增壓式真空預壓法在疏浚砂尾水區地基處理中的應用

盧家琦 江輝煌 馬馳 李耀華 吳開健

1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.鐵科院（深圳）研究設計院有限公司，廣東 深圳 518057；3.中交廣州水運工程設計研究院有限公司，廣州 510221

真空預壓技術在沿海地區軟基處理中有著很大的優勢［1-4］，具有處理范圍廣、處理成本低、處理深度大等優點。傳統的真空預壓技術存在一些缺點［5］，比如工程實踐中真空度沿程衰減較大，尤其隨著深度增加，中下部軟基處理效果較差，工后承載力低，工后沉降大，往往需二次加固處理，導致工期加長。此外，工程上使用的排水板容易發生折斷、淤堵、倒齒，造成排水通道失效，導致處理效果較差。隨著科技的進步，增壓式真空預壓法應運而生。楊子江等［6］介紹了增壓式真空預壓的工作原理，闡述了該處理方法的相關施工工藝及相應的施工材料，提出相應的施工控制措施和施工難點，并與傳統方法進行了對比，展現了新方法的優點，但是對于其加固機理研究較少。沈宇鵬等［7］通過觀測沉降發現增壓管的設置加大預壓期的沉降主要發生在增壓管影響范圍內，認為增壓真空預壓排水板的間距宜采用1.0 m，但是并沒有研究小于1.0 m的間距，對于排水板布置未給出定量的結論。Ke等［8］通過研究排水量、沉降試驗后的抗剪強度等指標，發現加壓時間對加固效果有較大影響，給出了1.5 h的最優加壓時間，但對于加壓溫度影響的研究較少。Rila等［9］認為增壓式真空預壓處理深層軟基時更容易在土體中產生裂縫，增加了深層的滲透性和真空壓力的傳輸效率，但是未定義增壓后真空在深層土體中的傳遞作用。雷華陽等［10-11］通過電鏡掃描試驗和壓汞試驗分析發現，增壓式真空預壓加固后的土體骨架顆粒形態更均勻密實，細小孔隙的數量更多，加固效果優于常規真空預壓法。

航道疏浚物土質差異性較大，特別在吹填尾水流線末端的疏浚沉淀物，黏粒含量高，土體塑性指數大于25，含水率大于85%，孔隙比大于1.5，導致其承載力低，使用常規方法處理工期較長，工序較繁瑣，并且難以保證工后效果。因此，采用增壓式真空預壓處理是很好的選擇。本文結合一軟基處理項目，詳細介紹增壓式真空預壓的應用，為區域相關軟基處理項目提供參考。

1 工程概況

項目位于湛江市東海島的北部，場區北側臨海域，南側鄰疏港公路和東海島鐵路，西側鄰規劃的石化產業園區預留發展用地，東側為排海通道。場地存在較厚的吹填土（淤泥）層、淤泥（夾砂）和淤泥質黏土層，須進行填土及軟基處理。

1.1 工程地質條件

在勘察揭露深度范圍內，地基土的構成與分布自上而下分別為：①第四系人工填土層。②全新統沖海積和海相沉積層。③下更新統湛江組海陸交互相沉積層。其中，回填料采用航道改擴建工程中含砂量較高（粒徑大于0.075 mm的顆粒含量大于50%）的疏浚物。根據現場取樣進行室內顆分試驗分析，疏浚砂尾水區的疏浚砂大于0.075 mm的顆粒含量在63.5%。各土層物理性及力學指標見表1。

表1 各土層物理性及力學指標

項目用地區域地下水有淺層第四系地層中的潛水、承壓水兩種類型。其中，潛水主要賦存于淺層填土和全新統沖海積層中。勘察期間測得鉆孔的地下水穩定水位埋深為0.3～4.3 m。根據工程經驗，沿海建設場地在地勢增高后（與周邊地勢持平），最終高水位一般可至地表下0.5～1.0 m。承壓水主要賦存于湛江組地層中，含水層巖性為砂土，富水性豐富。

1.2 不良地質條件

1）擬建場地淺部分布的吹填土含礫中粗砂、中粗砂夾黏性土在水動力作用下易產生流砂現象，在反復振動荷載作用下易產生砂土液化現象，在基坑開挖時易產生滲流液化。

2）疏浚砂尾水沉淀區面積較大，吹填土（砂）中含水率較高，黏粒含量較高，并且部分區域存在海積淤泥，土質軟弱、不均且成分復雜，使用常規軟基處理方法工期較長，并且由于土體壓縮性較大，容易導致不均勻沉降等問題。

2 軟基處理方案

2.1 方案對比選擇

處理含水率較大的深厚軟基，選擇插板排水固結堆載預壓和真空預壓法較合適，插板排水固結堆載預壓相對于真空預壓法處理時間較長，工序較繁，所需的預壓資料較多，短時期內難以準備齊全。常規真空預壓法的排水板濾膜孔徑小，淤泥顆粒被堵塞在濾膜外，容易形成泥餅，會造成抽不動的現象。另外，常規真空預壓法采用排水板繞接真空濾管的方式進行聯結，真空度沿程損失快；抽真空設備為射流真空泵，需使用的數量多，能耗大，且不便管理。因此，沉淀區地基處理采用增壓式真空預壓法。

2.2 施工階段主要技術要求

增壓式真空預壓排水固結方案地基處理的施工順序如下：吹填結束后場地整平→鋪設工作砂墊層（1.0 m厚）→打設黏土密封墻→插板機打設排水板（間距0.9 m，正方形布置）、插增壓管（間距2.7 m，正方形布置）→布設濾管及檢測設備→連通排水板與濾管→鋪設無紡土工布→鋪設密封膜→布設真空泵及其他抽真空裝置→土體增壓、抽氣加載→卸載→碾壓整平至交工標高→檢測、驗收。設計增壓式真空預壓區斷面圖如圖1所示。

圖1 增壓式真空預壓區情況

主要施工階段技術要求如下。

1）排水板的選取與插設。常用的普通排水板濾膜較厚，等效孔徑小，易淤堵，抽真空芯板易倒伏，通水量小。本項目采用新型的整體式排水板，濾膜為防淤堵排水板濾膜，濾布與板芯熱熔結合，形成連續框架結構，整體性、強度都比普通排水板要強。由于其整體性好，濾布在高壓狀態下不會折入板芯，其通水量遠大于普通排水板。從原理上分析，新型整體式排水板的井阻小于普通排水板，可獲得更優的排水效果。兩種排水板濾膜如圖2所示，排水板相關參數見表2。

圖2 排水板濾膜

表2 排水板相關參數

排水板施工采用軌道式振動插板機，施工主要步驟為：①插板機移機就位。按規范進行樁位放標，調正套管垂直度，對準插放樁位，將塑料排水板插入空心套管中，排水板從插入桿端頭引出、折回，夾上短鋼筋。②插打塑料排水板。使用振動或液壓的方式將套管沉入至設計標高。③拔出空心套管。在套管提升過程中，塑料排水板板頭受到短鋼筋壓力被留在土中。④切割塑料排水板。套管底提升至砂面以上后，留出塑料排水板埋入砂墊層的長度（25 cm），將塑料排水板割斷。

2）連接增壓管路、埋設不倒翁集水井（又稱水汽分離集水井，見圖3）。兩相鄰排水板之間需采用手形接頭、真空支管連接，手形接頭接管部分由圓臺組成，圓臺外側必須有三角倒齒。排水板與手形接頭連接時，應將板頭剪平整。排水板板頭應插入手形接頭的底部。手形接頭連接完成后，排水板、手形接頭應貼近地面。真空支管延加固區域的短邊方向布置，而真空主管需沿加固區域的長邊方向布置，主管兩側的支管長度為50 m。所有接頭及管網連接完成后，用木工槍釘進行再固定。設計排水板間距為0.9 m，正方形布置。

圖3 水汽分離集水井

在預壓區內，每1 000 m2為一個增壓單元，增壓單元為正方形。增壓管路連接時，預留有一定的伸縮量防止后期土體變形。不倒翁集水井沿加固區域的長邊方向均勻分布在真空主管之間，埋設時坡度不應過大，埋設堆填料使用黏土、可塑性淤泥。不倒翁集水井埋設完成后，及時進行封口處理。根據氣平行計算不倒翁集水井容積不小于2.5 m3。

3）密封墻施工。泥漿密封墻的泥漿采用淤泥或粉質黏土。攪拌樁封閉墻采取雙排樁，單樁設計直徑700 mm，縱橫兩樁之間彼此搭接長度為200 mm，間距500 mm，深度需穿過淤泥混砂層，進入黏土層0.5 m。泥漿摻入比要求不小于35%，另摻入5%的膨潤土；泥漿比重要求不小于1.35，淤泥密封墻滲透系數小于1×10-6cm∕s。攪拌樁施工下攪速度控制為1.2 m∕min，上攪速度0.8 m∕min。要求施工4噴4攪以上，嚴格控制工藝指標，尤其是攪噴速度。樁位定位偏差應控制在±70 mm范圍內，控制樁管下插時的垂直度偏差不大于±5%。密封墻施工工序包括：①制漿。制漿黏土可以選取現場真空預壓區域周圍的淤泥，要求淤泥中黏粒（粒徑小于0.005 mm的顆粒）摻入量不低于25%，泥漿制備采用圓筒式攪拌機完成，根據每罐的拌和量先加入一定量水，按比例摻入膨潤土，然后向攪拌桶內添加黏土混合攪拌，根據泥漿相對密度要求添加水和黏土，泥漿相對密度達到1.3后才能使用。②攪拌噴漿。采用雙攪拌頭深層攪拌機對黏土密封墻攪拌，攪頭為兩個直徑70 cm的快刀，攪拌時形成寬70 cm、長120 cm的8字形，施工雙排密封墻按8字形排列，每根樁批次搭接20 cm，打設過程中控制套管垂直度偏差不得大于±1.5%。拌和深度要求穿透透水層并進入下部不透水層1.5 m，拌和程序為4次噴漿4次攪拌，施工中嚴格控制噴攪工藝及攪拌速度。

真空度監測曲線見圖4。可知：施工正式開始后逐漸抽真空至-85 kPa以上，整個施工階段真空度曲線穩定，表明密封效果良好，上述改進措施有效。

圖4 真空度監測曲線

4）孔隙水壓力監測。孔隙水壓力計在6 m深度以上區域每2 m設置1個測頭；6 m深度以下直至排水板底以下2 m，每3 m埋設1個測頭。測頭平面位置位于排水板正方形平面布置的幾何形心上。孔隙水壓力計應在抽真空開始之前埋設，埋設后記錄測量初始值。

5）沉降監測。真空預壓處理每分區均勻布置沉降板，布置間距為50 m×50 m。沉降板在膜上埋放時，需要預先在膜上鋪一層土工布，然后用砂找平，安放好沉降板后將沉降板和桿用砂包袋圍好。打設插板引起的地面沉降應由前后地面標高測量確定。

6）增壓施工。根據沉降速率逐漸抽真空至85 kPa（滿載后）以上，連續抽真空至出水量明顯減少，平均沉降減小至25～40 mm后，開始增壓施工。增壓采用間歇式工作方式。施工時，氣壓控制在0～20 kPa（需根據場地實際情況調整），真空度減小至10～20 kPa時停止增壓；之后再次抽真空維持至85 kPa以上、出水量減少時，再次增壓施工。一般24 h增壓施工一次，每次1.5～2.0 h。增壓施工重復循環15～20次，最近一周平均沉降降至25 mm以下時，增壓施工結束。

3 增壓式真空預壓法效果分析

該項目吹填區面積為72 090 m2，其中南部區域面積29 268 m2為吹填尾水流線沉淀區。相比較其他區域，沉淀區具有淤泥層厚、含水率更高、孔隙比大、承載力低、工后沉降大等特點，土質極差，因此該區域采用增壓式真空預壓處理。在增壓施工過程中，監測孔隙水壓力和沉降變化，結果見圖5。

圖5 監測數據曲線

由圖5可知：從通電加壓至85 kPa的過程中，3個點的孔隙水壓力逐漸加速降低，沉降速率加快，累計沉降加速增大，說明尾水區正在加速固結；加壓至達到滿載時，沉降速率達到峰值，這期間累計沉降變化最快；在達到滿載后的增壓階段，孔隙水壓力和沉降速率均因增壓而發生波動。滿載之后，孔隙水壓力繼續減小，但曲線逐漸趨于平穩，說明孔隙水壓力消減速率逐漸減小，尾水區固結度越來越高，累計沉降持續增長，沉降速率也趨于穩定；在加壓100 d之后，沉降速率小于1 mm∕d。根據整個施工階段的監測數據，可將增壓式真空預壓的固結分為3個階段：加速固結階段、穩定固結階段、緩慢固結階段。

在沉降速率連續10 d小于1 mm∕d時，使用淺岡法預測計算尾水區工后沉降，得到計算結果顯示其平均工后沉降為471 mm，平均剩余沉降為93 mm，固結度達到80%。不同區域地基處理效果見表3。可知，沉降板布置間距100 m時，最大差異沉降為34 mm。

表3 不同區域地基處理效果

在真空預壓區和非真空預壓區各選取2個測點進行靜載試驗，壓板面積1 m2。在最大試驗荷載160 kPa時真空預壓區測點1、測點2沉降分別為3.1、2.6 mm，非真空預壓區測點1、測點2沉降分別為6.2、4.7 mm。在承載力特征值80 kPa時真空預壓區測點1、測點2沉降分別為1.7、1.6 mm，非真空預壓區測點1、測點2沉降分別為2.5、2.4 mm。靜載試驗地基的荷載-位移曲線見圖6。可知，真空預壓區在七級荷載下均未發生破壞，兩區域的單點承載力特征值均達到80 kPa，滿足設計要求。

圖6 靜載試驗荷載-位移曲線

增壓式真空預壓法處理軟基時間可縮短近40 d左右，而且最大差異沉降較小，沉降速率均也要比插板排水固結堆載預壓區穩定，而吹填尾水區含水量比其他區更高，可見該區域使用此軟基處理方法效果較好。

4 結論

1）新型的整體式排水板更改了濾膜，使用連續梁結構，整體性強、板體強度增強，等效孔徑大，加大了通水量，降低了疏浚砂導致排水板淤堵的可能性。采用軌道式振動插板機插排水板使其達到設計位置，提高了排水板的穩定性。

2）泥漿密封墻采取雙排樁，由于砂層較厚，在配比中密封墻加入摻入5%的膨潤土，從而提高了密封性，抽真空過程中，膜下真空度基本保持在85 kPa左右，達到了預期地基抽真空預壓的效果。

3）綜合分析真空預壓區歷時監測曲線，可以將該方法處理的軟基過程分為3個階段即：加速固結階段、穩定固結階段、緩慢固結階段。

4）與一般方法相比，增壓式真空預壓處理軟基時間要縮短40 d左右，處理后的軟基也會更加穩定；不同于堆載預壓需要耗費大量人力多次堆載，增壓式真空預壓僅需每24 h增壓施工一次即可，大大節約了人力物力。