直排式真空預(yù)壓法加固吹填土地基應(yīng)用效果研究

王 文，李滄粟，李衛(wèi)國

（1.臺州市椒江城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，浙江 臺州 318000；2.臺州開放大學(xué)，浙江 臺州 318000；3.臺州市社會發(fā)展工程管理有限公司，浙江 臺州 318000）

0 引言

臺州灣新區(qū)位于浙江省東部，部分沿海區(qū)域采用“圍海造田”的方式，解決土地短缺的問題。采用吹填造地技術(shù)快速加固淺層土體，使地表形成具有一定強(qiáng)度的硬殼層，讓原本的海域變成了陸地。然而，通過這種“圍海造田”技術(shù)形成的地基，只能滿足人員和輕型施工設(shè)備進(jìn)場的需要，在工程建設(shè)前，還需要采用注漿、換填、預(yù)壓或樁基等方法對軟土地基進(jìn)行二次加固，才能滿足工程建設(shè)要求［5，6］。本文通過浙江臺州灣新區(qū)在建工程項(xiàng)目實(shí)例，對浙江沿海區(qū)域大面積“圍海造田”吹填土地基采用直排式真空預(yù)壓法進(jìn)行二次加固的效果進(jìn)行研究。

1 工程概況［7］

某在建工程位于浙江臺州灣新區(qū)東側(cè)圍海造田陸域，項(xiàng)目用地約 18.1 萬 m2。項(xiàng)目四周規(guī)劃有城市道路，但均未建成，目前均為臨時(shí)道路，其中西側(cè)臨時(shí)道路路面已硬化。根據(jù)建設(shè)需求和現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)計(jì)單位對整個(gè)場地分區(qū)塊采用不同方法進(jìn)行加固處理，其中 12.0 萬 m2的地基采用直排式真空預(yù)壓法進(jìn)行加固，剩余的 6.1 萬 m2采用其他工藝進(jìn)行處理（后處理）。設(shè)計(jì)將真空預(yù)壓場地分四個(gè)區(qū)域，編號 1～4，各分區(qū)面積約為 3 萬 m2。具體平面布置及分區(qū)劃分情況如圖1 所示。

圖1 地基處理平面布置圖

真空預(yù)壓工程于 2020 年 3 月 11 日開工，4 月 18 日開始預(yù)抽真空，4 月 22 日開始全面抽真空（開泵率要求達(dá)到 100 %，膜下真空度 80 kPa 以上），8 月 25 日真空預(yù)壓卸載。真空預(yù)壓滿載施工時(shí)間為 125 d。

2 地質(zhì)條件

建設(shè)場地屬沿海海涂地貌，表部為人工吹填淤泥，經(jīng)淺層真空預(yù)壓固結(jié)處理，呈軟塑狀，地形平坦開闊，地面平均高程為 2.600 m。場地地下水水位埋深一般在 0.20～0.50 m，平均水位高程 2.250 m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料和現(xiàn)場調(diào)查，地基處理影響范圍內(nèi)土層分布如下。

1）①1層。吹填土。淺黃灰色，原呈流塑狀，為吹填施工形成淤泥狀人工堆積物，物理力學(xué)性質(zhì)極差。經(jīng)淺層真空預(yù)壓固結(jié)處理，現(xiàn)表部呈軟塑狀，底部呈流塑狀，物理力學(xué)性質(zhì)差。平均厚度約 3.36 m。

2）②1層。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。淺黃灰色，流塑，厚層狀，局部含粉土細(xì)團(tuán)及貝殼碎屑，無搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度中等，局部為淤泥質(zhì)黏土。具高壓縮性，物理力學(xué)性質(zhì)差。平均厚度約 7.79 m。

2.8嚴(yán)格執(zhí)行交接班制度,晨會交班、不同班組的交接班、與臨床科室的交接、與外來器械的交接、滅菌消毒流程中各環(huán)節(jié)的交接過程中,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題、不斷完善,做到和諧、有序、銜接。

3）②2層。淤泥質(zhì)黏土?；疑魉?，厚層狀，偶含有機(jī)質(zhì)及貝殼碎屑，無搖振反應(yīng)，切面光滑，有光澤，韌性高，干強(qiáng)度高。具高壓縮性，物理力學(xué)性質(zhì)差。平均厚度約 8.09 m。

4）②3層。淤泥?；疑?，流塑，厚層狀，含少量有機(jī)質(zhì)及貝殼碎屑，無搖振反應(yīng)，切面光滑，有光澤，韌性高，干強(qiáng)度高，局部為淤泥質(zhì)黏土。具高壓縮性，物理力學(xué)性質(zhì)極差。平均厚度約 8.11 m。

3 設(shè)計(jì)要求

在真空預(yù)壓地基處理區(qū)域，按照每隔8 0 0～1 200 m2均勻布置一套射流真空泵要求，共布置真空泵 121 套。排水板采用可測深塑料排水板（B 型），排水板打設(shè)深度 15.0 m，間距 1.0 m，正方形布置。真空預(yù)壓期間，膜下真空度穩(wěn)定在 80 kPa 以上，真空預(yù)壓滿載時(shí)間≥ 120 d。卸載時(shí)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，真空預(yù)壓區(qū)地表平均沉降量連續(xù) 5～10 d 每天≤2 mm，地基土體固結(jié)度達(dá)到 85 % 及以上。真空預(yù)壓施工中，需委托第三方進(jìn)行過程監(jiān)測。真空預(yù)壓完成卸載后，需進(jìn)行施工質(zhì)量檢測。

4 施工監(jiān)測及檢測

施工監(jiān)測主要是為了評價(jià)地基處理工程效果。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，推算地基處理固結(jié)度和工后沉降量等數(shù)據(jù)，為確定卸載時(shí)間和評價(jià)地基處理效果提供依據(jù)。同時(shí)，通過地面測量，也為合理計(jì)算土石方量提供依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合工程的實(shí)際情況，真空預(yù)壓監(jiān)測項(xiàng)目及內(nèi)容如表1 所示。第三方監(jiān)測單位于 4 月 7 日進(jìn)場作業(yè)，4 月 18 日開始監(jiān)測，8 月 21 日完成全部監(jiān)測工作。真空預(yù)壓前期監(jiān)測頻率為每天一次，待地基沉降逐步趨于穩(wěn)定后，監(jiān)測頻率逐步調(diào)整至 4～5 d 一次。

表1 真空預(yù)壓監(jiān)測項(xiàng)目及內(nèi)容一覽表

施工檢測主要是為了檢驗(yàn)施工質(zhì)量和檢查設(shè)計(jì)是否符合實(shí)際要求。檢測內(nèi)容包括十字板剪切強(qiáng)度試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)等。檢測單位于8 月 26 日進(jìn)場作業(yè)，9 月 6 日完成工作任務(wù)。

5 加固效果

5.1 場地地表沉降

地表沉降主要是由于土中水、氣的排出，土顆粒之間的孔隙減小，土體固結(jié)。地表沉降情況可以通過觀測真空膜表面的地表沉降標(biāo)識得到。地表沉降的數(shù)據(jù)最能直觀反映軟土地基加固的效果。本項(xiàng)目在真空預(yù)壓區(qū)內(nèi)均勻設(shè)置了 18 個(gè)沉降觀測點(diǎn)，以抽真空滿載日期 4 月22 日作為監(jiān)測的起始時(shí)間，繪制場地地表沉降趨勢圖（見圖2）。

從平均沉降量來看，在真空預(yù)壓的第 15 d（5 月 7 日），沉降量達(dá)到真空預(yù)壓期間總沉降量的5 0.0 %；第 32 d（5 月 24 日），沉降量達(dá)到真空預(yù)壓期間總沉降量的 70.0 %；第 44 d（6 月 5 日），沉降量達(dá)到真空預(yù)壓期間總沉降量的 80.0 %；第 69 d（6 月 30 日），沉降量達(dá)到真空預(yù)壓期間總沉降量的 90.0 %。

從平均沉降速率來看，可以分為三個(gè)階段。第一階段，真空預(yù)壓開始至第 15 d，地表的沉降速率最大，可以達(dá)到 29.2 mm/d；第二階段，真空預(yù)壓第 15～44 d，沉降速率稍有放緩，但還是保持較快，沉降速率為 9.1 mm/d。第三階段，真空預(yù)壓第 44～120 d，降速率為 2.3 mm/d，沉降速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

在整個(gè)監(jiān)測時(shí)間段里，真空預(yù)壓期間的最大沉降量為 941 mm，最小沉降量為 643 mm，總平均沉降量為 875 mm，最后 10 d 的平均沉降速率為 1.4 mm/d，小于設(shè)計(jì)要求 2.0 mm/d，利用三點(diǎn)法推算的地基平均固結(jié)度為 91.8 %，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的卸載標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 孔隙水壓力

孔隙水壓力的消散值是衡量真空度傳遞和土體固結(jié)情況的重要指標(biāo)。真空預(yù)壓區(qū)場地內(nèi)埋設(shè)了 18 個(gè)孔隙水壓力監(jiān)測孔點(diǎn)，每點(diǎn)布置 6 個(gè)孔隙水壓力計(jì)，孔隙水壓力計(jì)埋深為-3、-6、-9、-12、-15、-18 m，用以觀測預(yù)壓期間每個(gè)深度段孔隙水壓力消散情況。本文以第 11 個(gè)監(jiān)測孔 CJ11 為例，繪制孔隙水壓力時(shí)程曲線圖（見圖3），分析真空預(yù)壓過程中，各深度孔隙水壓力消散情況。

由圖3 可見，在抽真空的前 15 d，孔隙水壓力消散最為明顯；在抽真空前 44 d，孔隙水壓力消散較快，隨著時(shí)間延續(xù)，后期孔隙水壓力消散趨于平緩。在時(shí)間上，孔隙水壓力時(shí)程曲線圖反應(yīng)的孔隙水壓力消散情況，與場地地表沉降情況是相一致的。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，孔隙水壓力計(jì)各深度的時(shí)程曲線圖的波形基本一致，這說明在抽真空過程中，真空度在向排水板深度傳遞過程中的損耗不大，地基處理影響范圍包含在整個(gè)地基的深度。

5.3 分層沉降

分層沉降監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)于孔隙水壓力監(jiān)測旁，共布置 18 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，各磁環(huán)埋深位置為-3、-6、-9、-12、-15、-18 m。通過深層分層沉降儀觀測得到各環(huán)的沉降量，繪制土層各深度的沉降時(shí)程曲線。

本文以第 11 個(gè)監(jiān)測孔 CJ11 為例，繪制分層沉降趨勢曲線圖（見圖4），分析真空預(yù)壓過程中，地基土分層沉降情況。曲線圖顯示，在抽真空初期，不同深度的磁環(huán)均下降明顯，前 15 d 沉降速率較大，各分層的沉降量均達(dá)到真空預(yù)壓期間總沉降量的 50 % 以上；至第 44 d，各分層的沉降量均達(dá)到真空預(yù)壓期間總沉降量的 85 % 以上。隨著時(shí)間軸的推移，各點(diǎn)的沉降速率開始逐漸變小，沉降曲線趨于緩和。

圖4 CJ11 監(jiān)測點(diǎn)分層沉降趨勢圖

另外，對比各埋置深度的沉降曲線后發(fā)現(xiàn)，埋深較淺的土層，抽真空期間沉降值和沉降速率均明顯大于埋深較深的土層；深度＞12 m 的土層，沉降曲線在抽真空的全過程中一直比較平緩。這說明，真空預(yù)壓的效果隨著土層深度的增加不斷減弱。

5.4 深層土體水平位移

在真空預(yù)壓區(qū)場地的周邊，共布置 12 個(gè)深層土體位移測斜孔，監(jiān)測不同深度土體在真空預(yù)壓期間產(chǎn)生的水平位移量和位移方向。

根據(jù)監(jiān)測，12 個(gè)監(jiān)測孔位的深層土體均發(fā)生水平位移，主要水平位移發(fā)生在 10 m 以上的土層，位移量以地表處最大，隨著深度的增加，土體水平位移量不斷減少。各監(jiān)測孔位最大位移值及相應(yīng)的位置如表2 所示。最大水平位移位于 CX5 監(jiān)測點(diǎn)，水平位移最大值為 172.2 mm，位于土層表面。根據(jù)監(jiān)測，所有深層土體水平位移方向均朝向真空預(yù)壓區(qū)，由于土體水平位移是向內(nèi)的，并未發(fā)生周邊土體失穩(wěn)現(xiàn)象。

表2 深層土體最大位移及位置一覽表

向內(nèi)的水平位移導(dǎo)致了場地周邊土體產(chǎn)生較大開裂，根據(jù)現(xiàn)場測量，本項(xiàng)目西側(cè)地面最大裂縫寬度達(dá)到 15 cm。由于本項(xiàng)目周邊無建（構(gòu)）筑物和重要城市道路，在抽真空期間，僅采取常規(guī)如制定應(yīng)急處置預(yù)案、加強(qiáng)監(jiān)測等措施，而未對開裂部位進(jìn)行加固和防護(hù)。

5.5 地下水位

場地周邊共布置 12 個(gè)水位監(jiān)測孔，水位管孔深 18.0 m，用于監(jiān)測抽真空期間地下水位變化情況。初始平均水位 2.250 m，抽真空 120 d 后，平均水位降至-6.506 m，整個(gè)抽真空期間水位平均下降 8.756 m。根據(jù)各水位監(jiān)測孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)，取水位平均值，繪制地下水位變化趨勢圖（見圖5）。

圖5 地下水位變化趨勢圖

根據(jù)曲線圖，在抽真空的前半期，地下水位一直持續(xù)下降，至第 65 d（6 月 25 日），水位平均下降值已基本達(dá)到最終的下降值。在抽真空的后半期，地下水位變化曲線逐漸趨于平緩，地下水位保持在相對穩(wěn)定的深度。

5.6 周邊地面

在場地外的東西兩側(cè)的臨時(shí)道路側(cè)邊，共布置 12 個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析累計(jì)沉降值與點(diǎn)位的關(guān)系，三個(gè)較大沉降值的點(diǎn)位均距離場地較近，其中最大值為 126 mm，位于西側(cè)中段。三個(gè)較小沉降值的點(diǎn)位均距離場地較遠(yuǎn)，其中最小值為 17 mm，位于東側(cè)道路的最北點(diǎn)位。說明本項(xiàng)目真空預(yù)壓施工對于周邊道路影響總體是較小的，周邊地面、道路的變形是穩(wěn)定可控的。

5.7 地基土層物理力學(xué)性能指標(biāo)

真空預(yù)壓施工結(jié)束后，經(jīng)過工后取樣與室內(nèi)土工試驗(yàn)，列表對加固前后的土體的物理力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行比較（見表3）。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過真空預(yù)壓，排水板埋置深度范圍內(nèi)的②1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②2層淤泥質(zhì)黏土的含水率分別降低了 12.98 % 和 8.86 %，孔隙比分別降低了 17.34 % 和 11.19 %，其他指標(biāo)如天然重度、壓縮模量等指標(biāo)均有所提高。經(jīng)過真空預(yù)壓，土體的物理力學(xué)性能指標(biāo)得到了明顯改良，加固效果顯著。

表3 真空預(yù)壓前后地基土體的物理力學(xué)指標(biāo)

5.8 淺層平板荷載試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)

真空預(yù)壓完工后，進(jìn)行淺層平板載荷試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)。淺層平板荷載試驗(yàn)共隨機(jī)選取了 6 個(gè)點(diǎn)位，試驗(yàn)壓板面積為 1.0 m2，根據(jù) GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，試驗(yàn)點(diǎn)的地基承載力特征值為 60 kPa，檢測試驗(yàn)結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)要求（地基承載力特征值≥60 kPa），荷載試驗(yàn)具體情況如表4 所示。十字板剪切試驗(yàn)共進(jìn)行了 20 個(gè)孔位的試驗(yàn)，檢測試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求（3 m 以上≥15 kPa，3 m 以下≥10 kPa）。兩項(xiàng)試驗(yàn)表明，經(jīng)過真空預(yù)壓，地基承載能力有了大幅提高。

表4 淺層平板載荷試驗(yàn)成果表

6 結(jié)論和建議

1）在海相沉積和早期吹填形成的軟土地基，采用直排式真空預(yù)壓法，土體的物理力學(xué)性能指標(biāo)得到了明顯改善，地基承載能力有了大幅提高，加固效果明顯，加固技術(shù)可行。

2）采用直排式真空預(yù)壓法，土體在各向同性的應(yīng)力作用下發(fā)生整體向內(nèi)收縮的固結(jié)，因此不會發(fā)生因抽真空加載速率過快而引起的土體失穩(wěn)，場地周邊的土體是安全的，這也是直排式真空預(yù)壓相比堆載預(yù)壓法的一個(gè)明顯優(yōu)勢。

3）從監(jiān)測的孔隙水壓力時(shí)程曲線圖來看，排水板在各深度位置傳遞真空度的損耗不大，但從分層沉降趨勢曲線圖來看，深度＞12 m 的土層，沉降曲線在抽真空的全過程一直比較平緩，深度過大的土層加固效果則不佳。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)踐，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和加固效果，排水板打設(shè)深度不宜＞15 m。

4）根據(jù)本項(xiàng)目真空預(yù)壓期間的地表沉降、孔隙水壓力、分層沉降、地下水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合分析，加固區(qū)土體固結(jié)主要發(fā)生在抽真空的前 60 d，后期抽真空施工是為了減少工后沉降。在類似地質(zhì)條件下，如項(xiàng)目對工后沉降要求不高且工期較緊，抽真空施工時(shí)間可以按 60 d 考慮。

5）因項(xiàng)目所在臺州灣區(qū)為吹填成陸，軟土層厚度大，豎向排水管未穿透軟土層，建議后期可對項(xiàng)目進(jìn)行長期跟蹤觀測，取得直排式真空預(yù)壓法處理軟土地基后的場地長期沉降數(shù)據(jù)，為同類工程提供參考。Q