吹填軟弱土夾層的真空預(yù)壓加固方法探討

董志凌，曲月華，戴約林

（中交第一航務(wù)工程局第四工程有限公司，天津300456）

吹填軟弱土夾層的真空預(yù)壓加固方法探討

董志凌，曲月華，戴約林

（中交第一航務(wù)工程局第四工程有限公司，天津300456）

天津沿海地區(qū)圍海造陸通常采用淤泥質(zhì)土，由于水力分選和吹填工藝的原因，易形成軟弱土夾層，對新吹填土真空預(yù)壓加固效果產(chǎn)生不良影響，產(chǎn)生加固后無法達(dá)到使用要求的現(xiàn)象。文章通過分析吹填軟弱土夾層的形成原因及其含水量大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低和滲透性差等特性對加固效果的影響。根據(jù)沉積時間的不同，探討了3種處理方法：吹填砂性土法，二次真空預(yù)壓法和深淺排水板結(jié)合處理方法。并結(jié)合3個典型工程實例，論述了3種方法在工程中的成功應(yīng)用。

軟弱土；夾層；真空預(yù)壓；加固；探討

隨著天津市工業(yè)戰(zhàn)略東移和濱海新區(qū)的快速發(fā)展，土地資源已成為本區(qū)持續(xù)發(fā)展的制約因素。而濱海新區(qū)153.3 km的海岸線以及其廣闊的灘涂，是得天獨(dú)厚的自然資源，為城市發(fā)展提供了廣闊空間。因此需要利用沿海灘涂進(jìn)行圍海造陸工程，緩和土地資源的匱乏與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的矛盾。

隨著用地需求的加快，從圍埝開始至加固結(jié)束，2～3 a交地的現(xiàn)象形成一種常態(tài)。但由于速度的加快，存在部分固有的不利因素，加上細(xì)節(jié)處理存在不足，尤其易形成軟弱土夾層，造成較多的工程在加固效果和交地時間等方面達(dá)不到要求。本文分析一些工程實例，為同類工程提供借鑒。

1 吹填軟弱土夾層的形成原因及對加固效果的影響

1.1吹填軟弱土夾層的形成原因

近年來，天津沿海地區(qū)圍海造陸吹填土一般采用淤泥質(zhì)土，一次性吹填區(qū)域較大，出水口離吹填管口較遠(yuǎn)。吹填過程中粗顆粒在吹填管口附近落沉，顆粒較小的粘粒隨水飄流富集在出水口附近，形成含水量大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低和滲透性差的淤泥、流泥等超軟土。根據(jù)取土分析，其物理特性具有以下特點(diǎn)：①液限高。液限大于45%，且屬于高液限黏性土；②顆粒細(xì)，土質(zhì)差。土樣含有大量的黏粒（粒徑＜0.005 mm的顆粒），達(dá)到50.4%。同時土樣中膠粒（＜0.002 mm的顆粒）的含量也較大，膠粒含量達(dá)到22.5%。黏粒和膠粒很細(xì)，使得土具有巨大的比表面積和活性，能夠把大量的水分和礦物質(zhì)吸附在土顆粒周圍，使其結(jié)合水厚，土質(zhì)松軟，形成超軟弱土層［1］。

由于時間緊、任務(wù)重，新形成的吹填工藝往往投入相對較多的設(shè)備定點(diǎn)吹填，短時間內(nèi)達(dá)到圍堰頂標(biāo)高。經(jīng)過短時間沉淀、濾水后，泥面高程出現(xiàn)很大回落，往往需要進(jìn)行集中補(bǔ)吹。循環(huán)多次，使吹填形成的軟弱土層未及時改善，形成較明顯的地質(zhì)分層，極易形成軟弱土夾層。根據(jù)吹填厚度，一般埋深1～5 m。

1.2吹填軟弱土夾層對真空預(yù)壓加固效果的影響

軟弱土具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性的“三高兩低”特點(diǎn)，地基承載力低、變形大且變形不均勻，變形穩(wěn)定歷時較長［2］。在外界荷載的作用下，隨著孔隙水的不斷排出，土體產(chǎn)生固結(jié)，固結(jié)速率取決于孔隙水排出的快慢和土骨架蠕變速率。在滲透固結(jié)過程中，壓縮系數(shù)a、滲透系數(shù)k、固結(jié)系數(shù)c均隨著固結(jié)過程發(fā)生明顯的變化［3］。這樣的土質(zhì)條件下，增加了工程的施工難度。其對真空加固效果的影響主要體現(xiàn)在以下三方面：（1）相關(guān)研究表明［4］：在真空壓力下，粘粒含量聚集升高導(dǎo)致土體排水能力的降低。由圖1可知，當(dāng)固結(jié)壓力由5 kPa增加到80 kPa時，滲透系數(shù)急劇減小。在80 kPa的同結(jié)壓力下，滲透系數(shù)僅為固結(jié)壓力為5 kPa試樣滲透系數(shù)的1/15，滲透系數(shù)變化明顯。固結(jié)壓力大于80 kPa后，滲透系數(shù)與固結(jié)壓力關(guān)系曲線基本呈一條水平直線，滲透系數(shù)變化較小，對加固效果的影響明顯。（2）加固過程中，粘粒含量聚集升高導(dǎo)致塑料排水板排水能力的降低。由于粘粒含量高，加固過程中土體向排水板匯聚，細(xì)顆粒的粘粒很可能導(dǎo)致排水板濾膜透水性的顯著下降，從而影響土體的排水性能，影響加固效果（圖2）。（3）由于土體在外界荷載的作用下，軟弱土夾層壓縮量大而常規(guī)土層的壓縮量小。各土層的沉降差異，導(dǎo)致排水板在土層分界處易發(fā)生錯位、彎折，破壞排水板的井徑效應(yīng)，影響地基加固效果（圖3～圖4）。

圖1滲透系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系曲線Fig.1Relationship between permeability coefficient and consolidation pressure

圖2排水板濾膜粘粒含量聚集效果圖Fig.2 Drainage plate membrane clay content aggregation effect

圖3土體沉降前后排水板形態(tài)對比圖Fig.3 Comparison chart of soil drainage plate form before and after settlement

圖4土體沉降后排水板錯位、彎折效果圖Fig.4Soil settlement after the drainage plate dislocation and bending effect

2 吹填軟弱土夾層加固方法探討

軟弱土夾層的處理可根據(jù)其形成過程和土性特點(diǎn)，由沉積時間的長短，采用不同的處理方法。

2.1吹填砂性土法

粘土的滲透系數(shù)＜5×10-9m/s，砂性土的滲透系數(shù)10-4～10-3m/s［5］。針對剛吹填完成的加固區(qū)，可通過吹填砂性土，與原有軟弱土夾層混合，形成紊亂土層結(jié)構(gòu)，改善土體的固結(jié)系數(shù)，達(dá)到提升加固效果的目的。

根據(jù)固結(jié)系數(shù)公式［6］

式中：Cv為土的固結(jié)系數(shù)，cm2/s；k為滲透系數(shù)；γw為水的重度，一般近似值等于10.0 kN/m3；e為天然孔隙比；a為壓縮系數(shù)。

通過吹填砂性土，提高了土體滲透系數(shù)，降低壓縮系數(shù)。從而改善土體固結(jié)系數(shù)，可提升加固效果。

2.2二次真空預(yù)壓法

針對濾水完成的加固區(qū)，可采用二次真空預(yù)壓法，即首先對表層吹填土進(jìn)行一次淺層真空預(yù)壓［7］，使軟弱土夾層進(jìn)行預(yù)加固后，再進(jìn)行深層真空預(yù)壓加固處理。

根據(jù)相關(guān)研究［8］，淺層處理被加固對象土性指標(biāo)不斷改善，土體含水率不斷降低，濕密度不斷增長，這種變化在加固的前15 d尤為顯著，后期變化逐漸趨緩。另外，隨著真空預(yù)壓的進(jìn)行，加固區(qū)產(chǎn)生了非常明顯的沉降，說明加固效果是非常顯著的。沉降曲線在加固開始階段近似直線，并不產(chǎn)生明顯的衰減；加固中土體的豎向應(yīng)變非常大。由此可知，經(jīng)過淺層處理后的軟弱土夾層的工程特性得到明顯加強(qiáng)，對真空預(yù)壓加固處理的影響得到有效消除。

2.3深淺排水板結(jié)合處理方法

針對表層已經(jīng)形成硬殼的加固區(qū)，可采用了深淺排水板結(jié)合的施工方案，在長板之間中心加密打設(shè)短板，成倍增加軟弱土夾層的豎向排水通道。

首先，在物理數(shù)量上，通過增加附著根數(shù)，分解粘粒的聚集，緩解排水板濾膜透水性能過度下降，使排水板保持排水功能，使加固效果得到保證。其次，通過增加數(shù)量，當(dāng)部分排水板發(fā)生錯位、彎折，井徑效應(yīng)被破壞時，增加的排水板可以作為補(bǔ)充，充當(dāng)堅向排水通道，保證真空預(yù)壓加固效果。

3 典型工程實例的經(jīng)驗分析

對于軟弱土夾層的處理，經(jīng)過加固處理技術(shù)的不斷完善，有大量成功的工程實例，下面針對探討的3種方法，舉3個典型的工程實例進(jìn)行分析。

3.1中外運(yùn)北方物流集散中心鋼材堆場造陸工程項目岸坡地基處理工程

中外運(yùn)北方物流集散中心鋼材堆場造陸工程項目岸坡地基處理工程位于天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)3#區(qū)內(nèi)。為滿足投資方的用地要求，自圍堤閉合后，1.5個月完成吹填，經(jīng)歷2次補(bǔ)吹。剛吹填完成的超軟弱地基，淤泥層較厚（7～8 m），均為流狀，無承載力；表層為浮泥，厚度均在2 m以上，均為細(xì)顆粒粘粒，且水、泥混合不分離。

吹填完成后，根據(jù)建設(shè)單位的要求，選取西側(cè)2個區(qū)作為試驗區(qū)，采用真空預(yù)壓加固技術(shù)。要求真空恒載不少于120 d，固結(jié)度≥90%，連續(xù)5 d的平均沉降速率不大于2.5 mm/d。

經(jīng)過研究，采用吹填砂性土工作墊層的方法進(jìn)行。通過此方法的實施，將砂性土與淤泥進(jìn)行混合，使土質(zhì)在加固前得到改善，加固效果得到保證。如圖5所示，各土層孔隙水壓力正常消散。各區(qū)加固效果如表1所示。由此可見，在形成軟弱夾層的地基上進(jìn)行真空預(yù)壓加固時，改善土層的滲透性對加固過程中的孔隙水壓力消散有著積極的作用。

3.2天津臨港熱電項目軟基處理工程#1標(biāo)段

天津臨港熱電項目軟基處理工程#1標(biāo)段位于臨港工業(yè)區(qū)一期規(guī)劃區(qū)域西南中部，位于天津堿廠搬遷項目區(qū)東側(cè)。施工區(qū)域系圍海造地，新吹填淤泥質(zhì)粘土層，呈欠固結(jié)流塑狀態(tài)，工程力學(xué)性質(zhì)極差。

在方案比選后，項目采用二次處理法施工方案。即先對表層吹填土進(jìn)行一次淺層真空預(yù)壓，在表層軟土達(dá)到一定強(qiáng)度，再進(jìn)行深層真空預(yù)壓處理。通過實踐比較，較傳統(tǒng)的一次真空預(yù)壓加固效果更好。現(xiàn)以I-6區(qū)為例，其深層處理的各種觀測結(jié)果及有關(guān)指標(biāo)分析如下：（1）分層沉降觀測。I-6區(qū)分層沉降觀測的磁環(huán)埋設(shè)深度、各磁環(huán)累計沉降量以及磁環(huán)處土體固結(jié)度計算值見表2，沉降曲線如圖6所示。（2）孔隙水壓力監(jiān)測。I-6區(qū)的7個孔隙水壓力計的埋設(shè)按照設(shè)計要求進(jìn)行埋設(shè)，孔壓計的埋設(shè)標(biāo)高分別為+3.0 m、+ 0.5 m、-2.0 m、-4.5 m、-7.0 m、-9.5 m和-12.0 m。監(jiān)測的孔隙水壓力變化曲線見圖7。根據(jù)實測沉降標(biāo)資料計算卸載時平均表面沉降速率為0.90 mm/d，推算的土體平均固結(jié)度為85.3%，有效滿載抽真空時間超過95 d，均滿足設(shè)計卸載標(biāo)準(zhǔn)。

圖52區(qū)孔隙水壓力變化過程曲線Fig.5Pore water pressure change curve of area 2

表1地表沉降固結(jié)度結(jié)果匯總表Tab.1Degree of consolidation settlement results

表2分層沉降成果匯總表Tab.2Layered settlement results

圖6沉降變化曲線Fig.6Settlement curve

圖7孔隙水壓力變化曲線Fig.7Curves of pore water pressure changes

圖8排水板打設(shè)平面圖Fig.8Drainage plate plan

圖9排水板打設(shè)斷面圖Fig.9Drainage plate section

表3卸載時各磁環(huán)沉降量一覽表Tab.3Ring settlement list

表4分層沉降固結(jié)度表Tab.4Degree of ring consolidation

3.3天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)華北陶瓷石材產(chǎn)業(yè)基地地基處理工程（二標(biāo)段）

天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)華北陶瓷石材產(chǎn)業(yè)基地地基處理工程（二標(biāo)段）位于天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)5#區(qū)內(nèi)，為2008年完成吹填，經(jīng)過2次補(bǔ)泥。地基處理實施時間為2011年6月，區(qū)域表層土已經(jīng)形成硬殼。在前期的地質(zhì)勘察報告顯示，在吹填土層中含有一層流塑狀態(tài)，欠固結(jié)的高壓縮性淤泥土層。針對本工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用了深淺排水板結(jié)合的施工方案：豎向排水通道采用塑料排水板，間距為1 m，正方形布置，在長板之間中心加密打設(shè)短板底標(biāo)高為+0 m，間距為1 m，正方形布置（圖8～圖9）。

此方法的實施是利用加密短板加強(qiáng)對軟弱夾層的處理，以達(dá)到各土層同時固結(jié)的目的。經(jīng)過90 d的恒載后，加固效果達(dá)到要求（以1區(qū)數(shù)據(jù)為例）。加固后，各土層沉降量如表3所示。從表3可以看出，表層土質(zhì)軟弱，強(qiáng)度極低，屬于高壓縮性土地基，最終沉降量最大。

經(jīng)推算，各土層的固結(jié)度如表4所示。從表4可以看出，實測分層沉降曲線推算的平均固結(jié)度大于85%，加固效果滿足要求。

4 分析總結(jié)

本文所述的典型工程實例在含有軟弱土夾層的加固區(qū)處理工程中，很具有代表性。從各工程的經(jīng)驗得出，根據(jù)其形成過程、土性特點(diǎn)和沉積時間的長短，可以采用不同的處理方式。

（1）可在吹填后，采用吹填砂性土法與吹填泥相混合，強(qiáng)行改善土層的顆粒結(jié)構(gòu)，增大整個地基的滲透性。（2）若軟弱土夾層已不可紊亂，可采用二次處理或加密淺板的方法進(jìn)行加固，使軟弱土夾層的處理得到補(bǔ)償，使地基加固效果得以保證?？傊堤钴浫跬翃A層加大了軟土地基加固的難度，應(yīng)針對不同的形成過程和土性特點(diǎn)，采用改善土層的顆粒結(jié)構(gòu)，或二次處理或加密淺板的方法，使含軟弱土夾層的新吹填土真空加固效果得到保證，從而滿足地基的使用要求。

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Discussion on vacuum pre reinforcement method of dredger fill soft soil interlayer

DONG Zhi?ling，QU Yue?hua，DAI Yue?lin
（No.4 Engineering Company of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

Tianjin coastal areas usually used the silt soil for reclamation.Because of the hydraulic sorting and reclamation process,it was easy to form weak soil layers,which has a harmful effect on the vacuum preloading con?solidation and would make the soil cannot meet the use standard after reinforcement.In this paper,the forming rea?son of reclaimed soil weak interlayer was analyzed,and the influences of its water content,high compressibility,low shear strength and poor permeability characteristics on reinforcement effect were studied.Depending on the deposi?tion time,three methods were discussed,including blown sand filling method,secondary vacuum preloading method combined with depth drainage plate processing method.Combining with three typical examples,the three approach?es which have the successful applications in engineering were discussed.

soft soil;interlayer;vacuum preloading;reinforcement;discussion

TU447

A

1005-8443（2015）04-0350-05

2014-12-05；

2015-02-03

董志凌（1977-），男，江西省人，高級工程師，主要從事港口航道工程地基與基礎(chǔ)研究。

Biography：DONG Zhi?ling(1977-),male,senior engineer.