吹填造陸工程淺層預處理和深層真空預壓法工藝的變更完善

宋旭龍，李俊豐，李海峰，石 潔，鄭 寧

（華北水利水電工程集團有限公司，天津 300170）

1 引言

天津某臨海工業區吹填造陸后為國家重點招商項目用地，意義重大，業主與各參建單位簽訂了《工程質量保證承諾責任書》，要求必須一次性施工成功。造陸前，-13 m高程以上至原泥面的土層為海相沉積層，由于成土歷史短被劃稱成第四紀“全新”新鮮層，屬淤泥、淤泥質黏土或亞黏土，孔隙比大、壓縮性高、強度低。上部是造陸中新近吹填的新鮮淤泥土，猶如稀湯。按原設計在這樣的超軟土地基上直接進行深層真空預壓加固處理，安全性和可行性是各參建單位面臨的一大難題。

2 工程概況

天津某臨海工業區利用沿海灘涂進行圍海造陸建設開發，采用常規的一次深層真空預壓法對新近吹填的軟基進行加固處理，首期開工3個標段，加固面積共6 km2，各標段均為2 km2。原設計方案的一次性深層真空預壓荷載為650 mmHg，吹填土厚度為5.8 m，吹填土余水排盡后在原泥面鋪1層200 g/m2編織布，其上鋪2層優質荊笆和1層土工布，再吹填80 cm厚砂性土，上鋪30cm中粗砂墊層，打設豎直排水通道（為B型塑料排水板，間距1 m，正方形布置，板底標高為-13 m），鋪設濾管和密封膜并安裝射流泵，抽氣排水作業。其設計卸載標準為：固結度≮85%、連續5～10 d實測地表沉降速率≯2 mm/d，有效荷載預壓時間≮90 d，地基承載力特征值要求分層達到80 kPa。

3 案例分析

3.1 案例一

3.1.1 基本情況

該工業區首期開工的3個造陸工程施工標段，新近吹填的陸域地基上大部分呈灰褐色、流塑狀態，土性極差。該吹填土層還未完全排水固結，處于欠固結狀態，具有較高的含水率（高達124%）和極低的強度、土顆粒極細、壓縮性極高、固結速率極慢等顯著特征，如按原設計的一次性深層真空預壓方案來實施，存在以下問題：

（1）場區面積大（每標段 2 km2），設計也沒有指導性的排水方案，市場上好多施工單位在投標時的合同量清單中根本未考慮排水費用，再加上場地條件的制約必須強排，排水費用較大，新近吹填土層上的明水本已很難排出，如再在其上吹填0.8 m砂性土工作墊層，勢必因排水影響吹填施工進度和效率。

（2）正值11月份大風季節，吹填施工根本無法正常進行，施工船舶安全風險極高。

（3）由于墊層下吹填土層土質極差，機械打設深板擾動時大量的泥漿沿排水板噴出，造成黃砂墊層污染，影響排水效果。

3.1.2 改進淺層真空預壓施工工藝

（1）準備工作：測量放樣，按板間距0.8 m菱形布點并標計；備料、下料及板端封堵：淺板設計長度為4～6 m，一般情況下下料長度計算是下插回折0.2 m+5 m+外露長度0.8 m=6 m；板端封堵采用瀝青封頭。

（2）工人持斧在土工布上按測量標計點位破口，另一工人緊跟快速插下淺板，大批量的工人按此法重復作業，則一個標段2 km2插淺板最多一個月可完成。

（3）檢查插板區，將板口泥漿清除干凈。

（4）鋪設40 mm軟式濾管，務必做好管路連接工作。

（5）檢查場區，重點檢查翻漿是否污染板頭和濾管，可采取清除、補插板或更換局部被污染濾管。

（6）鋪設一層長絲土工布（300 g/m2），并在冬季利用機械沿四周隔埝挖設明溝或采取其他方式形成自然排水體系。

（7）填筑覆水圍埝。

（8）按 1 000～1 500 m2安裝 1 個功率≮7.5 kW的射流泵（揚程≮26 m），并連接抽真空設備。

（9）試抽，進行密封性檢查和整改。

（10）正式抽氣：抄表記錄，不斷地進行密封性檢查和整改。

（11）卸載：滿載預壓 50～60 d 后，經檢驗加固效果后，方可卸載。

3.1.3 效果分析

根據實際情況，3個標段淺層處理均在50 d后提出檢驗申請，經檢驗和過程監控分析，具體如下：

（1）沉降量：地基沉降量由兩部分組成，一是插板期間吹填土層沉降 （包括插板前吹填土層的自然沉降），二是淺層真空預壓期間的沉降。沉降觀測結果，見表1。

表1 各標段不同階段地基沉降

（2）孔隙水壓力監測和固結度推算：人工插完淺板后，在4根排水板所圍區域的中心位置分不同深度埋設孔隙水壓力測頭，用以監測預壓期間土體內部孔隙水壓力消散情況。圖1為淺層真空預壓過程中孔隙水壓力隨時間變化曲線。

圖1 東三區淺層真空預壓一區孔隙水壓力值隨時間變化曲線

根據孔隙水壓力消散情況，推算土層內不同深度的固結度，見表2。

表2 不同深度土層固結度

（3）淺層加固檢驗（十字板強度、標貫及土工試驗）：2010年4月25日，對某工業區首期工程3標段巖土進行了工程勘察，孔號ⅢS31，孔口標高3.912 m，鋼環編號813。詳細勘查數據，見表3-4。

表3 巖土勘察抗剪強度統計

表4 巖土勘察標貫擊數統計

標貫擊數曲線、十字板強度曲線，如圖2-3所示。

圖2 南港ⅢS31孔標貫擊數曲線

（4）強度增長推算：依據地勘資料和規范，對加固區進行強度推算。強度增長值計算公式為：

圖3 南港ⅢS31孔十字板強度曲線

式中：τ為強度增長值；Cu為十字板強度；Ut為固結度；△σ為先期附加應力；фcu為固結快剪內摩擦角。

地基承載力計算公式為：

式中：f為地基承載力。

依據勘察報告統計，各標段吹填土層預處理后吹填土層0.4～1m處以下承載力容許特征值分別是：1標段為35 kPa、2標段為30 kPa、3標段為33 kPa。因新近吹填土層為泥漿，呈稀湯狀，傳統的室內試驗存在一定局限性而無法操作，但結合淺層預處理后的土工試驗成果表來看，含水率由124%下降到67.8%，密度有所提高，孔隙比和壓縮指數也有所降低。而且各標段吹填土層預處理后標貫擊數平均值均＞3擊，表層0.5～1 m厚硬殼承載力較高，結合強度增長推算值，說明淺層真空預壓加固后地基承載力基本在50 kPa左右。再經深層插板樁機跟進作業檢驗，未發生樁機傾倒、隱落的安全事故，由此可判定3個標段此次淺層預處理后地基強度和加固效果增長明顯，達到了取消0.8 m厚吹填砂性土目的，為后續的深層處理工序提供了理想而又安全的施工條件。

3.2 案例二

3.2.1 基本情況

2010年6月，工程施工正處于深層真空預壓階段，海運黃砂供應極為緊缺，加上鋪砂工人嚴重不足，各施工單位處于半停工狀態。經監理單位與業主溝通，各參建單位代表開會討論，取消了原黃砂墊層設計方案，實施黑砂墊層真空預壓法，并做如下修改完善：

（1）40 cm黑砂墊層上挖設底寬20 cm、深≮20 cm的濾管溝，每根深板露出的板頭必須與濾管連接，且濾管在溝中必須用黃砂裹覆回填。

（2）在打設深板過程中，一旦發現特軟的局部面積，必須在打設深板間距的基礎上再加密補打4～6 m深短板。具體的深層真空預壓施工工藝如下：

檢修或進一步完善排水系統→吹填40cm黑砂墊層→測量放樣、布點標識→打設深層板→特軟區人工加密插設短板→檢驗并清除板口翻漿及墊層面漿皮→挖設濾管溝→布設濾管、板管和管路連接→檢驗并清潔或更換已污染的濾管→黃砂裹覆回填→按放樣位置挖設壓膜溝→檢驗壓膜溝和場區，徹底清除尖銳固物→鋪設“1布2膜”→安泵并連接抽真空設備→試抽氣→檢驗合格后進入正式抽氣→檢測合格后卸載。

3.2.2 加固效果

經統計，深層真空預壓在滿載條件下抽氣排水有效時間為70～75d，加固完成后經勘察和第三方檢測單位對所有的加固區進行了檢驗，加固效果達到設計卸載標準和要求。

（1）分層沉降分析：打設塑料排水板后，按設計要求，在各個加固區的中心點附近埋設了1組深層分層沉降儀，以便掌握地基中各土層的變形情況。根據施工單位提供的數據，深層真空預壓開始前，插板沉降（包括淺層預壓沉降）在720～1 470 mm之間，深層真空預壓期間分層沉降管口實測沉降在307～1 659 mm之間（包括保護區），綜合統計在整個預壓處理期間沉降在1 418～3 079 mm之間。同時，根據各分區分層沉降管口觀測資料推算的固結度均大于85.0%，且卸載前各真空區的5～10 d沉降速率均不大于2 mm/d。考慮到場地使用條件等要求，經參建各方商量進行卸載前帶壓鉆探，并依據現場十字板剪切試驗結果判定是否卸載。

（2）孔隙水壓力分析：打設塑料排水板后，分別在4根排水板所圍區域的中心位置按照設計要求在不同深度埋設孔隙水壓力測頭，用以監測預壓施工期間土體內部孔隙水壓力消散情況，同時根據孔隙水壓力的增減情況及消散大小每3 d更新1次監測數據，依據現場情況進行分析：整個抽氣區的中部區比四周邊緣的負超靜水壓力要大，這反映出邊界的影響。隨著測點深度加大，總的趨勢是負超靜水壓力逐漸減小，但在地面-6 m處形成的負超靜水壓力最大。地基處理的底端部分孔隙水壓力消散良好，說明塑料排水板已按設計深度打設到位，且真空壓力向下傳遞有效。根據孔隙水壓力觀測結果可知，在抽真空過程中土體不同深度的孔隙水壓力發生了明顯的消散，符合一般的真空預壓情況。

（3）加固前后取土試驗及十字板剪切試驗：根據加固前后的取土試驗結果進行對比分析可知，加固過程中地基土的物理力學指標有較大改善，主要加固土層土性指標均有所提高。通過加固前后現場取土及十字板剪切試驗可以看出，各加固土層的含水率及十字板抗剪強度均有所提高。含水率由加固前的20.2%～124%下降到加固后的18.9%～52.0%，降幅明顯，其中表層吹填土層含水率下降幅度較大，同時各真空區滿足含水率極限值不大于52%、平均值不大于47%的設計要求；十字板抗剪強度由加固前0.4～34.8 kPa增到加固后的 15.1～38.7 kPa， 增幅明顯，其中表層吹填土層十字板抗剪強度增幅較大，同時滿足標準區十字板強度極限值不小于18kPa、平均值不小于23 kPa，過渡區十字板強度極限值不小于15kPa、平均值不小于18 kPa的設計要求，不適于進行現場十字板剪切試驗的下層土體的標貫擊數均大于3擊。

4 案例啟示

（1）經真空預壓處理后，新近吹填土層及原灘面以下土層的壓縮沉降還沒有科學而準確的指導性數值，目前還是依據施工積累的經驗和教訓，因此相關責任單位應不斷研究，并在相關文件中提出指導性意見，以減少施工費用或避免施工費用的浪費。

（2）淺層預處理適用于新近吹填的粉土、粉質黏土地基，但淺層真空預壓法的使用，應結合當地氣候、人力資源等條件綜合考慮，建議最優的方案是利用冬季插淺板、鋪設濾管、鋪設管上土工布及設置排水系統后，來年春季再進行真空預壓施工，避免冬季真空抽氣排水作業造成施工安全風險大、安全措施費用投入大、加固效果相對差、施工成本相對增加等問題。

（3）在首次對黑砂墊層真空預壓法優化完善施工后（即每根板頭與濾管連接、在黑砂墊層中設置黃砂裹管溝），經施工現場的黑砂墊層卸載區與黃砂墊層卸載區的加固效果試驗對比，黑砂墊層承載力在10 t以上，且真空抽氣排水作業時間在50～75 d范圍內；而黃砂墊層卸載區承載力在8～10 t范圍內，真空抽氣排水作業時間在90 d以上。由此可以看出，優化完善黑砂墊層真空預壓法的真空提水更直接又快捷，加固效果相對較好，工期相對縮短。

（4）淺層預處理抽氣排水作業時間短，采用“1布2膜”較為實用可行，若深層真空預壓處理套用“1布2膜”則風險較大。這是因為，深層真空抽氣排水施工時間長，從鋪膜到卸載多數。橫跨夏秋冬3個季節，再好的膜也會因氣候等因素發生問題。再因為吹填黑砂墊層和人工鋪設的黃砂墊層較平整清潔，建議加固區中間大部分面積可取消土工布，但加固區邊界壓膜溝處必須鋪設或加鋪土工布，以防壓膜溝開口處固物頂破密封膜。

5 結語

由于環渤海經濟區圍海造地工程規模不斷擴大，建設速度不斷加快，通過以上案例分析，發現淺層真空預壓法加固效果明顯。該法對新近吹填粉土、粉質黏土地基處理具有較強的針對性和適用性。

[1]JTJ250-1998，港口工程地基規范[S].