董 陽
(中鐵十二局集團華南分公司,廣東 中山)
近年來,隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)工程蓬勃發(fā)展和施工技術(shù)的迅速提高,在近海軟土地基上進行工程建設(shè)越來越多。與水泥攪拌樁、管樁等軟基處理方式相比,真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟土地基有造價低、工后沉降小的優(yōu)點。目前,國內(nèi)專家學(xué)者加強對真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓機理研究,如黃俊文[1],以珠海市近海軟土地基工程實例,對軟土地基的真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法的處理效果進行研究,得出了沿海地區(qū)應(yīng)用真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法效果更好的結(jié)論。然而,在真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟土地基施工過程中,密封膜極易破壞,且需花費大量精力修復(fù)。本文以翠亨新區(qū)起步區(qū)客運港綜合片區(qū)配套市政路網(wǎng)建設(shè)工程項目為依托,從其加固機理、施工工藝改良及加固效果方面對真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓的工藝進行了詳細描述。
真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓施工過程中,通過密封墻以及密封膜,隔絕加固區(qū)域的土層與大氣的接觸,采用潛水式射流真空泵通過埋設(shè)在砂墊層內(nèi)的水平主管與濾管與打設(shè)在土層內(nèi)的豎向排水板連接,抽走土層內(nèi)的空氣和水,產(chǎn)生負壓,孔隙水壓力u 隨之降低,同時通過導(dǎo)管將地下水回灌到密封膜上,增加總應(yīng)力σ,有效應(yīng)力σ/相應(yīng)增加:
選土體中任一點做受力分析,如圖1 所示。
圖1 應(yīng)力分析圖
圖中:P 為排至密封膜上地下水的重量;Q 為回灌到密封膜上地下水自重在土體中的附加應(yīng)力;σC為土體自重對受力點的應(yīng)力;u/為抽真空造成的負壓,方向向上。將以上數(shù)據(jù)代入式(2),可以得到加固土體中任一點的有效應(yīng)力,表達式如下:
因此,隨著真空泵不斷將地下水回灌到密封膜上,加固區(qū)內(nèi)的地下水不斷減少,孔隙水壓力不斷降低,Q不斷均勻增加,避免了土方堆載分級加載造成的孔隙水壓力回升問題。有效應(yīng)力σ/隨之一直增大。在此作用下,加固區(qū)土體產(chǎn)生固結(jié),產(chǎn)生沉降效果。
試抽真空時,回灌到密封膜上地下水量較少,2022年8 月份,工程所在地遭遇臺風(fēng)天氣影響,隨之進入一個月的季雨天氣,隨著地下水的不斷回灌,降雨的不斷增多,密封膜上的蓄水高度可達到1.5 m,P 可達到15 kPa 左右,適當調(diào)整真空泵的功率可增大u/的大小。真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓法是真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法的改良工藝,采用此法一是避免了密封膜破壞,二是解決了常規(guī)真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法中堆載土方的雨季施工難題,在雨季頻繁的廣東地區(qū)顯得尤為優(yōu)越。
中粗砂墊層施工→密封墻施工→排水板施工→密封設(shè)備施工→抽真空,見圖2。
圖2 真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓施工階段
場地平整后,使用裝載機將符合設(shè)計要求中粗砂運至施工堆料區(qū),分兩層攤鋪中粗砂墊層。施工時,使用推土機進行沿道路中心線攤鋪,個別不平整處,采用人工找平,加固區(qū)砂墊層全部施工完畢后,統(tǒng)一采用輕型壓路機靜壓,砂墊層中心線完成面略高于邊線。
粘土密封墻為雙排直徑70 cm 的攪拌樁,咬合寬度20 cm。粘土密封墻長度為9 m,寬度為1.2 m,施工工藝采用四攪四噴。粘土密封墻采用粘土、水泥作為拌合材料,粘土摻入量為攪拌土體重量的15%。為保證粘土攪拌樁的氣密性,粘土攪拌樁考慮參入5%的水泥。泥漿比重≥1.3,水土比0.55~0.65,密封墻施工完成后應(yīng)檢驗合格。
鋪設(shè)第一層中粗砂后施工塑料排水板,采用靜壓式插板機打設(shè)塑料排水板,等邊三角形布置,設(shè)計間距1 m,長度25 m,排水板頂部進入中粗砂500 mm。然后鋪設(shè)濾管、主管、埋設(shè)沉降觀測儀器。真空管路的連接應(yīng)密封,設(shè)置止回閥和截門。管間宜采用鋼絲橡膠波紋軟管連接,連接長度應(yīng)大于10 cm,以適應(yīng)真空預(yù)壓的差異沉降。
挖密封溝,溝底寬0.6 m,溝面寬1.2 m,高1.5 m,注意控制密封溝的高度略高于中粗砂墊層,密封溝兼做圍堰??刂浦鞴苓B接真空泵的施工質(zhì)量,保證密封效果。鋪設(shè)三層密封膜,并在密封膜上、下均采用300 g/m2無紡?fù)凉げ急Wo。密封膜采用壓延型聚氯乙烯薄膜,密封膜應(yīng)松弛鋪設(shè),并預(yù)留加固區(qū)沉降量,密封膜宜采用整體鋪設(shè),中間無斷層,保證氣密性,施工完成后與密封膜一起壓入密封溝內(nèi)。
真空泵選用潛水式射流真空泵,電機功率不小于7.5 kW,真空泵應(yīng)配置真空表、止回閥、閘閥,并接導(dǎo)管將地下水回灌至密封膜上。真空泵空抽時真空壓力必須達到95 kPa 以上,密封膜下不應(yīng)小于80 kPa。將地下水回灌到密封膜上,一是可以隔絕空氣,增加密封膜的密封效果;二是回填土和密封膜不再直接接觸,避免了密封膜的破壞;三是回灌到密封膜上的地下水是隨著抽真空慢慢增加的,應(yīng)力增加持續(xù)、平緩,避免了回填土分層加載的不良后果,并有效應(yīng)對廣東地區(qū)頻繁的季雨天氣。
研究項目位于廣東省中山市馬鞍島東南部,軟基處理總面積約31.8 萬平米,為臨海吹填深厚淤泥層地質(zhì),本次取一個區(qū)段3 萬平米為試驗段,場地加固范圍內(nèi)地層情況如下:
第一層,填土層(Qml):紅褐色、黃褐色、灰褐色等雜色,稍濕,松散狀為主,局部為稍密狀,主要成分為黏性土、砂土,局部含約10~30%碎石、石塊。堆填時間較短,多為新近堆填形成,場地部分區(qū)域現(xiàn)進行回填。場地均有分布,平均厚度為4.93 m;層底標高-10.25~7.13 m。
第二層,淤泥、粉質(zhì)黏土(Q4mc):深灰、灰黑色、灰色,流塑狀,含腐蝕質(zhì)和少量貝殼碎片,局部夾淤泥質(zhì)粉砂薄層,有腥臭味;該層場地均有分布,平均厚度為22.44 m,層底標高-36.47~-9.86 m。
第三層,粉細砂、粗砂(Q4al+pl)灰黃色、灰白色、淺灰色、黃褐色,稍密狀為主,局部松散,主要成分為石英顆粒,局部含黏粒較多,層底標高-37.85~-17.58 m。
第四層,砂質(zhì)黏性土(Qel):紅褐色、灰白色、黃褐色、灰褐色,由花崗巖風(fēng)化殘積而成,可塑~硬塑,干強度中等,韌性中等,平均厚度為3.69 m,層底標高-38.99~-17.40 m。
抽真空前,按不同標高在加固區(qū)土層埋設(shè)孔隙水壓力計,并在地表埋設(shè)沉降標。抽真空過程中,實時監(jiān)測地表沉降、空隙水壓力情況。加固前后進行了十字板剪切試驗、室內(nèi)土工試驗,對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理、分析如下:
孔隙水壓力消散情況見圖3,抽真空前期孔隙水壓力消散速度較快,但隨著抽真空的持續(xù),孔隙水壓力消散速度逐漸變小。隨著抽真空的持續(xù),孔隙水壓力消散持續(xù)增加,淺層土體(埋深10 m 內(nèi))的加固效果明顯好于深層土體。同時可以看出,地下22 m 處仍有明顯的孔隙水壓力消散,地下26 m 處孔隙水壓力基本處于穩(wěn)定。本次排水板打設(shè)深度25 m,可以推測出排水板對孔隙水壓力消散的關(guān)鍵作用。
圖3 孔隙水壓力消散圖
抽真空施工過程中,對地表沉降的檢測數(shù)據(jù)進行整理,見圖4。從圖中可以看出,地表沉降量、地表沉降速率與加載具有相關(guān)性和滯后性[2],采用真空水載法處理軟土地基時,前期地基沉降速率較大,隨著抽真空的持續(xù),以及施工期間不斷的降雨,密封膜上水位不斷上升,有效應(yīng)力逐漸增加,地表沉降不斷增大,沉降速率在前期一直維持10~15 mm/d。從圖4 可以看出,自2022 年9 月15 日至2022 年10 月5 日,連續(xù)20 天,實測沉降均小于2 mm,沉降曲線已趨于平穩(wěn),滿足規(guī)范要求[3]。將地表沉降量的觀測數(shù)據(jù),代入最終沉降量計算公式,公式(4)如下:
圖4 地表沉降觀測曲線
式中,S∞為地表最終沉降量;S1、S2、S3為等時間間隔的沉降量。地表沉降觀測曲線顯現(xiàn)出明顯的雙曲線特性,利用雙曲線法計算固結(jié)度,固結(jié)度計算公式[4]如下:
式中:Ut為t 時刻土壤固結(jié)度,St為t 時刻地表沉降量。將2022 年10 月5 日地表沉降數(shù)據(jù)代入式(5),計算出土體固結(jié)度為91.2 %,滿足設(shè)計要求。
軟基處理前、后對第二土層各選取十個點,在原位(間距不大于1 m)進行十字板剪切試驗。通過對比試驗參數(shù),分析軟基處理前后淤泥質(zhì)軟土的性狀變化,得出實驗結(jié)論,試驗數(shù)據(jù)見表1。
表1 十字板抗剪強度對比表
經(jīng)過真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓處理后軟土十字板剪切強度提升了2.18 倍,達到了27.5 KPa。
真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓前后加固區(qū)土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標變化見表2,預(yù)壓前后,土體含水率由44.3%下降到31.6%,排水效果良好,但土體整體含水率依然偏高,預(yù)壓處理后的土體仍不宜擾動;孔隙比由1.39 降至1.05,降幅達24.46%,土體密實度增強;直剪試驗中凝聚力增強3.4 倍,內(nèi)摩擦角增大2.52 倍,表明加固區(qū)內(nèi)原本土體物理力學(xué)性質(zhì)有了明顯的改善和提高,基本達到預(yù)期效果。
表2 土體主要物理力學(xué)指標對比表
(1)真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓法處理臨海淤泥質(zhì)軟土后,實測地表沉降速率連續(xù)20 d,平均沉降量小于2 mm/d。預(yù)壓后平均固結(jié)度為91.2%,加固區(qū)域土體物理力學(xué)性質(zhì)指標均有明顯改善,真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓在臨海軟基處理中的應(yīng)用是成功的。
(2)真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓法避免了常規(guī)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓施工中的密封膜破壞問題,它拓寬了真空預(yù)壓的的應(yīng)用領(lǐng)域,同時獲得了良好的經(jīng)濟效益,更為適合多雨的廣東地區(qū)。但軟基處理中仍有諸多難題,需要土木界的人們繼續(xù)努力研究來解決。