吹填淤泥地基快速處理試驗研究

王立鵬

摘 要：依托溫州丁山墾區吹填淤泥地基處理項目，選擇真空預壓法對吹填淤泥進行處理并進行現場試驗研究，根據監測資料和現場試驗測試分析真空預壓法對吹填淤泥的加固效果，驗證真空預壓法處理吹填淤泥土地基的有效性和可靠性。

關鍵詞：吹填淤泥；真空預壓；現場試驗；監測

中圖分類號：TU441 文獻標識碼：A

Test Study on High-speed Ground Treatment Approach of Hydraulic Filling Mud

Wang Li-peng

（ College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210031， China ）

Abstract：Based on the hydraulic fill mud foundation treatment project in DingShan district of WenZhou City， chooses the method of vacuum preloading to consolidate the hydraulic fill foundation and makes a field test. With the monitoring data and experiment in field， it makes an analysis and evaluation of the consolidation effect of processing the ground foundation of recently hydraulic fill mud by adopting vacuum preloading method， validates its validity and dependability. Base on one-dimensional large deformation consolidation with void ratio as control variable， using finite differential method time changing， finite element method and weighted residual method in position changes to simulate the large deformation equation .

Key words： hydraulic fill mud； vacuum preloading； field test； monitoring

引 言

圍海造地和灘涂開發用于城市建設和工業生產，為解決土地稀缺問題和利用沿海豐富的海涂資源提供了有效的途徑。現在自常用的方法是以海相淤泥為原料進行吹填，由于吹填淤泥性質極差，對后續地基處理帶來了相當大的技術困難。以往的做法是先將淤泥吹填到圍墾區內放置晾曬若干年，待其自然沉降達到一定固結度，表面形成具有一定強度的硬殼層后，再進行人工加固處理。這種為使表層達到一定承載力而進行的長時間晾曬，必然會影響后續工程的施工進度，在時間上和財力上的消耗都很大。因此，尋找一種表層快速處理的方法十分必要。

根據吹填土的性質，對比分析各種軟土地基的處理方法，選擇真空預壓法處理吹填淤泥地基，依托溫州丁山墾區吹填淤泥地基處理項目，監測真空預壓過程中吹填淤泥土性質的變化。研究真空預壓法對新吹填淤泥地基的加固效果，改進施工工藝，為吹填淤泥地基的大面積加固施工提供依據。

1.項目概況

溫州民營經濟科技產業基地是溫州市沿海產業帶的重要組成部分，也是溫州市實現產業升級和轉型發展的關鍵載體。科技產業基地位于龍灣區境內，利用灘涂圍墾工程開發建設。

溫州民營經濟科技產業基地濱海園區丁山墾區2#標圍墾區面積總共大約468.5萬m2。工程場地位于丁山圍墾區，場區所屬于地面單元為浙東南濱海區河口相沖海積平原。整個1#區場地由淤泥吹填而成，吹填淤泥平均厚度約3m，處理要求是先進行淺層處理，即處理吹填土場地區域，使表層具有一定的承載力，為后期近一步的處理創造條件。

2.現場試驗方案

根據現場試驗吹填淤泥的特點，結合工程地基處理要求，采用真空預壓方法對吹填淤泥地基進行處理[1～3]。吸收國內外相關水平真空預壓法、低位真空預壓法、浮筏插板技術、透水軟管替代砂墊層等方法和技術的優點，試驗區采用人工插板真空預壓方案，設計不同的方案，通過試驗結果和對比分析，不斷優化調整，指導后續大面積吹填淤泥土處理的設計和施工。

2.1現場試驗方案

在試驗區的外側重新劃分了四塊10×10m的試驗場地，僅對吹填淤泥層進行處理，豎向排水體的插設深度為3m，即吹填土厚度。

在四塊試驗區域內分別采用不同的加固方案進行地基處理。具體試驗方案如下：

方案Ⅰ：打設70cm間距的塑料排水板，正方形布置，并在表面鋪設厚約20cm的砂墊層，排水板端部用透水軟管連接，透水軟管置于砂墊層中；

方案Ⅱ：打設70cm間距的塑料排水板，正方形布置，表層水平排水通道為透水軟管；

方案Ⅲ：打設100cm間距的塑料排水板，正方形布置，并在表面鋪設厚約20cm的砂墊層，排水板端部用透水軟管連接，透水軟管置于砂墊層中。同時在四根排水板的中心位置打設一根長度較短的塑料排水板；

方案Ⅳ：打設100cm間距的塑料排水板，正方形布置，表層水平排水通道為透水軟管，同時在四根排水板的中心位置打設一根較短的塑料排水板。

2.2現場監測及分析

根據不同的試驗方案，進行現場監測[4～7]和質量檢測，了解和掌握真空預壓過程中吹填淤泥性質的變化，檢驗各分區地基處理方案的加固效果并進行對比研究，以指導現場施工，為大面積推廣應用提供技術方案。

真空預壓處理吹填淤泥，主要是孔隙水排出、超靜孔隙水壓力消散、淤泥表層沉降來達到淤泥排水固結的目的。根據現場施工條件，遵照兼顧全面，突出重點，“少而精”的原則，布置監測點。真空預壓處理前、加載過程中以及施工結束后，進行十字板剪切試驗，監測吹填淤泥強度變化及增長規律。

真空預壓開始抽真空加載后，基本經過10天時間真空壓力達到80 kPa并基本保持穩定，監測資料如下：

1）表層沉降觀測

整理各區表面沉降觀測資料[8]，繪制沉降量隨時間變化曲線如圖1～圖4。

根據表面沉降曲線圖分析可以知：

吹填淤泥表面的沉降發展趨勢與真空壓力有關，真空壓力越大，吹填淤泥土的排水固結作用越明顯，固結沉降量越大[9]。因此施工過程中維持較高的真空壓力并確保壓力的穩定，對處理效果有十分重要的影響。

在抽真空開始30天左右時間，土體表層沉降速率較大，隨時間增加，沉降速率逐漸減緩，基本在70天左右開始逐步趨于收斂狀態。不同方案抽真空時間長短不一，沉降發展的趨勢也有差異。

不同試驗方案土體表面最終沉降量不同，方案Ⅰ170天總沉降量接近1000mm；方案Ⅲ170天總沉降量接近900mm，有無砂墊層對最終沉降結果影響不太明顯，但是有砂墊層的試驗方案與無砂墊層方案相比，沉降速率較大。

新近吹填淤泥含水量超高，呈泥水混合狀，抽真空的初、中期主要是排水階段，沉降速率較大，這一特點與真空預壓處理常規軟土地基有所不同。因此，地基處理過程中排水板間距、布泵密度以及開泵率對沉降影響較大，高開泵率可以保持穩定的高真空壓力，增加淤泥深層土體的負壓，加快深層土體的排水固結，從而增大地基沉降，提高加固效果。

2）超靜孔壓消散

真空預壓過程中超靜孔隙水壓力變化曲線如下：

根據超靜孔隙水壓力消散曲線分析可知：

抽真空過程中，土體的孔隙水壓力逐漸降低，形成負的超靜孔壓，隨著抽真空的進行，負的超靜孔壓逐漸增大，根據有效應力原理，負的超靜孔壓消散，土體有效應力增加，從而提高地基土體的強度，這就是真空預壓的原理[10][11]。因此，真空預壓過程中，對超靜孔隙水壓力[12]的監測對于了解真空預壓效果具有十分重要的意義。

方案Ⅰ、方案Ⅲ鋪設了20cm厚水平砂墊層，方案Ⅱ、方案Ⅳ沒有鋪設水平砂墊層。抽真空50天后吹填淤泥土層內的超靜孔壓值明顯降低，有砂墊層方案孔隙水壓力消散較快，方案Ⅲ、方案Ⅳ有短板，有利于上部孔隙水壓力消散。真空預壓過程中，排水路徑的設計對于處理效果十分重要。鋪設水平砂墊層對于促進真空壓力的傳遞和提高淤泥土體的排水固結效果是有利的。

3）十字板剪切試驗

施工過程中，在試驗區各區分階段地選點做十字板剪切試驗，及時掌握真空預壓過程中吹填淤泥地基的強度增長狀況[13]，十字板剪切曲線圖如下：

根據上述圖表進行初步分析如下：

處理前各方案吹填淤泥地基基本沒有承載力，個別區域表層由于長時間晾曬，水分蒸發等表層形成“硬殼層”，具有一定的抗剪強度，但最大抗剪強度也沒有達到10kPa，“硬殼層”以下到深度約2m范圍抗剪強度很小，地基承載力基本為零。由于吹填淤泥平均厚度為3m，十字板實驗深度為4m，由于原始地面深度不均，個別區域可能是原海相淤泥，因此2～4m深度范圍內十字板試驗變化較大。處理過程中，土體抗剪強度逐漸增加：真空預壓處理30天左右表層土體抗剪強度大部分在15kPa～20kPa之間，鋪設砂墊層方案表層0.2m深度內的的土體強度明顯好于無砂墊層方案，有短板方案，排水板中間（短板附近土體強度）土體排水固結程度明顯好于無短板方案。

3.試驗結果分析

現場試驗采取四種施工方案對吹填淤泥進行淺層快速處理，并在施工過程中進行相關項目監測，根據監測數據結果總結如下：

1）表層沉降觀測

吹填淤泥表層沉降的發展趨勢與真空壓力有著密切的關系，真空壓力越大，淤泥土的排水作用越明顯，固結沉降量越大。因此，真空預壓施工過程中，確保良好的密封效果，維持高且穩定的真空壓力，對于地基處理效果具有重要影響。但是，與真空預壓處理普通軟土地基不同，真空預壓處理吹填淤泥過程中，抽真空的初、中期沉降速率變化較大。

表層沉降的監測結果表明：真空預壓處理吹填淤泥過程中，抽真空初期，主要是大量自由水和少量的結合水的排出，土體表層沉降量和沉降速率均較大；隨抽真空進行，沉降量繼續增加，但沉降速率逐漸減小，并逐步趨于收斂狀態。

2）超靜孔壓消散

抽真空過程中，因負壓作用使土體的孔隙水壓力逐漸降低，形成負的超靜孔壓，隨著抽真空時間的增加，負的超靜孔壓逐漸增大。根據有效應力原理，總應力保持不變，超靜孔壓消散后，土體中的有效應力增加，地基土體的強度得到提高。與真空預壓處理普通軟土地基相比，土體中超靜孔壓消散緩慢，土體的固結比較慢，土體強度提高速度比較慢。

超靜孔壓消散的監測結果表明：設置砂墊層，將排水管路與淤泥表面隔離，有利于保持排水管路通暢，使真空壓力在平面、豎向排水體中更好傳遞，有利于吹填淤泥中超靜孔壓的消散；改變排水板間距或采用長短板結合的方案，對于超靜孔壓的消散具有重要影響，排水板間距越小越有利于超靜孔壓消散，短板有助于土體中上層超靜孔壓消散。

3）十字板剪切試驗

加固前吹填淤泥土抗剪強度很小，土體基本沒有承載力，經過真空預壓處理后強度普遍得到提高，但是提高的比例有所差異。結合沉降觀測資料可以看出，鋪設砂墊層后能較好地維持穩定的真空壓力，明顯改善真空壓力的平面分布狀況，增大豎向真空壓力傳遞功能，尤其有利于表層淤泥土的排水固結，所以表層淤泥土的強度提高顯著。采取長短板結合方案，對距離排水板不同距離的淤泥進行了強度測試，結果表明靠近排水板的淤泥土強度普遍高于距離排水板較遠處的淤泥土強度，說明越靠近排水板，排水加固效果越好。

十字板剪切試驗的結果表明：鋪設砂墊層，顯著改善了表層淤泥的排水固結條件，使表層淤泥較快排水固結，形成了一個強度較高、滲透性差的“硬殼層”。“硬殼層”以下的淤泥土強度增長緩慢；改變排水板間距或采用長短板結合等方案，對于排水板附近吹填淤泥土強度增長作用明顯，但是對于距離排水板較遠處吹填土強度增長還有待于進一步研究。

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