不同設計參數(shù)對真空預壓處理效果影響的對比

孫開妍 張 吉

(1.天津東疆置業(yè)有限公司，天津 300456; 2.天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300459)

1 概述

隨著經(jīng)濟建設的不斷深入，土地資源日益成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的一大瓶頸。在目前土地資源緊張、用地成本增高的情況下，沿海城市利用真空預壓法加固吹填軟土地基是較為成熟有效的一種地基處理方法。但近年來，沿海區(qū)域已吹填原地面標高相對更低，需要吹填土層厚度更大，加之工期緊迫要求成陸周期更短，與以往吹填后經(jīng)過晾曬后的吹填土地基已有所不同。對于此類含水量高、壓縮性比較大，深厚吹填土層需要尋求更好的真空預壓地基處理效果，因而也需要探尋更好的真空預壓地基處理技術(shù)參數(shù)以便在實際工程中推廣應用。

2 真空預壓工藝及技術(shù)參數(shù)

真空預壓法(Vacuum Preloading)由瑞典皇家地質(zhì)學院杰爾曼(W.Kjellman)于1952年提出的一種地基處理方法，該方法是在土體中總應力保持不變的條件下通過孔隙水壓力逐漸降低而使總應力逐漸轉(zhuǎn)化為有效應力的方法。具體機理是在總應力不變的條件下，抽真空形成的負壓首先作用于排水通道中，使豎向排水體內(nèi)(砂井或塑料排水板)形成負壓，與土體中孔隙水壓形成壓差和水力梯度，發(fā)生由土體向排水體的滲流使孔隙水排出，使得土中的孔隙水壓力減小，有效應力增加的方法[1]。即σ′=σ-u，抽氣過程中總應力σ不變，對上式兩端取微分有：dσ′=-du,表明土中孔隙水壓力的降低值即為有效應力增加值，如圖1所示。

真空預壓系統(tǒng)由抽真空系統(tǒng)、排水排氣系統(tǒng)和密封系統(tǒng)三部分組成，施工工藝如圖2所示，根據(jù)目前的施工經(jīng)驗，膜下真空度可以維持在85 kPa～95 kPa左右，一般的可取80 kPa作為設計壓差，當固結(jié)度和沉降速率達到一定的設計要求時停止抽真空加載[2]。

固結(jié)度的計算是真空預壓法加固軟土地基設計中的一個重要問題，通過固結(jié)度的計算可以推算地基強度的增長，從而進行穩(wěn)定分析，在這個基礎(chǔ)上確定適應地基強度增長的加荷計劃。如果已知逐級加荷下不同時間下的固結(jié)度，還可以推算各個時期的沉降量。根據(jù)JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范土層的平均固結(jié)度普遍表達式如下[3]：

(1)

其中，α，β均為和排水條件有關(guān)的參數(shù)，β值與土的固結(jié)系數(shù)、排水距離有關(guān)，它綜合反映了土層的估計速率，根據(jù)地基土排水固結(jié)條件可按表1采用。

表1 α和β取值

3 真空預壓參數(shù)對比試驗

天津港保稅區(qū)臨港區(qū)域(北區(qū))累計造陸83 km2，已進行地基處理面積約為62 km2，均采用傳統(tǒng)真空預壓技術(shù)。

傳統(tǒng)真空預壓技術(shù)在軟土地基表層鋪設砂墊層，以砂墊層、水平濾管、排水板構(gòu)成排水系統(tǒng)；通過射流裝置抽真空，將土體中的水氣混合物由排水系統(tǒng)排出，達到土體加固效果。但存在工程成本高，耗電量大，安全風險高，易造成資源匱乏和生態(tài)環(huán)境惡化。

本文主要對不同參數(shù)對真空預壓處理效果的影響進行對比，工程位于天津港保稅區(qū)臨港區(qū)域(北區(qū))二期圍海T7吹填區(qū)內(nèi)，真空預壓處理總面積約10萬m2，吹填土層厚度約8 m，平均含水率79.1%，屬于流塑狀高壓縮性、高含水率、高靈敏度、低強度的淤泥或流泥。本工程淺層處理階段分為6個小區(qū)，每個小區(qū)通過打設排水板深度、抽真空方式、增壓技術(shù)、打設排水板間距的不同進行組合，具體各小區(qū)設計方案見表2，各小區(qū)位置示意圖見圖3，真空預壓處理后航拍圖見圖4，集成抽水技術(shù)及增壓技術(shù)見圖5，圖6。

表2 淺層真空預壓的設計方案及參數(shù)

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本工程淺層真空預壓處理時間60 d，各小區(qū)測得平均沉降量如表3所示，各小區(qū)沉降差異見圖7～圖12。

表3 各小區(qū)平均沉降量統(tǒng)計表

4.2 數(shù)據(jù)分析

由于本工程各小區(qū)真空預壓處理區(qū)域臨近，且淺層處理范圍均為同期吹填土層，本次針對真空預壓處理效果分析，忽略各小區(qū)地質(zhì)條件差異，僅對各區(qū)淺層處理過程中沉降差異進行對比，分析各個參數(shù)對真空預壓處理效果的影響。

1)從圖7，圖8可以看出，本工程傳統(tǒng)抽真空方式相比采用的集成抽氣技術(shù)沉降量相差分別為6.45%，5.41%，在均滿足加固區(qū)內(nèi)真空壓力條件的前提下，傳統(tǒng)抽真空方式真空預壓處理效果略好于集成抽真空技術(shù)。

2)從圖9，圖10可以看出，淺層處理過程中插板深度7 m相比于插板深度4.5 m沉降量相差分別為36.06%，34.73%，真空預壓處理插板深度對淺層真空預壓處理效果影響大。

3)從圖11可以看出，本工程淺層真空預壓處理過程中，增壓技術(shù)對沉降量影響僅為0.13%，有無增壓技術(shù)對真空預壓處理效果影響不大。

4)從圖12可以看出，打設排水板間距0.7 m相比于間距0.8 m沉降量相差11.80%，真空預壓處理插板間距對真空預壓處理效果影響相對較大。

5 結(jié)語

1)從本工程試驗結(jié)果來看，淺層真空預壓處理中各參數(shù)影響真空預壓處理效果大小依次為打設排水板深度、打設排水板間距、抽真空方式和增壓技術(shù)。

2)淺層處理作為區(qū)域深層處理的前提，一般僅對區(qū)域吹填土層進行處理，吹填土層地質(zhì)條件相對較差，淺層處理效果直接影響后續(xù)深層真空預壓處理。

3)本次僅對各參數(shù)對真空預壓處理效果進行分析，未考慮經(jīng)濟因素，后續(xù)工程可對此進行綜合評價分析。

4)本次試驗僅對淺層同期吹填土層真空預壓處理進行對比，深層真空預壓處理地質(zhì)條件相對復雜，各項參數(shù)對地基效果影響應綜合考慮。