打孔管道真空預(yù)壓加固高含水率淤泥效果影響試驗(yàn)研究

傅利軍 翁奇波 楊則順

(1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江杭甬復(fù)線寧波一期高速公路有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)東部沿海城市的土地資源越來(lái)越不能滿足生產(chǎn)生活需要，這已經(jīng)成為了阻礙城市進(jìn)一步發(fā)展的重要因素之一。許多城市采用海涂整治的方式來(lái)增加建設(shè)用地，真空預(yù)壓法是目前海涂整治的主要方法[1-4]。

在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，采用真空預(yù)壓法處理海涂淤泥過(guò)程中存在排水板打設(shè)困難與排水板留在土中無(wú)法回收等問(wèn)題[5,6]。打孔管道—真空預(yù)壓法是近年來(lái)出現(xiàn)用于解決以上問(wèn)題的新型地基處理方法。然而目前對(duì)于打孔管道—真空預(yù)壓法的研究較少，對(duì)此方法的適用范圍與加固效果也尚不明確。

基于上述情況，本文進(jìn)行了打孔管道—真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)與預(yù)制豎向排水板(PVD)—真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)兩種不同級(jí)配的高含水率淤泥在真空預(yù)壓過(guò)程中的沉降、孔隙水壓力、出水量等進(jìn)行了分析。重點(diǎn)探討了打孔管道—真空預(yù)壓法處理高含水率淤泥加固效果的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)裝置如圖1所示，由模型桶、抽真空系統(tǒng)、排水與儲(chǔ)水系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。真空預(yù)壓試驗(yàn)采用高為47 cm，直徑為37 cm的圓柱形模型桶內(nèi)進(jìn)行，模型桶采用亞克力材質(zhì)。抽真空系統(tǒng)由水循環(huán)真空泵與真空管道組成，試驗(yàn)過(guò)程中真空壓力為-90 kPa；排水與儲(chǔ)水系統(tǒng)由上下嘴濾瓶、出水管道、120 μm孔徑的排水板(或打孔管道)組成；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電子秤、位移傳感器(LVDT)、孔隙水壓力計(jì)、傳感器讀取裝置組成?？紫端畨毫τ?jì)量程為-100 kPa～100 kPa，精度為0.1%，位移傳感器量程為0 mm～200 mm，精度為0.1%。

打孔管道示意圖見(jiàn)圖2。

1.2 土樣參數(shù)

本次試驗(yàn)用土分別取自杭州某基坑工程、溫州甌海區(qū)某基坑工程，土樣基本性質(zhì)如表1所示。采用激光粒度儀對(duì)土樣的級(jí)配進(jìn)行了測(cè)定，土體級(jí)配曲線如圖3所示。

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理參數(shù)

對(duì)比級(jí)配曲線發(fā)現(xiàn)，溫州土幾乎不含砂粒，杭州土的砂粒含量為14%，溫州土粉粒含量為40%，黏粒含量為60%，杭州土粉粒含量為54%，黏粒含量為32%?？傮w而言，杭州土粗顆粒較多，整體顆粒粒徑較大，溫州土細(xì)顆粒含量高，整體顆粒粒徑較小。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明現(xiàn)場(chǎng)淤泥含水率約為100%，因此按100%含水率在土樣中加入定量的水，并用攪拌機(jī)攪拌均勻。

模型試驗(yàn)的具體步驟如下：

1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，在不銹鋼架子上安裝完成孔壓傳感器與排水板(或打孔管道)，在模型桶上方安裝完成LVDT，并連接真空管道與抽真空系統(tǒng)；

2)通過(guò)泥漿泵將淤泥土樣按450 mm的高度裝入模型桶，并在土體表面鋪設(shè)土工膜與土工布，做好密封工作；

3)開(kāi)始真空預(yù)壓加載并采集出水量、孔隙水壓力與沉降量等數(shù)據(jù)；

4)待每日沉降量小于0.1 mm時(shí)停止真空預(yù)壓加載。

2 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析

2.1 沉降量與出水量變化

圖4，圖5為高含水率淤泥在真空預(yù)壓過(guò)程中的沉降量與出水量變化曲線。整個(gè)模型桶內(nèi)的土體沉降與總出水量在第35天左右便趨于穩(wěn)定，其中，采用排水板的杭州土沉降量與出水量最大，總沉降約為136 mm，總出水量約為19.5 L。采用打孔管道的溫州土的沉降量最小，總沉降約為93 mm，總出水量約為14.7 L。

總體而言，采用排水板的淤泥的沉降量與出水量均明顯大于采用打孔管道的淤泥，杭州土的沉降量與出水量均明顯大于溫州土。同時(shí)，使用打孔管道處理砂粒含量較多的土體時(shí)，其沉降量與出水量與使用排水板進(jìn)行處理時(shí)較為接近。表明，使用打孔管道處理黏粒含量較高的淤泥的脫水效果比排水板差，但處理砂粒含量較多的土體時(shí)排水板—真空預(yù)壓法與打孔管道—真空預(yù)壓法的脫水效果相差不大。這是由于打孔管道的排水面積小，且土工布的抗淤堵能力差，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨著細(xì)顆粒的遷移在土工布附近低滲透性的土柱，阻礙了土中孔隙水的排出。但由于含砂率高的淤泥不容易產(chǎn)生淤堵現(xiàn)象且孔隙水容易排出，所以排水板—真空預(yù)壓法與打孔管道—真空預(yù)壓法對(duì)含砂率高的淤泥的脫水沉降效果相差不大。

2.2 孔隙水壓力變化

圖6為高含水率淤泥在真空預(yù)壓過(guò)程中的孔隙水壓力變化曲線。處理砂粒含量較高的杭州土?xí)r孔壓消散速度比處理黏粒含量高的溫州土快，表明處理黏粒含量高的淤泥時(shí)，土體的固結(jié)排水效果差，而砂粒含量的提高可以有效提高真空度在土中的傳遞效率，促進(jìn)土中孔隙水壓力的消散。

采用排水板處理淤泥時(shí)，孔隙水壓力消散情況良好，各模型桶內(nèi)的孔壓基本消散至-80 kPa以下，僅距離排水板15 cm的溫州土的孔壓僅消散至-60 kPa。而采用打孔管道抽真空時(shí)，孔隙水壓力消散情況較差，實(shí)驗(yàn)完成后距打孔管道15 cm處的溫州土的孔壓僅消散至約為-30 kPa，而距打孔管道15 cm處的杭州土的孔壓消散至約-60 kPa。

排水板—真空預(yù)壓法與打孔管道—真空預(yù)壓法在處理砂粒含量較高的土體時(shí)，孔壓消散情況類似，其土體固結(jié)排水情況相差不大。然而在處理黏粒含量較高的土體時(shí)，打孔管道—真空預(yù)壓法的孔壓消散情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于排水板—真空預(yù)壓法，這是由于打孔管道的通水面積小，抗淤堵能力差，在處理黏粒含量高的土體時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的淤堵情況。而砂粒含量高的土體的真空預(yù)壓傳遞效率高，抗淤堵能力強(qiáng)，真空度在土中快速傳遞可以有效促使土體的脫水固結(jié)，進(jìn)而使孔隙水壓力更快消散，所以使用打孔管道與使用排水板的杭州土的孔壓消散情況相差不大。

2.3 十字板剪切強(qiáng)度

表2為高含水率淤泥在真空預(yù)壓完成后的十字板剪切強(qiáng)度情況。十字板剪切強(qiáng)度采用便攜式十字板剪切儀，對(duì)與排水板(或打孔管道)不同距離(5 cm，15 cm)的土體的十字板剪切強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。

采用排水板處理杭州土的模型桶在距中心5 cm處的十字板剪切強(qiáng)度為36.2 kPa，與采用打孔管道處理時(shí)僅相差2.7 kPa，差距較小。然而采用這兩種方法處理溫州土?xí)r，距中心5 cm處的十字板剪切強(qiáng)度二者相差7.1 kPa。表明處理砂粒含量較高的土體時(shí)，排水板—真空預(yù)壓法與打孔管道—真空預(yù)壓法的加固效果相差不大。同時(shí)，采用這兩種方法處理溫州土?xí)r在距中心15 cm處十字板剪切強(qiáng)度相差9.9 kPa，在處理杭州土?xí)r相差5.6 kPa。距離中心較遠(yuǎn)處二者的十字板剪切強(qiáng)度差值變大，表明打孔管道—真空預(yù)壓法的加固速度較慢，同樣的時(shí)間內(nèi)，打孔管道—真空預(yù)壓法比排水板真空預(yù)壓法的加固范圍小。

表2 十字板剪切強(qiáng)度情況

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了打孔管道—真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)與預(yù)制豎向排水板(PVD)—真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)兩種不同級(jí)配的高含水率淤泥在真空預(yù)壓過(guò)程中的沉降、孔隙水壓力、出水量等進(jìn)行了分析，并得到了以下結(jié)論：

1)采用打孔管道—真空預(yù)壓法處理高含水率淤泥時(shí)的孔壓消散速度比排水板—真空預(yù)壓法慢，同樣的時(shí)間內(nèi)，打孔管道—真空預(yù)壓法比排水板—真空預(yù)壓法的加固范圍小。

2)處理黏粒含量較高的淤泥時(shí)，打孔管道對(duì)淤泥的脫水加固效果比排水板差，但處理砂粒含量較多的淤泥時(shí)排水板—真空預(yù)壓法與打孔管道—真空預(yù)壓法對(duì)淤泥的脫水加固效果相差不大。