真空預壓加固吹填土地基承載力評估分析*

黃朝煊

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

0 引言

在社會經濟發展迅速及海岸線土地資源短缺的情況下，吹填造地是沿海城市及區域發展的重要方式之一，浙江省沿海灘涂區分布有深厚海相淤泥，使用淤泥吹填更經濟，實際工程多采用真空預壓加固吹填土地基[1-2]。

真空預壓法由瑞典巖土專家Kjellman[1]于20世紀50年代首先提出，并通過現場試驗驗證加固效果。國內于1957年首次進行真空預壓加固地基試驗研究，岑仰潤[3]開展了真空預壓加固地基試驗與理論研究。吹填土通過真空預壓排水固結處理，使土體顆粒發生錯位重新排列，進而使土體顆粒更密實，提高土體抗剪強度[4]。

林孔錙[5]對淤泥土排水固結后地基抗剪強度進行分析，并進行堤防滑動穩定計算；徐宏等[6]對真空預壓加固軟土地基抗剪強度進行分析；閆澍旺等[7]對軟土地基排水固結后承載力特征值進行研究；雷華陽等[8]對吹填場區地基承載力特性與破壞模式進行研究；黃朝煊等[9-15]對軟土地基預壓固結后抗剪強度與抗剪強度指標變化進行分析，并對塑料排水板處理軟土地基進行深入研究，為工程實際應用提供參考，文獻[16-18]對吹填土真空預壓處理技術進行了總結分析。

目前，對吹填土地基真空預壓處理后地基承載力特征值評估的研究較少，為此，依托浙江省舟山市某吹填工程，對真空預壓加固技術進行總結，對真空預壓過程及相關監測資料進行分析，并對加固后的吹填土地基承載力進行評估，確保吹填工程順利驗收，為類似工程提供參考。

1 工程概況

本工程面積約4 666 667m2，現狀涂面高程-1.500～-2.200m，局部高程-3.000～-3.700m，地面建設標高2.800m，需在現有圍墾區的基礎上進行回填加高，總回填量約1 700萬m3，利用淤泥土進行吹填，采用真空預壓加固軟土地基[19]。設計吹填土場地標高≥3.700m，真空預壓處理后場地平均標高須達2.350m。

2 地基加固

由于圍墾區毗鄰大海，附近海涂淤泥土料儲量豐富，可考慮作為回填材料。為滿足業主提出的要求，采用淺層處理法對新吹填淤泥進行處理，處理標準為：地基承載力標準值50kPa，不控制工后沉降。本工程真空預壓加固如圖1所示，吹填土物理性質指標如表1所示。

圖1 真空預壓加固示意

表1 吹填土物理性質指標

場地吹填后晾置約30d，待吹填區明水全部排干，進行真空預壓加固。定期測量吹填土晾置過程中孔隙比與含水率變化，如圖2所示。由圖2可知，吹填土晾置30d后，孔隙比由7.3降至3.5，含水率由268%降至120%，可知吹填土在大應變自重固結作用下，土體強度得到一定程度提高。

圖2 孔隙比與含水率變化曲線

真空預壓加固步驟如下。

1)搭設浮橋

浮橋采用泡沫板和竹膠板等進行搭設，浮橋兩側可綁扎竹桿。

2)鋪設土工編織布

為隔離淤泥并作為施工持力層，在淤泥面上鋪設200g/m2土工編織布。

3)布設真空管路

將排水板按設計長度裁剪，纏繞在濾管上。將UPVC塑料管制成花管，外包1層90g/m2無紡土工布后進行真空管路布置。

4)人工插設排水板

采用SPB-B型排水板，在人工插設排水板過程中需檢查排水板與管路連接質量，確保纏繞搭接。

5)鋪設無紡土工布

排水板施工完成后，在其上方鋪設1層200g/m2無紡土工布，鋪設時需保證密封薄膜不被破壞。

6)鋪設密封薄膜

在無紡土工布上方鋪設2層0.12～0.14mm厚聚乙烯密封薄膜，并將加固區周邊薄膜踩入淤泥中，以便密封。

7)試抽真空

安裝真空泵，并試抽真空。真空泵均勻布置在場地中央，每1 000m2布置1臺。首先開啟一半真空泵，然后逐漸增加真空泵開啟數量。確認無漏氣后，抽真空7～10d，待吹填土具有一定強度后開啟全部真空泵。將真空度提高至80kPa，抽真空70～90d，達到設計卸載標準后停泵卸載。

3 監測結果分析

為對真空預壓加固過程中真空度傳遞、土體孔隙水壓隨時間變化及地基沉降等進行監測，排水板插設完成后，在真空預壓區布置1個板內真空度測試組和1個土中孔隙水壓測試組，真空度測針借助排水板進行有效布置。排水板內真空度隨時間變化曲線如圖3所示，真空度隨深度衰減曲線如圖4所示。

圖3 真空度隨時間變化曲線

圖4 真空度隨深度衰減曲線

由圖3，4可知，密封薄膜下真空度最大，且受土體側向土壓力作用影響，排水板內真空度隨深度的增加逐漸衰減，衰減速率約為4.5kPa/m。

5m深度處土體孔隙水壓隨時間變化曲線如圖5所示，由圖5可知，孔隙水壓隨時間的增加逐漸減小，真空預壓40d后，孔隙水壓衰減為負值，自重應力影響下的超靜孔隙水壓逐漸消散。

圖5 5m深度處土體孔隙水壓隨時間變化曲線

根據設計要求，在真空預壓區埋設1組沉降儀，以便掌握地基變形情況。根據監測數據繪制地基沉降隨時間變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，地基沉降隨時間的增加逐漸增大，真空預壓85d時的沉降達0.7m。

圖6 地基沉降隨時間變化曲線

4 真空預壓加固后地基承載力

4.1 不同理論計算公式得到的地基承載力

吹填土經真空預壓加固后，物理力學指標得到明顯改善，如表2所示。由表2可知，加固后的地基土為淤泥質黏土，且土質均一性較好，含水率標準值降低，濕密度標準值增加。

根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[20]第5.2.5條規定的地基承載力特征值計算公式，得到吹填土真空預壓加固后地基承載力特征值為35.03kPa，不滿足≥50kPa的設計要求，這是因為《建筑地基基礎設計規范》5.2.5條計算公式限制了偏心距≤0.033倍基礎底面寬度，計算結果較保守。

根據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》[21]推薦的漢森公式得到吹填土真空預壓加固后地基承載力特征值為39.94kPa，不滿足≥50kPa的設計要求，這是因為計算時取基礎寬度為1m，但實際施工時基礎寬度>1m。

4.2 十字板抗剪強度推算的地基承載力

吹填土加固后不同深度處十字板剪切試驗結果如表3所示，由表3可知，在真空預壓有效加固深度范圍內，表層土十字板抗剪強度最大，隨著土層深度的增加，十字板抗剪強度逐漸減小。這是因為吹填土表層真空荷載最大，且排水固結更充分，加固后土體抗剪強度較大，隨著土層深度的增加，受土體側向土壓力擠壓影響，吹填土逐漸淤堵排水板，真空度逐漸衰減，因此，深層土體排水固結效果較差，即十字板抗剪強度較低。

表3 不同深度處十字板抗剪強度

根據十字板剪S切試驗結果得到十字板抗剪強度與深度擬合關系曲線，如圖7所示，回歸關系式為：

圖7 十字板抗剪強度與深度擬合關系曲線

Su=20.17-1.64z

(1)

式中：Su表示十字板抗剪強度；z表示深度。

吹填土預壓加固前十字板抗剪強度接近零，基本無強度，預壓加固后十字板抗剪強度基本為13.61～18.53kPa，可知吹填土通過真空預壓加固后抗剪強度增長顯著，真空預壓效果良好。

根據SL 389—2008《灘涂治理工程技術規范》[22]第7.1.2條給出的灘涂軟土地基承載力特征值與軟土地基抗剪強度關系公式，由吹填土預壓加固后十字板抗剪強度推算的地基承載力特征值為51.14kPa，滿足≥50kPa的設計要求。

4.3 淺層平板荷載試驗得到的地基承載力

按照《建筑地基基礎設計規范》《建筑地基處理技術規范》有關要求開展淺層平板荷載試驗，承壓板尺寸為1.0m×1.0m(長×寬)，試驗過程中逐級加載、卸載。采用淺層平板荷載試驗結果分析吹填土預壓加固后地基承載力特征值，第i級荷載加載過程中土體變形模量Ei計算如下：

Ei=(1-μ2)I0I1KiD

(2)

式中：μ表示土體泊松比；I0表示承壓板影響系數；I1表示承壓板埋深修正系數；Ki表示第i級荷載加載過程中荷載-沉降關系曲線斜率；D表示承壓板邊長。

壓縮模量Esi與變形模量關系式為：

(3)

Ki表達式為：

(4)

式中：Si，Si+1分別表示第i，i+1級荷載作用下的土體沉降；Pi，Pi+1分別表示第i，i+1級總荷載。

Ⅱ-6，Ⅱ-11區塊地基土壓縮模量變化曲線如圖8所示，由圖8可知，隨著總荷載的增加，地基土壓縮模量逐漸減小。

圖8 地基土壓縮模量變化曲線

Ⅱ-6，Ⅱ-11區塊地基土荷載-沉降曲線如圖9所示，由圖9可知，隨著總荷載的增加，地基土穩定后沉降逐漸增大，當加載至最大荷載時，地基土沉降基本可快速穩定。依據《建筑地基基礎設計規范》《建筑地基處理技術規范》相關規定可判定地基承載力特征值≥100kPa，滿足≥50kPa的設計要求。

圖9 地基土荷載-沉降曲線

5 結語

依托浙江省舟山市某吹填工程，對真空預壓加固技術進行總結，并對預壓加固后地基承載力進行研究，得出以下結論。

1)對吹填土真空預壓加固后物理力學指標變化進行分析，可知加固后的地基土為淤泥質黏土，且土質均一性較好，含水率標準值降低，濕密度標準值增加。

2)對真空預壓加固過程中真空度傳遞、土體孔隙水壓變化及地基沉降等進行監測，監測結果表明，密封薄膜下真空度最大，且受土體側向土壓力作用影響，排水板內真空度隨深度的增加逐漸衰減，衰減速率約為4.5kPa/m。

3)根據《建筑地基基礎設計規范》第5.2.5條的規定，計算得到吹填土真空預壓加固后地基承載力特征值為35.03kPa，不滿足≥50kPa的設計要求。

4)根據《建筑地基處理技術規范》推薦的漢森公式，計算得到吹填土真空預壓加固后地基承載力特征值為39.94kPa，不滿足≥50kPa的設計要求。

5)開展1～4m深度處地基土十字板剪切試驗，結果表明，預壓加固后十字板抗剪強度基本為13.61～18.53kPa，可知吹填土經真空預壓加固后抗剪強度增長顯著，真空預壓效果良好。根據十字板抗剪強度推算的地基承載力特征值為51.14kPa，滿足≥50kPa的設計要求。

6)開展淺層平板荷載試驗，根據試驗結果及《建筑地基基礎設計規范》《建筑地基處理技術規范》相關規定，可判定地基承載力特征值≥100kPa，滿足≥50kPa的設計要求。