不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)真空預(yù)壓處理效果影響的對(duì)比

孫開(kāi)妍 張 吉

(1.天津東疆置業(yè)有限公司，天津 300456; 2.天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300459)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷深入，土地資源日益成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一大瓶頸。在目前土地資源緊張、用地成本增高的情況下，沿海城市利用真空預(yù)壓法加固吹填軟土地基是較為成熟有效的一種地基處理方法。但近年來(lái)，沿海區(qū)域已吹填原地面標(biāo)高相對(duì)更低，需要吹填土層厚度更大，加之工期緊迫要求成陸周期更短，與以往吹填后經(jīng)過(guò)晾曬后的吹填土地基已有所不同。對(duì)于此類含水量高、壓縮性比較大，深厚吹填土層需要尋求更好的真空預(yù)壓地基處理效果，因而也需要探尋更好的真空預(yù)壓地基處理技術(shù)參數(shù)以便在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

2 真空預(yù)壓工藝及技術(shù)參數(shù)

真空預(yù)壓法(Vacuum Preloading)由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院杰爾曼(W.Kjellman)于1952年提出的一種地基處理方法，該方法是在土體中總應(yīng)力保持不變的條件下通過(guò)孔隙水壓力逐漸降低而使總應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的方法。具體機(jī)理是在總應(yīng)力不變的條件下，抽真空形成的負(fù)壓首先作用于排水通道中，使豎向排水體內(nèi)(砂井或塑料排水板)形成負(fù)壓，與土體中孔隙水壓形成壓差和水力梯度，發(fā)生由土體向排水體的滲流使孔隙水排出，使得土中的孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加的方法[1]。即σ′=σ-u，抽氣過(guò)程中總應(yīng)力σ不變，對(duì)上式兩端取微分有：dσ′=-du,表明土中孔隙水壓力的降低值即為有效應(yīng)力增加值，如圖1所示。

真空預(yù)壓系統(tǒng)由抽真空系統(tǒng)、排水排氣系統(tǒng)和密封系統(tǒng)三部分組成，施工工藝如圖2所示，根據(jù)目前的施工經(jīng)驗(yàn)，膜下真空度可以維持在85 kPa～95 kPa左右，一般的可取80 kPa作為設(shè)計(jì)壓差，當(dāng)固結(jié)度和沉降速率達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求時(shí)停止抽真空加載[2]。

固結(jié)度的計(jì)算是真空預(yù)壓法加固軟土地基設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題，通過(guò)固結(jié)度的計(jì)算可以推算地基強(qiáng)度的增長(zhǎng)，從而進(jìn)行穩(wěn)定分析，在這個(gè)基礎(chǔ)上確定適應(yīng)地基強(qiáng)度增長(zhǎng)的加荷計(jì)劃。如果已知逐級(jí)加荷下不同時(shí)間下的固結(jié)度，還可以推算各個(gè)時(shí)期的沉降量。根據(jù)JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范土層的平均固結(jié)度普遍表達(dá)式如下[3]：

(1)

其中，α，β均為和排水條件有關(guān)的參數(shù)，β值與土的固結(jié)系數(shù)、排水距離有關(guān)，它綜合反映了土層的估計(jì)速率，根據(jù)地基土排水固結(jié)條件可按表1采用。

表1 α和β取值

3 真空預(yù)壓參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)

天津港保稅區(qū)臨港區(qū)域(北區(qū))累計(jì)造陸83 km2，已進(jìn)行地基處理面積約為62 km2，均采用傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)。

傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)在軟土地基表層鋪設(shè)砂墊層，以砂墊層、水平濾管、排水板構(gòu)成排水系統(tǒng)；通過(guò)射流裝置抽真空，將土體中的水氣混合物由排水系統(tǒng)排出，達(dá)到土體加固效果。但存在工程成本高，耗電量大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，易造成資源匱乏和生態(tài)環(huán)境惡化。

本文主要對(duì)不同參數(shù)對(duì)真空預(yù)壓處理效果的影響進(jìn)行對(duì)比，工程位于天津港保稅區(qū)臨港區(qū)域(北區(qū))二期圍海T7吹填區(qū)內(nèi)，真空預(yù)壓處理總面積約10萬(wàn)m2，吹填土層厚度約8 m，平均含水率79.1%，屬于流塑狀高壓縮性、高含水率、高靈敏度、低強(qiáng)度的淤泥或流泥。本工程淺層處理階段分為6個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)通過(guò)打設(shè)排水板深度、抽真空方式、增壓技術(shù)、打設(shè)排水板間距的不同進(jìn)行組合，具體各小區(qū)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2，各小區(qū)位置示意圖見(jiàn)圖3，真空預(yù)壓處理后航拍圖見(jiàn)圖4，集成抽水技術(shù)及增壓技術(shù)見(jiàn)圖5，圖6。

表2 淺層真空預(yù)壓的設(shè)計(jì)方案及參數(shù)

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本工程淺層真空預(yù)壓處理時(shí)間60 d，各小區(qū)測(cè)得平均沉降量如表3所示，各小區(qū)沉降差異見(jiàn)圖7～圖12。

表3 各小區(qū)平均沉降量統(tǒng)計(jì)表

4.2 數(shù)據(jù)分析

由于本工程各小區(qū)真空預(yù)壓處理區(qū)域臨近，且淺層處理范圍均為同期吹填土層，本次針對(duì)真空預(yù)壓處理效果分析，忽略各小區(qū)地質(zhì)條件差異，僅對(duì)各區(qū)淺層處理過(guò)程中沉降差異進(jìn)行對(duì)比，分析各個(gè)參數(shù)對(duì)真空預(yù)壓處理效果的影響。

1)從圖7，圖8可以看出，本工程傳統(tǒng)抽真空方式相比采用的集成抽氣技術(shù)沉降量相差分別為6.45%，5.41%，在均滿足加固區(qū)內(nèi)真空壓力條件的前提下，傳統(tǒng)抽真空方式真空預(yù)壓處理效果略好于集成抽真空技術(shù)。

2)從圖9，圖10可以看出，淺層處理過(guò)程中插板深度7 m相比于插板深度4.5 m沉降量相差分別為36.06%，34.73%，真空預(yù)壓處理插板深度對(duì)淺層真空預(yù)壓處理效果影響大。

3)從圖11可以看出，本工程淺層真空預(yù)壓處理過(guò)程中，增壓技術(shù)對(duì)沉降量影響僅為0.13%，有無(wú)增壓技術(shù)對(duì)真空預(yù)壓處理效果影響不大。

4)從圖12可以看出，打設(shè)排水板間距0.7 m相比于間距0.8 m沉降量相差11.80%，真空預(yù)壓處理插板間距對(duì)真空預(yù)壓處理效果影響相對(duì)較大。

5 結(jié)語(yǔ)

1)從本工程試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，淺層真空預(yù)壓處理中各參數(shù)影響真空預(yù)壓處理效果大小依次為打設(shè)排水板深度、打設(shè)排水板間距、抽真空方式和增壓技術(shù)。

2)淺層處理作為區(qū)域深層處理的前提，一般僅對(duì)區(qū)域吹填土層進(jìn)行處理，吹填土層地質(zhì)條件相對(duì)較差，淺層處理效果直接影響后續(xù)深層真空預(yù)壓處理。

3)本次僅對(duì)各參數(shù)對(duì)真空預(yù)壓處理效果進(jìn)行分析，未考慮經(jīng)濟(jì)因素，后續(xù)工程可對(duì)此進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

4)本次試驗(yàn)僅對(duì)淺層同期吹填土層真空預(yù)壓處理進(jìn)行對(duì)比，深層真空預(yù)壓處理地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，各項(xiàng)參數(shù)對(duì)地基效果影響應(yīng)綜合考慮。