双层滤管无砂垫层真空预压法处理超软海底吹填淤泥

彭 吉力,苏 波,董江平,王柏欢

(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098;2.中交上航局航道建设有限公司,浙江宁波 315200)

真空预压法是一种有效的软基加固方法,近年来随着我国沿海地区吹填成陆工程的大量出现,真空预压法也越来越多地被应用到处理超软海底淤泥工程中.

普通的真空预压法是在软基表面铺垫40～50 cm厚的砂垫层之后,在砂垫层中埋入水平滤管,构成水平向排水系统;在土体中打入塑料排水板,作为竖向排水系统;然后将密封膜铺设在软基表面的砂垫层上,薄膜四周埋入土中;通过抽真空系统,借埋设于砂垫层中的水平滤管,将薄膜下土体间的空气抽出,使其形成相对负压,由于塑料排水板渗透性较大,该负压能够快速传递到砂井中,从而在排水板和排水板周围土体之间形成孔压差,使土体中的孔隙水流入排水板并被排出,从而达到加固软基的目的.

对于沿海吹填成陆工程中的海底吹填淤泥场地地基,采用常规的真空预压法往往难以达到加固的目的,如本研究所依托的温州市吹填地基加固工程中,如果采用常规真空预压法,40 cm厚砂垫层荷载再加上垫层摊铺机械的荷载,总荷载将大于地基承载力,铺设难以进行.而且我国砂资源日益稀缺,因此无砂垫层真空预压是可行的方案[1].已有的研究表明[2-3],真空预压法处理之后,在地表会形成一个硬壳层,如温州市吹填地基加固工程中,已加固的常规无砂垫层真空预压形成的硬壳层厚度一般为0.5～1.0m.考虑到硬壳层以下的土体可能无法达到处理目标所要求的加固效果,而硬壳层厚度又不满足设计要求,因此本文提出采用双层滤管无砂垫层真空预压法,并进行了对比试验研究,其加固效果要明显优于常规的无砂垫层真空预压法.

1 双层滤管无砂垫层真空预压法施工工艺

在常规的真空预压工程中,垫层的主要作用是:(a)传递抽真空系统中的低压,在膜下形成低压力场,其流体绝对压力为26～31 kPa,也就是通常所说的真空度为80～85kPa;(b)将抽吸出来的地基中的水、气汇集并由管道排出场地.越接近垫层,塑料排水板中的流体压力越低,也就是软土中存在真空作用随深度衰减的规律.真空作用越小,那么加固效果显然就越差[4-5].常规的真空预压剖面如图1所示.

图1 常规真空预压法示意图Fig.1 Section sketch of conventional vacuum preloading

为了增加硬壳层厚度,确保达到设计要求的加固效果,采用双层滤管无砂垫层真空预压法.即除了地表的无砂垫层水平滤层外,在地下2.0m深处也布置一层水平滤层,与地表的水平滤层一样,该地下滤层也由50mm外径的透水软管构成,透水软管上也绑扎塑料排水板,塑料排水板长度为1.5m.双层滤管无砂垫层真空预压剖面如图2所示.

双层滤管无砂垫层真空预压法的施工步骤如下.

a.先将塑料排水板绑扎在透水软管上,塑料排水板长度根据软土层厚度确定,试验区淤泥层厚度为2.5m,因此塑料排水板长度分别为1.5m(地下滤层)和2.5m(地表滤层).

b.在加固区地表铺设一层150g/m2的编织布,以使施工人员可以在场区上行走、施工,不致掉入淤泥中.

c.地下滤层施工:人工用插杆把地下滤管层压入到地下2.0m处,此时塑料排水板是向上的,且要确保其不露出地面,塑料排水板长度1.5m,板头在地面以下0.5m,塑料排水板采用B型板,正方形布置,间距0.8m.

d.地表透水软管布置好之后,铺设一层200g/m2无纺土工布,以改善水平滤层透气性能,透水软管、塑料排水板、无纺土工布共同构成水平向、竖直向排水体系.

e.再铺2层厚度为0.12mm的聚氯乙烯密封膜,并将膜边人工踩入淤泥中.

f.布置抽真空系统并与地表、地下透水软管连接.

g.开始抽真空并监测,平均沉降速率达到连续10天不大于2mm/d、静力触探或十字板试验测得承载力大于50kPa即可卸载.

由于地下滤层的施工是由人工将绑扎好的塑料排水板的透水软管压入地基中,能够施工的深度受限于土的软硬程度[6],因此双层滤管无砂垫层真空预压法不适用于厚度较大或初始土体强度较大的软基处理,但是对于沿海吹填厚度不大的超软淤泥处理,则具有施工可行性,增加的材料不多,是比较经济的常规真空预压改进方法.

图2 双层滤管无砂垫层真空预压法示意图Fig.2 Section sketch of vacuum preloading with doub le-layer filter pipe in non-sand-mat layer

2 现场试验及监测数据分析

现场试验区位于浙江省温州市龙湾区,该试验区属于温州市吹填成陆工程的一部分.温州市吹填成陆工程总的近期规划范围包括龙湾丁山一期工程、天成工程、永兴南园工程,面积17.7km2.

吹泥船将海底淤泥与海水混合物吹至吹填区,形成陆地,吹填的厚度为2.5～4.5m.吹填后淤泥的天然含水率远大于液限含水率,饱和度接近100%,由现场十字板剪切试验得到的土体不排水强度极低(均小于2kPa).颗粒分析试验结果表明该吹填土所有粒组的粒径均小于0.075mm,其中粒径小于0.005mm的黏粒质量分数为43.4%.

根据吹填区日后的用途,对后续用于场区内道路的部分提出的处理要求为:在加固后0～1.5m深度内,地基承载力特征值f ak≥50kPa,要求在处理后,一些较大的施工机械可以在其上实施道路施工.由于吹填后形成的场地地基承载力极低,一般的软基处理方法例如复合地基、强夯等均无实施条件,只有无砂垫层真空预压施工荷载较小,具有实施可行性[7],因此该吹填区域采用了无砂垫层真空预压法处理.为了研究双层滤管无砂垫层真空预压法和常规无砂垫层真空预压法的区别,进行了现场对比试验.

现场试验区为矩形,长50 m、宽 20 m,加固面积为1000m2.为了便于对比研究,在同一个试验区内、同一块密封膜内划分2个分区,分别布置了双层滤管无砂垫层真空预压和普通的无砂垫层真空预压,平面分布以及相应的监测布置情况如图3所示.布置了2台射流真空泵,正常情况下只开1台,另1台备用.

图3 现场试验平面示意图Fig.3 Layout of field test

从2010年1月31日开始抽真空,至2010年5月9日,大部分时间膜下真空度稳定在80kPa以上,抽真空历时98d.膜下真空度如图4所示.

监测的内容包括表面沉降、分层沉降和孔隙水压力.观测点的布置见图3.孔隙水压力计采用人工埋设法,埋设在2个分区的加固区中部,在由4根排水板形成的矩形的形心处,各布置1组孔隙水压力传感器,每组3个探头,按深度方向每向下1m左右埋设1个探头.

2.1 表面沉降

表面沉降是软基分析的基础,也是加固效果最直接的反映.图5为2个分区的表面沉降曲线.常规的无砂垫层真空预压区(以下简称A区)2个观测点的沉降值分别为50.3 cm和58.2 cm.考虑到加固区淤泥层厚度约为2.5m,可知真空预压的加固效果是比较显著的.

图4 真空荷载作用曲线Fig.4 Vacuum loading curve

图5 表面沉降曲线Fig.5 Surface settlement curve

双层滤管无砂垫层真空预压区(以下简称B区)场地中心和边缘处的累积沉降曲线表明,在真空预压期间,2个观测点的沉降值分别为66.3 cm和73.3 cm.B区中部沉降比A区要大26%,B区边缘沉降比A区要大32%.这不仅表明双层滤管无砂垫层真空预压加固效果要好于常规无砂垫层真空预压,而且双层滤管无砂垫层真空预压的加固效果更均匀,中部沉降大于边缘沉降的幅度由常规无砂垫层真空预压的16%降低到11%.

图6为A区和B区的平均沉降速率曲线,B区的平均沉降速率在抽真空过程中大于A区.

2.2 分层沉降

通过分层沉降的观测,可以了解地基不同深度处的沉降量,从而计算出各土层的压缩量[8].由于试验区软土厚度不大,因此分别在A区和B区布置了1根分层沉降管,每根沉降管放置了2个沉降磁环.磁环初始深度以及沉降曲线如图7所示.

图6 表面平均沉降速率曲线Fig.6 Surface settlement velocity curve

图7 分层沉降曲线Fig.7 Layered settlement curve

A区和B区磁环之间的土层压缩量如表1所示.由表1数据分析可知,B区0～1.1m范围内的土体在抽真空过程中压缩量比A区要大11%,B区1.1～2.0m范围内土体压缩量则比A区要大83%,可知双层滤管无砂垫层真空预压在整个土层中的加固效果要好于常规无砂垫层真空预压,尤其是对深度较大处的土层,其加固效果更要显著好于常规方法,这是由于真空有效作用是随着深度增加而明显衰减的[9-10].双层滤管无砂垫层真空预压在2.0m处增加了一层滤管和向上的塑料排水板,因此使得介于0～2.0m之间的土体受到的真空作用是比较均匀的,可以取得较好的加固效果.

表1 磁环间压缩量Table 1 Compression of soil layers between two magnetic rings

2.3 孔隙水压力

孔隙水压力观测是了解地基土体固结状态的手段,通过不同深度孔压随时间变化曲线的实测资料,可以判断真空预压加固软基的程度.由于真空预压加固地基的地下水水位变化、曼德尔效应以及测量孔容易串气等因素的影响,孔压数据的规律往往并不理想,因此孔压数据的分析一般被作为判断加固效果的辅助手段[11].试验中孔压计的埋设是1个测量孔布置1个孔压计,因此避免了串气现象.

图8为A区和B区孔压曲线.从监测的孔隙水压力随时间变化曲线上看,埋设在淤泥层内的0.5m,1.5m,2.5m处的孔压测点,在抽真空期间,总体变化情况是孔隙水压力呈下降趋势,与真空度从零上升至80 kPa的时间比较吻合.浅层孔压下降较大,深层孔压下降较小,符合一般的抽真空规律[11-13].真空荷载卸除后,孔压恢复到静水压力.

图8 孔隙水压力曲线Fig.8 Pore water pressure curve

A区和B区不同深度处孔压下降的最大幅度如图9所示.A区和B区0.5m,2.5m深度处的孔压在抽真空过程中下降幅度相差在30%以内;而1.5m深度处的孔压下降幅度,B区超过A区55%.这表明双层滤管的增加能有效提高2层滤管之间土体的真空加固效果.从图1也可看出,双层滤管无砂垫层真空预压的优势在于2个滤层之间的土体孔压下降幅度和均匀度都明显好于常规无砂垫层真空预压.

2.4 静力触探试验

试验结束后,在场地内进行了静力触探试验.在A区和B区中部各选择了2个点,这2个点均位于4根塑料排水板围成区域的形心处(即距离塑料排水板最远处),得到的A区和B区的静力触探曲线如图10所示.

图9 不同深度处孔压最大下降幅度曲线Fig.9 Largest decline curve of pore water pressures in different depths

图10 静力触探 P s曲线Fig.10 P s curve of CPT

由图10可知,A区与B区在加固后比贯入阻力Ps值均有较大幅度增长.B区相对增长幅度更大,有效深度也更大.如果以Ps＞0.2MPa为硬壳层判断依据,则A区的硬壳层厚度在1.1m左右,B区硬壳层厚度超过1.7m,且土体范围内强度较均匀.到1.7m深度以下,A区和B区的P s值就比较接近了.

根据静力触探结果推求地基承载力的公式很多,本文根据上海市工程建设规范DGJ08-37—2002《岩土工程勘察规范》中提供的淤泥质土地基承载力计算公式f0=32+0.070Ps,换算后的A区地基承载力特征值在地表下0.5m范围内大于50 kPa,再往下就不能满足设计要求了,B区在地表下1.5m范围内的地基承载力均大于50kPa,达到前述的设计要求.

2.5 载荷板试验

抽真空结束后,在现场进行了载荷板试验.载荷板为圆形,面积为0.5m2,每个区选择了2个试验点分别进行静载荷试验,得到地基承载力极限值,A区和B区的地基承载力极限值均达到了设计要求:A区试验点1和2的地基承载力极限值分别为108kPa和111kPa;B区试验点1和2的地基承载力极限值分别为116kPa和121kPa.

3 结 论

a.双层滤管无砂垫层真空预压加固区的沉降大于常规无砂垫层真空预压区,其中部沉降大于边缘沉降的幅度由常规无砂垫层真空预压的16%降低到11%,这表明双层滤管无砂垫层真空预压的加固效果更好且更均匀.

b.分层沉降数据分析表明,双层滤管无砂垫层真空预压在2.0m处增加了一层滤管和向上的塑料排水板,使0～2.0m之间的土体受到的真空作用比较均匀,整个土层中的加固效果要好于常规无砂垫层真空预压,尤其是对深度1.0m以下、地下滤层以上的土层,其加固效果更要显著好于常规方法,双层滤管无砂垫层真空预压在地下1.1～2.0m范围内土体压缩量比常规无砂垫层真空预压大83%.

c.双层滤管无砂垫层真空预压土体深层的孔压下降幅度和均匀度都明显好于常规无砂垫层真空预压.

d.静力触探结果表明,双层滤管无砂垫层真空预压加固后形成的硬壳层厚度大于常规无砂垫层真空预压,换算的地基承载力能达到设计要求,常规无砂垫层真空预压则不能完全达到设计的加固要求.

e.由于地下滤层的施工是由人工将绑扎好塑料排水板的透水软管压入地基中,因此双层滤管无砂垫层真空预压法不适用于厚度较大或初始强度较大的软基处理,但是对于沿海吹填厚度不大的超软淤泥处理,则显得有效而经济.

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