù)的規(guī)律往往并不理想,因此孔壓數(shù)據(jù)的分析一般被作為判斷加固效果的輔助手段[11].試驗(yàn)中孔壓計(jì)的埋設(shè)是1個(gè)測(cè)量孔布置1個(gè)孔壓計(jì),因此避免了串氣現(xiàn)象.

圖8為A區(qū)和B區(qū)孔壓曲線.從監(jiān)測(cè)的孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線上看,埋設(shè)在淤泥層內(nèi)的0.5m,1.5m,2.5m處的孔壓測(cè)點(diǎn),在抽真空期間,總體變化情況是孔隙水壓力呈下降趨勢(shì),與真空度從零上升至80 kPa的時(shí)間比較吻合.淺層孔壓下降較大,深層孔壓下降較小,符合一般的抽真空規(guī)律[11-13].真空荷載卸除后,孔壓恢復(fù)到靜水壓力.

圖8 孔隙水壓力曲線Fig.8 Pore water pressure curve

A區(qū)和B區(qū)不同深度處孔壓下降的最大幅度如圖9所示.A區(qū)和B區(qū)0.5m,2.5m深度處的孔壓在抽真空過(guò)程中下降幅度相差在30%以?xún)?nèi);而1.5m深度處的孔壓下降幅度,B區(qū)超過(guò)A區(qū)55%.這表明雙層濾管的增加能有效提高2層濾管之間土體的真空加固效果.從圖1也可看出,雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓的優(yōu)勢(shì)在于2個(gè)濾層之間的土體孔壓下降幅度和均勻度都明顯好于常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓.

2.4 靜力觸探試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)束后,在場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行了靜力觸探試驗(yàn).在A區(qū)和B區(qū)中部各選擇了2個(gè)點(diǎn),這2個(gè)點(diǎn)均位于4根塑料排水板圍成區(qū)域的形心處(即距離塑料排水板最遠(yuǎn)處),得到的A區(qū)和B區(qū)的靜力觸探曲線如圖10所示.

圖9 不同深度處孔壓最大下降幅度曲線Fig.9 Largest decline curve of pore water pressures in different depths

圖10 靜力觸探 P s曲線Fig.10 P s curve of CPT

由圖10可知,A區(qū)與B區(qū)在加固后比貫入阻力Ps值均有較大幅度增長(zhǎng).B區(qū)相對(duì)增長(zhǎng)幅度更大,有效深度也更大.如果以Ps＞0.2MPa為硬殼層判斷依據(jù),則A區(qū)的硬殼層厚度在1.1m左右,B區(qū)硬殼層厚度超過(guò)1.7m,且土體范圍內(nèi)強(qiáng)度較均勻.到1.7m深度以下,A區(qū)和B區(qū)的P s值就比較接近了.

根據(jù)靜力觸探結(jié)果推求地基承載力的公式很多,本文根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ08-37—2002《巖土工程勘察規(guī)范》中提供的淤泥質(zhì)土地基承載力計(jì)算公式f0=32+0.070Ps,換算后的A區(qū)地基承載力特征值在地表下0.5m范圍內(nèi)大于50 kPa,再往下就不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求了,B區(qū)在地表下1.5m范圍內(nèi)的地基承載力均大于50kPa,達(dá)到前述的設(shè)計(jì)要求.

2.5 載荷板試驗(yàn)

抽真空結(jié)束后,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了載荷板試驗(yàn).載荷板為圓形,面積為0.5m2,每個(gè)區(qū)選擇了2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別進(jìn)行靜載荷試驗(yàn),得到地基承載力極限值,A區(qū)和B區(qū)的地基承載力極限值均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求:A區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)1和2的地基承載力極限值分別為108kPa和111kPa;B區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)1和2的地基承載力極限值分別為116kPa和121kPa.

3 結(jié) 論

a.雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓加固區(qū)的沉降大于常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓區(qū),其中部沉降大于邊緣沉降的幅度由常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓的16%降低到11%,這表明雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓的加固效果更好且更均勻.

b.分層沉降數(shù)據(jù)分析表明,雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓在2.0m處增加了一層濾管和向上的塑料排水板,使0～2.0m之間的土體受到的真空作用比較均勻,整個(gè)土層中的加固效果要好于常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓,尤其是對(duì)深度1.0m以下、地下濾層以上的土層,其加固效果更要顯著好于常規(guī)方法,雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓在地下1.1～2.0m范圍內(nèi)土體壓縮量比常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓大83%.

c.雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓土體深層的孔壓下降幅度和均勻度都明顯好于常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓.

d.靜力觸探結(jié)果表明,雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓加固后形成的硬殼層厚度大于常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓,換算的地基承載力能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,常規(guī)無(wú)砂墊層真空預(yù)壓則不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)的加固要求.

e.由于地下濾層的施工是由人工將綁扎好塑料排水板的透水軟管壓入地基中,因此雙層濾管無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法不適用于厚度較大或初始強(qiáng)度較大的軟基處理,但是對(duì)于沿海吹填厚度不大的超軟淤泥處理,則顯得有效而經(jīng)濟(jì).

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