變真空預(yù)壓法在深層淤土地基中的應(yīng)用

朱慶華，趙津磊

(江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

真空預(yù)壓是軟土地基處理常用技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于軟土地基加固及圍墾造地等類型工程[1,2]。眾多學(xué)者已對真空預(yù)壓技術(shù)施工工藝、地基加固效果、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了廣泛研究[3- 6]。大量模型試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用已證明真空預(yù)壓技術(shù)在軟土地基處理中的有效性。但在工程實(shí)踐中，真空預(yù)壓技術(shù)也表現(xiàn)出一些自身的缺陷，具體表現(xiàn)為：排水板易發(fā)生淤堵，排水效果差，從而導(dǎo)致固結(jié)效果不理想；真空傳遞深度不足，對深層地基處理效果不明顯；抽真空所需時間長，影響施工進(jìn)度。鑒于真空預(yù)壓技術(shù)自身的缺陷，部分學(xué)者提出了多種改進(jìn)措施，如：增壓式真空預(yù)壓技術(shù)[7]，真空預(yù)壓與電滲聯(lián)合技術(shù)[8]等。

本文以淮河入江水道整治工程京杭運(yùn)河西堤崇灣險段堤防為工程背景，提出變真空預(yù)壓方法。首先，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，對變真空預(yù)壓法與傳統(tǒng)真空預(yù)壓法的固結(jié)效果進(jìn)行對比。然后，將變真空預(yù)壓法在主體工程中實(shí)施，進(jìn)一步檢驗(yàn)其對深層淤土地基的處理效果。

1 變真空預(yù)壓技術(shù)

所謂變真空預(yù)壓技術(shù)，首先是將傳統(tǒng)真空預(yù)壓方法中的砂墊層用管、氣路系統(tǒng)代替。管、氣路系統(tǒng)將每根排水板連接，以減小真空度的沿程損失。每根排水板都形成一個獨(dú)立的負(fù)壓排水通道，從而保證了出水率。其次，根據(jù)流態(tài)淤泥含水率高、排水性能差的特點(diǎn)，預(yù)壓過程中，將真空荷載分級施加。如此，淤泥可在分級荷載下逐步形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，避免排水板周圍致密淤堵層的形成，從而確保真空可在土中均勻傳遞，提高地基的整體加固效果。另外，變真空預(yù)壓方法中，在地面沉降速率明顯降低時，開啟增壓系統(tǒng)。通過增大土體內(nèi)部壓力差來破壞軟土結(jié)構(gòu)，增大土體滲透性，提高土中水體流動速率，從而進(jìn)一步降低土體含水率，增強(qiáng)固結(jié)效果，縮短固結(jié)時間。總的來看，相比傳統(tǒng)真空預(yù)壓方法，變真空預(yù)壓方法的主要特點(diǎn)是管路系統(tǒng)代替砂墊層、分級施加真空荷載、后期增壓系統(tǒng)提升固結(jié)速率。

2 研究背景及方案設(shè)計

2.1 工程背景

淮河入江水道整治工程京杭運(yùn)河西堤崇灣險段堤防位于揚(yáng)州市邵伯鎮(zhèn)北約7km處，總長約800m，堤防等級為1級，設(shè)計堤頂高程11.90m(廢黃河高程系)、寬8.0m。崇灣段堤防于1958年京杭運(yùn)河整治時在軟淤土(厚度為10～20m)地基上直接填筑修建，且受條件限制，筑堤土料質(zhì)量較差。據(jù)記載，崇灣段堤防在施工期間多次塌坡，完工時堤頂僅筑至11.10m，隨后堤身逐年下沉，兩側(cè)堤腳略有隆起。雖經(jīng)多次加固，崇灣段堤防仍處于持續(xù)下沉狀態(tài)，現(xiàn)狀崇灣段北凹堤頂高程為10.08m，南凹堤頂高程為9.90m。現(xiàn)狀崇灣段堤防不滿足堤防工程設(shè)計規(guī)范的安全標(biāo)準(zhǔn)，存在著嚴(yán)重的安全隱患。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告中提供的地基土力學(xué)指標(biāo)及水位情況計算得出，崇灣段堤身下部土層允許承載力為82.6kPa，堤身堆土的自重應(yīng)力約為109.5kPa，因此地基允許承載力不足，地基發(fā)生剪切破壞。另外，本工程堤身以下20～30m深度范圍內(nèi)為軟淤土，其具有天然含水率高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性小等特點(diǎn)。土體的物理力學(xué)性質(zhì)表明其在自重和外荷載作用下，土體中的孔隙水會逐漸向往排出，從而引起土體壓縮變形，但土體透水性差的特點(diǎn)又決定了該類型土達(dá)到完全固結(jié)是一個漫長的過程，現(xiàn)狀地基仍為欠固結(jié)狀態(tài)。從以上分析可以看出，堤身下地基允許承載力不足以及堤身下軟淤土的欠固結(jié)狀態(tài)，是崇灣段堤防自建設(shè)起至今不斷發(fā)生沉降的主要原因。

鑒于真空預(yù)壓技術(shù)在該類型軟土地基處理中的優(yōu)勢，因此選用真空預(yù)壓方法對崇灣段堤防及工程范圍內(nèi)地基進(jìn)行加固處理，以期降低堤身及地基的含水率，提高地基允許承載力，從而保障堤防的穩(wěn)定。考慮到該工程的地質(zhì)條件、場地條件復(fù)雜，在地基處理過程中，將首先進(jìn)行現(xiàn)場真空預(yù)壓試驗(yàn)。現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)真空預(yù)壓技術(shù)處理崇灣段堤防地基的適用性，并對比傳統(tǒng)真空預(yù)壓方法和變真空預(yù)壓的地基加固效果。

圖1 現(xiàn)場試驗(yàn)場地平面布置圖

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)計方案

根據(jù)真空預(yù)壓技術(shù)的工藝特點(diǎn)及現(xiàn)場情況，選取運(yùn)河西堤南凹段50+085～50+140區(qū)間為試驗(yàn)段。真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)為400m2，變真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)為600m2，如圖1所示。排水板呈正方形布置，間距0.9m，根據(jù)地質(zhì)條件，以試驗(yàn)場區(qū)南北中心線為界，南區(qū)排水板插設(shè)深度控制為13m，北區(qū)20m。

為了實(shí)時監(jiān)測真空預(yù)壓過程及地基加固效果，根據(jù)試驗(yàn)場區(qū)布置和地質(zhì)分布特點(diǎn)，布設(shè)了多種監(jiān)測儀器，主要監(jiān)測類別有：真空度監(jiān)測，孔隙水壓力監(jiān)測，地面沉降監(jiān)測等。

2.3 主體工程加固設(shè)計方案

根據(jù)崇灣段堤防的現(xiàn)狀及地質(zhì)條件，主體工程北凹段地基處理范圍為30m×285m，處理深度取13m，南凹段地基處理范圍取35m×355m，處理深度分為13m和18m兩種。排水板板寬100mm，板厚4.5mm，呈正方形布置，間距為0.9m。密封層采用土工布上覆3層密封膜的形式。增壓管以間距1.8m布置，深度短于排水板3m。

3 地基加固效果分析

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)地基加固效果分析

3.1.1膜下真空度

現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，傳統(tǒng)真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)與變真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)的真空荷載均一次性施加。如圖2所示，射流泵上真空度在開始的第7天左右迅速增長至80kPa，隨后逐步穩(wěn)定在90kPa左右，該變化規(guī)律符合該類型施工真空度變化的一般規(guī)律。傳統(tǒng)真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)膜下真空度在第3天增長至55kPa左右，隨后真空度一直維持在這個范圍。變真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)膜下真空度與泵上真空度的變化規(guī)律以及大小均保持近似一致。可以看出，變真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)膜下真空度明顯高于傳統(tǒng)預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)，而且數(shù)值上高出了近60%。兩者巨大差異的原因要?dú)w結(jié)于變真空預(yù)壓法中將砂墊層替換為管路系統(tǒng)的設(shè)計，管路系統(tǒng)相比砂墊層可大大減少真空傳遞過程中的損失，從而更流暢的傳遞真空荷載，提高地基加固效果。

圖2 泵上真空度及不同試驗(yàn)區(qū)膜下真空度隨時間變化曲線

3.1.2孔隙水壓力

真空預(yù)壓加固地基方法中，抽真空排水會降低地基中孔隙水壓力，孔隙水壓力的降低會引起有效應(yīng)力的增加，從而增強(qiáng)地基的強(qiáng)度。傳統(tǒng)真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)與變真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)地基孔壓消散值在不同深度處的分布情況如圖3所示。可以看出，變真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)地基孔壓消散值明顯大于傳統(tǒng)真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)，這說明變真空預(yù)壓技術(shù)的地基加固效果更好。從圖3中的曲線還可以看出，地基深度小的位置孔壓消散值大，而地基深度大的地方孔壓消散值較小，這意味著真空預(yù)壓方法對地基上部的加固效果較好，隨著地基的深度增加，加固效果會逐漸降低。

圖3 不同試驗(yàn)區(qū)孔壓消散值沿深度方向分布曲線

3.1.3地面沉降

地基土在真空荷載下發(fā)生固結(jié)，地面沉降則是固結(jié)過程的直接體現(xiàn)。不同試驗(yàn)區(qū)地面沉降隨時間變化的情況如圖4所示，由圖4中曲線可以看出，整體上各試驗(yàn)區(qū)地面沉降隨時間逐漸增大。在施加真空荷載的第44天左右，各試驗(yàn)區(qū)地面沉降速度變緩至4mm/d左右。此時，變真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)地面沉降量為43.8cm，傳統(tǒng)真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)沉降量為36.5cm，前者相比后者高出了20%左右。隨后，開啟增壓系統(tǒng)，各試驗(yàn)區(qū)地面沉降進(jìn)一步增大，至第75天時，變真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)沉降量達(dá)62.8cm，而傳統(tǒng)真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)僅為48.5cm，后者與前者的差距增加至29.6%。總體看，整個加固過程中，變真空預(yù)壓處理方法地面沉降量比傳統(tǒng)預(yù)壓方法大，而且達(dá)到相同沉降量所需時間短。

3.1.4地基承載力

為檢驗(yàn)變真空方法處理后的加固效果，在現(xiàn)場試驗(yàn)前后分別對變真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了靜力觸探試驗(yàn)，然后計算得出不同深度下地基允許承載力的值，如圖5所示。對比加固前后地基允許承載力值可以看出，變真空預(yù)壓處理后，地基的允許承載力顯著提高，數(shù)值上平均提高了20%。

圖4 不同試驗(yàn)區(qū)地面沉降量隨時間變化曲線

圖5 不同深度加固前后地基允許承載力

通過以上崇灣段堤防現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可以看出，真空預(yù)壓法可有效增加地基淤土的固結(jié)度，提升地基的允許承載力。經(jīng)過優(yōu)化的變真空預(yù)壓法比傳統(tǒng)預(yù)壓法地基加固效果更顯著，在提升加固效果的同時，還可縮短工期，提高施工效率。

3.2 主體工程加固效果分析

在處理主體工程北凹段和南凹段的地基時，真空荷載均一次性施加。射流泵啟動后，北凹泵上真空度與膜下真空度的差為11kPa，南凹泵上真空度與膜下真空度的差為16kPa。泵上與膜下的真空度相差較小，真空荷載在管路系統(tǒng)中的傳遞損失較小。

北凹段與南凹段在地基處理過程中，地表沉降隨時間逐漸增大。北凹段地表最大沉降量為35.5cm，計算獲得對應(yīng)的地基平均固結(jié)度為96.8%。南凹段地表最大沉降為42.2cm，對應(yīng)地基平均固結(jié)度為94.0%。由地表沉降結(jié)果可以看出，主體工程在地基處理過程中，沉降明顯，這反應(yīng)了地基淤土的固結(jié)過程明顯，而且計算得到的地基平均固結(jié)度已超過設(shè)計要求90%的標(biāo)準(zhǔn)。

為檢驗(yàn)主體工程地基加固前后強(qiáng)度的變化，加固前后分別進(jìn)行了十字板強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，北凹段表層0～8m的堤身填土和淤泥土層強(qiáng)度增長明顯，十字板強(qiáng)度由加固前的30～58kPa提高至45～76kPa；加固后地基承載力提高了約51.2%。南凹段表層0～12m的堤身填土和淤泥土層強(qiáng)度增長明顯，十字板強(qiáng)度由加固前的10～50kPa提高至35～60kPa，加固后地基承載力提高了約57.7%。由以上數(shù)據(jù)可以看出，變真空預(yù)壓技術(shù)的地基處理效果明顯，地基允許承載力顯著提升，達(dá)到了設(shè)計要求的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

根據(jù)淮河入江水道整治工程崇灣段堤防的現(xiàn)狀及地質(zhì)條件，分析得出該段提防常年發(fā)生沉降的主要原因是地基承載力不足以及下部深厚淤土層處于欠固結(jié)狀態(tài)。為解決該工程的沉降問題，提出利用真空預(yù)壓方法對其地基進(jìn)行處理，并結(jié)合真空預(yù)壓法的工藝特點(diǎn)，提出優(yōu)化的變真空預(yù)壓法。通過現(xiàn)場試驗(yàn)和主體工程的加固處理，得出主要結(jié)論有：真空預(yù)壓方法適用于深層淤土的加固處理，可獲得較好的加固效果；變真空預(yù)壓法中，管路系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂墊層的設(shè)計可增加真空荷載的傳遞效率，從而獲得相比傳統(tǒng)真空預(yù)壓法更好的地基加固效果；地基處理過程中，當(dāng)?shù)孛娉两邓俣茸兙徍螅_啟增壓系統(tǒng)，可大幅加快地基固結(jié)速度，縮短施工工期；變真空預(yù)壓方法在崇灣段堤防地基處理中，地基加固效果顯著，地基平均允許承載力可提高約50%。