天津滨海吹填土加固方法

马希磊，董海军，王华峦

(天津水运工程勘察设计院， 天津 300456)

过去五年，在国家环渤海战略的背景下，天津滨海新区完成了中国最大的围海造陆工程，形成了面积巨大的吹填土地基，围海造陆工程为天津滨海新区提供了大量的建设用地。在工程建设过程中，为了达到总体的土方平衡及节约建设资金，工程利用航道疏浚土作为吹填土，一方面节省航道疏浚中运输淤泥的费用，另一方面弥补了该区域砂源不足的缺点，节省了吹填造陆费用，同时相对于外海抛泥也更为环保。疏浚土吹填的厚度，根据原始泥面标高的不同而不同，一般3.0～8.0 m不等。

1 天津滨海地区工程地质情况

通过对天津滨海地区地质勘察资料调查分析[1]，天津滨海地区场地埋深25.0 m范围内，地基土按成因大体可分为3层。

(1)人工填土层

埋深3.0～6.0 m，主要为近期吹填而成。主要呈灰色，软塑、流塑状态，本层含水率较大，抗剪强度低，压缩性大，物理力学指标较差，大都处于未固结状态。

(2)海相沉积层

埋深3.0～18.0 m，主要为淤泥、淤泥质黏土和粉质黏土，呈灰色，其特点是天然含水率高，孔隙比大，压缩性高，承载力低，渗透性小，含有一定的有机质，是一种软塑到流塑状态的饱和软黏土。

(3)陆相冲积层

埋深15.0～25.0 m，主要为粉质黏土层和粉土层，可塑状态，中等压缩性，物理力学性质较好。

2 滨海吹填土地基处理方法

吹填淤泥形成的吹填土地基为欠固结软土，具有含水率高、孔隙比大、压缩系数大、抗剪强度低、渗透性低等特点，吹填淤泥在自重作用下的固结需要数年甚至数十年的时间，因此必须进行加固处理。吹填物质的基本特征很大程度上限定甚至决定了地基处理技术方法。天津滨海新区为典型的淤泥质海岸，吹填物质中黏土矿物所占比例高达50%左右[2]，物理力学性质较差。同时由于海积和河流冲击的作用，天津滨海吹填土体下存在着深厚的软弱土层，地基处理要求较高。

总结半个多世纪以来天津吹填造陆历史[3,4]，主要的地基处理方式有以下几种：

(1)自然风干法

对于已吹填的吹填土，过去的传统做法是任其自然风干。在天津滨海地区一般需要静放两年左右的时间，才能在表层形成40～50 cm的硬壳层。有时为了节省时间会采用机械搅动法或犁沟法，加快吹填土的风干。但有时为了尽快对吹填土加以利用，就需要采用更加快速的处理方式，如浅层真空预压法等。

(2)换填垫层法

适用于淤泥、淤泥质土、素填土、杂填土地基及沟渠、鱼塘等的浅层处理。换填垫层法施工简便，不需特殊的机械设备，工期短、造价低、见效快，在淤泥层厚度较小的情况下应用较广泛。

(3)抛石挤淤法

适用于排水困难，淤泥呈流动状态，厚度较薄，表层无硬壳层，片石能沉达底部的泥沼或厚度3.0～5.0 m软土。在吹填土层不厚的情况下，可以采用此法。

(4)石灰桩法

适用于含砂量低，没有滞水砂层的杂填土地基或软黏土地基。天津滨海吹填土地基较适宜石灰桩法处理，但石灰桩法在天津地区应用并不太普遍。大面积应用前应做试验段，以检验软基加固效果。

(5)水泥土搅拌桩法

适用于处理正常固结的淤泥和淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。天津滨海吹填土以淤泥、淤泥质黏土和粉质黏土为主，天然含水率大多介于30%～50%之间，塑性指数主要介于15～20之间，ph值介于7.0～9.0之间，较为适宜采用水泥土搅拌桩处理地基。但由于水泥土搅拌桩的造价相对较高，只在地基处理要求较高的工程中有应用。

(6)预压法

预压法可分为堆载预压和真空预压。预压法适用于含水率高、孔隙比大、强度低、渗透系数和固结系数均较小的黏性土加固。

由于天津滨海吹填土未处理前地质条件较差，不能承受大型载重车辆，堆载预压在天津滨海吹填土处理的应用也并不普遍。真空预压法由于施工时不需要大型机械，而且特别适用于淤泥和淤泥质土的加固，造价不高，由于真空预压的这些得天独厚的优点，从上个世纪八十年代开始，真空预压在天津滨海地区就获得广泛的应用[5, 7]，到目前为止，真空预压仍是天津滨海吹填土最主要的处理方式。下面结合工程实例对真空预压法加固滨海吹填土地基的加固效果进行分析。

3 真空预压加固吹填土地基效果分析

以天津中心渔港围海造地形成的疏浚吹填土地基加固工程为例，对现场的监测数据和加固后检测数据进行了成果分析，以了解真空预压法加固吹填土地基的特性。

本次软基加固场区位于天津中心渔港作业区造陆三区、四区内。地基处理总面积为48.98万m2。地基处理工程分成22个加固处理区，下面以一区为例对真空预压加固效果进行分析，一区排水板间距0.8 m，打设深度18.0 m，累积抽真空时间110 d，真空度不小于85 kPa。

卸载时各区土体沉降速率和固结度均达到了设计要求。为了检测真空预压加固效果，在进行真空预压施工全过程中，进行了土体表面沉降、孔隙水压力、地下水位和深层水平位移的监测。并在预压结束后进行了现场原位测试和室内土工试验。

图1 一区各表面沉降标实测沉降变化曲线

图2 一区表面实测平均沉降变化曲线

图3 一区不同深度土体内孔隙水压力变化过程曲线

图4 一区不同深度土体分层沉降变化曲线

图5 一区水位变化曲线

图6 一区深层水平位移变化曲线

3.1 观测成果分析

1区整个施工过程的观测数据显示，在真空压力作用下的固结变形程度不同，各沉降观测点的实测值相差比较大。最大沉降值发生在T2号测点，累计沉降量为0.465 m；最小沉降值发生在T6号测点，累计沉降量为0.257 m，最大不均匀沉降差为0.208 m。由分层沉降变化情况可以看出，各土层沉降变化不规则，标高为4 m与-14.0 m处沉降量较大，因为浅层吹填土含水量较高，-14.0 m处存在一层淤泥质土，土体变形量较大，使得沉降量相对较大。由孔隙水压力和水位变化分析可知，孔隙水压力在抽真空期间消散较好，地下水位线随着时间不断下降，局部有回弹现象，这是由于期间电压不稳造成跳闸，导致真空泵停泵，引起加固区内真空压力值不稳定。在中后期，区内的孔隙水压力逐渐趋于平稳，持续消散。由深层水平位移观测可知，由于深层水平位移点布设在帷幕墙外侧，在真空预压期间，真空压力作用使得土体向加固区内发生较大位移，说明真空预压加固效果显著。

3.2 固结度计算

土体固结度计算方法很多，主要有理论计算方法和采用实测沉降过程曲线推算法。实测沉降过程曲线法假定在最后一级荷载作用下，沉降随时间的变化规律符合某一数学表达式，然后用曲线拟和的方法，如最小二乘法，利用实测的数据求出表达式中的参数。常用的数学表达式有双曲线、幂指数、二次抛物线等。由于我们要推求的是最终沉降量，在利用实测的沉降、时间资料时，尽量要用最近末端的资料，才能使推求的最终沉降量相对准确些。

利用地表沉降标观测资料计算固结度的方法选用三点法。公式如下：

(1)

Ut=St/S∞

(2)

式中：S1、S2、S3为相同时间间隔下的实测沉降量；S∞为相应荷载下的最终沉降量；St为相应荷载下t时刻的沉降量；Ut为相应荷载下t时刻的固结度。

利用双曲线法计算地基的固结度，根据实测沉降资料推算地基的最终沉降量可按下式计算：

(3)

当t趋近于无穷大时

(4)

式中：St为满载t时刻的实际沉降量(cm)；S0为满载t=0时的实际沉降量(cm)；S∞为最终沉降量(cm)；t为满载预压时间(s)，从满载时刻算起；α、β为待定系数。

根据实测沉降结果推算地基的固结度按下式计算：

(5)

表1 一区平均固结度计算

利用三点法和双曲线法计算地基的固结度，将两种方法的计算结果进行对比分析，可以得出以下结论：

(1)三点法和双曲线法计算的地基固结度均达到了90%以上，三点法计算要大于双曲线法计算的地基固结度，平均约大2%～5%。这是计算方法上的差异，在进行固结度计算时，双曲线法利用参数α、β对计算沉降曲线进行改正，使得计算结果更接近真实情况。

(2)两种固结度计算方法的结果显示，在考虑打板期间沉降时，计算的固结度要略高于不考虑打板期间沉降的结果。这是因为在塑料排水板打设期间，地基土体内的水排出，产生沉降，因而发生了一部分固结。在计算过程中，如将这部分固结考虑在内，则计算的固结度将提高。

3.3 孔隙水压力消散分析

真空预压加固软土地基过程中，孔隙水压力消散是施工控制和加固效果的一项重要监测指标。土体内部孔隙水压力的消散程度高，则土体的固结度高，土体密实度增大，强度提高。在真空预压施工期间，各加固小区的孔隙水压力消散情况基本正常，只在一些停泵期间，孔压值出现过反弹现象。

通过对各小区内不同深度的孔隙水压力消散值的统计，各区的孔隙水压力消散情况见下表2(一区真空表显示膜下真空度为82 kPa)

表2 一区孔隙水压力变化统计表

通过固结度计算结果和孔隙水压力消散分析可见：通过孔隙水压力所计算应力固结度较沉降曲线所计算应变固结度偏小，但也达到80%以上。由于孔隙水压力在埋设过程中影响其读数稳定性的因素较多，因此实际工程中应以沉降曲线推算的应变固结度为基础，同时参考应力固结度。

朱建才认为地基中孔隙水压力消散值可以分为两部分，一为真空度的直接传递导致的孔隙水压力下降值，二为抽真空引起水位线下降而引起的孔隙水压力消散值。淤泥地基中孔隙水压力消散主要是由于地下水位线的下降引起的，砂井和塑料排水板中的孔隙水压力消散大部分是由真空度直接引起。一区地下水位下降6.0 m，因地下水位下降而引起的孔隙水压力消散值为60 kPa，比平均消散值略小，本文认为在淤泥地基中孔隙水压力消散除了地下水位线下降引起的部分外，还有一部分为由于真空度传递所引起的淤泥中的渗流作用引起的，与朱建才意见稍有不同[8]。

3.4 工后检测分析

3.4.1现场原位测试分析

表3 一区各土层原位测试结果统计表

通过对现场十字板试验成果的分析可以看出，各区加固前的原状土抗剪强度有以下特点：上部吹填部分约5.0 m深度范围内，土质较软，抗剪强度平均值为11.7 kPa。对于原吹填泥面以下的土体，深度约8.0～12.0 m范围内，夹有一层硬质粉土或粉质黏土层，其抗剪强度较大，试验结果显示，该层的抗剪强度平均值为34.7 kPa。在该层硬质土层之下，土体深度约13.0～18.0 m深度范围内，为淤泥质土层，该土层抗剪强度较低，为真空预压主要处理土层，该层平均抗剪强度为21.5 kPa。

标准贯入试验是在现场测定砂或黏性土的地基承载力的一种方法。本工程真空预压区加固处理后，由于土质较硬，无法进行现场十字板试验，经与设计方沟通后，改为标准贯入试验，以检测加固后土体强度。

通过对加固处理后的标贯试验结果进行分析，可以得到以下几点结论：

(1)各小区加固处理后，不同深度的标贯击数最小值为3击，最大值可达到20击以上。尤其上部吹填土部分，相对于加固前钻具可自沉的情况，地基土强度明显提高。

(2)加固区内上部吹填土部分(深度在4.0～5.0 m范围内)，土体的强度提高较为明显，最大标贯击数已经达到6击以上；原泥面以下土体内，在约5.0～12.0 m范围内，夹一层硬质粉土层，该层的标贯击数平均值为19.7，该层以下为淤泥质土层，经过加固处理后，该层土体的标贯击数平均值也已达到4击以上。

(3)根据港口工程地质勘察规范，由各加固小区的标准贯入击数，换算的地基容许承载力，可以看出加固后的地基土体容许承载力均已经达到80 kPa以上。

3.4.2现场取土及室内土工试验

为了判定地基处理区域加固前后土体的物理力学性质指标变化，以检验真空预压地基处理的效果。在处理前、后分别对地基土进行现场取样，并对所取土样进行室内土工试验，以对真空预压加固效果进行评价：

表4 一区各土层室内试验结果统计表

通过对加固区取样的土工试验成果进行分析，可以得出以下几个结论：

(1)加固后土体的容重明显增大、含水率和孔隙比减小，压缩模量和抗剪强度参数增大，说明地基土体在经过处理后，固结程度提高，密实度增大，强度增加。

(2)同一种土质，所处深度较小的土层加固后其强度增长幅度明显大于深度较大的土层。

(3)从整个加固区现场取样土体及其土工试验结果看，该真空预压软基加固工程的加固效果较为明显，土体强度增长幅度较大，特别是在砂垫层以下2.0～5.0 m范围内的土体加固效果更为明显，符合真空预压的加固机理。

4 结论与建议

(1)天津滨海吹填土具有自身的物理、力学特点，这些特点决定了滨海吹填土多样的加固方法。在实际工程中应因地制宜，根据工程地质条件和建设需求，选择最合适的处理方式。

(2)本文通过天津中心渔港地基加固实例，对现场监测数据和加固后检测数据进行了成果分析，经真空预压后吹填土层和下卧淤泥层物理、力学指标均得到了明显改善，承载力获得了较大提高，使用真空预压对天津滨海吹填土地基进行处理，适用性较好。

(3)通过孔隙水压力所计算应力固结度较沉降曲线所计算应变固结度偏小，由于孔隙水压力在埋设过程中影响其读数稳定性的因素较多，因此实际工程中应以沉降曲线推算的应变固结度为基础，同时参考应力固结度。

(4)本文认为在淤泥地基中孔隙水压力消散除了地下水位线下降引起的部分外，还有一部分为由于真空度传递所引起的淤泥中渗流的作用引起的。

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