真空預壓技術在太湖淤泥固化工程中的應用

朱前維， 錢冠群， 尤征懿， 陳 娟

(1.江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，江蘇 無錫214031;2. 無錫市惠山區錢橋街道水利農機服務站，江蘇 無錫214153)

1952 年瑞典皇家地質學院杰爾曼教授提出了真空預壓技術這一概念，并闡述了利用該技術加固地基的模型以及抽真空使土體中孔隙水壓力降低、有效應力增加的觀點［1］。我國于1985 年通過了真空預壓法的國家技術鑒定，經過多年努力，真空預壓技術在已廣泛應用于路基處理、吹填造地、港口建設等工程中，并取得了較好的經濟效益和社會效益［2-3］。

目前，在太湖清淤底泥處理方面，采用傳統的排泥場堆放自然干化的方式已經不能適應當前社會可持續發展的趨勢以及太湖底泥資源化利用的要求。使用真空預壓技術對太湖底泥進行固化成為近幾年太湖生態清淤底泥固化工程的新課題。根據《太湖流域水環境綜合治理總體方案》和江蘇省出臺的《關于加快實施太湖生態清淤工程意見》的規劃，太湖底泥疏浚總量達3 541 萬m3，而主要清淤區域梅梁湖、貢湖和竺山湖，均位于無錫境內，清淤量占整個計劃的84.6%［4］。自2007 年開始，隨著太湖治理步伐的加快，太湖底泥疏浚的總量逐漸增加，淤泥堆放與用地緊張的矛盾越來越突出，一度成為制約太湖清淤計劃的瓶頸。文中將真空預壓技術應用于月亮灣生態清淤底泥固化工程項目中，是將這一成熟技術應用于太湖底泥固化這一全新領域的有益嘗試。

1 真空預壓技術原理及系統組成

1.1 真空預壓技術原理

真空預壓時，真空壓力首先作用在土體中的水、氣流體上，而非直接作用在土體骨架或顆粒上。在真空預壓初始階段，土體排水量很大，但沉降量比較小。這是由于土體中的自由水和氣首先被抽出，然而由于土體顆粒之間的粘聚力、排斥力、接觸點支撐力的存在，土體中的有效應力并未顯著增加。隨著水、氣的抽出及時間的持續，土體顆粒間的無水孔隙逐漸增大，土體骨架開始承受真空壓力，導致土體顆粒發生錯位重新排列。這是一個由外因而導致土體內部“自發”調整的過程，結果使得土體密實而得以加固［6-7］。使用真空預壓技術對太湖淤泥進行物理固化的簡單原理結構如圖1 所示。

圖1 真空預壓技術固化淤泥原理結構Fig.1 Principle structure of the vacuum preloading technology

1.2 真空預壓技術的系統組成

1.2.1 真空機械系統 真空機械系統包括往復式真空泵及其附屬設備。每臺真空泵與水氣分離系統通過膠管相連接。真空機械系統是在密封系統、排水系統、監測系統配合下抽取真空的，當抽取的真空度達到最大值時，應能保持一定時間，其持續時間的長短和真空度大小要滿足設計要求［5］。

1.2.2 排水系統 排水系統包括鉛直塑料排水板、水平排水管，鉛直塑料排水板正方形布設，水平排水管主要由水平干管和支管構成。每一條支管與一排塑料排水板進行復式搭接，干管、支管尾端需密封。要求鉛排水板、水平排水管的排水阻力小，能順暢地將孔隙水排出軟基。排水管出膜處應安裝出膜裝置，以保持密封效果，排水管及其連接件在預壓過程中須能適應地基變形。

1.2.3 密封系統 密封膜宜采用2 ～3 層聚乙烯或聚氯乙烯薄膜［5］。加固區四周應開挖壓膜溝，壓膜溝深度至少應挖至不透水、不透氣層頂面以下0.5 m。要求編織布、薄膜、土溝、土堤、灌水各個環節密封性能好，各種管、線通過密封膜處不漏氣，膜下真空度滿足設計要求。

1.2.4 監測系統 監測系統主要包含以下3 個方面控制:①真空度。膜內真空度包括膜下真空度和土中真空度兩部分，檢測時，還應看其分布是否均勻及深度變化情況。②孔隙水壓力。測定孔隙水隨深度變化的規律。③沉降板。測定經真空預壓的軟基的垂直沉降變化狀況，以孔隙水壓力及沉降板的沉降變化驗證固結度是否滿足設計要求。

2 工程應用實例

2.1 工程概況

月亮灣生態清淤淤泥固化工程為月亮灣生態清淤工程的后續工程，主要對月亮灣生態清淤工程所堆放在堆場內的淤泥以及原堆場內魚塘底部的淤泥進行物理固化。該固化區域內淤泥質土［8］:青灰～灰色，流塑，含有機質，夾貝殼碎屑。厚度:1.60 ～7.10 m，平均2.75 m;層底標高(85 國家高程):－7.10 ～－1.60 m，平均－2.75 m;層底埋深:1.60 ～7.10 m，平均2.75 m。

工程地點位于馬山常樂路西端。分為A，B 兩個區域，常樂路南側為A 區，面積約14.5 萬m2，北側為B 區，面積約6.7 萬m2。根據招標文件要求工程質量:固化土最低承載力5 個月后必須達到或超過50 kPa，并滿足外運需要和復耕要求。

2.2 施工過程

2.2.1 總體思路及施工工序 根據堆場區域分布，將固化堆場分為8 個區域。每個分部面積約25 000 m2。綜合考慮密封膜整體大小、電力、工期等因素，可分塊實施也可幾塊同時推進。在開始抽真空后，當膜下壓力達到80 kPa 后開始計時，抽真空時間達到3 個月以上，方可卸載。

按真空預壓加固法的施工要求，施工過程分為8 個工序，具體流程如圖2 所示。

圖2 施工工序Fig.2 Construction process

2.2.2 主要施工過程 ①放線定位。根據設計圖紙，用測量觀測儀器確定加固區邊界、塑料排水板的打設位置、真空集水井位置、真空管網的位置，并設立標記。②管網布設。真空管網系統包括鉛直排水系統(塑料排水板的布設)、水平排水系統、水氣分離系統及機泵系統。鉛直排水系統塑料排水板正方形布設，板間距0.8 m，插板深度2.0 ～6.0 m 至淤泥底部。水平排水系統主要由水平干管和支管構成，每個加固分區設1 條排水干管;根據干管長度每個加固分區設多組水平支管，支管對稱垂直分布于干管兩側，支管與干管相嵌接。每一條支管與一排塑料排水板進行復式搭接，干管、支管尾端需密封。③監測儀器設備安裝。根據《真空預壓加固軟土地基技術規程》并結合本工程相關技術要求，在每個加固分區進行水位、真空度和沉降量的觀測。在每個加固分區內設置9 個沉降標，2 個水位觀測點，6 個真空度測頭。④真空機械安裝。抽真空設備采用射流泵，其單機功率≥7.5 kW，且能形成≥96 kPa 的真空壓力;約900 ～1 100 m2布置一臺真空泵。⑤真空負壓操作。機械設備完成進場后，各單元的機泵系統進入真空操作階段。真空操作要求有水必排。隨著壓力的逐漸上升，排水量越來越小，軟基的固結程度也逐漸加大。

2.3 施工監測

抽真空期間的數據監測是整個真空預壓過程中的重要工作，根據設計要求施工期監測的內容包括水位監測、沉降監測、真空度監測等，具體見表1。

3 工程實施效果

月亮灣生態清淤淤泥固化工程的淤泥固化處理總面積約21.7 萬m2，固化處理共分8 個區。為全面、合理、準確評價固化土體承載力指標，按照固化區域項目劃分，共8 個分部工程，編號為Ⅰ～Ⅷ;每個分部分成6 個單元，編號為Ⅰ-01 ～Ⅷ-06，共計48個單元。圖3 為具體的檢測項目及分布情況。

3.1 檢測方案

本著經濟合理、高效、準確的原則，以淺層載荷板試驗、十字板剪切試驗與靜力觸探試驗相結合，并布置少量取土機鉆孔取土化驗的檢測方案。

根據工程項目劃分情況，為確保每個單元、每個分部區域內均有工程質量數據指標反映，故工程檢測計劃按照平均約25 m 間距，間隔布置十字板剪切試驗孔與靜力觸探試驗孔，少量機鉆取土孔均勻分布于整個固化區域，以剖面形式將固化后的淤泥進行分層，并分層確定其承載力及土層物理力學性質指標。

圖3 檢測項目及分布(局部)Fig.3 Detection items and distribution(local)

3.2 檢測設備和方法

1)淺層載荷試驗:采用堆載法，共進場兩套設備，試驗裝置由反力裝置系統、加荷穩壓裝置系統和測讀裝置系統3 部分組成。承壓板為圓形0.5 m2鋼板。具體試驗方法如下:①加載分級。預估極限荷載140 kPa，加載等級分為9 ～10 級。②沉降觀測。每級加載后按間隔10，10，10，15，15 min，以后每半個小時測讀一次沉降量，當在連續兩小時內，每小時的沉降量小于0.1 mm 時，則認為已趨于穩定，即可增加下一級荷載。

2)十字板剪切試驗:采用十字板剪切試驗(Vane Shear Test，VST)，施工進場一套電測十字板剪切設備，設備由十字板頭、數據采集儀器、探桿、地錨和和貫入主機組成。十字板剪切試驗的原理，即在鉆孔某深度的軟黏土中插入規定形狀和尺寸的十字板頭，施加扭轉力矩，將土體剪切破壞，測定土體抵抗扭損的最大力矩，通過換算得到土體不排水抗剪強度。

3)單橋靜力觸探試驗:采用靜力觸探試驗(Static Cone Penetration Test，CPT)，施工進場兩套單橋靜力觸探設備，設備由單橋觸探頭、數據采集儀器、探桿、地錨和貫入主機組成。當靜力觸探的探頭在靜壓力作用下，均速向土層中貫入時，探頭附近一定范圍內的土體受到壓縮和剪切破壞，同時對探頭產生貫入阻力。利用靜力觸探與土的野外載荷試驗對比，運用數理統計的方法，可以建立各種相關方程(經驗關系)。這樣，只要知道土層的貫入阻力即可確定該層土的地基承載力等指標參數。

4)鉆探取樣:采用兩臺鉆探取樣設備，設備包括GXY-1 型鉆機，鉆桿，泥漿泵，重錘，薄壁取土器。樣品進行室內測試的項目有含水率(w)，重度(r)，比重(Gs)，液限(wl)，塑限(wp)，抗剪強度(τ)，無側限抗壓強度(qu)，壓縮模量(ES)。所有測試項目均嚴格按《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)執行。

3.3 檢測結果

竣工檢測采用了淺層載荷板試驗、十字板剪切、單橋靜力觸探等原位測試手段對固化土的承載力進行測試，共完成測試點444 個。其中，淺層載荷板測試點10 個，十字板剪切測試點50 個，單橋靜力觸探測試點360 個，鉆探取土測試點24 個。根據多種測試手段的檢測點綜合對比分析，淺層載荷板測試點10 個，滿足承載力大于50 kPa 為8 個;鉆探取土測試點24 個，24 個測試點的承載力均≥50 kPa;單橋靜力觸探測試點360 個，承載力≥50 kPa 為355個;十字板剪切測試點50 個，50 個測試點的承載力均＞50 kPa。對承載力＜50 kPa 的5 個測試點進行分析，測試點主要分布在Ⅰ-05，Ⅱ-05，Ⅱ-06，Ⅷ-01，Ⅷ-05 單元邊界位置，因為真空預壓法對邊界位置的處理難以達到預期效果，導致承載力偏低，在不合格測試點的旁側進行補測試，補測的測試點均合格。故本工程Ⅰ～Ⅷ區48 個單元的所有測試點承載力均＞50 kPa。

根據多種測試手段檢測成果綜合對比分析，經真空預壓處理后，土的含水率降低30% 以上，力學強度指標提高5 倍以上，承載力提高1 倍，壓縮模量提高1.5 倍，靈敏度降低一個等級。經真空預壓固結處理后，固化土由流泥與淤泥變成淤泥質土，其各項物理力學指標均有較大提高。工程質量符合設計要求，達到了預期效果。

4 結 語

月亮灣生態清淤底泥固化工程是無錫地區首次大規模的應用真空預壓技術對太湖生態清淤后堆場內的淤泥進行固化處理，它的成功運用，為真空預壓技術應用于淤泥固化這一新領域起到了很好的示范作用，具有如下優點:

1)提高堆場重復利用率。真空預壓對淤泥的含水率的要求不高，可以及時固化，節約時間成本。同時固結后的底泥力學性能大幅提高，體積大幅縮小，可以及時外運利用，提高堆場重復利用率，緩解無錫太湖生態清淤中堆場短缺的問題。

2)節約工程資金。常用的化學固化成本在35 ～50 元/m3，而真空預壓技術成本在20 ～30 元/m3，工程造價大大降低，可節約資金約40% 以上。

3)降低環境污染。真空預壓技術固化淤泥不需要在淤泥中添加其他材料，可有效控制淤泥的占地面積，且不會產生二次污染，固化后的淤泥營養成分沒有發生變化可直接復耕、種植。

4)增強淤泥的資源化利用。經過真空預壓技術固化的太湖淤泥，若能與有關建設項目的用土需求在時空上做好銜接，如建筑填方土料、農林園藝綠化土壤等，使無用淤泥轉化為其他建設項目的可用資源，不但可以解決疏浚底泥的排泥場地問題，而且可以減少部分取土對土地的破壞，符合保護墾地與資源循環的可持續發展戰略要求，是一項一舉多得的措施。

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