超軟土淺層加固技術中不同土工合成材料組合應用對比研究

2013-06-30 03:09:10耿宏業鮑樹峰陳偉東余東華

中國港灣建設 2013年1期

耿宏業，鮑樹峰，陳偉東，余東華

（1.神華粵電珠海港煤炭碼頭有限責任公司，廣東珠海 519020；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州 510230）

0 引言

近幾年的工程實踐表明，經過超軟土淺層加固技術（改進的真空預壓技術）處理后的地基完全可以滿足后續吹填砂墊層和機械插深板的施工要求[1-5]。然而，相對于成熟的傳統真空預壓法而言，超軟土淺層加固技術的應用仍處于探索階段，雖已在廈門港、溫州地區、天津濱海新區等地方得到了成功應用，但還存在不少問題需要進一步研究，如超軟土淺層加固技術中如何選取土工合成材料組合。

土工合成材料在巖土工程中的應用始于20世紀50年代末。70年代是土工合成材料從幼年成長為壯年的時代，應用范圍發展到水利、公路、海港、建筑等各個領域。而我國土工合成材料的應用起步較晚，但發展較快，80年代初期在國內開始試驗應用，其應用范圍涉及建筑、鐵路、水利、環保、港口等各個領域。尤其是近年來，在真空預壓軟基處理中應用得相當廣泛，目前也已迅速延伸到圍海造陸工程的超軟土淺層加固技術中[1-5]。關于土工合成材料在軟土地基上高填土路堤工程中的加筋機理已經有許多研究成果[6-8]，然而，還未見在超軟土淺層加固技術中的相關研究成果報道。

本文先對超軟土淺層加固技術中土工合成材料的作用及其加筋機理進行深入分析，然后依托珠海港高欄港區某超軟土淺層處理工程開展現場對比試驗，探討土工合成材料的不同組合對超軟土淺層加固效果的影響，并給出適用于超軟土淺層加固技術的最佳組合。

1 土工合成材料的作用

超軟土淺層加固技術中水平向鋪設的土工合成材料組合方式有很多，其中一種組合方式從泥面往上依次為[5]：編織土工布→第一層無紡土工布→水平排水濾管（用濾膜包裹且已連接豎向排水短板）→雙向拉伸土工格柵→第二層無紡土工布→兩層密封膜。這種組合方式下各自的作用如下：

1）編織土工布。鋪設底層編織布是該技術中的第一道關鍵工序，其作用除了為后續工序提供必要的施工作業面外，更為重要的是將水平排水系統與其下浮泥隔開。

2）第一層無紡土工布。防止抽真空過程中細小顆粒封堵水平排水濾管及其與豎向排水通道的連接處，從而避免削弱抽真空作用強度，另一方面還起到加筋作用。

3）雙向拉伸土工格柵。主要起加筋作用，能使施工期上部施加的荷載均勻分布在地基上，從而一定程度上削弱施工過程中產生的不均勻沉降，可為后續深層處理時提供施工平臺，另一方面還提高了墊層的三維透水性。

4）第二層無紡土工布。主要是防止抽真空過程中其上面的密封膜被尖物刺破。

5）二層密封膜，作為真空預壓時的密封系統。

其中，第一層無紡土工布、土工格柵、第二層無紡土工布與已連為一體的排水板和濾管共同組成無砂墊層排水系統，可提高排水效率[5]。

2 土工合成材料加筋機理分析

超軟土淺層加固技術中土工合成材料的加筋作用主要體現在以下4個關鍵施工工序中：

1）第一道關鍵工序：人工鋪設第一層無紡土工布。相應的加筋墊層為“編織土工布+加固前的超軟土地基”。

2）第二道關鍵工序：人工插設豎向排水通道，如排水板、袋裝砂井等。相應的加筋墊層為“第一層無紡土工布+編織土工布+加固前的超軟土地基”。

3）第三道關鍵工序：吹填、平整砂墊層。相應的加筋墊層為“所有土工合成材料+加固后的超軟土地基”。

4）第四道關鍵工序：機械插設深板。相應的加筋墊層為“所有土工合成材料+加固后的超軟土地基+砂墊層”

圖1為上述1）、2）和3）三個工序中施工荷載傳遞示意圖。對于第4）個工序中的外荷載包括“施工荷載+約為1.5 m厚的砂墊層荷載”，其傳遞過程與圖1類似，唯一不同的是僅在圖1基礎上加上大面積砂墊層荷載。

圖1 施工荷載傳遞示意圖

下面基于圖1對第3）和4）兩個工序中土工合成材料的加筋機理進行詳細分析。

2.1 受力過程

在施工荷載作用下，下臥地基內會產生垂直和側向應力（如圖1（c）所示），這致使地基表層及一定深度內發生不同程度的、中心大兩側小的、成盤狀的彎曲沉降和側向位移，同時，土工合成材料也隨之發生彎曲伸長變形，從而使土與土工合成材料之間產生界面摩阻力（如圖1（b）所示）。這種界面摩阻力有利于土工合成材料產生拉應變和拉應力以及剪應變和剪應力，從而對土工合成材料能起到一定程度的錨固作用。由于在錨固段上，土與土工合成材料界面處的拉應變和剪應變是相對的、并非絕對固定，因此，這種錨固作用的大小可以借助界面上的相對應變值來量化。由圖1（b）可知：土工合成材料的拉應變的分布應該是由機械裝置與土工合成材料接觸面的中心軸線向兩側遞減分布的，而且，土工合成材料的上述受力過程是隨施工荷載不斷移動而協調進行的。

2.2 加筋機理

土與土工合成材料在界面上的應變協調相容是土工合成材料發揮加筋作用的基本機理。

考慮到土工合成材料比地基土的抗拉強度及變形模量要相對大許多，同時又有界面上的錨固作用，因此，土工合成材料對其下臥地基土的側向擠出起抑制作用。而且超軟土淺層加固技術中土工合成材料是大面積鋪設的，因此，可借助于界面上的摩阻力來傳遞機械施工荷載，對機械下陷起阻抑作用，同時，地基中應力分布會減小與擴散。

2.3 加筋作用的極限狀態

根據上述受力過程和加筋機理可以推論機械施工期間土工合成材料所能達到的極限狀態。但是，需區別以下兩種基本情況。

1）當土工合成材料的拉應變和剪應變超過某一數值后，盡管其拉應力和剪應力仍未達到極限值，但土與土工合成材料的界面摩阻力已達到極限值而發生逐步剪壞現象，因此，隨著土工合成材料的拉剪應變繼續增長，界面上保持的殘余抗摩剪強度已不能發揮錨固作用，也即不能滿足它繼續有效地發揮加筋作用。此時，達到了可能的加筋作用的極限狀態。

2）土與土工合成材料的界面摩阻力雖未達到極限值，仍能繼續保持協調相容，但土工合成材料某些部位已因“拉剪應變較大，相應的拉剪應力達到了極限值”而發生了拉剪破壞。此時，也達到了可能的加筋作用的極限狀態。

工程實際中，由于應力分布較復雜，上述兩種基本情況會出現相互交叉的情況。

3 工程應用

下文依托珠海港高欄港區某淺層超軟土處理工程開展了現場對比試驗，探討了組合1“編織布+土工無紡布+土工格柵”和組合2“編織布+土工無紡布+土工無紡布”對超軟土加固效果的影響，并給出了適用于超軟土淺層加固技術的最優組合。

3.1 工程概況

該工程新近吹填超軟土厚度為4.5 m左右，淺層土體含水率高達153.3%，呈浮泥～流泥狀。

現場對比試驗區的主要施工方案如表1所示。

表1 現場對比試驗區施工方案

3.2 監測和檢測方案

為了對比兩個試驗區超軟土的加固效果，合理布置了監測檢測項目。兩個試驗區的監測檢測測點布置圖詳見圖2。

圖2 監測檢測測點布置圖

1）監測項目：選取有代表性的位置，測試位于4根排水板中心、不同深度處（分別為1 m、2 m、3 m、4 m）的土體孔壓消散情況；排水板不同深度處（分別為1 m、2 m、3 m、4 m）的孔壓消散情況；地表沉降變化。

2）檢測項目：選取有代表性的位置，在4根排水板中心處進行靜力觸探試驗以及十字板試驗，以測試板間土體相關力學指標。

3.3 加固效果對比分析

下面主要從排水效果、地表沉降情況、原位檢測結果（靜力觸探試驗和十字板試驗成果）進行分析。

3.3.1 排水效果

孔壓消散情況能很好地反映真空壓力在“水平排水通道→豎向排水通道→土體”傳遞過程中的損失程度，同時也反映了排水系統的排水效果。

3.3.1.1 排水板中的孔壓消散情況

兩個試驗區測點處排水板中的孔壓消散規律如圖3所示。

圖3 排水板中孔壓消散值-時間的變化曲線

由圖3可知：

1）試驗A區測點測試數據于2011年9月19日、2011年10月7日均因現場突然停電而突變；試驗B區測點處孔壓消散值于2011年10月9日—2011年10月20日期間出現“突然降低，幾天后又回升”的現象，這主要由于隨著抽真空的進行膜上有一定深度的積水而12 d后又被抽走所致。

2）試驗A區測點處板中的孔壓消散值最后穩定在-80 kPa左右，而試驗B區測點處板中的孔壓消散值最后穩定在-30 kPa左右，前者明顯大于后者，因此，前者的真空壓力傳遞效果和排水效果也均優于后者。

3.3.1.2 土體中的孔壓消散情況

兩個試驗區測點處土體中孔壓消散規律如圖4所示。

圖4 土體中孔壓消散值-時間的變化曲線

由圖4可知：

1）2011年10月9日—2011年10月20日期間，兩個試驗區測點處孔壓消散值均出現“突然降低，幾天后又回升”的現象，這主要由于隨著抽真空的進行膜上有一定深度的積水而12 d后又被抽走所致。

2）抽真空約50 d后，兩個試驗區測點處的孔壓消散值仍然一直在增大，未出現趨于穩定的趨勢。

3）抽真空約50 d后，試驗A區測點處的孔壓消散較試驗B區的快。但是，兩個試驗區測點不同深度處的孔壓消散規律不一致，試驗A區測點2 m和3 m處的孔壓消散值明顯大于1 m和4 m處的孔壓消散值，而試驗B區測點的孔壓消散值隨深度增加而增大。

4）由于試驗A區土體中的孔壓消散較試驗B區快，因此，前者排水效果和加固效果均優于后者。

經分析，相應于上面第3）點的主要原因是：

1）吹填泥漿、浮泥經水力分選后，粒徑較大的粉粒沉降速率快，而粒徑較小的黏粒沉降速率較慢，符合Stocke定律。因此，下部土層顆粒較粗，結構性相對較好，有利于真空度的傳遞和孔壓的消散。

2）空間分布的不均勻性：受吹填土料工程性質、吹填時水利條件等多方面因素的影響，大面積吹填泥漿、浮泥空間分布不均性顯著。

3.3.2 地表沉降

土體固結必然產生一定的沉降。因此，對加固過程中的地表沉降進行跟蹤觀測，可以了解超軟土的固結過程，同時也可以反映出該種處理方法在提高超軟土結構強度方面（也即加固效果）是否有效[2]。

各區平均地表沉降隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5 平均地表沉降隨時間的變化對比曲線

由圖5可知：

1）2011年9月22日之前（抽真空時間為14 d）平均沉降速率明顯大于抽真空后期，幾乎成45°直線增長。抽真空45 d后，平均沉降速率仍然較大，大于10 mm/d，且無穩定趨勢。

2）抽真空5 d后，試驗A區的總沉降值就逐漸大于試驗B區的總沉降值；卸載時，分別為984 mm和1024 mm。因此，試驗A區加固效果優于試驗B區。

3.3.3 靜力觸探和十字板試驗成果

土體原位測試結果，如不同深度的比貫阻力和原位抗剪強度，也能直觀地反映出超軟土的加固效果。

試驗A區和試驗B區測點土體不同深度處的比貫入阻力和原位抗剪強度的對比情況如圖6所示。考慮到兩個試驗區均發生了1 m左右的沉降，靜力觸探和十字板的最大測試深度均取為3.5 m。

圖6 兩試驗區靜力觸探試驗和十字板試驗結果對比

由圖6可知：

1）試驗A區測點處地表以下1 m范圍內土體的比貫阻力值和原位抗剪強度值明顯大于試驗B區，因此，前者淺層范圍內的加固效果明顯優于后者。

2）兩個試驗區2.5 m深以下的土體比貫阻力值和原位抗剪強度值明顯高出許多，其主要原因有兩方面：①吹填泥漿中土體顆粒的沉積規律符合Stocke定律，土層下部以粗顆粒為主；②吹填泥漿中的細顆粒隨水流動性很強，在淺層抽真空負壓差作用下，極易隨水向排水板周圍聚集形成“土柱”，進而導致下部土層顆粒較粗，結構性相對較好。

3）兩個試驗區1.0～2.5 m深度范圍內加固后的Ps值和Cu值均接近于0 kPa，基本沒有強度，加固效果很差。這與圖4中孔隙水壓力消散曲線規律不是很一致，其主要原因可能有兩方面：①吹填淤泥在加固過程中，土體結構性逐漸加強，孔壓計對土體孔隙中流體的運動效應比較敏感，能較好地測得孔壓消散情況；②盡管土體有一定的結構性，但相對而言，十字板和靜力觸探測試過程中對這類土體的擾動作用較大，這種結構性極易被破壞，因此，測試值往往較低，不能完全真實反映實際情況。

3.4 加筋效果對比分析

土工合成材料的加筋效果主要取決于其自身力學性能和加固后筋土界面的界面摩阻力大小兩方面。

根據第3.3節可知，試驗A區的土體加固效果明顯優于試驗B區，因此，相同的外荷載作用下，前者筋土界面的摩阻力大于后者。另外，試驗A區的雙向土工格柵（TGSG2020）縱橫向極限抗拉強度≥20 kN/m，而試驗B區的土工無紡布（300 g/m2）的斷裂強力≥9.5 kN/m，因此，相同的外荷載作用下，前者自身力學性能大于后者。

另一方面，加固后推土機等施工機械是否能順利進行鋪設砂墊層施工以及液壓插板機械是否能順利進行塑料排水板插設施工也綜合反映了兩個試驗區土工合成材料的加筋效果。

實際施工中，試驗B區鋪設砂墊層時出現嚴重冒泥現象，而試驗A區鋪設砂墊層時較順利，究其原因是試驗B區砂墊層施工時，土與土工合成材料的界面摩阻力已達到極限值而發生逐步剪壞現象，界面上保持的殘余抗摩剪強度已不能發揮錨固作用，也即不能滿足它繼續有效地發揮加筋作用，已經達到了可能的加筋作用的極限狀態。

綜上所述，在相同的外荷載下，試驗A區土工合成材料組合的加筋效果明顯優于試驗B區。