[科普中国]-浅层处理

简介

经过国内外几十年的不断探索和研究，目前真空预压法已广泛应用于港口码头、机场及高速公路等工程建设中的超软地基处理中，与堆载预压法相比，它具有加荷速度快、无需堆载材料、不易出现地基失稳事故等优点。新吹填淤泥含水率极高，且土体强度极低，若采用常规真空预压法，必须先铺设土工布、筋芭或土工格栅以及一定厚度的中粗砂排水垫层后才能使机械设备进场作业，设置的中粗砂排水垫层一方面可以使淤泥固结孔隙水通畅地排出，另一方面也起到硬壳层作用。但由于目前许多地区中粗砂严重短缺，无法满足新吹填淤泥地基处理的需求。因而，探索研究取消排水砂垫层的新吹填淤泥地基处理技术是目前工程中最具实际意义的课题。为此，工程技术人员对取消砂垫层的新吹填淤泥地基浅层处理进行了一些探讨研究，但实践表明，取消砂垫层后，按通常的真空预压法思路进行的地基处理，多数情况下并不能达到设计要求，这说明，这种新的思路和处理方法尚需要进一步开展研究，因而在总结以往经验的基础上开展现场试验研究无疑对探索如何提高地基处理效果具有重要意义。

新吹填淤泥地基处理一般采用按控制工后沉降或控制承载力（或强度）的标准来进行设计，其中按控制工后沉降的要求更高，它隐含了对地基承载力（或强度）的要求，通常采用深层处理方法，即将吹填淤泥和原地基软土一起进行处理，否则无法满足工后沉降的要求。按控制承载力（或强度）对吹填淤泥地基进行处理的主要目是使地基上部一定厚度范围内土体强度得到明显改善，提高地表承载力，以满足后续工程建设和大型机械设备进场作业的需求，处理时一般采用浅层处理方法，即对表层一定厚度的淤泥地基进行处理，以提高土体强度，改善地基承载力。对多数新吹填淤泥工程来说，由于其地表承载力极低，无法进行后续作业，如何尽快提高地基浅层承载力是其面临的最大问题，同时后续建设时需根据用地特性要求，多数将进行二次地基处理，若在吹填淤泥处理中采用全深度处理技术必然造成不必要的浪费。因此，采用浅层处理方法可有效缩短吹填淤泥地基处理工期、节约工程投资，避免不必要的工程浪费。结合温州某新吹填淤泥处理工程对取消排水垫层的吹填淤泥浅层处理特性、施工工艺等进行了现场试验研究1。

工程概况温州某新吹填淤泥地基处理工程位于温州市龙湾区海城街道东南约5 km 处，吹填面积约470 万m2 ，根据场地勘察资料，工程场地原地基上部主要为海相、冲海相的含细砂淤泥、淤泥软土，该层土具有高压缩性和低强度等特点，属典型软土地基，厚度达30 m以上，其下主要分布着海相、湖沼相的黏土、粉质黏土。工程原场地上部为采用水力吹填所形成的淤泥，吹填淤泥来自于附近海域的淤泥土，吹填完成后，新吹填淤泥层厚约3 m，呈流动态，强度极低，吹填淤泥含水率高达130%，含砂量小于5%，孔隙比大，属于典型的超软超含水率软土2。

吹填淤泥地基浅层处理技术根据工程场地后期使用要求和特性，确定地基处理完成后0～1.5 m 范围内吹填淤泥土体的承载力特征值达到50 kPa，同时由于当地砂源较为紧缺，为缩短工期，降低工程成本，经多方专家论证后确定对新吹填淤泥地基采用取消砂垫层的浅层处理方法，即仅对新吹填淤泥层进行处理，确定的新淤泥地基处理施工顺序和工艺如下。

①搭设浮桥：沿地基处理真空预压分区（一般为3～5 万m2）的周边，将竹竿插入到原地基土层内，并在新吹填淤泥泥面上形成具有一定承载力的竹架，形成浮桥，具有施工便道和放置真空设备的功能。

②铺设编织布：在新吹填淤泥地基的泥面上直接铺设一层编织布，以便将吹填泥和排水板头及真空管路隔离开，并有利于地基的固结排水。

③人工插板：借用可循环使用浮筏，采用人工的方式将裁减好的塑料排水板插入到新吹填淤泥中，并按设计间距将排水板头与真空滤管绑扎一起，排水板间距为80cm，呈正方形布置，打设深度为3.2 m（打穿吹填淤泥），滤管间距为80 cm，排水板板头与滤管相连。

④真空滤管：由于新吹填淤泥具有大变形特性，在处理过程中一般会产生较大的差异沉降，因此本工程采用塑料软滤管代替常规真空预压法中的UPVC 塑料管，该塑料软滤管所形成的水平通道为φ 63 mm（内径50mm），并在外侧包两层无纺布。同时为了保证膜下真空度传递的均匀性，真空滤管的布置采用环形闭合回路方式，而不是常规的条形或鱼刺形。

⑤铺设无纺布：待排水板和真空滤管布设完毕后，在其上铺设一层无纺土工布，其作用是保护密封膜，并有利于地基的固结排水。

⑥铺设密封膜：在无纺布上面铺设两层聚乙烯密封膜薄膜。

⑦真空泵布置：真空泵在场地均匀布置，布置密度为1000 m2/台3。

现场试验及结果分析为探索取消排水垫层后新吹填淤泥地基浅层处理特性与效果，在现场实施的过程中布置了原位监测仪器，并开展了现场和室内试验研究，主要包括膜下真空度、表层沉降、孔隙水压力、加固前后土体力学性质试验以及载荷试验等内容，其中孔隙水压力计均匀分布在新吹填淤泥地基中。

由于现场实际监测仪器较多，仅选取02 区和03 区2 个典型区域，对新吹填淤泥浅层处理中监测数据进行分析。

1 膜下真空度

膜下真空度达到设计要求并维持稳定是取消排水垫层后新吹填淤泥地基浅层处理成功的关键。02 和03 试验区现场情况表明，按每1000 m2 布置1 台真空泵，当开泵率达到30%时，3 d 后02 区接近70 kPa，而03 区达到70 kPa 以上。

待15 d 后将开泵率再增加至80%时，02 区膜下真空度接近80 kPa，03 区可达到80 kPa 以上，使开泵率保持不变可维持真空压力的稳定，抽真空两个月后开始逐渐降低开泵率，膜下真空度也随之下降。在实施过程中发现02 区出现膜下真空度比03 区小的原因是在抽真空过程中，周边密封沟出现空洞，膜面部分破损，同时由于覆水较深，未能完全排查漏气点，因此抽真空后期即使开泵率与前期保持相同，膜下真空度也难以达到之前的水平。由此可见，取消排水垫层后，每1000 m2 布置1 台真空泵完全可以保证膜下真空度达到设计要求，同时在抽真空过程中应及时对密封膜进行维护，避免漏气点出现而导致膜下真空度水平下降。

2 地表沉降

该区累计沉降量平均值为91.7 cm，最大值为114.6 cm，最小值为74.3 cm，差异沉降为40.3 cm。该区累计沉降量平均值为102.4 cm，最大值为115.7 cm，最小值为84.1 cm，差异沉降为31.6 cm。差异沉降较大的原因是场地内分布着众多的较硬田埂，其上的吹填淤泥层较薄，沉降量相对也较小。可以看出，抽真空初期，地表沉降速率较大，与时间几乎成线性关系，这说明对新吹填淤泥的处理效果明显。抽真空45 d 后，沉降速率降低至1.0 cm/d 以下，但沉降仍在继续，直至抽真空3 个月左右，沉降速率大约为3 mm/d，再持续一段时间后沉降趋于收敛，施工完成时，用三点法与双曲线法估算两个区域的固结度约为85%左右。

3 孔隙水压力

在02 和03 区中心分别埋设了一组振弦式孔压计，其中02 区的埋设深度为0.5，1.0，1.5 m，03 区的埋设深度为1.0，2.0，3.0 m，可以看出，对于取消排水垫层的新吹填淤泥地基处理来说，孔压消散可以分为三个阶段：第一阶段为刚开始时抽取膜下的地表水，此时孔隙水压力反映的主要是静水压力变化，该阶段持续时间较短。第二阶段为随着抽真空时间的增加，吹填淤泥土体发生了固结，而由于吹填淤泥黏粒含量大，渗透性小，使得土体固结缓慢发生，孔压消散速度慢，孔压在一段时间内变化不大。第三阶段为孔压消散变快，主要原因可能是土体经过一段较长时间的固结后，土体结构发生重组，形成了某些贯通性的孔隙，有利于土体内真空度的传递，因此孔压下降较快。抽真空结束时，0.5，1.0，1.5 m 深处的孔压消散值分别是-56.4，-55.1，-47.3 kPa，同时孔压消散值沿深度减小，说明真空度在排水板中沿深度是发生衰减的。

4 土体物理力学指标

为比较吹填淤泥处理前后物理力学指标的变化，在试验区中心钻孔取样并进行了室内试验。加固前吹填淤泥层的含水率高达130%，加固后淤泥层的含水率降低至49%～55%，液性指数降低至约为1.22，孔隙比由加固前的2.32 降低至1.37，这表明新吹填淤泥地基经过浅层处理后物理力学性质得到明显改善。地基处理完成后，02 区吹填淤泥孔隙比减小了34.5%，03 区减小了40.8%，而它们所对应的最大沉降与吹填淤泥厚度的比分别为35.8%和36.2%，这说明地基发生的沉降主要是被处理的吹填淤泥土层压缩引起的。

5 载荷板试验

为检验新吹填淤泥浅层处理效果，在02 和03 试验区中心进行了表层载荷板试验，承压板尺寸为0.707m×0.707 m。试验结果表明，02 区的地基承载力特征值大于65 kPa，03 区地基承载力特征值大于55 kPa，这说明经过浅层处理后，新吹填淤泥土体强度在浅层已得到较大提高，地基承载力能够满足设计要求。

6 真空滤管

以往真空预压所使用的滤管一般为UPVC 塑料管，但吹填淤泥在处理过程中产生了较大的差异沉降，因此，UPVC 塑料管难以适应沉降变化，滤管间的连接会经常被拉脱，从而造成真空负压传递中断，影响加固效果。为此，在本试验场地中选择了塑料软式透水管代替UPVC 塑料管，其管外径为63 mm，内径为50 mm，并外包两层无纺土工布，并在管壁每隔5 cm打设直径为8 mm 的螺旋孔，平面布置形式为环形闭合回路，即在边界处采用三通将主管与场区内的支管连接起来，而不是常规真空预压法中的条形或鱼刺形。实践表明，采用替代的真空滤管和布置方式可使管内真空度能顺利地传递到膜下，并有效地保证整个场区膜下真空度的均匀性2。

总结（1）试验结果表明，采用本工程的浅层处理方法可以使新吹填淤泥地基承载力明显提高，并缩短了工期，降低了工程造价。

（2）试验结果表明，取消排水垫层后，每1000 m2布置1 台真空泵可以保证膜下真空度能达到设计要求。

（3）在浅层地基处理中所发生的沉降基本是由被处理的新吹填淤泥土层压缩所引起。

（4）取消排水垫层后，真空滤管的选择与布置方式、真空膜的密封性与维护等对真空度的传递及提高地基处理效果具有重要影响。

（5）取消排水垫层的新吹填淤泥地基浅层处理是近年来工程人员积极探索的一种新技术，尚有许多问题如设计计算理论与方法、施工工艺等都值得进一步深入研究2。