打孔管道真空預壓加固高含水率淤泥效果影響試驗研究

傅利軍 翁奇波 楊則順

(1.浙江交工集團股份有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江杭甬復線寧波一期高速公路有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

近年來，隨著經濟的不斷發展，我國東部沿海城市的土地資源越來越不能滿足生產生活需要，這已經成為了阻礙城市進一步發展的重要因素之一。許多城市采用海涂整治的方式來增加建設用地，真空預壓法是目前海涂整治的主要方法[1-4]。

在工程實踐中發現，采用真空預壓法處理海涂淤泥過程中存在排水板打設困難與排水板留在土中無法回收等問題[5,6]。打孔管道—真空預壓法是近年來出現用于解決以上問題的新型地基處理方法。然而目前對于打孔管道—真空預壓法的研究較少，對此方法的適用范圍與加固效果也尚不明確。

基于上述情況，本文進行了打孔管道—真空預壓室內模型試驗與預制豎向排水板(PVD)—真空預壓室內模型試驗，對兩種不同級配的高含水率淤泥在真空預壓過程中的沉降、孔隙水壓力、出水量等進行了分析。重點探討了打孔管道—真空預壓法處理高含水率淤泥加固效果的影響規律。

1 試驗方案設置

1.1 實驗裝置

模型試驗裝置如圖1所示，由模型桶、抽真空系統、排水與儲水系統和監測系統組成。真空預壓試驗采用高為47 cm，直徑為37 cm的圓柱形模型桶內進行，模型桶采用亞克力材質。抽真空系統由水循環真空泵與真空管道組成，試驗過程中真空壓力為-90 kPa；排水與儲水系統由上下嘴濾瓶、出水管道、120 μm孔徑的排水板(或打孔管道)組成；監測系統由電子秤、位移傳感器(LVDT)、孔隙水壓力計、傳感器讀取裝置組成。孔隙水壓力計量程為-100 kPa～100 kPa，精度為0.1%，位移傳感器量程為0 mm～200 mm，精度為0.1%。

打孔管道示意圖見圖2。

1.2 土樣參數

本次試驗用土分別取自杭州某基坑工程、溫州甌海區某基坑工程，土樣基本性質如表1所示。采用激光粒度儀對土樣的級配進行了測定，土體級配曲線如圖3所示。

表1 試驗土樣的基本物理參數

對比級配曲線發現，溫州土幾乎不含砂粒，杭州土的砂粒含量為14%，溫州土粉粒含量為40%，黏粒含量為60%，杭州土粉粒含量為54%，黏粒含量為32%。總體而言，杭州土粗顆粒較多，整體顆粒粒徑較大，溫州土細顆粒含量高，整體顆粒粒徑較小。

1.3 實驗方案

工程現場檢測結果表明現場淤泥含水率約為100%，因此按100%含水率在土樣中加入定量的水，并用攪拌機攪拌均勻。

模型試驗的具體步驟如下：

1)根據實驗裝置示意圖，在不銹鋼架子上安裝完成孔壓傳感器與排水板(或打孔管道)，在模型桶上方安裝完成LVDT，并連接真空管道與抽真空系統；

2)通過泥漿泵將淤泥土樣按450 mm的高度裝入模型桶，并在土體表面鋪設土工膜與土工布，做好密封工作；

3)開始真空預壓加載并采集出水量、孔隙水壓力與沉降量等數據；

4)待每日沉降量小于0.1 mm時停止真空預壓加載。

2 試驗方法及數據分析

2.1 沉降量與出水量變化

圖4，圖5為高含水率淤泥在真空預壓過程中的沉降量與出水量變化曲線。整個模型桶內的土體沉降與總出水量在第35天左右便趨于穩定，其中，采用排水板的杭州土沉降量與出水量最大，總沉降約為136 mm，總出水量約為19.5 L。采用打孔管道的溫州土的沉降量最小，總沉降約為93 mm，總出水量約為14.7 L。

總體而言，采用排水板的淤泥的沉降量與出水量均明顯大于采用打孔管道的淤泥，杭州土的沉降量與出水量均明顯大于溫州土。同時，使用打孔管道處理砂粒含量較多的土體時，其沉降量與出水量與使用排水板進行處理時較為接近。表明，使用打孔管道處理黏粒含量較高的淤泥的脫水效果比排水板差，但處理砂粒含量較多的土體時排水板—真空預壓法與打孔管道—真空預壓法的脫水效果相差不大。這是由于打孔管道的排水面積小，且土工布的抗淤堵能力差，在實驗過程中隨著細顆粒的遷移在土工布附近低滲透性的土柱，阻礙了土中孔隙水的排出。但由于含砂率高的淤泥不容易產生淤堵現象且孔隙水容易排出，所以排水板—真空預壓法與打孔管道—真空預壓法對含砂率高的淤泥的脫水沉降效果相差不大。

2.2 孔隙水壓力變化

圖6為高含水率淤泥在真空預壓過程中的孔隙水壓力變化曲線。處理砂粒含量較高的杭州土時孔壓消散速度比處理黏粒含量高的溫州土快，表明處理黏粒含量高的淤泥時，土體的固結排水效果差，而砂粒含量的提高可以有效提高真空度在土中的傳遞效率，促進土中孔隙水壓力的消散。

采用排水板處理淤泥時，孔隙水壓力消散情況良好，各模型桶內的孔壓基本消散至-80 kPa以下，僅距離排水板15 cm的溫州土的孔壓僅消散至-60 kPa。而采用打孔管道抽真空時，孔隙水壓力消散情況較差，實驗完成后距打孔管道15 cm處的溫州土的孔壓僅消散至約為-30 kPa，而距打孔管道15 cm處的杭州土的孔壓消散至約-60 kPa。

排水板—真空預壓法與打孔管道—真空預壓法在處理砂粒含量較高的土體時，孔壓消散情況類似，其土體固結排水情況相差不大。然而在處理黏粒含量較高的土體時，打孔管道—真空預壓法的孔壓消散情況遠遠落后于排水板—真空預壓法，這是由于打孔管道的通水面積小，抗淤堵能力差，在處理黏粒含量高的土體時會產生明顯的淤堵情況。而砂粒含量高的土體的真空預壓傳遞效率高，抗淤堵能力強，真空度在土中快速傳遞可以有效促使土體的脫水固結，進而使孔隙水壓力更快消散，所以使用打孔管道與使用排水板的杭州土的孔壓消散情況相差不大。

2.3 十字板剪切強度

表2為高含水率淤泥在真空預壓完成后的十字板剪切強度情況。十字板剪切強度采用便攜式十字板剪切儀，對與排水板(或打孔管道)不同距離(5 cm，15 cm)的土體的十字板剪切強度進行檢測。

采用排水板處理杭州土的模型桶在距中心5 cm處的十字板剪切強度為36.2 kPa，與采用打孔管道處理時僅相差2.7 kPa，差距較小。然而采用這兩種方法處理溫州土時，距中心5 cm處的十字板剪切強度二者相差7.1 kPa。表明處理砂粒含量較高的土體時，排水板—真空預壓法與打孔管道—真空預壓法的加固效果相差不大。同時，采用這兩種方法處理溫州土時在距中心15 cm處十字板剪切強度相差9.9 kPa，在處理杭州土時相差5.6 kPa。距離中心較遠處二者的十字板剪切強度差值變大，表明打孔管道—真空預壓法的加固速度較慢，同樣的時間內，打孔管道—真空預壓法比排水板真空預壓法的加固范圍小。

表2 十字板剪切強度情況

3 結論

本文進行了打孔管道—真空預壓室內模型試驗與預制豎向排水板(PVD)—真空預壓室內模型試驗，對兩種不同級配的高含水率淤泥在真空預壓過程中的沉降、孔隙水壓力、出水量等進行了分析，并得到了以下結論：

1)采用打孔管道—真空預壓法處理高含水率淤泥時的孔壓消散速度比排水板—真空預壓法慢，同樣的時間內，打孔管道—真空預壓法比排水板—真空預壓法的加固范圍小。

2)處理黏粒含量較高的淤泥時，打孔管道對淤泥的脫水加固效果比排水板差，但處理砂粒含量較多的淤泥時排水板—真空預壓法與打孔管道—真空預壓法對淤泥的脫水加固效果相差不大。