長短板方案加固吹填淤泥土體的試驗研究

中建港務建設有限公司 上海 200438

1 概述

隨著我國東部沿海地區的發展，陸地成為了稀缺資源，利用海底淤泥進行吹填造陸，已成為我國沿海城市土地開發利用的有效途徑[1]。海底吹上來的泥土大多為流泥（85%＜w≤150%）和浮泥[2]（w＞150%），含水率高，呈流動狀、壓縮性強、結構性極差、顆粒極細、強度基本為零，吹填過程中必須進行加固處理，才能滿足后續工程建設的需要。

天津濱海新區吹填泥厚度為6 m，地基處理深度約為20 m，通常采用真空預壓法對地基進行加固，由于新近吹填土地基承載力幾乎為零，而地基處理深度過深，無法采用常規的一次處理真空預壓法對地基進行處理，而是采用二次真空預壓處理地基，即淺層真空預壓和深層真空預壓。淺層真空預壓由于淺層人工插設排水板的深度方面的限制，處理深度最多為6 m，其目的為使地基表面形成足夠厚度和強度的硬殼層，進而滿足后續吹設砂墊層及機械打板所需的承載力條件，淺層真空預壓處理效果至關重要，如淺層處理效果不佳，吹設砂墊層時將會出現“翻漿”現象及打板時機械無法進場的問題，淺層處理的好壞直接關系到工程的成敗。目前真空預壓處理一般軟弱地基已經相對成熟，但對于處理吹填泥，還處于初級階段，還有許多問題尚待我們進一步的研究。

唐彤芝[3]等處理吹填土時發現，在淺層真空預壓處理時，上部的土層強度沒有明顯改善，但下部的土層強度卻有很大程度的提高。董志良[4]等發現，在淺層真空預壓后期，出現了以排水板為中心，直徑為40～50 cm的“土柱”現象，而板間土加固效果欠佳，造成土體加固效果的不均勻現象。

本文依托天津濱海新區吹填軟基處理工程，在常規淺層真空預壓地基處理基礎上，提出了一種淺層真空預壓處理吹填土改進方案，并與常規方案進行對比分析，結合各種檢測成果，對比改進方案的加固效果，同時探究了“土柱”形成原因，進而提出了適合吹填土地基的快速加固技術。

2 試驗區方案

試驗區位于天津臨港吹填區T4區內，該區域為新近吹填區域，含水率較高，表層為浮泥，承載力幾乎為零，吹填厚度為6 m，其下為原狀淤泥。本工程采用二次真空預壓地基處理，即淺層真空預壓（處理深度為6 m）和深層真空預壓處理（處理深度為20 m）。本文主要研究淺層真空預壓，針對本工程特性，提出一種淺層真空預壓改進的長短板方案，并與常規方案進行對比。

淺層真空預壓地基處理2個技術方案的共同流程為：施工準備→鋪設編織布→鋪設無紡土工織物→人工打設排水板→布設濾管→連接濾管與排水板→鋪設土工格柵→鋪設無紡土工織物→布設真空泵等抽真空裝置→抽真空→卸載→加固后效果檢測。2種方案不同之處見表1，其中，長短板方案的長板打設深度為6 m，短板打設深度為3 m，長板與短板交叉打設。

試驗區分為1區、2區，面積分別為31 845 m2、32 000 m2，分別采用常規方案和長短板方案。2個區地質情況相近，有較好的對比作用，抽真空時間為60 d，期間監測膜下真空度、地表沉降、孔隙水壓力消散情況，卸載后進行原位十字板剪切試驗、鉆孔取土及室內常規試驗，分析對比2種方案加固效果與固結特性。

表1 2種方案對比

2.1 真空度

膜下真空度的高低直接反映無紡土工織物以及土工格柵等土工織物傳遞真空度的能力，直接關系到加固效果的好壞和均勻性。抽真空初期，要求先分3批開啟真空泵，每批只開啟1/3的泵數量，每批持續時間為2 d，然后全部開啟真空泵。

抽真空前期，雖然分批進行加載，膜下真空度上升很快，隨著抽真空的進行，各區膜下真空度維持在80～90 kPa，2個區的膜下真空度差別不大。膜下真空度隨時間變化曲線（圖1）表明：無紡土工織物以及土工格柵等土工織物傳遞真空壓力效果良好，進而可以代替砂墊層傳遞真空壓力。

圖1 膜下真空度隨時間變化曲線

2.2 地表沉降

圖2、圖3為各區地表沉降測點平均累計沉降量和沉降速率隨時間變化曲線。從圖中可以看出，抽真空前一個月沉降量較大，占總沉降量75%以上，抽真空速率較大，達到3 cm/d，隨著抽真空的進行，沉降速率逐漸放緩，但2區沉降速率明顯快于1區，卸載時，1區總沉降為891 mm，平均速率14.90 mm/d；2區總沉降達到了1 146 mm，平均速率19.10 mm/d， 2區加固效果明顯優于1區。

通過現場踏勘，1區出現了以排水板為中心，直徑40～50 cm的“土柱”現象，土柱較硬，但是土柱與土柱之間的柱間土較軟，部分土柱發展到后期，土柱與土柱之間甚至出現了裂縫，裂縫隨著抽真空的進行，逐漸變寬并向深度上發展；2區雖也出現了“土柱”現象，但柱間土強度明顯優于常規方案，土柱之間未出現裂縫，土體加固效果比較均勻。

圖2 沉降量隨時間變化曲線

圖3 沉降速率隨時間變化曲線

2.3 孔隙水壓力消散

孔隙水壓力觀測是通過實測數據掌握預壓過程中孔隙水壓力的消散情況，用以分析土體固結度及強度增長情況，同時實現對預壓過程的動態監測。孔隙水壓力的消散一部分是由于水位的下降引起的，另一部分是由于膜下真空度傳遞于地下水位面，大氣壓力降低，水位下面的孔隙水壓力也隨之降低。在1區、2區中心位置排水板的形心位置分別埋設3個振弦式孔隙水壓力計，深度分別為1 m、3 m、5 m。

從孔隙水壓力隨時間變化曲線（圖4、圖5）可以看出，抽真空期間，孔隙水壓力呈下降趨勢，抽真空前一個月下降速率較快，此后逐漸緩慢，但長短板方案下降趨勢明顯快于常規方案，特別是抽真空后期，常規方案孔隙水壓力1 m、3 m處孔隙水壓力基本處于穩定狀態， 而長短板方案孔隙水壓力下降趨勢也有所減緩，但明顯快于常規方案，與地表沉降規律吻合。

分析其原因，根據Stock定律，顆粒下沉的速度與顆粒直徑的平方成正比，因此新近吹填的吹填土粗顆粒下沉快，細顆粒下沉相對較慢。顆粒直徑相同的土顆粒依據Stock定律將以等速度v下沉。經過t秒后所有顆粒粒徑為d的顆粒下沉的距離為L=vt，因此所有粒徑大于d的土顆粒已經下降到L平面以下，L平面以上僅有直徑小于d的顆粒，所以新近吹填土顆粒出現分選現象，表現為沿吹填土深度方向土顆粒直徑逐漸變粗，上層大多為細顆粒，并且孔隙較小，極易在抽真空初期迅速黏附于排水板濾膜上，堵塞以排水板為中心的水平排水通道，進而出現以排水板為中心，直徑為40～50 cm的“土柱”現象，嚴重影響了板間土排水固結和強度的增長。因此，抽真空后期，淺層孔隙水壓力消散緩慢，下層粗顆粒較多，孔隙相對較大，排水效果相對于淺層較好，本工程長短板方案對淺層排水板進行了加密，緩解了“土柱”現象的發生，取得了良好的效果。

圖4 1區孔隙水壓力隨時間變化曲線

圖5 2區孔隙水壓力隨時間變化曲線

2.4 十字板剪切試驗

為分析、評價淺層真空預壓施工質量、吹填淤泥土層的強度增長狀況和加固效果，在2個試驗區中心排水板附近10 cm處及排水板形心處分別做現場十字板剪切試驗，試驗深度為6 m，每1 m剪切1次。從十字板強度測試曲線（圖6、圖7）可以看出，2個區經真空預壓地基處理加固后（加固前2個區承載力幾乎為零），強度都有了很大的提高，長短板方案土體強度明顯高于常規方案；板間土強度明顯低于土柱強度，但長短板方案板間土強度比常規方案有了很大的提高，尤其是淺層；長短板方案土柱與板間土強度差別不大，相對于常規方案比較均勻。

圖6 1區加固后十字板強度測試曲線

圖7 2區加固后十字板強度測試曲線

2.5 室內常規試驗

為了了解真空預壓處理后土柱與板間土的加固情況，分別在2個區的中心排水板附近10 cm處及排水板形心處進行了鉆孔取土試驗，室內土樣測試結果表明，2個區經過真空預壓處理后，其物理力學性質都有了十分明顯的改善與提高。加固區域的含水率、孔隙比、液性指數等指標減小，土的濕密度、干密度等指標增大，但以排水板為中心的土柱的物理力學指標的改善明顯優于板間土，但經長短板方案處理后的土體各項物理力學指標與常規方案相比明顯較均勻[5,6]。

3 結語

1）本文依托天津濱海新區吹填軟基處理工程，探究了真空預壓期間“土柱”的形成原因：新近吹填土含水率高、孔隙比大、結構強度低，在自重落淤過程中顆粒出現分選現象，表現為沿吹填土深度方向土顆粒直徑逐漸變粗，上層大多為細顆粒，并且孔隙較小，極易在抽真空初期迅速黏附于排水板濾膜上，堵塞以排水板為中心的水平排水通道，進而出現以排水板為中心，直徑為40～50 cm的“土柱”現象。

2）在常規淺層真空預壓地基處理基礎上改進工藝，提出了淺層真空預壓地基處理改進方案：長短板方案。此方案通過與常規方案在地表沉降、孔隙水壓力消散情況，卸載后原位十字板剪切試驗、鉆孔取土及室內常規試驗等方面進行了對比，發現其加固效果明顯優于常規方案，很好地緩解了“土柱”現象，土體加固較均勻，此方案值得在類似工程中推廣[7,8]。