淤泥軟基爆炸排水固結(jié)法研究

徐瑞寶+章途鑫

摘 要：為解決淤泥軟基加固施工時間長、費(fèi)用高的技術(shù)難題。在淤泥層中，將藥包埋到下部淤泥層內(nèi)爆炸，使淤泥中產(chǎn)生超孔隙水壓力，破壞淤泥的骨架結(jié)構(gòu)，使淤泥內(nèi)產(chǎn)生更多的排水通道，加速水的排出，縮短淤泥軟基的固結(jié)時間，縮短工期，降低工程造價。

關(guān)鍵詞：軟基 爆炸 排水固結(jié) 研究

淤泥是一種多孔介質(zhì)，含有包括骨架孔隙中的自由水和孔隙表面的吸附水。要提高土體的承載力，必須將土體中的水排出來，而排水的兩個必要條件是土體中要產(chǎn)生超孔隙水壓力和排水通道。因此，淤泥軟基的加固處理一直是工程技術(shù)人員關(guān)注的難題。目前，工程中通常采用的方法有：第一，插塑料排水板加堆載預(yù)壓方法，這是淤泥地基加固最早的方法，也是工程中最常用的一種方法。這種方法因堆載材料用量大、費(fèi)用較高和堆載預(yù)壓的時間較長等原因，限制了這一方法的大規(guī)模使用，特別是對大型工程的使用。第二，插塑料排水板加真空預(yù)壓方法，這也是目前工程中常采用的一種方法。這種方法在密封的土體內(nèi)抽真空，相當(dāng)于在土體表面加壓堆載，一般的真空度只能達(dá)到80Kpa，對于承載力要求較高的地基，還需要再堆載；同樣，一次真空預(yù)壓加固的范圍有限，抽真空的時間也較長，加固費(fèi)用較高。同時，這種方法是在密封的土體內(nèi)抽真空，不適應(yīng)于透氣的沙土層相間的軟土地基。第三、插塑料排水板加強(qiáng)夯加固方法，這是一種動力固結(jié)淤泥軟基的方法，這種方法對于含砂量較大的淤泥軟基加固效果較好，對于含水量較高的軟土地基不適用。

溫州地區(qū)軟土地基大多為淤泥土層，流塑，高壓縮性，屬海相靜水流或緩慢水流環(huán)境沉積，具高孔隙率、高含水量、高靈敏度、高觸變性、低抗剪強(qiáng)度及排水固結(jié)緩慢等特性，工程性質(zhì)很差，淤泥層厚度大。采用插塑料排水板加堆載預(yù)壓法，堆載材料用量大、費(fèi)用較高和堆載預(yù)壓的時間較長。因此，提出一種新型的淤泥地基動力加固方法—淤泥軟基爆炸排水固結(jié)法的研究，就是在已插塑料排水板的水平排水墊層表面鉆孔到淤泥層中，將藥包埋到下部淤泥層內(nèi)爆炸，再堆載預(yù)壓。藥包爆炸一方面可以使淤泥中產(chǎn)生超孔隙水壓力，同時破壞淤泥的骨架結(jié)構(gòu)，使淤泥內(nèi)產(chǎn)生更多的排水通道，加速水的排出，縮短淤泥軟基的固結(jié)時間，該技術(shù)已經(jīng)有了比較多的研究基礎(chǔ)，可以宿短工期，降低工程成本。

1.研究的背景情況

（1）1990年，中國科學(xué)院力學(xué)研究所在深圳麻灣電廠廠區(qū)進(jìn)行了10000平米的飽和回填中粗砂基爆炸密實(shí)加強(qiáng)夯加固試驗(yàn)，回填砂基厚13-15米，爆炸解決了深層砂的密實(shí)問題，達(dá)到了中密的要求，強(qiáng)夯解決了表層砂的密實(shí)問題。爆炸加強(qiáng)夯解決了整個砂層的密實(shí)加固，降低了成本。

（2）1991年，連云港指揮部進(jìn)行了10000平米的吹填淤泥軟基的爆炸排水固結(jié)試驗(yàn)，吹填淤泥厚度8米左右，插紙板后在淤泥中爆炸，該試驗(yàn)區(qū)達(dá)到80-100kpa的要求。

（3）1992年，中國科學(xué)院力學(xué)研究所針對黃驊港區(qū)陸域軟基（淤泥和砂）加固，開展了吹填粉細(xì)砂的爆炸密實(shí)試驗(yàn)。爆炸同樣能夠密實(shí)粉細(xì)砂基。

（4）1992年開始，連云港建港指揮部與中國科學(xué)院力學(xué)研究所共同開展淤泥軟基爆炸排水固結(jié)的實(shí)驗(yàn)和機(jī)理研究，在連云港安排了一系列實(shí)驗(yàn)，對淤泥中爆炸后土體的動力參數(shù)進(jìn)行了測定和分析，采用兩相流的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值分析土體中產(chǎn)生超孔隙水壓力的原因，取得了一系列的研究成果。

（5）1996年由金繆教授主持，鄭哲敏院士、劉濟(jì)舟院士、周鏡院士等十多位專家學(xué)者參加的相關(guān)研究成果討論會，會上幾位院士對該領(lǐng)域的工程應(yīng)用研究方法進(jìn)行了討論，希望能夠有類似的工程，結(jié)合工程再繼續(xù)研究。

（6）1998年，中國科學(xué)院力學(xué)研究所在珠海高欄港區(qū)安排了爆炸排水固結(jié)的現(xiàn)場試驗(yàn)，淤泥面上堆載1米多厚砂層，爆炸排水和自然排水，同段時間內(nèi)，爆炸排水土體力學(xué)指標(biāo)提高30%以上。

（7）1997-2000年，中國科學(xué)院力學(xué)研究所項(xiàng)目組完成了國家自然科學(xué)基金“淤泥軟基爆炸排水固結(jié)機(jī)理初步分析”。

上述一系列研究取得了比較好的學(xué)術(shù)成果，但距離工程應(yīng)用還差一步，主要是多年來一直沒有合適的工程應(yīng)用試驗(yàn)研究條件，獨(dú)立安排這樣的試驗(yàn)，研究經(jīng)費(fèi)的限制。目前，溫州有大量港口和圍墾的軟基處理工程，具有該項(xiàng)研究的良好條件，也正是幾位院士當(dāng)時所希望的應(yīng)用研究背景。

2.研究目的及要求

淤泥軟基常規(guī)處理方法是堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓，這種方法需要較長的固結(jié)時間周期，一般三個月以上，而且大型施工設(shè)備較多，施工成本較高。本試驗(yàn)研究的目的是探討一種新的淤泥軟基加固的方法，即“淤泥軟基爆炸排水固結(jié)法”，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，總結(jié)這種施工方法的爆炸參數(shù)、施工工藝、檢測方法、加固時間和施工成本，為類似工程的施工方案優(yōu)化提供參考依據(jù)。

軟基加固的試驗(yàn)要求：淤泥軟基平均固結(jié)度達(dá)到95%以上，地基承載力特征值不低于150kpa，有效加固深度吹填砂達(dá)到中密標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)大于15擊，以滿足港區(qū)道路與堆場地基承載力的要求。

3.研究內(nèi)容

圍繞這種新方法的施工參數(shù)和施工工藝來安排試驗(yàn)內(nèi)容，試驗(yàn)結(jié)束后對新方法的加固效果和經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行綜合評價。試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容：

（1）爆炸參數(shù)的優(yōu)化，分區(qū)布置不同的爆炸參數(shù)，基本確定處理的藥量、布置位置和起爆方式。

（2）分層布置藥包，延時起爆，達(dá)到淤泥軟基快速排水。

（3）通過對爆前和爆后土體指標(biāo)的檢測，測定爆炸排水固結(jié)的時間和固結(jié)效果。

（4）通過對爆炸過程中土體內(nèi)超孔隙水壓力耗散和淤泥層表面及不同深度處的沉降觀測，研究爆炸處理和常規(guī)處理后土體排水速率。

（5）通過對土層不同深度處的沉降測量，總結(jié)不同深度淤泥固結(jié)的規(guī)律。

（6）通過驗(yàn)證性的對比試驗(yàn)，檢驗(yàn)各階段的試驗(yàn)效果。

（7）在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立土體固結(jié)數(shù)學(xué)模型，數(shù)值計算分析爆炸動力固結(jié)過程。

（8）建立新方法的施工順序和施工工藝。

（9）對新方法的施工成本進(jìn)行分析總結(jié)。

4.研究方法

（1）通過選擇一塊約10000平方米的淤泥厚度15m左右、覆蓋砂層厚度5m左右的平整場地的區(qū)域內(nèi)，劃分四個試驗(yàn)小區(qū)，即A、B、C、D區(qū)，并分界立桿做標(biāo)記。

（2）在四個小區(qū)內(nèi)，按照1.1m×1.1m的間距布置插打塑料排水板。塑料排水板要求打入淤泥層底部，不能漏插。為了保證試驗(yàn)效果，在施工時必須要保證插塑料板的深度，很好的解決插板機(jī)上提時塑料板回帶的問題.

（3）沉降測量。包括表面沉降測量和分層沉降測量。表面沉降測量方法用全站儀設(shè)立固定點(diǎn)，然后用水準(zhǔn)儀測量砂層高程。分層沉降測量通過在淤泥中埋設(shè)沉降磁環(huán)，定期測定磁環(huán)的變化，磁環(huán)分別埋設(shè)于淤泥土層的上、中、下部。

（4）孔隙水測量。孔隙水壓力是土體固結(jié)的重要參數(shù)，測量方法和測量精度直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的好壞。動孔隙水壓力的產(chǎn)生主要是土體的振動引起的，所以主要側(cè)重于爆后動孔隙水的測定。孔隙水的測量方法分兩階段，即爆前埋設(shè)一組傳感器，孔隙水壓力傳感器必須要采取避波措施，防止沖擊波打壞傳感器；爆后再埋設(shè)一組傳感器。另一種是水位管測量孔隙水壓力，這種方法精度不高，但耐抗沖擊，可以做為孔隙水壓力測量的輔助手段。

（5）裝藥成孔工藝。由于淤泥層上有5m左右的覆蓋砂層，裝藥比較困難，擬采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，套管跟進(jìn)，清孔后裝藥，保證藥包埋至到要求深度。

（6）藥包結(jié)構(gòu)。淤泥爆炸排水所用藥量不同于爆破擠淤，選用藥量的原則是不能完全破壞土體結(jié)構(gòu)，同時必須使土體能夠產(chǎn)生振動，而且沒個孔必須有一定的影響范圍。擬設(shè)計為條形藥包，由于淤泥較深，每孔藥量以公斤量級計算，并根據(jù)淤泥厚度確定每孔內(nèi)裝藥層數(shù)（2～3層），上下層藥之間用砂袋分隔。

（7）爆破網(wǎng)路。每層藥包用導(dǎo)爆索串接，每層藥包用非電導(dǎo)爆管引爆，孔外用瞬發(fā)電雷管起爆；采取單孔或幾個孔同時起爆的方式，原則是小藥量多次爆破。

（8）部分加載。在一定時間內(nèi)，如果爆炸排水沒有達(dá)到預(yù)計的效果，或者沒有達(dá)到工程使用要求，采取部分加載的方法，從而達(dá)到地基加固要求。

（9）地基承載力檢測。常規(guī)方法，是堆載還是荷載板試驗(yàn)，按設(shè)計要求，同道堆場地的檢驗(yàn)要求一樣。

5.幾點(diǎn)建議

（1）成立課題研究組，由建設(shè)單位牽頭，研究、設(shè)計和檢測等單位參加的聯(lián)合課題組，對試驗(yàn)的人員、試驗(yàn)安排和試驗(yàn)研究資料成果和經(jīng)費(fèi)安排等進(jìn)行統(tǒng)一管理，研究成果幾方共享。

（2）在在建工程合適的地方劃定約10000平方米，作為試驗(yàn)場地。

（3）制定具體的試驗(yàn)研究方案和試驗(yàn)大綱。

（4）試驗(yàn)研究經(jīng)費(fèi)從工程建設(shè)專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)中支出。

參考文獻(xiàn)：

[1]張加華，楊振聲.飽和軟基爆炸排水機(jī)理的初步研究.海洋工程，1997（4）.