真空預壓聯(lián)合強夯法處理吹填場區(qū)軟土研究

陳繼忠

(煙臺市福山區(qū)建設工程質量檢測站，山東 煙臺 265500)

0 引言

隨著國民經濟的飛速發(fā)展，我國基礎建設也隨之突飛猛進。在我國東部沿海地區(qū)，基礎工程建設用地尤為緊張，幾乎所有的沿海城市都采用了填海造地的方法，以增加本地區(qū)的用地需求，可見填海造地為一個城市有限空間的發(fā)展起到了重要作用。

我國沿海地區(qū)軟土分布較為廣泛，伴隨著沿海城市的“填海造陸”土地開發(fā)，工程建設多在蝦池、魚塘、沼澤等地吹填而成，淤泥較厚且分布范圍較廣，軟土處理已然成為這些地區(qū)土地開發(fā)利用不可或缺的一環(huán)。沿海軟土通常具有含水量高、壓縮性高、強度低、透水性差等特點，在軟土地區(qū)填海造地，若不對軟土地基進行處理，軟土在上部附加荷載作用下將產生較大沉降，影響工程建設的正常使用，若地基承載力不能滿足設計要求，將會發(fā)生地基失穩(wěn)，直接威脅人身生命財產安全。因此在此類地質條件下修筑建筑物時，如何在保證安全條件下獲得最大效益，是工程技術人員較為關心的問題。

本文以沿海地區(qū)某軟土地基處理工程為依托，該工程經過吹砂回填后，采用真空預壓+強夯相結合的手段進行地基處理加固[1]，根據現場監(jiān)測和檢測結果，對軟土地基的加固效果進行分析與評價，為本地區(qū)相類似工程提供借鑒經驗。

1 工程概述

擬建工程場地屬于海陸交互相沉積地貌單元，場區(qū)原為海灘，局部為養(yǎng)蝦池，近期經圍海造地、人工吹填整平等手段形成建設用地。根據規(guī)劃本工程建成后將成為住宅、商業(yè)、旅游及娛樂的綜合體。

1.1 工程地質情況

場區(qū)地層自上而下分布依次為：

①-1素填土：以黃褐色為主，局部顏色雜亂，屬強夯前人工回填形成，成分主要以砂性土、黏性土及風化巖屑為主。

①-2吹填土：黃色～灰黑色，稍密～中密狀態(tài)，濕～飽和。該層為近期人工吹填形成，成分主要以粉細砂為主，局部見碎石。

②粉砂：灰色～灰黑色，松散～中密狀態(tài)，飽和。該層礦物成分以石英、長石為主，含云母，混淤泥，夾碎蚌殼，局部淤泥含量較少，不均勻。

③淤泥：深灰～黑色，流塑狀態(tài)。土質較均勻，局部夾少量粉細砂薄層，夾碎貝殼，具腥味，無光澤，無搖震反應。

④粉質黏土：灰綠～青灰色，可塑～軟塑狀態(tài)。土質較均勻，切面稍光滑，干強度及韌性中等，局部夾少量薄層中細砂。

④-1細砂：灰褐色，稍密～中密狀態(tài)。砂質較均勻，分選較好，礦物成分以石英、長石為主。

⑤粉質黏土：該層于場區(qū)內普遍揭露，青灰色～褐黃色，可塑狀態(tài)。含粗砂角礫，不均勻，切面稍光滑，干強度及韌性中等。

1.2 水文地質情況

擬建場區(qū)地下水動態(tài)變化主要受季節(jié)影響及海洋潮汐影響，場區(qū)地下水主要補給來源為大氣降水和地下水側向徑流，主要排泄方式是地下徑流和通過毛細管現象以蒸發(fā)形式垂直排泄至大氣，本區(qū)域地下水年變化幅度約2 m。

根據本工程巖土工程勘察報告，場區(qū)地下水屬第四系潛水，穩(wěn)定水位埋深介于1.10 m～1.45 m。

1.3 設計要求

根據設計院要求，本工程經地基處理要求達到效果如下：

1)經地基處理后，地基承載力特征值不小于150 kPa。

2)在考慮回填土及建筑物荷載條件下的變形要求，即工后使用期內(50 a)沉降量小于150 mm[2]。

1.4 方案比選

本地區(qū)常用的地基處理方案主要有深層攪拌樁法、排水固結法、CFG樁法及預應力管樁法。上述各法優(yōu)缺點如表1所示。

表1 地基處理方案優(yōu)缺點

經與建設單位多次溝通、比選，最終在考慮工期允許的條件下，選擇工程造價相對較低的真空預壓+強夯法作為本次試驗區(qū)域的地基處理方案[3]。

1.5 地基處理方案

結合本工程實際情況，從變形和承載力兩方面著手，從地基處理方案技術可行性、施工工期以及工程造價等多方面比較，最終選擇地基處理方案如下：

第一步采用真空預壓法處理軟土，改善土體性質，提高土體強度，增加土體變形模量進而降低工后沉降、提高地基承載力。

第二步采用強夯法處理上部回填土，消除上部回填土的自重固結、改善回填土體性質，進一步降低工后沉降、提高地基承載力,以滿足上部結構對地基的變形與承載力要求。

2 試驗方案

在工程項目現場選取代表性場地作為試驗區(qū)，試驗區(qū)面積約為2.5萬m2。

試夯目的：1)通過真空堆載預壓法加速淤泥固結速度并增強淤泥土體性質[4]；2)通過強夯消除表層砂土液化同時進一步降低工后沉降并提高土體地基承載能力；3)為本工程地基處理適宜性提出評價，并提供有關設計和施工參數。

試驗區(qū)施工步驟為場地整平、周邊密封→施工砂墊層→施工塑料排水板→安裝抽真空設備→施工密封膜→抽真空→強夯→檢測驗收。

真空堆載預壓試驗方案：

1)塑料排水板：塑料排水板規(guī)格采用SPB-B型，正方形布置，塑料排水板間距1.0 m，排水板長度12 m～15 m(插板深度按穿透淤泥進行下臥土層不小于0.5 m控制)。塑料排水板上端高出砂墊層0.3 m。

2)砂墊層：本工程采用中、粗砂作為水平排水砂墊層，厚度為500 mm，含泥量不得大于5%，滲透系數大于1×10-2cm/s。

3)真空預壓：每臺真空泵處理面積不大于800 m2，真空泵中間間距不大于40 m，真空泵功率采用7.5 kW。覆蓋膜采用2布3膜，即最上一層為長絲無紡土工布，中間為3 層PE 或PVC 密封膜，最下一層為短絲無紡土工布，短絲無紡土工布和長絲無紡土工布均采用250 g/m2。在真空度維持在-80 kPa以上。

4)黏土帷幕墻：密封溝下設置黏土帷幕墻，帷幕墻進入淤泥不小于1 m，攪拌后墻體含黏粒的量應大于20%，并摻入5%的膨潤土，滲透系數應小于5×10-6cm/s[5]。

5)卸載要求：根據變形實測資料，推算的淤泥土層固結度不小于85%；連續(xù)10 d平均沉降量小于2 mm/d。

強夯試驗方案：

1)點夯：兩遍點夯，均為正方形布置，單點夯擊能為2 000 kN·m～2 500 kN·m，夯點間距為6.0 m，兩遍點夯施工間隔3 d～5 d。點夯擊次數6擊～8擊，夯點的收錘標準以最后兩擊的平均夯沉量小于5 cm控制，并同時滿足夯坑周圍地面不應發(fā)生過大的隆起；不因夯坑過深而發(fā)生提錘困難的規(guī)范要求。

2)滿夯：兩遍滿夯，滿夯夯擊能為1 000 kN·m，要求夯錘的底面積彼此搭接1/4。

檢測方案：

本試驗區(qū)在地基處理前、中、后三個階段均進行了監(jiān)測和檢測工作。

試驗前：預埋沉降監(jiān)測板及孔隙水壓力計等監(jiān)測原件，同時進行了土體原位測試及室內試驗，對后期試驗提供對比參數。

試驗中：對地基處理過程中的沉降及孔隙水壓力進行監(jiān)測。

試驗后：進行土體原位測試及室內試驗，與前期試驗數據進行對比[6]。

3 試驗數據分析

3.1 表層沉降

試驗區(qū)沉降與時間變化干洗曲線見圖1，從圖1可以看出，地表沉降隨時間逐漸增大，在后期的10 d～20 d沉降趨于穩(wěn)定，沉降速率約為1 mm/d～2 mm/d，抽真空期內試驗區(qū)地表沉降量約350 mm～390 mm，根據沉降數據計算，計算總沉降量約為380 mm～420 mm，抽真空結束后，軟土的平均固結度約為93%，殘余沉降約為25 mm～30 mm，滿足設計要求。

3.2 孔隙水壓力

根據有效應力原理，測定土中孔隙水壓力的數值大小及其消散程度，對于正確評價地基土的強度、穩(wěn)定性及其固結程度非常重要。超靜孔隙水壓力為附加應力中由孔隙水所承受或傳遞的壓(或應)力。它隨土中水的排出而不斷消散，直至完全轉化為有效應力。在試驗區(qū)地面以下7.5 m和13.0 m處共設置兩個孔隙水壓力計，圖2為抽真空期間不同深度處孔隙水壓力與時間變化關系曲線圖，從圖2中可以看出，在抽真空初期，隨著膜下真空度的不斷提高，孔隙水壓力也不斷增大，當真空度達到極值穩(wěn)定后，孔隙水壓力達到峰值，在抽真空后期隨著超靜孔隙水壓力的消散，土體有效應力不斷增大，進而完成固結過程。如圖2所示兩個深度范圍內的水壓力變化幅度約30 kPa，試驗區(qū)真空預壓處理有效影響深度已達13.0 m。

3.3 原位十字板剪切試驗

原位十字板剪切試驗是一種不擾動原土土樣就可以對原狀土強度進行評價的方法。試驗區(qū)選取0 m,2 m,5 m,8 m,10 m和12 m深處分別進行原位十字板剪切試驗(見表2)，從表2可以看出試驗區(qū)處理前的不排水強度約為11.53 kPa～15.74 kPa，處理后的不排水強度約為36.63 kPa～55.39 kPa，強度平均提高幅度均大于200%，從12 m位置處的原位十字板剪切試驗數據可見，試驗區(qū)的真空預壓處理有效影響深度可達12 m。

表2 原位十字板剪切試驗數據

3.4 室內試驗

室內試驗數據見表3，從表3中可以看出，經真空預壓處理后軟土的各項物理力學指標均有不同程度提高，軟土地基經固結后相對密度增加1.1 g/cm3～2 g/cm3，w(水)降低5%～10.5%，孔隙比降低0.218～0.484，黏結力增加2.4 kPa～4.2 kPa，內摩擦角增大0.7°～3.1°。通過試驗區(qū)加固前后的主要物理力學指標對比分析，加固土體的物理力學性質得到了明顯改善，達到了地基處理的目的。

表3 室內試驗數據

3.5 強夯后平板載荷試驗

試驗區(qū)內選取點夯的夯間土地基進行淺層平板載荷，共2組。

從表4可以看出，吹填砂經強夯地基處理后，試驗區(qū)夯點處的加荷量為324 kPa～350 kPa，可見試驗區(qū)地基經強夯處理后可以滿足地基承載力特征值150 kPa的使用要求。

表4 試驗區(qū)夯點處加荷量匯總表 kPa

3.6 強夯后軟弱下臥層地基承載力驗算

根據GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范(2009 年版)10.6.5第1條規(guī)定：按中國建筑科學研究院、華東電力設計院的經驗，地基容許承載力可按式qu=2Cu+rh進行估算。

由于上部吹填砂經強夯處理后形成人工硬殼層，人工硬殼層厚度按3.0 m,4.0 m和5.0 m分別進行驗算(見表5)，根據GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范5.2.7條規(guī)定進行軟弱下臥層驗算：Pz+Pcz≤faz。作用于基礎底面的平均壓力按150 kPa計算。

表5 不同埋深強夯后軟弱下臥層地基承載力驗算

3.7 強夯前后分層沉降

試驗區(qū)分別在軟土層頂和吹填砂頂設置分層沉降板，試驗區(qū)的分層沉降數據如表6所示。

表6 試驗區(qū)分層沉降數據 mm

從表6中可以看出，試驗區(qū)內表層的沉降值約為411 mm～473 mm，強夯的夯沉量約393 mm～445 mm,軟弱土層的沉降值約為18 mm～28 mm。經檢測試驗區(qū)地基承載力均能滿足設計要求，因此本試驗區(qū)的夯沉量可作為下階段大面積強夯施工提供參考，指導施工。另外根據軟土層頂分層沉降板測量數據，經強夯處理后軟土沉降值約為18 mm～28 mm，進一步減小了工后(殘余)沉降[7]。

4 結語

本文以實際工程項目試驗區(qū)為依托，從地基的變形和承載力兩方面出發(fā)，采用真空預壓+強夯相結合的手段對地基進行處理。真空預壓可改善土體性質，提高土體強度，增加土體變形模量進而有效降低軟土地基的工后沉降，滿足工程使用要求。表層吹填砂經強夯加固處理后形成人工硬殼層，形成的人工硬殼層經強夯處理后可消除上部回填土的自重固結、改善回填土體性質，進一步降低工后沉降、提高地基承載力，以滿足上部結構對地基的變形與承載力要求，另外，由于人工硬殼增大了上部附加應力的擴散路徑和地基壓力擴散角，進而降低了附加應力對軟土的影響，一方面滿足軟弱下臥層的地基承載力要求，另一方面在真空預壓處理的基礎上，進一步降低了軟土地基的工后沉降，為工程項目的后期使用提供保證。

通過對試驗區(qū)內軟土地基的沉降監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測及十字板剪切試驗等數據的分析，可以看出軟土地基經真空預壓處理后土體性質及強度較加固前均得到了較大的改善和提高，沉降趨于穩(wěn)定，滿足工后使用要求，通過對人工硬殼層的夯點間土體進行平板載荷試驗分析，經強夯處理的人工硬殼層地基承載力均大于150 kPa，滿足設計要求。試驗區(qū)的夯沉量可為下階段大面積強夯施工提供參考，指導施工。通過對軟土層頂分層沉降板的沉降數據分析，經強夯處理后軟土均不同程度地發(fā)生二次沉降，進而減小了工后(殘余)沉降，為工程項目的后期使用提供保證。

綜上可見，試驗區(qū)采用真空預壓+強夯相結合的手段處理軟土地基取得了成功經驗，為本工程后期建設提供了依據，亦為本地區(qū)相類似工程提供借鑒經驗。