真空井點降水、擠密砂樁聯合淺層強夯在軟基處理中的應用

姚寶寬，劉 聰，李全軍，李傳勛

（1.江蘇省地礦局第三地質大隊，江蘇 鎮江 212111；2.江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013）

0 引 言

我國東南沿海地區土地資源供求矛盾日益突出。為緩解城市土地資源短缺現狀，近年來沿海城市大力發展圍海造陸工程以解決建筑、機場、港口碼頭建設用地需求。據統計我國填海造陸面積已達11 000～12 000 km2[1]。在砂石材料緊缺，節能減排及疏浚淤泥再利用的趨勢下，疏浚淤泥正逐漸成為主要的吹填材料之一，其形成的吹填土地基具有壓縮性高、含水量大、強度低等特點[2]，該類地基必須進行處理后方可使用。常用的軟土地基處理方法有置換法、振密擠密法（如擠密砂樁法、強夯法）、排水固結法（如真空預壓法、真空井點降水法）等[3]。

真空井點降水又叫輕型井點降水，通過布設井管并利用抽真空設備來降低地下水位，具有排水量大、施工周期短、造價低等優點。當降水深度小于6 m且含水層的滲透系數較小時采用該方法效果更優。真空井點降水對設備安裝要求嚴格，防止井管漏氣導致真空度降低影響排水效果。降水過程中附近地表沉降大，地基承載力提高效果不明顯。

較于真空井點降水法，Kjellman[4]于1952年提出真空預壓法，該方法通過設置豎向排水通道（如砂井、塑料排水板等）在地基表面鋪設砂墊層（砂墊層作為橫向排水通道縮短排水時間）及覆蓋不透氣密封膜，利用真空裝置對排水體系抽氣，使地基內部形成負壓區，在負壓作用下，孔隙水通過豎向排水通道排出，達到排水固結、地基強度增長的效果。真空預壓的成敗取決于密封膜下真空度的大小。于志強和朱耀庭[5]對真空預壓施工區四周進行密封墻防滲處理，處理后真空度達到80 kPa以上。夏玉斌和陳允進[6]在傳統真空預壓技術上進行改進，設計出直排式真空預壓，真空度較傳統方法高出10%～50%，大幅度提高真空利用率。王雙成等[7]對分層真空預壓開展試驗研究。采用分層真空預壓能夠使地基內部維持較高的真空度，提高土體排水固結效率，有效限制傳統真空預壓在處理吹填土時真空度衰減快，土體固結不足等問題。真空預壓技術已發展成熟，但諸多研究表明[8-10]，采用真空預壓處理軟弱地基時，地基變形過大會導致塑料排水板彎曲，進而導致豎向排水量減少。真空預壓在疏浚淤泥時塑料排水板易淤堵，導致地基承載力提高幅度不夠。

盡管真空井點降水和真空預壓可有效降低地下水及加速孔隙水的消散，達到快速排水固結的目的，但加固后的地基承載力增強有限，常常導致處理后的地基承載力仍然達不到實際工程的要求。

為更多地提高處理后的地基承載力，采用復合地基技術實現途徑之一，例如擠密砂樁技術。擠密砂樁是復合地基的一種，通過振搗、擠密等方式將密實砂土填入要處理的軟土地基中，這一過程使樁間土體受擠壓而密實，另一方面打入的砂樁具有更高的強度，因而使得原地基的承載力提高、變形減小。實際工程和研究表明[11-13]，減少砂樁的間距可以達到承載力和變形的設計要求，而單一地加密砂樁往往造成造價偏高，在經濟上造成浪費。砂樁復合地基屬于散體材料樁復合地基，其承載力主要取決于樁周土的強度，如果將砂樁與降水措施有機結合，可提高軟基處理效果。

另外，最新有報道在散體材料樁復合地基處理后，在復合地基表面做低能強夯，有助于復合地基表面形成致密的硬殼層。

鑒于單一的采用一種地基加固方法往往達不到很好效果，且每種方法都有其適用范圍和局限性。于是周健等[14]采用低能量強夯聯合真空井點降水對粉質黏土地基進行現場試驗研究，利用真空井點降水可有效降低地下水位及加快強夯產生的超孔隙水壓力的消散，避免出現“橡皮土”。孫運青等[15]對砂樁聯合輕型井點降水處理吹填軟土地基的效果進行分析，砂樁除了作為增強體形成復合地基效應外，與輕型井點降水結合能快速降低地下水位，大約經過150 h地下水位趨于穩定。劉嘉等[16]將井點降水與強夯相結合。井點降水加速了強夯產生的超孔隙水壓力消散，有效解決了強夯在處理飽和淤泥質軟土時遇到的問題。李征[17]采用塑料排水板聯合擠密砂樁與堆載預壓三種工藝對軟土地基進行處理。在預壓荷載作用下，排水板與擠密砂樁可作為豎向排水通道提高排水效率。隨著土體固結度的增加，樁周土體對樁體的約束力增大，地基強度得到提高。徐東升等[18]采用強夯置換砂樁對海相淤泥軟土地基進行試驗研究，試驗結果表明強夯置換過程中，超孔隙水壓力7 d左右基本上可完全消散，進一步加快土體固結速度。

由上可知，采用兩種及兩種以上方法形成復合處理方法可得到更加滿意的效果。基于此，本文將真空井點降水、擠密砂樁、淺層強夯三種工法結合在一起，砂樁在振密、擠密過程中會對樁周土體產生擾動，增大樁間土的滲透系數及土體的密實度，真空井點降水則起到加速強夯產生的超孔隙水壓力消散及降低地下水位的作用。砂樁填料采用一定配比的現場砂土料，不僅增加土體密實度還可作為豎向排水通道以加快地基土的固結。最后通過淺層強夯進一步加固上部土體，提高復合地基承載力。該工藝能解決現有真空預壓、強夯等技術的缺陷，其加固深度可通過樁管的置入深度控制，便于施工過程的監督和管理，以保證這一種工法、技術就能滿足不同層厚、不同深度、不同地質條件的復雜軟土地基的加固處理。

1 工程概況

福建永榮科技二期軟基處理工程，場地位于莆田市秀嶼區東莊鎮湄洲灣港秀嶼港區石門澳作業區內。在建場地為己內酰胺化學材料生產基地，年產值60萬噸，一期工程規模為20萬噸/年，二期工程未建。為解決后期建設用地需求及滿足生產設備的使用，開展圍海造陸工程，2014年開始回填和吹填。為更好的進行大面積地基處理，先在試驗區開展施工。試驗區選定有代表性區域（吹填土最厚、下臥淤泥最厚）。試驗區采用填料夯實，東西長約2.45 km，寬約0.68 km，勘察面積約1.67 km2。試驗場地原貌如圖1所示。本項目要求的技術參數為處理后的地基承載力達到70 kPa，沉降小于20 cm。

圖1 試驗場地原貌Fig.1 The original appearance of the test site

2 工程地質條件及水文條件

2.1 工程地質條件

江蘇省巖土工程勘察設計研究院《福建永榮科技二期軟基處理設計勘察報告》揭示的各層土體物理性質參數如表1所示，土層壓縮曲線如圖2所示。

表1 土層物理性質參數表Table 1 Physical property parameters of soil layers

圖2 土層壓縮曲線Fig.2 Soil compression curves

2.2 水文條件概述

場地內的素填土（砂）屬強透水和強含水層，吹填土和淤泥屬不透水層，粉質黏土屬弱透水弱含水層。

3 地基加固技術指標要求

福建永榮科技二期軟基處理工程主要是解決淺部、中部軟弱土層。試驗區加固深度達15 m左右，預期達到以下技術指標：

（1）加固的有效深度：15 m范圍內。

（2）加固后的地基承載力特征值：fak≥70 kPa。

（3）加固后的地基沉降：＜20 cm。

4 方案選擇

本次軟基處理項目為造陸工程的一部分，其重點、難點是處理上部約5 m厚流塑狀粉質黏土及下部約 10 m厚流塑狀欠固結淤泥。流塑狀粉質黏土均勻性差，無法滿足施工設備的進入。流塑狀欠固結淤泥層厚較深，天然含水量高，具有流變性、低透水性、低強度和不均勻性的特點。該層土在自然排水固結和剪切應力作用下會發生緩慢而長久的沉降變形，對地基沉降、不均勻沉降及地基穩定性均有不利影響。考慮到以上問題，一般的地基加固方法無法滿足要求，通過方案比選，決定采用分層真空井點降水聯合擠密砂樁和強夯法對軟土地基進行加固，其目的就是充分發揮各種處理方法的優勢并盡量避免每種處理方法所面臨的劣勢。圖3為具體的擠密砂樁與真空井點降水示意圖。

圖3 擠密砂樁與真空井點降水示意圖Fig.3 Schematic diagram of sand compaction piles and vacuum well point dewatering

5 施工工藝

真空井點降水、擠密砂樁聯合淺層強夯的施工工藝流程如下：

施打密封墻→布設真空井點→分層降水→擠密砂樁施工→淺層強夯。

各施工工序主要內容如下：

（1）施打密封墻：為提高砂樁施工質量，確保加固區域不受外圍地下水的影響，在加固區域邊線外3～5 m處增設外圍密封墻。外圍密封墻采用深層攪拌樁的方法，攪拌樁樁徑70 cm，樁與樁搭接20 cm。對滲透系數較大的土層，需多攪多噴。

（2）布設真空井點：布點間距3.0 m×3.0 m，加固深度為粉質黏土層以上。井點內分別投入4、8、12、15 m四根不同長度的井管。4、8 m降水井管采用水沖法置入含水層內，12、15 m降水井管將其放入鋼管中并灌入濾料（濾料為中粗砂），通過振動上拔鋼管使降水井管置入含水層內。當井管沉入含水層內即可連接支管，各支管再連接主管，主管再與抽真空設備相連，每一分層組成一回路，形成4、8、12、15 m四個回路。其中4、8 m井管采用鐵管，12、15 m井管采用PVC管，主管采用管徑為50 mm的PVC管。

（3）擠密砂樁施工：在外圍密封墻、真空井點布設完成后且地下水位下降4～6 m時，即可進行擠密砂樁施工。砂樁間距 3.0 m×3.0 m，樁入土深12 m，采用逐級填料法，填料高度不超過0.5 m，保證提管時砂料有足夠高度。在夯管灌入所需砂及沙包土混合料后，夯錘頂在砂石混合料上，上提夯管。隨著夯管上提，夯管內砂石料下落并在振動作用下與軟弱土體混合并振密，上提2～3 m，將夯錘慢慢放下，夯擊數可根據土體情況確定，最后一擊夯沉量控制在5～10 cm。

（4）淺層強夯：在擠密砂樁施工完成后即可進行強夯。強夯分兩遍點夯、一遍滿夯。第一遍點夯采用500 kN·m夯擊能，夯沉量如表2所示。第二遍點夯采用800 kN·m夯擊能，夯沉量如表3所示。第三遍滿夯采用1 000 kN·m夯擊能，夯沉量如表4所示。強夯施工過程中應待前一遍強夯施工引起的土體孔隙水壓力消散達到90%以后再進行下一遍強夯。強夯收錘標準以達到夯擊數且最后連續兩擊的夯沉量不小于10 cm進行控制。

表2 第一遍點夯夯沉量Table 2 Sinking amount after the first point ramming

表2 第一遍點夯夯沉量Table 2 Sinking amount after the first point ramming

夯擊次數 夯前讀數 夯沉量 總夯沉量初值 1.37 0.00 0.00一擊 1.75 0.38 0.38二擊 2.01 0.26 0.64

表3 第二遍點夯夯沉量Table 3 Sinking amount after the second point ramming m

表4 滿夯夯沉量Table 4 Sinking amount after full ramming

表4 滿夯夯沉量Table 4 Sinking amount after full ramming

夯擊次數 夯前讀數 夯沉量 總夯沉量初值 1.18 0.00 0.00一擊 1.43 0.25 0.25二擊 1.58 0.15 0.40三擊 1.85 0.27 0.67四擊 1.95 0.10 0.77

6 處理效果分析

為驗證分層真空井點降水聯合擠密砂樁和強夯對軟土地基加固后的效果，對加固前后土樣效果進行分析，并分別給出靜力觸探試驗、十字板剪切試驗、土工試驗、載荷試驗各試驗點在處理前后參數變化情況。

6.1 加固前后土樣效果對比

圖4、圖5為地基加固前后現場分區段取樣圖，取樣點設置在兩砂樁點間，取樣深度達16 m，主要分析樁間土的加固效果。

圖4 加固前土樣Fig.4 Soil sample before reinforcement

根據鉆孔取樣，各鉆孔5 m以下均由流塑狀淤泥質土改變為淤泥質粉砂土，局部土層為粉質黏土。由圖5還可明顯看出，加固后的土層均勻性得到改善，取樣連續，密實度高，加固效果對比顯著。

圖5 加固后土樣Fig.5 Soil sample after reinforcement

6.2 靜力觸探試驗

加固前后靜力觸探強度如表5所示。其中第一層土處理前為淤泥，處理后為粉質黏土夾砂，部分位置含砂量較大。第二層土處理前為素填土（砂），處理后為中砂。第三層土處理前為淤泥、淤泥質土，處理后為淤泥質土及粉質黏土。

表5 加固前后靜力觸探強度對比Table 5 Comparison of static penetration intensity before and after reinforcement

從表5可以看出，加固前后土層的錐尖阻力與錐側阻力平均值得到提高，其中3號樁點的提高幅度最為明顯，第一層土的錐側阻力平均值由2.59 kPa提高到12.66 kPa，提高了8.07 kPa；第二層土的錐側阻力平均值由 7.85 kPa提高到18.26 kPa，提高了10.41 kPa；第三層土的錐側阻力平均值由5.71 kPa提高到10.03 kPa，提高了4.32 kPa。

6.3 十字板剪切試驗

十字板剪切試驗共做了六組對比試驗，選取其中二組試驗數據進行擬合分析，如圖6、圖7所示。

圖6繪制了4號觀測點加固前后土體抗剪強度隨土層深度變化關系曲線。首先在0～6 m范圍內，加固后的土體抗剪強度均高于加固前。當土層深度達9 m時，抗剪強度提高幅度達到最大，此時的土體抗剪強度由加固前的2.2 kPa增長到11.2 kPa，強度提高了5倍。

圖6 觀測點4加固前后土體抗剪強度Fig.6 Soil shear strength before and after reinforcement at observation point 4

圖7繪制了5號觀測點加固前后土體抗剪強度隨土層深度變化關系曲線。從圖中可以看出，在土層深度達11 m時，此時的土體抗剪強度增長幅度達到了最大值，抗剪強度由加固前的4 kPa增長到10.3 kPa。強度提高了2倍多。

圖7 觀測點5加固前后土體抗剪強度Fig.7 Soil shear strength before and after reinforcement at observation point 5

6.4 土工試驗

加固前后土體物理力學性能指標如表6所示。土工試驗均以整個場地所取土樣進行統計。

表6 加固前后土體物理性能對比Table 6 Comparison of physical parameters of soil before and after reinforcement

由土工試驗結果可明顯看出，處理后的地基土含水率、孔隙比、液性指數均大幅度下降，其中含水率由57.42%降至32.07%，降低44%，孔隙比由1.54降至0.95，降低38%，液性指數由1.72降至0.42，降低76%，說明分層真空井點降水聯合擠密砂樁與強夯法加固軟土地基有很好的效果。

6.5 載荷試驗

荷載-沉降曲線如圖8所示。

圖8 荷載-沉降曲線Fig.8 Load-settlement curves

從圖中可以看出，加固后的軟土地基承載力和沉降均滿足設計要求，其中地基承載力達到200 kPa，最大試驗荷載作用下三個觀測點處的沉降值均小于15 cm，進一步表明分層真空井點降水聯合擠密砂樁與強夯法加固軟土地基具有一定的效果。

7 結 論

本文以福建永榮科技二期場地軟基處理工程為背景，深入分析分層真空井點降水聯合擠密砂樁和強夯的加固效果，主要獲得以下結論：

（1）現場試驗結果表明：分層真空井點降水聯合擠密砂樁與強夯法處理后的場地樁間土體物理性能得到明顯改善，土體抗剪強度與錐尖阻力和錐側阻力都得到大幅度提升，說明本文的這種復合處理方法具有達到降低軟土含水量、提高軟土密實度、減少地基沉降的效果。

（2）加固后的樁間土地基承載力特征值均達到100 kPa，滿足設計要求。

（3）相同地質條件下與其余軟基處理工藝相比，分層真空井點降水聯合擠密砂樁與強夯法具有處理工期短、工程造價低等優點，可克服強夯法、真空井點降水法、傳統擠密砂樁法等單一加固方法的缺陷。