淤泥軟基爆炸排水固結法研究

徐瑞寶+章途鑫

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

關鍵詞：軟基 爆炸 排水固結 研究

淤泥是一種多孔介質，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人員關注的難題。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、費用較高和堆載預壓的時間較長等原因，限制了這一方法的大規模使用，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抽真空，相當于在土體表面加壓堆載，一般的真空度只能達到80Kpa，對于承載力要求較高的地基，還需要再堆載；同樣，一次真空預壓加固的范圍有限，抽真空的時間也較長，加固費用較高。同時，這種方法是在密封的土體內抽真空，不適應于透氣的沙土層相間的軟土地基。第三、插塑料排水板加強夯加固方法，這是一種動力固結淤泥軟基的方法，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境沉積，具高孔隙率、高含水量、高靈敏度、高觸變性、低抗剪強度及排水固結緩慢等特性，工程性質很差，淤泥層厚度大。采用插塑料排水板加堆載預壓法，堆載材料用量大、費用較高和堆載預壓的時間較長。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爆炸，再堆載預壓。藥包爆炸一方面可以使淤泥中產生超孔隙水壓力，同時破壞淤泥的骨架結構，使淤泥內產生更多的排水通道，加速水的排出，縮短淤泥軟基的固結時間，該技術已經有了比較多的研究基礎，可以宿短工期，降低工程成本。

1.研究的背景情況

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

（2）1991年，連云港指揮部進行了10000平米的吹填淤泥軟基的爆炸排水固結試驗，吹填淤泥厚度8米左右，插紙板后在淤泥中爆炸，該試驗區達到80-100kpa的要求。

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

（4）1992年開始，連云港建港指揮部與中國科學院力學研究所共同開展淤泥軟基爆炸排水固結的實驗和機理研究，在連云港安排了一系列實驗，對淤泥中爆炸后土體的動力參數進行了測定和分析，采用兩相流的數學模型，數值分析土體中產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、劉濟舟院士、周鏡院士等十多位專家學者參加的相關研究成果討論會，會上幾位院士對該領域的工程應用研究方法進行了討論，希望能夠有類似的工程，結合工程再繼續研究。

（6）1998年，中國科學院力學研究所在珠海高欄港區安排了爆炸排水固結的現場試驗，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，爆炸排水土體力學指標提高30%以上。

（7）1997-2000年，中國科學院力學研究所項目組完成了國家自然科學基金“淤泥軟基爆炸排水固結機理初步分析”。

上述一系列研究取得了比較好的學術成果，但距離工程應用還差一步，主要是多年來一直沒有合適的工程應用試驗研究條件，獨立安排這樣的試驗，研究經費的限制。目前，溫州有大量港口和圍墾的軟基處理工程，具有該項研究的良好條件，也正是幾位院士當時所希望的應用研究背景。

2.研究目的及要求

淤泥軟基常規處理方法是堆載預壓或真空預壓，這種方法需要較長的固結時間周期，一般三個月以上，而且大型施工設備較多，施工成本較高。本試驗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法”，從工程應用的角度出發，總結這種施工方法的爆炸參數、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化提供參考依據。

軟基加固的試驗要求：淤泥軟基平均固結度達到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到中密標準，標準貫入擊數大于15擊，以滿足港區道路與堆場地基承載力的要求。

3.研究內容

圍繞這種新方法的施工參數和施工工藝來安排試驗內容，試驗結束后對新方法的加固效果和經濟成本進行綜合評價。試驗研究的主要內容：

（1）爆炸參數的優化，分區布置不同的爆炸參數，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，達到淤泥軟基快速排水。

（3）通過對爆前和爆后土體指標的檢測，測定爆炸排水固結的時間和固結效果。

（4）通過對爆炸過程中土體內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，總結不同深度淤泥固結的規律。

（6）通過驗證性的對比試驗，檢驗各階段的試驗效果。

（7）在測試數據的基礎上，建立土體固結數學模型，數值計算分析爆炸動力固結過程。

（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行分析總結。

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域內，劃分四個試驗小區，即A、B、C、D區，并分界立桿做標記。

（2）在四個小區內，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立固定點，然后用水準儀測量砂層高程。分層沉降測量通過在淤泥中埋設沉降磁環，定期測定磁環的變化，磁環分別埋設于淤泥土層的上、中、下部。

（4）孔隙水測量。孔隙水壓力是土體固結的重要參數，測量方法和測量精度直接關系到實驗結果的好壞。動孔隙水壓力的產生主要是土體的振動引起的，所以主要側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，擬采用地質鉆機成孔，套管跟進，清孔后裝藥，保證藥包埋至到要求深度。

（6）藥包結構。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構，同時必須使土體能夠產生振動，而且沒個孔必須有一定的影響范圍。擬設計為條形藥包，由于淤泥較深，每孔藥量以公斤量級計算，并根據淤泥厚度確定每孔內裝藥層數（2～3層），上下層藥之間用砂袋分隔。

（7）爆破網路。每層藥包用導爆索串接，每層藥包用非電導爆管引爆，孔外用瞬發電雷管起爆；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，如果爆炸排水沒有達到預計的效果，或者沒有達到工程使用要求，采取部分加載的方法，從而達到地基加固要求。

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

5.幾點建議

（1）成立課題研究組，由建設單位牽頭，研究、設計和檢測等單位參加的聯合課題組，對試驗的人員、試驗安排和試驗研究資料成果和經費安排等進行統一管理，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，作為試驗場地。

（3）制定具體的試驗研究方案和試驗大綱。

（4）試驗研究經費從工程建設專項科研經費中支出。

參考文獻：

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