吹填土真空预压过程中夹砂层的作用机理

赵建斌，申俊敏，董立山

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西 太原 030006)

吹填土是在整治和疏通江河行道时，用挖泥船和泥浆泵把江河和港口底部的淤泥或是泥砂通过水力吹填而形成的沉积土，其一般具有容重小、孔隙率、含水率大、强度低等特点，这种土一般需要搁置若干年后才会在自重作用下固结并在表面形成具有一定强度的硬壳层，如果不进行处理基本无法达到地基承载力要求。

为了加速吹填土的固结，在上世纪80年代早期,新加坡研究采用了一种新的吹填方法，即吹填一定厚度的土层后，再铺设一层砂，这层相对较薄的砂层夹在吹填土之间，形成夹砂排水层, 由于排水路径的减短，大大缩短了吹填土的固结时间。Leetal (1987) 用现场实验成功地证明了这种成层的夹砂土层的吹填方法的可行性[1]，但由于砂的黏聚力几乎可以忽略，同时吹填土强度很低，夹在吹填土层之间的排水砂层的形成往往较为困难。

土工布又称土工织物，它是由合成纤维通过针刺或编织而成的透水性土工合成材料[2]，土工布具有一定的抗拉强度，在排水砂层上下表面各铺设一层土工布，可以有助于吹填土填筑过程中排水砂层的形成，同时在采用预压法对吹填土进行地基处理时，可以使荷载分布更为均匀，减小地基的不均匀沉降。

为了研究排水砂层在吹填土固结过程中的作用效果，本文采用快速拉格朗日三维有限差分软件FLAC3D，对成层的夹砂吹填土层的真空预压过程进行了数值模拟，分析了不同排水砂层布设方法对吹填土固结的影响。

1 排水砂层作用效果的数值分析

1.1 计算模型

真空预压法为目前采用最为广泛的吹填土地基处理方法，通过在吹填土表层及内部设置竖向砂井，相当于在吹填土中设置了排水通道，缩短排水路径，并使用真空泵等设备施加负压，将土体内部的水、气等抽出，使土体能够快速固结。本文只建立简单的平面应变模型进行分析[3]，几何模型尺寸如图1所示。

图1 建模尺寸/m

1.2 计算参数

模型中土体材料单元采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，吹填土地基作为饱和土可以采用比奥固结理论进行分析计算，土工布采用geogrid单元，弹性模量取6×108N/m2，泊松比0.33，土层的物理力学指标如表1所示。

表1 土层物理力学指标

1.3 荷载

模型中荷载为采用真空泵等设备在砂井中形成负孔隙压力，导致土体与砂井之间产生压力差，即土体中形成超孔隙水压力，超孔隙水压力散去就是土体固结的过程。由于砂井存在一定的井阻作用，负孔隙压力沿砂井竖向传递会产生压力损失，本文在进行数值模拟计算时，采用线性递减模式对其进行考虑[4]。

2 模拟结果分析

2.1 吹填土渗透系数对固结速度的影响

从图2中可以看出，吹填土的渗透系数越大，排水效果也就越好，采用真空预压处理时，负压影响范围也会增大，能够提高吹填土的固结速度，增加固结沉降值。

图2 吹填土渗透系数对固结的影响

但一般的吹填土渗透性都较差，采用渗透系数较好的吹填材料意味着工程成本的大幅提高，因此在吹填土中设置夹砂层是一种较为经济的提高吹填土固结速度及沉降值的施工方法。

2.2 设置夹砂层对固结速度的影响

图3为采用真空预压60 d后，不设置夹砂层模型的孔隙水压力分布情况，从图中可以看出在砂井负孔隙压力作用下，模型中的孔隙水压力在砂井影响范围内逐渐消散，但由于吹填土渗透系数较小，单个砂井在平面范围内影响范围有限，因此为了提高吹填土排水固结速度，往往需要设置相对合理的砂井间距。

图3 不设置夹砂层的孔隙压力分布云图

图4为在吹填土中部设置两层间隔为2 m的夹砂层孔隙水压力分布云图，从图中可以看出，由于夹砂层的渗透系数较大，因此由真空设备产生的负孔隙压力可以在夹砂层中沿水平向传递，也就是在吹填土层中形成横向的排水通道，缩短了吹填土排水路径，提高了土层的固结速度。图5为模型顶面沉降控制点随时间的沉降变化规律，从图中可以看出设置夹砂层后土层固结速度明显加快；同时夹砂层由于增加了负压的影响范围，吹填土总的固结沉降量也有大幅度的提高。

图4 设置两层间隔为2 m的夹砂层孔隙压力分布云图

图5 时间-沉降关系曲线

图6为真空预压60 天后不设置夹砂层的吹填土层沉降云图，图中可以看出采用真空预压后吹填土发生了较大沉降，并且沉降以砂井为中心向两侧逐渐减小，土层不均匀沉降十分明显，而在实际情况下由于砂属于散体材料，在不加任何约束的情况下很难形成稳定的夹砂层，也就无法达到很好的横向排水效果。

图6 不设置夹砂层的沉降云图

图7 设置两层间隔为2 m的夹砂层沉降云图

图7为真空预压60 天后设置两层间隔为2 m的夹砂层沉降云图，由于夹砂层的存在使得吹填土的沉降固结更加均匀，同时土工布也发挥了一定抵抗吹填土不均匀沉降的作用，有助于夹砂层的稳定，避免过大不均匀沉降导致的夹砂层水平向排水通道的阻断。

2.3 夹砂层位置对固结速度的影响

从模型的分析结果来看，渗透系数为10-14m2/(Pa·s)的吹填土，其砂井影响范围在1 m左右，因此在吹填土层中设置间隔为2 m的夹砂层能够充分发挥夹砂层的排水作用，使得吹填土固结速度更快。但下层夹砂层由于竖向砂井的井阻作用，负孔压较上夹砂层低，排水效率受到一定的影响；但夹砂层在吹填土上层布设，由于吹填土在预压过程中产生过大沉降，夹砂层往往较难形成，无法达到横向排水的作用。本文提出在夹砂层上下面各铺设一层透水土工布，在保证夹砂层稳定的同时，还可以提供一定拉应力，起到扩散应力、防止吹填土地基发生过大的不均匀沉降的效果。

2.4 夹砂层厚度对固结速度的影响

夹砂层厚度对吹填土的固结速度影响不大，因为一定厚度的夹砂层在吹填土层中一旦形成，基本可以满足上下吹填土层的排水需求，只是增加夹砂层厚度而负孔压不产生变化，对吹填土的固结速度基本不会产生较大影响。

3 结 论

(1)在吹填土中设置夹砂层可以起到横向排水通道的作用，能有效加快吹填土的固结速度。

(2)在吹填土夹砂层的上下面设置土工布，可以有助于稳定夹砂层的形成，同时能够起到一定限制地基不均匀沉降的作用。

(3)本文对夹砂层位置和厚度的选取进行了一些基本分析，对于在平面应变问题中砂井向砂墙的转化以及砂井的“涂抹”作用进行了简化，为得出更为精确的模拟结果需对其进行进一步研究。

[1] 张成良, 洪振舜, 邓永锋. 淤泥吹填处理及其研究进展[J]. 路基工程, 2007,(1): 12-14.

[2] 张文全.日本新吹填土表层处理方法简介[J]. 水运工程, 1984,(4): 35-41.

[3] 刘加才,赵维柄,施建勇.真空预压作用下竖井地基孔压消散研究[J].中国公路学报,2004,17(2):37-42.

[4] 李玲玲. 砂井地基平面问愿的变形计算和有限元分析[D]. 杭州:浙江大学, 2002.