真空預(yù)壓對新吹填淤泥地基水平位移影響范圍研究

李海玲，李 武

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

真空預(yù)壓對新吹填淤泥地基水平位移影響范圍研究

李海玲，李 武

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

針對真空預(yù)壓對新吹填淤泥地基水平位移影響范圍，以及如何防護才能減少這種影響等的技術(shù)問題。本文依托連云港港徐圩港區(qū)預(yù)制廠擴建工程，利用數(shù)值分析和現(xiàn)場測試等手段進行研究，得出真空預(yù)壓對新吹填淤泥地基水平位移影響范圍以及防護水平位移的工程措施，為工程設(shè)計提供參考。

真空預(yù)壓；水平位移；吹填淤泥

引 言

徐圩港區(qū)作為連云港規(guī)劃發(fā)展的新建港區(qū)，主要是以30萬t級航道工程為依托，通過疏浚淤泥回填成陸，形成新建港區(qū)。經(jīng)過疏浚和吹填施工，吹填土原狀特性已經(jīng)有很大改變，其含水量增高，壓縮性增大，滲透穩(wěn)定性差，在自重情況下沒有達到充分固結(jié)，屬于欠固結(jié)土；此外，吹泥口附近和較遠處的土顆粒粗細也不均勻。根據(jù)鉆孔資料：吹填區(qū)內(nèi)①層主要為灰黃色～黃色淤泥（沖填土），呈流塑狀，細分主要為表層①2層及下部的①6層兩亞層。表面①2層流泥含水量為75.6 %～116.6 %，平均含水量為101.5 %。隨著深度增加，吹填土（①6層）的含水量有所降低，平均含水量仍達73.5 %。①層吹填土具有含水量高，壓縮性高等特點，在附加荷載作用下有很大的沉降、易產(chǎn)生觸變及側(cè)向剪切破壞等現(xiàn)象。②層原生淤泥：灰色，流塑，海相沉積成因，為極細粒土，滲透性差，固結(jié)時間長，其含水量高，孔隙比大，力學(xué)強度低，具流變、蠕變、高靈敏度、高壓縮性等工程地質(zhì)特性，屬不良巖土層。在上覆荷載作用下易產(chǎn)生沉降、不均勻沉降及側(cè)面滑移。該層壓縮性高，工程地質(zhì)性質(zhì)差。①2層流泥、①6層淤泥、②1層淤泥及②2層淤泥在徐圩港區(qū)普遍分布，因此開發(fā)建設(shè)港區(qū)需對地基進行處理。大面積的地基處理，根據(jù)類似工程的工程經(jīng)驗，采用排水固結(jié)法為有效且經(jīng)濟的處理方法。排水固結(jié)法是在軟土中打設(shè)塑料排水板或砂井，形成豎向排水通道，并通過施加外部荷載產(chǎn)生附加應(yīng)力，使天然土體在外部荷載作用下發(fā)生固結(jié)（主要表現(xiàn)為超孔隙水壓力消散，顆粒重新排列），從而達到有效的加固效果。排水固結(jié)法按加載方式主要分為堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法及真空預(yù)壓聯(lián)合堆載法等幾種方法。由于軟土初始強度低，需要分多級進行加載，且初始加載速率較慢，一般需要較長的工期，同時，該方法需要較大量的土石方，因此堆載預(yù)壓法在此實施有一定難度。真空預(yù)壓法通過真空泵抽取真空膜下的空氣，使膜內(nèi)外形成大氣壓差，從而對軟土層產(chǎn)生一定量的附加應(yīng)力。并且由于其產(chǎn)生的是負壓，有效應(yīng)力增加的同時，土體總應(yīng)力并沒有增加，因此其不會造成土體的剪切破壞，無需分級加載，從而可大大縮短工期，適合徐圩港區(qū)地基處理。

徐圩港區(qū)是分期建設(shè)，先吹填的陸域一部分完成地基處理，建設(shè)建筑物，未處理的陸域隨著港區(qū)開發(fā)建設(shè)的深入，逐步也需要采用真空預(yù)壓地基處理，這將影響已建建筑物的地基，距離建筑物多少距離加固才能避免這種影響，以及如何防護才能減少這種影響，是徐圩港區(qū)開發(fā)建設(shè)面臨急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。因此，本文依托連云港港徐圩港區(qū)預(yù)制廠擴建工程[1～2]，研究真空預(yù)壓的水平影響范圍以及防護措施，為此類工程的設(shè)計和優(yōu)化提供理論參考。

1 工程概況

原連云港港30萬t級航道建設(shè)指揮部臨時預(yù)制廠工程，工程建設(shè)規(guī)模碼頭占用岸線180 m，建設(shè)1座重件出運碼頭和1座交通船碼頭。陸域總面積約為12.28萬m2（其中約2.28萬m2是原來吹填堤的面積），預(yù)制廠設(shè)計年生產(chǎn)混凝土預(yù)制構(gòu)件混凝土30萬m3。擴建后出運碼頭岸線增加約93.00 m，總岸線長度約273.00 m，陸域面積增加約2.5萬m2，總陸域面積約為14.77萬m2。需要加固處理的平面見圖1。

圖1 加固處理的平面

徐圩預(yù)制廠宿舍區(qū)位于加固后的軟土上，其一側(cè)為未加固軟土。由于場地用地要求，現(xiàn)需要對未加固軟土進行真空預(yù)壓處理。真空預(yù)壓前在宿舍區(qū)外7.5 m位置處施打了一排熱軋U型鋼板樁（樁長17 m，型號400×170，小鎖口打入），抽真空期間于2015年3月16日～6月30日對鋼板樁的水平位移及豎向沉降進行監(jiān)測，抽真空到結(jié)束施工共三個半月。

根據(jù)地勘資料，場地地層分布如下：表層吹填土厚約9 m，往下為天然淤泥厚度約11 m，天然淤泥下為粘土及粉質(zhì)粘土等土層。土體的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 真空預(yù)壓水平向影響范圍

采用ABAQUS軟件對真空預(yù)壓水平影響范圍進行分析，研究不同軟土厚度條件下真空預(yù)壓工法對周邊土體的影響[3～6]。根據(jù)近年來真空預(yù)壓工法的實施經(jīng)驗并結(jié)合真空預(yù)壓的實施效果，本次分析選定軟土層厚度10 m、15 m、20 m三種情況進行二維分析。

2.1 幾何模型

真空預(yù)壓分塊施工，每塊的面積大致2萬m2，塑料排水板均勻分布在待加固區(qū)內(nèi)。為了減少計算規(guī)模，取近邊界的30 m作為計算加固區(qū)，幾何模型非加固區(qū)（影響區(qū)）的寬度取3倍軟土層厚度與50 m兩者間較大值。

圖2 有限元計算模型

本模型地質(zhì)參考徐圩預(yù)制廠地勘資料，為了便于建模，計算模型中將實際地層情況進行了合理簡化，如將計算區(qū)域內(nèi)的土層厚度進行了適當(dāng)平均、將較薄且參數(shù)相近土層合并到一起，賦予同一土體特性。土層分布如下：①1淤泥，厚度為10～20 m；②粉質(zhì)粘土，厚度為10 m；以下為②1粉土、③粉砂等，由于真空吸力作用范圍為軟土區(qū)，②1粉質(zhì)粘土以下硬土對軟土側(cè)向收縮的影響可忽略，幾何模型中不列入。有限元模型見圖2。

2.2 土體本構(gòu)關(guān)系及計算參數(shù)

對土體采用實體單元來模擬。①層淤泥采用修正劍橋模型，該模型是建立較早、較完善、目前應(yīng)用最廣的彈塑性模型之一，模型的優(yōu)點是參數(shù)少且均可以通過常規(guī)室內(nèi)試驗獲得；臨界狀態(tài)線、狀態(tài)邊界面、彈性墻等重要概念都有明確的幾何意義和物理意義；屈服面連續(xù)光滑，且方程形式簡單，便于進行數(shù)值計算；符合熱力學(xué)基本原理，對應(yīng)的耗散勢函數(shù)形式簡單且意義明確。②層粉質(zhì)粘土采用Mohr-Coulomb模型。分析過程中采用有效應(yīng)力法，土體物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 土體指標(biāo)參數(shù)

塑料排水板施工過程中將不可避免地擾動排水板周圍的土體，使其滲透性降低，參考《港口工程地基規(guī)范》說明，通過對地勘報告提供的淤泥滲透系數(shù)就行修訂以考慮涂抹效應(yīng)對滲透系數(shù)的影響，本次分析淤泥土滲透系數(shù)定為5E-5 m/d。

由于排水板受軟土側(cè)向擠壓導(dǎo)致的作用斷面變小、排水板彎折、微小顆粒堵塞濾膜等原因存在，排水板縱向通水能力受到影響，排水板內(nèi)傳至深部區(qū)域的真空度也低于淺部，造成地基地固結(jié)速率減慢；為了使模擬結(jié)果更接近實際情況，模型分析中設(shè)置真空度沿深度范圍逐漸衰減：頂部真空度為85 kPa，沿豎向每延米衰減2 kPa，淤泥厚度為10 m加固區(qū)內(nèi)排水板底的吸力為65 kPa，15 m厚淤泥加固區(qū)內(nèi)排水板底的吸力為55 kPa，20 m厚淤泥加固區(qū)內(nèi)排水板底的吸力為45 kPa。

2.3 邊界條件

計算模型左右兩條邊界僅允許豎向位移，底部邊界固定（豎直、水平向均固定），頂部邊界自由。固結(jié)計算過程中，加固區(qū)內(nèi)排水板所在節(jié)點依深度施加不同的真空吸力。

2.4 施工工序（模擬工序）

1）泥面處進行初始地應(yīng)力平衡；

2）采用固結(jié)分析，線性施加真空吸力，工序時間15天；

3）施加真空吸力促使土體固結(jié)，時間150天。

2.5 模型計算結(jié)果

淤泥厚度為10 m時，穩(wěn)定抽真空5個月后軟土位移值如圖3。

圖3 10 m厚淤泥真空預(yù)壓位移

淤泥厚度為15 m時，穩(wěn)定抽真空5個月后軟土位移值如圖4。

圖4 15 m厚淤泥真空預(yù)壓位移

淤泥厚度為20 m時，穩(wěn)定抽真空5個月后軟土位移值如圖5。

圖5 20 m厚淤泥真空預(yù)壓位移

由圖3～圖5可見：抽真空過程中，影響區(qū)內(nèi)軟土在真空吸力作用下不斷向加固區(qū)中心運動，水平位移最大值出現(xiàn)在加固區(qū)與影響區(qū)的相交處。將不同厚度軟土影響區(qū)地表的水平位移發(fā)展情況匯總見圖6，加固區(qū)以外0～20 m范圍內(nèi)地表水平位移發(fā)展較大，20～35 m范圍水平位移發(fā)展減緩，30 m以外地表水平位移較小。比較水平位移值與豎向沉降的關(guān)系，水平位移最大值約為豎向沉降最大值的40 %～50 %。

對不同厚度模型影響區(qū)內(nèi)豎向節(jié)點水平位移情況進行統(tǒng)計。圖7～圖9為10 m、15 m、20 m厚度下，淤泥計算模型中距離加固區(qū)邊界不同距離截面（分別為0 m、2 m、5 m、10 m、15 m）豎向節(jié)點在穩(wěn)定抽真空5個月后水平位移發(fā)展情況。

圖6 影響區(qū)地表水平位移變化

圖7 10 m厚軟土豎向節(jié)點水平位移

圖8 15 m厚軟土豎向節(jié)點水平位移

圖9 20 m厚軟土豎向節(jié)點水平位移

由上述地表水平位移及距加固區(qū)不同距離截面豎向節(jié)點水平位移情況分析可知：真空預(yù)壓過程中距離加固區(qū)越近由抽真空作用而產(chǎn)生的水平位移越大；軟土層越厚對應(yīng)的地表水平位移值越大，同時同一截面水平位移值沿深度方向逐漸減少。截面距離加固區(qū)越遠水平位移越小，地表與下部節(jié)點水平位移差逐漸減少，當(dāng)截面距離真空預(yù)壓加固區(qū)20 m以上時，地表產(chǎn)生的水平位移與該截面其他豎向節(jié)點的水平位移差值逐漸不明顯。

由上述分析可知抽真空對加固區(qū)以外20 m以上的區(qū)域的水平位移影響較弱，若該區(qū)域內(nèi)存在結(jié)構(gòu)物，由于豎向范圍內(nèi)水平位移差可忽略，對結(jié)構(gòu)的水平受力影響較小。若真空預(yù)壓加固區(qū)以外20 m范圍的影響區(qū)內(nèi)存在建筑物，抽真空可能會對其產(chǎn)生較大影響。

3 鋼板樁防護措施

3.1 幾何模型及邊界條件

采用平面應(yīng)變法模擬施工過程中鋼板樁水平位移及沉降發(fā)展情況，土體本構(gòu)關(guān)系同2.2節(jié)論述，其物理力學(xué)參數(shù)按2.2節(jié)并綜合表1數(shù)據(jù)確定。滲透系數(shù)考慮涂抹等效益的修正、真空度的豎向衰減情況同樣按照2.2節(jié)的要求進行。有限元的計算模型見圖10。

圖10 有限元計算模型

計算分析過程中土體、鋼板樁等均采用實體單元進行模擬，土體采用單元類型為CPE4P，鋼板樁單元類型為CPE4P。鋼板樁對應(yīng)的實體單元寬度定為0.2 m，根據(jù)鋼板樁的EI等效原則確定鋼板樁實體單元對應(yīng)材料的等效彈性模量值。

邊界條件設(shè)置與2.3節(jié)模型設(shè)置要求一致。

3.2 施工工序（模擬工序）

1）泥面處進行初始地應(yīng)力平衡；

2）鋼板樁施工，（單元材料替換）；

3）采用固結(jié)分析，線性施加真空吸力，工序時間15天；

4）施加真空吸力促使土體固結(jié)，工序時間 90天。

3.3 計算結(jié)果及對比

在施打鋼板樁的情況下對軟土區(qū)實施真空預(yù)壓施工，其水平位移發(fā)展情況見圖11。抽真空結(jié)束后鋼板樁頂部的水平位移約0.244 m。真空預(yù)壓加固區(qū)邊界處產(chǎn)生最大水平位移約0.84 m，與2.5節(jié)中分析結(jié)果較接近。

圖11 抽真空結(jié)束時水平位移（單位：m）

圖12 鋼板樁頂水平位移對比

圖12為鋼板樁水平位移計算值與實際監(jiān)測值對比，實際施工過程中因抽真空約一個月后鋼板樁已產(chǎn)生較大的水平位移，為限制板樁的繼續(xù)變形，在真空膜上覆水，增加板樁側(cè)載，后期邊界條件發(fā)生改變與模擬工況不再一致，僅將前 30天監(jiān)測結(jié)果列入圖表進行對比。根據(jù)對比，計算值與實測值在前一段時間內(nèi)吻合較好，也說明數(shù)值模型及所定參數(shù)與實際情況較符合。與未防護的情況相比，水平位移減小到原來的 1/3，鋼板樁防護明顯減小真空預(yù)壓對已加固去的影響。從機理上分析，鋼板樁隔斷了真空預(yù)壓區(qū)的真空度向已加固的滲透，同時也阻止了已加固區(qū)孔隙水向真空預(yù)壓區(qū)的滲流，進而減小真空預(yù)壓鄰近區(qū)的水平位移。

4 結(jié) 論

本文依托連云港港徐圩港區(qū)預(yù)制廠擴建工程，利用數(shù)值分析和現(xiàn)場測試等手段，對真空預(yù)壓的水平影響范圍以及防護措施進行了研究，得出以下結(jié)論：

1）徐圩港區(qū)新吹填軟土采用真空預(yù)壓法地基處理，水平向影響距離20 m以內(nèi)，越靠近加固邊界，水平位移越大，最大水平位移約為加固區(qū)豎向沉降最大值的40 %～50 %。

2）真空預(yù)壓水平位移的影響范圍與加固深度相關(guān)，加固范圍越深，水平位移影響范圍越大，但是不成線性比例增長，隨著加固深度增加，水平位移影響范圍增幅急速減小。

3）真空預(yù)壓影響范圍內(nèi)的水平位移隨著加固深度增加而減小，表層水平位移最大，加固底部水平位移最小。

4）在真空預(yù)壓影響區(qū)范圍內(nèi)的建筑物，可以采用鋼板樁等不透水性材料防護，能有效減小真空預(yù)壓水平位移的影響。

5）根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，通過抽真空測覆水反壓，減小抽真空側(cè)與防護測高差，也是防護水平位移一種措施。

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)預(yù)制廠工程及出運碼頭工程工程可行性研究[R].2013.

[2]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)預(yù)制廠工程及出運碼頭工程初步設(shè)計[R].2013.

[3]陳平山,房營光,莫海鴻,等.真空預(yù)壓法加固軟基三維有限元計算[J].土木工程學(xué)報,2009,31(4):564-569.

[4]岳紅宇,陳加付,謝明鋒.真空預(yù)壓加固軟基的沉降過程模擬與數(shù)值分析[J].公路交通科技,2002,19(6):5-9.

[5]朱群峰,高長勝.超軟淤泥地基處理中真空度傳遞特性研究[J].巖土工程學(xué)報,2010,32(9):1429-1434.

[6]王坤,林佑高,謝萬東.軟弱土在預(yù)壓荷載作用下的強度增長分析[J].水運工程,2014,2:189-194.

Research on Influence Range of Vacuum Preloading for Horizontal Displacement of Dredger-filled Silt Foundation

Li Hailing,Li Wu
(CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China)

Based on the expansion project of prefabrication factory at Lianyungang Port Xuwei harbor,some means such as numerical analysis and field test have been used to study the influence range of vacuum preloading for the horizontal displacement of dredger-filled silt foundation and find out the countermeasures to the horizontal displacement.The research results will provide a reference for similar engineering design.

vacuum preloading,horizontal displacement,dredger-fill of silt

TU472.3+3

：A

：1004-9592（2016）06-0085-07

10.16403/j.cnki.ggjs20160622

2016-05-28

李海玲（1973-），女，高級工程師，主要從事港口工程設(shè)計。