真空預壓法加載方式的改進及試驗研究

魏雁冰，李振鑫，李 垚

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

近年來，隨著城市化進程不斷加快，城鎮河道水環境問題日益突出[1]。 疏浚和清淤工程是城市河道綜合治理的主要工程內容，近年來多采用絞吸挖泥船對河道進行疏浚和清淤，并將疏浚土和淤泥由管道吹填至排泥場堆存處理[2-3]。 疏浚淤泥土表現為高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低滲透性且低強度等工程特性，其在自重條件下短時間內無法完成固結。 大面積的排泥場占用了寶貴的土地資源，常采用預壓地基法來加速淤泥土的排水固結以盡早實現排泥場土地的利用。 預壓地基按處理工藝可分為堆載預壓、真空預壓[4-5]、堆載-真空聯合預壓[6]等，其中真空預壓法因無需砂石等堆載材料而在處理大面積吹填堆場時優勢明顯，但真空預壓法加固新進吹填疏浚淤泥土時常會出現“土柱”現象，影響疏浚淤泥土的整體加固效果。 本文擬從真空預壓法的加載方式著手，提出分級真空加載方式，并通過理論分析及室內模型試驗的方式對分級真空加載方式及常規加載方式進行比較，以期對現狀真空預壓加固方法進行局部改進，提高其整體加固效果。

1 真空預壓“土柱”形成的機理分析

1.1 無砂墊層真空預壓法簡介

真空預壓法是利用真空射流泵作為真空發生裝置，在土體中總應力不變的情況下，通過孔隙水壓力逐漸降低而轉化為有效應力的方法對土體進行加固。 在淺層軟基處理中，多采用無砂墊層真空預壓法，無砂墊層真空預壓法主要由真空加載系統、排水系統及密封系統3 部分組成[7-9]。 其基本的工藝過程如下:首先是在加固區域表面鋪設一層編織布，然后根據設計資料的具體要求人工插設塑料排水板作為豎向排水體；將排水板與濾管進行綁扎后再鋪設一層無紡土工布，其可視為水平排水系統；最后用2層密封薄膜鋪設其上，并將密封膜邊緣埋入加固區塊四周的密封溝內，使加固土體與外界大氣隔絕。射流泵與主濾管相連，開啟電源后逐漸使密封空間內形成真空。

1.2 “土柱”形成的機理分析

真空預壓系統主要由3 部分組成，包括:真空加載系統、排水排氣系統和密封系統。 排水系統包括水平排水系統和豎直排水系統，主要在于改變地基原有的排水邊界條件和借助排水系統來傳遞真空壓力，增加孔隙水的排出途徑，縮短排水距離，減少固結時間。 目前的真空預壓施工中，塑料排水板常作為豎向排水通道，見圖1。 從大量的工程實踐中發現，真空預壓處理吹填疏浚淤泥的過程中，均會出現“土柱”現象，即近似形成以排水板為中心、自上而下直徑不等的不規則柱狀體，反映到地表上就是一個凸起的小土包，見圖2。

圖1 排水板打設完畢現場

圖2 處理疏浚淤泥時的“土柱”現象

由于“土柱”現象嚴重降低了真空預壓的整體處理效果，因此近年來日益引起相關科研工作者的關注，并開展了一些富有意義的研究，見表1。

表1 關于“土柱”現象的相關研究

綜合以上研究可以發現，“土柱”現象的形成機理十分復雜。 當真空預壓加固土體滿足:①高黏粒含量，即細小土顆粒所占比重較大；②高含水率；③土體的強度極低，例如新近吹填淤泥等條件時，再輔以較大的真空度等條件，在加固過程中常易出現“土柱”現象。 這主要是由于在較大真空荷載作用下，處于懸浮狀態的黏粒會向排水板周圍遷移，隨著這種情況的累積進而導致塑料排水板的淤堵，即排水板的淤堵是造成“土柱”現象的主要原因。 因此，在工程實際中，既不能讓大量細小土顆粒流入排水板芯板，又要防止細小土顆粒在濾膜處的大量累積。在傳統的真空預壓施工中，剛開始加載時就滿載，膜下真空度迅速達到85 kPa以上。 未經處理的吹填疏浚淤泥含水率極高，幾近處于流動狀態。 在較大的真空吸力作用下，細小土顆粒會迅速向排水板周圍聚集，黏附在排水板的濾膜上，即在抽真空的初期就造成了排水板的淤堵，影響吹填土的排水固結和強度的增長。

2 分級真空加載方式的提出及理論分析

基于在現狀真空預壓加載方式下加載初期常出現的“土柱”現象，探索對現狀真空預壓的加載方式進行改進。 即在加固初期，對加固淤泥土先施加一較小的真空壓力，待土體有一定強度后再提高真空壓力，以減緩加固初期細小土顆粒向排水板的聚集，減少排水板的淤堵，進而緩解或者推遲了“土柱”現象的發生，本文將這種加載方式命名為分級真空加載方式。

當加固淤泥土受到荷載作用時，應力路徑能夠較方便的描述土體應力狀態的變化過程。 很多科研人員[14-15]就真空預壓法處理地基時的應力路徑情況進行了理論分析。 圖3 所示，當采用一次真空滿載模式時，由于真空度較大(大于等于85 kPa)，未經處理的泥漿強度極低，其中的細小土顆粒會迅速的向排水板周圍聚集，使該區域土體的滲透系數降低，進而會使真空度在向土體傳遞時的損耗變大，此時的有效應力路徑為AD線。 當卸載后，被加固土體的強度沿著超固結強度包線返回至F點，即經真空預壓后土體的強度提高了Δt2′。 當采用真空分級加載方式時，真空預壓初期真空度較小，避免了大量細小土顆粒的迅速聚集。 之后進入真空滿載狀態后，土體在前期加固的基礎上形成了一定的強度，故這種加載方式相對一次加載來說排水板周圍土體的滲透系數降低較少，且真空度在傳遞過程中的損耗也較小。 因此相對一次真空滿載模式，此時的Δs1′大于Δs2′，則真空分級加載時的有效應力路徑為ABC線。 待真空卸載后，土體處于超固結狀態，其強度沿著超固結強度包線返回至G點，即采用分級加載時土體的強度提高了Δt1′，顯然Δt1′大于Δt2′。因此從土體有效應力路徑分析來看，采用真空分級加載方式時土體強度的增長量較一次真空滿載時大，能取得更好的地基加固效果。 因此，在處理強度極低的疏浚淤泥土時有必要采用分級真空加載方式。

圖3 真空一次加載與真空分級加載土體強度增長比較

3 真空預壓室內“單井”模型試驗

3.1 試驗目的

為驗證前述關于真空加載方式的分析，設計了2 組室內單井模型試驗。 加載方式分別采用一次真空加載及分級真空加載。 真空預壓結束后，對塑料排水板的濾膜進行滲透性能試驗，以了解不同真空加載方式下排水板濾膜的淤堵情況。

3.2 試驗方案設計

3.2.1 試驗準備

在東部沿海某吹填施工現場的進行取樣，將新近吹填淤泥土試樣裝入塑料圓桶內進行密封然后運回室內實驗室。 試驗前，使用攪拌棒對土樣進行攪拌，然后取樣對吹填土的基本物理特性進行研究，試驗結果見表2。

表2 試樣土的基本物理特性及顆粒分析試驗結果

塑料排水板選用目前最常用SPB-B板，結合顆粒分析試驗的結果，室內模型試驗選用濾膜等效孔徑為0.035 mm的塑料排水板，同時取2 組排水板濾膜，進行了滲透性能測試，其相關指標及滲透性能見表3。

表3 塑料排水板濾膜相關指標及滲透系數

3.2.2 試驗方法與過程

選用圓桶(直徑60 cm、高100 cm)作為模型箱，將所取吹填淤泥分別裝入2 個試驗圓桶內，泥面高度約0.9 m，在圓桶中心處插設排水板至桶底；將氣管通過接頭及板帽與塑料排水板進行連接；分別在真空泵出口及排水板板帽處布置真空監測點。 水平排水系統布置完后，敷上2 層密封膜形成密封系統，將氣管與真空泵上的主管相連。 2 個模型試驗桶公用一臺真空泵。 根據前述的理論分析，在連接試樣桶內排水板的氣管上安裝控制閥門，通過調節流量實現對分級加載模型桶內真空度的控制。 其中試樣桶A為一次加載模式；試樣桶B為分級加載模式，具體加載方式為30 kPa→60 kPa→滿載，前兩級荷載分別歷時12 h，試驗總歷時為96 h。 試驗過程中，對真空度及泥面沉降進行監測，試驗結束后，分別對兩試驗桶內濾膜進行滲透系數試驗，進行比較。 室內試驗的場景情況見圖4、5。

圖4 試樣桶A鋪設密封膜前情況

圖5 試樣桶B真空抽吸時的情況

3.2.3 試驗結果分析

在未滿載階段(前24 h)每4 h 讀取并記錄一次監測數據，之后調整為每8 h 記錄一次。 試驗結束后，將排水板板帽處的真空度及泥面沉降(采用鋼直尺進行量測)數據進行整理，見圖6、7。

圖6 膜下真空度時程曲線

由圖6 可以看出，通過控制閥門可以很方便的對真空度進行調節，各時間段的真空度基本符合試驗方案的要求。 從圖7 所示的沉降數據來看，在0—24 h 這一階段，由于試驗桶A為一次加至滿載，所以其沉降發展較試驗桶B快；但是當試驗進行至64 h 時，B模型桶內泥面的累積沉降量已略大于A模型桶累積沉降量；試驗結束時，A、B模型桶內泥面累積沉降量分別達到了39.28、42.37 mm。 這說明雖然試驗桶B為分級加載，滿載時間相對較短，但其后期沉降發展較快。 分析原因可能是因為試驗桶A初期在較大真空作用下(大于等于85 kPa)，泥漿中的細小顆粒迅速向排水板周圍移動，相對造成排水板淤堵比較嚴重所致。 因此，試驗結束后，分別取出模型桶內的排水板，對使用過的排水板進行了濾膜滲透性試驗，試驗結果見表4。

圖7 泥面累積沉降時程曲線

表4 塑料排水板濾膜滲透系數比較

由表4 可知，在真空預壓處理吹填淤泥時，2 個試驗桶內排水板濾膜的滲透系數降低比較明顯，甚至是呈數量級式的降低。 但是采用分級加載方式時，濾膜的滲透系數相對降低較小，說明分級加載方式可以適當的緩解濾膜的淤堵，有利于真空預壓后期的施工，因此分級加載方式值得在類似工程中推廣。

4 結論

本文通過對真空預壓加固淤泥土時常出現的“土柱”現象進行總結分析，得出塑料排水板的淤堵是造成“土柱”現象的主要原因。 結合常規一次真空滿載方式，從加載方式入手探索解決塑料排水板淤堵的現象，提出了分級真空加載方式。 并從有效應力路徑的角度對分級加載與常規一次滿載模式進行了理論分析，揭示出分級加載模式下加固淤泥土強度增長較大。 同時結合2 種加載模式進行了室內“單井”模型試驗，從試驗前后排水板濾膜滲透系數變化及沉降數據兩方面進行對比分析。 結果表明真空分級加載方式的排水板濾膜的滲透系數降低較小，即驗證了分級加載能減緩排水板淤堵的分析，說明分級加載方式能延緩“土柱”現象的過早出現；且采用分級加載方式的加固土體的固結沉降量更大。綜合理論分析及模型試驗驗證，表明分級真空加載方式能提高疏浚淤泥土的整體加固效果。