吹填淤泥地基快速處理試驗(yàn)研究

王立鵬

摘 要：依托溫州丁山墾區(qū)吹填淤泥地基處理項(xiàng)目，選擇真空預(yù)壓法對(duì)吹填淤泥進(jìn)行處理并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試分析真空預(yù)壓法對(duì)吹填淤泥的加固效果，驗(yàn)證真空預(yù)壓法處理吹填淤泥土地基的有效性和可靠性。

關(guān)鍵詞：吹填淤泥；真空預(yù)壓；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TU441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Test Study on High-speed Ground Treatment Approach of Hydraulic Filling Mud

Wang Li-peng

（ College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210031， China ）

Abstract：Based on the hydraulic fill mud foundation treatment project in DingShan district of WenZhou City， chooses the method of vacuum preloading to consolidate the hydraulic fill foundation and makes a field test. With the monitoring data and experiment in field， it makes an analysis and evaluation of the consolidation effect of processing the ground foundation of recently hydraulic fill mud by adopting vacuum preloading method， validates its validity and dependability. Base on one-dimensional large deformation consolidation with void ratio as control variable， using finite differential method time changing， finite element method and weighted residual method in position changes to simulate the large deformation equation .

Key words： hydraulic fill mud； vacuum preloading； field test； monitoring

引 言

圍海造地和灘涂開發(fā)用于城市建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)，為解決土地稀缺問題和利用沿海豐富的海涂資源提供了有效的途徑?，F(xiàn)在自常用的方法是以海相淤泥為原料進(jìn)行吹填，由于吹填淤泥性質(zhì)極差，對(duì)后續(xù)地基處理帶來了相當(dāng)大的技術(shù)困難。以往的做法是先將淤泥吹填到圍墾區(qū)內(nèi)放置晾曬若干年，待其自然沉降達(dá)到一定固結(jié)度，表面形成具有一定強(qiáng)度的硬殼層后，再進(jìn)行人工加固處理。這種為使表層達(dá)到一定承載力而進(jìn)行的長(zhǎng)時(shí)間晾曬，必然會(huì)影響后續(xù)工程的施工進(jìn)度，在時(shí)間上和財(cái)力上的消耗都很大。因此，尋找一種表層快速處理的方法十分必要。

根據(jù)吹填土的性質(zhì)，對(duì)比分析各種軟土地基的處理方法，選擇真空預(yù)壓法處理吹填淤泥地基，依托溫州丁山墾區(qū)吹填淤泥地基處理項(xiàng)目，監(jiān)測(cè)真空預(yù)壓過程中吹填淤泥土性質(zhì)的變化。研究真空預(yù)壓法對(duì)新吹填淤泥地基的加固效果，改進(jìn)施工工藝，為吹填淤泥地基的大面積加固施工提供依據(jù)。

1.項(xiàng)目概況

溫州民營(yíng)經(jīng)濟(jì)科技產(chǎn)業(yè)基地是溫州市沿海產(chǎn)業(yè)帶的重要組成部分，也是溫州市實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵載體?？萍籍a(chǎn)業(yè)基地位于龍灣區(qū)境內(nèi)，利用灘涂圍墾工程開發(fā)建設(shè)。

溫州民營(yíng)經(jīng)濟(jì)科技產(chǎn)業(yè)基地濱海園區(qū)丁山墾區(qū)2#標(biāo)圍墾區(qū)面積總共大約468.5萬m2。工程場(chǎng)地位于丁山圍墾區(qū)，場(chǎng)區(qū)所屬于地面單元為浙東南濱海區(qū)河口相沖海積平原。整個(gè)1#區(qū)場(chǎng)地由淤泥吹填而成，吹填淤泥平均厚度約3m，處理要求是先進(jìn)行淺層處理，即處理吹填土場(chǎng)地區(qū)域，使表層具有一定的承載力，為后期近一步的處理創(chuàng)造條件。

2.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)吹填淤泥的特點(diǎn)，結(jié)合工程地基處理要求，采用真空預(yù)壓方法對(duì)吹填淤泥地基進(jìn)行處理[1～3]。吸收國(guó)內(nèi)外相關(guān)水平真空預(yù)壓法、低位真空預(yù)壓法、浮筏插板技術(shù)、透水軟管替代砂墊層等方法和技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)區(qū)采用人工插板真空預(yù)壓方案，設(shè)計(jì)不同的方案，通過試驗(yàn)結(jié)果和對(duì)比分析，不斷優(yōu)化調(diào)整，指導(dǎo)后續(xù)大面積吹填淤泥土處理的設(shè)計(jì)和施工。

2.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)區(qū)的外側(cè)重新劃分了四塊10×10m的試驗(yàn)場(chǎng)地，僅對(duì)吹填淤泥層進(jìn)行處理，豎向排水體的插設(shè)深度為3m，即吹填土厚度。

在四塊試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)分別采用不同的加固方案進(jìn)行地基處理。具體試驗(yàn)方案如下：

方案Ⅰ：打設(shè)70cm間距的塑料排水板，正方形布置，并在表面鋪設(shè)厚約20cm的砂墊層，排水板端部用透水軟管連接，透水軟管置于砂墊層中；

方案Ⅱ：打設(shè)70cm間距的塑料排水板，正方形布置，表層水平排水通道為透水軟管；

方案Ⅲ：打設(shè)100cm間距的塑料排水板，正方形布置，并在表面鋪設(shè)厚約20cm的砂墊層，排水板端部用透水軟管連接，透水軟管置于砂墊層中。同時(shí)在四根排水板的中心位置打設(shè)一根長(zhǎng)度較短的塑料排水板；

方案Ⅳ：打設(shè)100cm間距的塑料排水板，正方形布置，表層水平排水通道為透水軟管，同時(shí)在四根排水板的中心位置打設(shè)一根較短的塑料排水板。

2.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析

根據(jù)不同的試驗(yàn)方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[4～7]和質(zhì)量檢測(cè)，了解和掌握真空預(yù)壓過程中吹填淤泥性質(zhì)的變化，檢驗(yàn)各分區(qū)地基處理方案的加固效果并進(jìn)行對(duì)比研究，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，為大面積推廣應(yīng)用提供技術(shù)方案。

真空預(yù)壓處理吹填淤泥，主要是孔隙水排出、超靜孔隙水壓力消散、淤泥表層沉降來達(dá)到淤泥排水固結(jié)的目的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，遵照兼顧全面，突出重點(diǎn)，“少而精”的原則，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。真空預(yù)壓處理前、加載過程中以及施工結(jié)束后，進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)吹填淤泥強(qiáng)度變化及增長(zhǎng)規(guī)律。

真空預(yù)壓開始抽真空加載后，基本經(jīng)過10天時(shí)間真空壓力達(dá)到80 kPa并基本保持穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)資料如下：

1）表層沉降觀測(cè)

整理各區(qū)表面沉降觀測(cè)資料[8]，繪制沉降量隨時(shí)間變化曲線如圖1～圖4。

根據(jù)表面沉降曲線圖分析可以知：

吹填淤泥表面的沉降發(fā)展趨勢(shì)與真空壓力有關(guān)，真空壓力越大，吹填淤泥土的排水固結(jié)作用越明顯，固結(jié)沉降量越大[9]。因此施工過程中維持較高的真空壓力并確保壓力的穩(wěn)定，對(duì)處理效果有十分重要的影響。

在抽真空開始30天左右時(shí)間，土體表層沉降速率較大，隨時(shí)間增加，沉降速率逐漸減緩，基本在70天左右開始逐步趨于收斂狀態(tài)。不同方案抽真空時(shí)間長(zhǎng)短不一，沉降發(fā)展的趨勢(shì)也有差異。

不同試驗(yàn)方案土體表面最終沉降量不同，方案Ⅰ170天總沉降量接近1000mm；方案Ⅲ170天總沉降量接近900mm，有無砂墊層對(duì)最終沉降結(jié)果影響不太明顯，但是有砂墊層的試驗(yàn)方案與無砂墊層方案相比，沉降速率較大。

新近吹填淤泥含水量超高，呈泥水混合狀，抽真空的初、中期主要是排水階段，沉降速率較大，這一特點(diǎn)與真空預(yù)壓處理常規(guī)軟土地基有所不同。因此，地基處理過程中排水板間距、布泵密度以及開泵率對(duì)沉降影響較大，高開泵率可以保持穩(wěn)定的高真空壓力，增加淤泥深層土體的負(fù)壓，加快深層土體的排水固結(jié)，從而增大地基沉降，提高加固效果。

2）超靜孔壓消散

真空預(yù)壓過程中超靜孔隙水壓力變化曲線如下：

根據(jù)超靜孔隙水壓力消散曲線分析可知：

抽真空過程中，土體的孔隙水壓力逐漸降低，形成負(fù)的超靜孔壓，隨著抽真空的進(jìn)行，負(fù)的超靜孔壓逐漸增大，根據(jù)有效應(yīng)力原理，負(fù)的超靜孔壓消散，土體有效應(yīng)力增加，從而提高地基土體的強(qiáng)度，這就是真空預(yù)壓的原理[10][11]。因此，真空預(yù)壓過程中，對(duì)超靜孔隙水壓力[12]的監(jiān)測(cè)對(duì)于了解真空預(yù)壓效果具有十分重要的意義。

方案Ⅰ、方案Ⅲ鋪設(shè)了20cm厚水平砂墊層，方案Ⅱ、方案Ⅳ沒有鋪設(shè)水平砂墊層。抽真空50天后吹填淤泥土層內(nèi)的超靜孔壓值明顯降低，有砂墊層方案孔隙水壓力消散較快，方案Ⅲ、方案Ⅳ有短板，有利于上部孔隙水壓力消散。真空預(yù)壓過程中，排水路徑的設(shè)計(jì)對(duì)于處理效果十分重要。鋪設(shè)水平砂墊層對(duì)于促進(jìn)真空壓力的傳遞和提高淤泥土體的排水固結(jié)效果是有利的。

3）十字板剪切試驗(yàn)

施工過程中，在試驗(yàn)區(qū)各區(qū)分階段地選點(diǎn)做十字板剪切試驗(yàn)，及時(shí)掌握真空預(yù)壓過程中吹填淤泥地基的強(qiáng)度增長(zhǎng)狀況[13]，十字板剪切曲線圖如下：

根據(jù)上述圖表進(jìn)行初步分析如下：

處理前各方案吹填淤泥地基基本沒有承載力，個(gè)別區(qū)域表層由于長(zhǎng)時(shí)間晾曬，水分蒸發(fā)等表層形成“硬殼層”，具有一定的抗剪強(qiáng)度，但最大抗剪強(qiáng)度也沒有達(dá)到10kPa，“硬殼層”以下到深度約2m范圍抗剪強(qiáng)度很小，地基承載力基本為零。由于吹填淤泥平均厚度為3m，十字板實(shí)驗(yàn)深度為4m，由于原始地面深度不均，個(gè)別區(qū)域可能是原海相淤泥，因此2～4m深度范圍內(nèi)十字板試驗(yàn)變化較大。處理過程中，土體抗剪強(qiáng)度逐漸增加：真空預(yù)壓處理30天左右表層土體抗剪強(qiáng)度大部分在15kPa～20kPa之間，鋪設(shè)砂墊層方案表層0.2m深度內(nèi)的的土體強(qiáng)度明顯好于無砂墊層方案，有短板方案，排水板中間（短板附近土體強(qiáng)度）土體排水固結(jié)程度明顯好于無短板方案。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采取四種施工方案對(duì)吹填淤泥進(jìn)行淺層快速處理，并在施工過程中進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果總結(jié)如下：

1）表層沉降觀測(cè)

吹填淤泥表層沉降的發(fā)展趨勢(shì)與真空壓力有著密切的關(guān)系，真空壓力越大，淤泥土的排水作用越明顯，固結(jié)沉降量越大。因此，真空預(yù)壓施工過程中，確保良好的密封效果，維持高且穩(wěn)定的真空壓力，對(duì)于地基處理效果具有重要影響。但是，與真空預(yù)壓處理普通軟土地基不同，真空預(yù)壓處理吹填淤泥過程中，抽真空的初、中期沉降速率變化較大。

表層沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：真空預(yù)壓處理吹填淤泥過程中，抽真空初期，主要是大量自由水和少量的結(jié)合水的排出，土體表層沉降量和沉降速率均較大；隨抽真空進(jìn)行，沉降量繼續(xù)增加，但沉降速率逐漸減小，并逐步趨于收斂狀態(tài)。

2）超靜孔壓消散

抽真空過程中，因負(fù)壓作用使土體的孔隙水壓力逐漸降低，形成負(fù)的超靜孔壓，隨著抽真空時(shí)間的增加，負(fù)的超靜孔壓逐漸增大。根據(jù)有效應(yīng)力原理，總應(yīng)力保持不變，超靜孔壓消散后，土體中的有效應(yīng)力增加，地基土體的強(qiáng)度得到提高。與真空預(yù)壓處理普通軟土地基相比，土體中超靜孔壓消散緩慢，土體的固結(jié)比較慢，土體強(qiáng)度提高速度比較慢。

超靜孔壓消散的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：設(shè)置砂墊層，將排水管路與淤泥表面隔離，有利于保持排水管路通暢，使真空壓力在平面、豎向排水體中更好傳遞，有利于吹填淤泥中超靜孔壓的消散；改變排水板間距或采用長(zhǎng)短板結(jié)合的方案，對(duì)于超靜孔壓的消散具有重要影響，排水板間距越小越有利于超靜孔壓消散，短板有助于土體中上層超靜孔壓消散。

3）十字板剪切試驗(yàn)

加固前吹填淤泥土抗剪強(qiáng)度很小，土體基本沒有承載力，經(jīng)過真空預(yù)壓處理后強(qiáng)度普遍得到提高，但是提高的比例有所差異。結(jié)合沉降觀測(cè)資料可以看出，鋪設(shè)砂墊層后能較好地維持穩(wěn)定的真空壓力，明顯改善真空壓力的平面分布狀況，增大豎向真空壓力傳遞功能，尤其有利于表層淤泥土的排水固結(jié)，所以表層淤泥土的強(qiáng)度提高顯著。采取長(zhǎng)短板結(jié)合方案，對(duì)距離排水板不同距離的淤泥進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明靠近排水板的淤泥土強(qiáng)度普遍高于距離排水板較遠(yuǎn)處的淤泥土強(qiáng)度，說明越靠近排水板，排水加固效果越好。

十字板剪切試驗(yàn)的結(jié)果表明：鋪設(shè)砂墊層，顯著改善了表層淤泥的排水固結(jié)條件，使表層淤泥較快排水固結(jié)，形成了一個(gè)強(qiáng)度較高、滲透性差的“硬殼層”?！坝矚印币韵碌挠倌嗤翉?qiáng)度增長(zhǎng)緩慢；改變排水板間距或采用長(zhǎng)短板結(jié)合等方案，對(duì)于排水板附近吹填淤泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)作用明顯，但是對(duì)于距離排水板較遠(yuǎn)處吹填土強(qiáng)度增長(zhǎng)還有待于進(jìn)一步研究。

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