真空預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯法處理吹填場(chǎng)區(qū)軟土研究

陳繼忠

(煙臺(tái)市福山區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站，山東 煙臺(tái) 265500)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)也隨之突飛猛進(jìn)。在我國(guó)東部沿海地區(qū)，基礎(chǔ)工程建設(shè)用地尤為緊張，幾乎所有的沿海城市都采用了填海造地的方法，以增加本地區(qū)的用地需求，可見填海造地為一個(gè)城市有限空間的發(fā)展起到了重要作用。

我國(guó)沿海地區(qū)軟土分布較為廣泛，伴隨著沿海城市的“填海造陸”土地開發(fā)，工程建設(shè)多在蝦池、魚塘、沼澤等地吹填而成，淤泥較厚且分布范圍較廣，軟土處理已然成為這些地區(qū)土地開發(fā)利用不可或缺的一環(huán)。沿海軟土通常具有含水量高、壓縮性高、強(qiáng)度低、透水性差等特點(diǎn)，在軟土地區(qū)填海造地，若不對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，軟土在上部附加荷載作用下將產(chǎn)生較大沉降，影響工程建設(shè)的正常使用，若地基承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求，將會(huì)發(fā)生地基失穩(wěn)，直接威脅人身生命財(cái)產(chǎn)安全。因此在此類地質(zhì)條件下修筑建筑物時(shí)，如何在保證安全條件下獲得最大效益，是工程技術(shù)人員較為關(guān)心的問題。

本文以沿海地區(qū)某軟土地基處理工程為依托，該工程經(jīng)過(guò)吹砂回填后，采用真空預(yù)壓+強(qiáng)夯相結(jié)合的手段進(jìn)行地基處理加固[1]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)結(jié)果，對(duì)軟土地基的加固效果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，為本地區(qū)相類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概述

擬建工程場(chǎng)地屬于海陸交互相沉積地貌單元，場(chǎng)區(qū)原為海灘，局部為養(yǎng)蝦池，近期經(jīng)圍海造地、人工吹填整平等手段形成建設(shè)用地。根據(jù)規(guī)劃本工程建成后將成為住宅、商業(yè)、旅游及娛樂的綜合體。

1.1 工程地質(zhì)情況

場(chǎng)區(qū)地層自上而下分布依次為：

①-1素填土：以黃褐色為主，局部顏色雜亂，屬?gòu)?qiáng)夯前人工回填形成，成分主要以砂性土、黏性土及風(fēng)化巖屑為主。

①-2吹填土：黃色～灰黑色，稍密～中密狀態(tài)，濕～飽和。該層為近期人工吹填形成，成分主要以粉細(xì)砂為主，局部見碎石。

②粉砂：灰色～灰黑色，松散～中密狀態(tài)，飽和。該層礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，含云母，混淤泥，夾碎蚌殼，局部淤泥含量較少，不均勻。

③淤泥：深灰～黑色，流塑狀態(tài)。土質(zhì)較均勻，局部夾少量粉細(xì)砂薄層，夾碎貝殼，具腥味，無(wú)光澤，無(wú)搖震反應(yīng)。

④粉質(zhì)黏土：灰綠～青灰色，可塑～軟塑狀態(tài)。土質(zhì)較均勻，切面稍光滑，干強(qiáng)度及韌性中等，局部夾少量薄層中細(xì)砂。

④-1細(xì)砂：灰褐色，稍密～中密狀態(tài)。砂質(zhì)較均勻，分選較好，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主。

⑤粉質(zhì)黏土：該層于場(chǎng)區(qū)內(nèi)普遍揭露，青灰色～褐黃色，可塑狀態(tài)。含粗砂角礫，不均勻，切面稍光滑，干強(qiáng)度及韌性中等。

1.2 水文地質(zhì)情況

擬建場(chǎng)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化主要受季節(jié)影響及海洋潮汐影響，場(chǎng)區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和地下水側(cè)向徑流，主要排泄方式是地下徑流和通過(guò)毛細(xì)管現(xiàn)象以蒸發(fā)形式垂直排泄至大氣，本區(qū)域地下水年變化幅度約2 m。

根據(jù)本工程巖土工程勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)地下水屬第四系潛水，穩(wěn)定水位埋深介于1.10 m～1.45 m。

1.3 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)院要求，本工程經(jīng)地基處理要求達(dá)到效果如下：

1)經(jīng)地基處理后，地基承載力特征值不小于150 kPa。

2)在考慮回填土及建筑物荷載條件下的變形要求，即工后使用期內(nèi)(50 a)沉降量小于150 mm[2]。

1.4 方案比選

本地區(qū)常用的地基處理方案主要有深層攪拌樁法、排水固結(jié)法、CFG樁法及預(yù)應(yīng)力管樁法。上述各法優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 地基處理方案優(yōu)缺點(diǎn)

經(jīng)與建設(shè)單位多次溝通、比選，最終在考慮工期允許的條件下，選擇工程造價(jià)相對(duì)較低的真空預(yù)壓+強(qiáng)夯法作為本次試驗(yàn)區(qū)域的地基處理方案[3]。

1.5 地基處理方案

結(jié)合本工程實(shí)際情況，從變形和承載力兩方面著手，從地基處理方案技術(shù)可行性、施工工期以及工程造價(jià)等多方面比較，最終選擇地基處理方案如下：

第一步采用真空預(yù)壓法處理軟土，改善土體性質(zhì)，提高土體強(qiáng)度，增加土體變形模量進(jìn)而降低工后沉降、提高地基承載力。

第二步采用強(qiáng)夯法處理上部回填土，消除上部回填土的自重固結(jié)、改善回填土體性質(zhì)，進(jìn)一步降低工后沉降、提高地基承載力,以滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基的變形與承載力要求。

2 試驗(yàn)方案

在工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)選取代表性場(chǎng)地作為試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)面積約為2.5萬(wàn)m2。

試夯目的：1)通過(guò)真空堆載預(yù)壓法加速淤泥固結(jié)速度并增強(qiáng)淤泥土體性質(zhì)[4]；2)通過(guò)強(qiáng)夯消除表層砂土液化同時(shí)進(jìn)一步降低工后沉降并提高土體地基承載能力；3)為本工程地基處理適宜性提出評(píng)價(jià)，并提供有關(guān)設(shè)計(jì)和施工參數(shù)。

試驗(yàn)區(qū)施工步驟為場(chǎng)地整平、周邊密封→施工砂墊層→施工塑料排水板→安裝抽真空設(shè)備→施工密封膜→抽真空→強(qiáng)夯→檢測(cè)驗(yàn)收。

真空堆載預(yù)壓試驗(yàn)方案：

1)塑料排水板：塑料排水板規(guī)格采用SPB-B型，正方形布置，塑料排水板間距1.0 m，排水板長(zhǎng)度12 m～15 m(插板深度按穿透淤泥進(jìn)行下臥土層不小于0.5 m控制)。塑料排水板上端高出砂墊層0.3 m。

2)砂墊層：本工程采用中、粗砂作為水平排水砂墊層，厚度為500 mm，含泥量不得大于5%，滲透系數(shù)大于1×10-2cm/s。

3)真空預(yù)壓：每臺(tái)真空泵處理面積不大于800 m2，真空泵中間間距不大于40 m，真空泵功率采用7.5 kW。覆蓋膜采用2布3膜，即最上一層為長(zhǎng)絲無(wú)紡?fù)凉げ?，中間為3 層PE 或PVC 密封膜，最下一層為短絲無(wú)紡?fù)凉げ?，短絲無(wú)紡?fù)凉げ己烷L(zhǎng)絲無(wú)紡?fù)凉げ季捎?50 g/m2。在真空度維持在-80 kPa以上。

4)黏土帷幕墻：密封溝下設(shè)置黏土帷幕墻，帷幕墻進(jìn)入淤泥不小于1 m，攪拌后墻體含黏粒的量應(yīng)大于20%，并摻入5%的膨潤(rùn)土，滲透系數(shù)應(yīng)小于5×10-6cm/s[5]。

5)卸載要求：根據(jù)變形實(shí)測(cè)資料，推算的淤泥土層固結(jié)度不小于85%；連續(xù)10 d平均沉降量小于2 mm/d。

強(qiáng)夯試驗(yàn)方案：

1)點(diǎn)夯：兩遍點(diǎn)夯，均為正方形布置，單點(diǎn)夯擊能為2 000 kN·m～2 500 kN·m，夯點(diǎn)間距為6.0 m，兩遍點(diǎn)夯施工間隔3 d～5 d。點(diǎn)夯擊次數(shù)6擊～8擊，夯點(diǎn)的收錘標(biāo)準(zhǔn)以最后兩擊的平均夯沉量小于5 cm控制，并同時(shí)滿足夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過(guò)大的隆起；不因夯坑過(guò)深而發(fā)生提錘困難的規(guī)范要求。

2)滿夯：兩遍滿夯，滿夯夯擊能為1 000 kN·m，要求夯錘的底面積彼此搭接1/4。

檢測(cè)方案：

本試驗(yàn)區(qū)在地基處理前、中、后三個(gè)階段均進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和檢測(cè)工作。

試驗(yàn)前：預(yù)埋沉降監(jiān)測(cè)板及孔隙水壓力計(jì)等監(jiān)測(cè)原件，同時(shí)進(jìn)行了土體原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)后期試驗(yàn)提供對(duì)比參數(shù)。

試驗(yàn)中：對(duì)地基處理過(guò)程中的沉降及孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)后：進(jìn)行土體原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)，與前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[6]。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 表層沉降

試驗(yàn)區(qū)沉降與時(shí)間變化干洗曲線見圖1，從圖1可以看出，地表沉降隨時(shí)間逐漸增大，在后期的10 d～20 d沉降趨于穩(wěn)定，沉降速率約為1 mm/d～2 mm/d，抽真空期內(nèi)試驗(yàn)區(qū)地表沉降量約350 mm～390 mm，根據(jù)沉降數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算總沉降量約為380 mm～420 mm，抽真空結(jié)束后，軟土的平均固結(jié)度約為93%，殘余沉降約為25 mm～30 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 孔隙水壓力

根據(jù)有效應(yīng)力原理，測(cè)定土中孔隙水壓力的數(shù)值大小及其消散程度，對(duì)于正確評(píng)價(jià)地基土的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及其固結(jié)程度非常重要。超靜孔隙水壓力為附加應(yīng)力中由孔隙水所承受或傳遞的壓(或應(yīng))力。它隨土中水的排出而不斷消散，直至完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力。在試驗(yàn)區(qū)地面以下7.5 m和13.0 m處共設(shè)置兩個(gè)孔隙水壓力計(jì)，圖2為抽真空期間不同深度處孔隙水壓力與時(shí)間變化關(guān)系曲線圖，從圖2中可以看出，在抽真空初期，隨著膜下真空度的不斷提高，孔隙水壓力也不斷增大，當(dāng)真空度達(dá)到極值穩(wěn)定后，孔隙水壓力達(dá)到峰值，在抽真空后期隨著超靜孔隙水壓力的消散，土體有效應(yīng)力不斷增大，進(jìn)而完成固結(jié)過(guò)程。如圖2所示兩個(gè)深度范圍內(nèi)的水壓力變化幅度約30 kPa，試驗(yàn)區(qū)真空預(yù)壓處理有效影響深度已達(dá)13.0 m。

3.3 原位十字板剪切試驗(yàn)

原位十字板剪切試驗(yàn)是一種不擾動(dòng)原土土樣就可以對(duì)原狀土強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。試驗(yàn)區(qū)選取0 m,2 m,5 m,8 m,10 m和12 m深處分別進(jìn)行原位十字板剪切試驗(yàn)(見表2)，從表2可以看出試驗(yàn)區(qū)處理前的不排水強(qiáng)度約為11.53 kPa～15.74 kPa，處理后的不排水強(qiáng)度約為36.63 kPa～55.39 kPa，強(qiáng)度平均提高幅度均大于200%，從12 m位置處的原位十字板剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，試驗(yàn)區(qū)的真空預(yù)壓處理有效影響深度可達(dá)12 m。

表2 原位十字板剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，從表3中可以看出，經(jīng)真空預(yù)壓處理后軟土的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)均有不同程度提高，軟土地基經(jīng)固結(jié)后相對(duì)密度增加1.1 g/cm3～2 g/cm3，w(水)降低5%～10.5%，孔隙比降低0.218～0.484，黏結(jié)力增加2.4 kPa～4.2 kPa，內(nèi)摩擦角增大0.7°～3.1°。通過(guò)試驗(yàn)區(qū)加固前后的主要物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比分析，加固土體的物理力學(xué)性質(zhì)得到了明顯改善，達(dá)到了地基處理的目的。

表3 室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.5 強(qiáng)夯后平板載荷試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取點(diǎn)夯的夯間土地基進(jìn)行淺層平板載荷，共2組。

從表4可以看出，吹填砂經(jīng)強(qiáng)夯地基處理后，試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)處的加荷量為324 kPa～350 kPa，可見試驗(yàn)區(qū)地基經(jīng)強(qiáng)夯處理后可以滿足地基承載力特征值150 kPa的使用要求。

表4 試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)處加荷量匯總表 kPa

3.6 強(qiáng)夯后軟弱下臥層地基承載力驗(yàn)算

根據(jù)GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范(2009 年版)10.6.5第1條規(guī)定：按中國(guó)建筑科學(xué)研究院、華東電力設(shè)計(jì)院的經(jīng)驗(yàn)，地基容許承載力可按式qu=2Cu+rh進(jìn)行估算。

由于上部吹填砂經(jīng)強(qiáng)夯處理后形成人工硬殼層，人工硬殼層厚度按3.0 m,4.0 m和5.0 m分別進(jìn)行驗(yàn)算(見表5)，根據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范5.2.7條規(guī)定進(jìn)行軟弱下臥層驗(yàn)算：Pz+Pcz≤faz。作用于基礎(chǔ)底面的平均壓力按150 kPa計(jì)算。

表5 不同埋深強(qiáng)夯后軟弱下臥層地基承載力驗(yàn)算

3.7 強(qiáng)夯前后分層沉降

試驗(yàn)區(qū)分別在軟土層頂和吹填砂頂設(shè)置分層沉降板，試驗(yàn)區(qū)的分層沉降數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 試驗(yàn)區(qū)分層沉降數(shù)據(jù) mm

從表6中可以看出，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)表層的沉降值約為411 mm～473 mm，強(qiáng)夯的夯沉量約393 mm～445 mm,軟弱土層的沉降值約為18 mm～28 mm。經(jīng)檢測(cè)試驗(yàn)區(qū)地基承載力均能滿足設(shè)計(jì)要求，因此本試驗(yàn)區(qū)的夯沉量可作為下階段大面積強(qiáng)夯施工提供參考，指導(dǎo)施工。另外根據(jù)軟土層頂分層沉降板測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)強(qiáng)夯處理后軟土沉降值約為18 mm～28 mm，進(jìn)一步減小了工后(殘余)沉降[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際工程項(xiàng)目試驗(yàn)區(qū)為依托，從地基的變形和承載力兩方面出發(fā)，采用真空預(yù)壓+強(qiáng)夯相結(jié)合的手段對(duì)地基進(jìn)行處理。真空預(yù)壓可改善土體性質(zhì)，提高土體強(qiáng)度，增加土體變形模量進(jìn)而有效降低軟土地基的工后沉降，滿足工程使用要求。表層吹填砂經(jīng)強(qiáng)夯加固處理后形成人工硬殼層，形成的人工硬殼層經(jīng)強(qiáng)夯處理后可消除上部回填土的自重固結(jié)、改善回填土體性質(zhì)，進(jìn)一步降低工后沉降、提高地基承載力，以滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基的變形與承載力要求，另外，由于人工硬殼增大了上部附加應(yīng)力的擴(kuò)散路徑和地基壓力擴(kuò)散角，進(jìn)而降低了附加應(yīng)力對(duì)軟土的影響，一方面滿足軟弱下臥層的地基承載力要求，另一方面在真空預(yù)壓處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了軟土地基的工后沉降，為工程項(xiàng)目的后期使用提供保證。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)軟土地基的沉降監(jiān)測(cè)、孔隙水壓力監(jiān)測(cè)及十字板剪切試驗(yàn)等數(shù)據(jù)的分析，可以看出軟土地基經(jīng)真空預(yù)壓處理后土體性質(zhì)及強(qiáng)度較加固前均得到了較大的改善和提高，沉降趨于穩(wěn)定，滿足工后使用要求，通過(guò)對(duì)人工硬殼層的夯點(diǎn)間土體進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)分析，經(jīng)強(qiáng)夯處理的人工硬殼層地基承載力均大于150 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)區(qū)的夯沉量可為下階段大面積強(qiáng)夯施工提供參考，指導(dǎo)施工。通過(guò)對(duì)軟土層頂分層沉降板的沉降數(shù)據(jù)分析，經(jīng)強(qiáng)夯處理后軟土均不同程度地發(fā)生二次沉降，進(jìn)而減小了工后(殘余)沉降，為工程項(xiàng)目的后期使用提供保證。

綜上可見，試驗(yàn)區(qū)采用真空預(yù)壓+強(qiáng)夯相結(jié)合的手段處理軟土地基取得了成功經(jīng)驗(yàn)，為本工程后期建設(shè)提供了依據(jù)，亦為本地區(qū)相類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。