真空堆载联合预压在连云港某工程中的运用研究

王宗文,尤苏南,王文宇

(化学工业岩土工程有限公司,江苏南京 210044)

真空堆载联合预压在连云港某工程中的运用研究

王宗文,尤苏南,王文宇

(化学工业岩土工程有限公司,江苏南京 210044)

为了在连云港某工程中采用真空-堆载联合预压技术手段处理软基,在现场采用了表面沉降、水平位移观测、孔隙水压力和地下水等观测手段,监测真空荷载施加过程中的地基变形规律、真空传递规律和固结特性,结合加固前后软土的现场和室内试验结果,综合评价了真空堆载联合预压的加固效果,为真空堆载联合预压的理论研究提供可靠的工程实例。

软土;真空堆载联合;真空度;加固深度

0 引 言

连云港沿海地区广泛分布着性质极其软弱的近代沉积的欠固结土,随着经济建设的发展,各项配套工程的建筑如高速公路、港口、大型堆场等不断增多,但可以不经处理直接利用的天然优良地基却越来越少,不少建筑物不得不建造在这些松软地基上。如何有效的处理这些软土地基就成为一个新的岩土工程问题,这也促进了软土地基处理的研究和发展。

真空预压法加固地基具有施工工期短、无需分级加载等优点,但真空预压方法最大加载值为80 kPa左右,对于荷载较大,承载力和沉降要求较高的建筑物地基,往往需要与其他方法联合使用。堆载预压方法技术可靠且费用较为节省,但堆载需要分级施加,且工期较长。根据两种方法加固作用的可叠加性及互补性,将两种方法联合应用从而形成真空联合堆载预压加固软基的方法[1],这方面工作前人已经做了大量的研究[2-7],如此方法在高速公路软基中的运用,加固深度的研究,以及监测的手段等等。本文通过对连云港某工程的研究,论述了真空联合堆载预压加固软基的方法在连云港地区的实用性和可靠性。

1 真空联合堆载预压加固基本原理[8]

真空联合堆载预压是利用真空预压和堆载预压两种荷载同时作用,促使土体中的孔隙水加速排除,降低土中孔隙水压力,增加有效应力,加快土体固结,形成两种荷载的叠加。同时,由抽真空引起的负超静孔隙水压力和由堆载引起的超静孔隙水压力可以产生部分抵消应力,使土体在快速堆载时不致产生过高的超静水压力,从而保证了工程施工时的稳定。真空联合堆载预压加固地基方法如图1。

图1 真空联合堆载预压加固地基原理

2 工程实例

2.1 工程概况

连云港国际物流园区项目是连云港金港湾投资有限公司投资兴建,项目位于连云港市东部城区中云台山区域,云门路至入海口之间的烧香河北岸,一期工程处理面积约6.88万m2,采用真空联合堆载预压的处理方式,处理后地基容许承载力不小于80 kPa。

2.2 场地工程地质条件

拟建场地邻近黄海,地势平坦,地面标高为1.84 m～4.54 m(85国家高程),地表分布的水体主要有烧香河及小河、塘。根据《连云港港区中云台作业区一期工程后方陆域岩土工程详细勘察报告》[9],场地浅部地层主要为海相沉积的淤泥、淤泥质土,具体为:

0层,素填土(Qml):黄褐色,主要为粘土,结构松散,均匀性差,可～软塑。堆积年限3年～5年。

1A层,粘土(Q4al-m):黄褐～褐黄色,夹粉质粘土,含氧化铁。可塑,局部软塑,高压缩性。承载力特征值fak=65 kPa,工程性质差。

1B层,淤泥(Q4m):灰色,含有机质,土质均匀。流塑,高压缩性。承载力特征值fak=40 kPa,工程性质很差。

1C层,粘土(Q4mc):灰色,夹大量粉质粘土,含少量铁锰质。软～流塑,高压缩性。承载力特征值fak=70 kPa,工程性质差。

1C1层,粉质粘土(Q4mc):灰黄～褐黄色,夹粘土,含少量铁锰质。可塑,局部软塑,中等压缩性。承载力特征值fak=120 kPa,工程性质一般。

地层标高、层顶埋深等见表1。

表1 层位数据一览表

勘察场地20 m以上主要为流塑～软塑的淤泥、粘土、粉质粘土,它们具有高含水率、高压缩性、高孔隙比、低强度的特点,属软弱土层,对地基沉降影响很大。采用真空堆载联合预压处理场地内软土,使地基形成一定的固结度,并满足设计要求。本次真空堆载联合预压处理主要针对1B层,处理深度在10 m～20 m。各土层物理力学性质指标见表2所示。

2.3 真空堆载联合预压施工及过程监测

2.3.1 总体方案

地基处理施工之前,先整平陆域,形成地基处理工作面,再铺一层机织土工布,铺设300 mm碎石垫层,其上再铺设300 mm中粗砂垫层(水平排水通道),然后施打塑料排水板,穿透下卧淤泥质土,间距为1.0 m,再埋设真空主滤管、四周挖压膜沟和铺设密封膜进行真空预压,加固分区为1.7万m2左右,真空泵按800 m2/台～1 000 m2/台布置,维持膜下真空度不低于80 kPa。抽气稳定后进行堆载,在真空膜表面铺设一层400 g/m2无纺土工布,然后铺50 cm素填土,再回填开山石进行堆载,开山石堆载高度确定为2.5 m。真空联合堆载预压处理时间约为150 d,平均固结度达到75%。预压完成后卸除堆填料。

表2 地基土层物理力学性质指标表

2.3.2 施工区域的划分

(1)将整块真空预压区域分为四个区。

(2)四个区同时开展工作,不同区域尽可能进行交叉施工,加快整个工程的进度。

2.3.3 排水垫层施工

陆域整平后,先铺一层200 g/m2机织土工布,铺设排水碎石层300 mm,然后铺设中粗砂300 mm。

2.3.4 塑料排水板

排水板采用SPB-B型塑料排水板,按正三角形布置(见图2),排水板间距1.0 m,打设深度原则是穿透软土层。

图2 塑料排水板平面布置图

2.3.5 滤管制作及埋设

砂垫层中的管道分主管和滤管,均采用PVC硬塑料管,要求能承受400 kPa的压力。主管直径为φ 76 mm,通过出膜器及吸水胶管与真空泵连接;滤管直径为φ 76 mm,管壁上每5 cm打一直径为φ 8 mm的小孔,成花管状,外包一层100 g/m2的无纺土工布作为隔土层,滤管连接采用螺纹橡胶软管。

2.3.6 铺密封膜

密封膜采用三层聚乙烯或聚氯乙烯薄膜,在工厂热合一次成型。铺设时,每隔10 m预留约10 cm的褶皱。选择无风或风力较小的时间内,分三层铺设。先由预压区的中轴线开始铺设,从一端开始向两边展开,铺好后在膜上仔细检查有无可见的破裂口。检查无缺陷后即可进行第二、三层密封膜铺设,两层膜的粘接缝应尽量错开。

2.3.7 开挖压膜沟

压膜沟是关系到真空预压成功与否的关键部位,要掌握好两个环节。一是膜的四周密封处,应挖至粘土层下约0.5 m;二是密封沟内排水板不允许剪断,应沿沟边向上插入到砂垫层中大于200mm。

各个紧邻区域的共用边界采用粘膜方式搭接。每层膜铺好后均安排专人对膜可见的破损部位进行修补,减少漏气的可能性,提高密封效果。

2.3.8 安装真空泵

本次选用的抽真空装置为射流真空泵,功率为7.5 kW安装后的射流泵能形成不小于96 kPa的真空压力。每台真空泵控制800 m2～1 000 m2。本真空预压区总计设置80套真空泵。射流真空泵布置在加固区外边界密封沟里,真空泵进水口和出膜口保持同一平面,以保证真空泵能发挥到最大功效。

2.3.9 堆载加载

(1)堆载加载施工的时间

待密封工序完成并抽气开始7 d～10 d后,即进行堆载料的回填施工。

(2)素土垫层、土工布铺设

在铺设素土前铺设400 g/m2无纺土工布一层,两块土工布接头部分按1.5 m进行搭接。铺设素土层时采用人工配合手推车,先两边后中间,做到厚度均匀。

(3)堆载加载要求

设计堆载料采用开山碎石。碎石应具有一定级配,一般粒径小于15 cm,最大粒径小于30 cm。堆载碎石分层填筑分二层堆填,每层1.3 m,堆载预压期间,始终要保持场地良好的排水状态,保证堆载基面不受冲刷损坏。

(4)加、卸载施工

素土层施工结束后,开始第一级加载,按照设计要求,每级加载结束后需加强位移监测,位移速率不大于5 mm/d,待地基土沉降稳定后再继续加载。

每个区块真空联合堆载预压在满足卸载条件后,即可卸载。卸载时应分块同时进行,根据堆载时的大致路线来卸载,边卸边测量标高,每级卸载应观测地基的沉降和回弹情况,提供相应的地基参数。

2.3.10 施工监测技术要求[10-11]

为了保证加固质量,检验加固后真空预压后的加固效果,掌握地基加固过程中各土层固结、沉降及侧向变形等变化,除了在加固期间需连续观测地表沉降量及加固区膜下真空度以外,还观测了地基在加固期间的孔隙水压力、分层沉降和真空度随时间的变化(监测点平面布置见图3),并根据实测地表沉降、分层沉降及孔隙水压力的消散情况,进一步确认地基的各项参数,推算地基固结度,分析预压效果,为终止预压提供依据。

图3 监测点总平面布置图

(1)沉降观测

表层沉降观测采用沉降板,深层沉降观测采用深层分层沉降标。布置9块面层沉降板,用于观测地基的沉降量和沉降速率。分层沉降标竖管的垂直偏位不大于2%。密封膜铺设后,其上设置表面沉降板,并进行位置和标高的联合检测,在真空预压初期每天观测一次,在真空预压后期可调整为3 d～5 d观测1次,观测数据见图4。

通过图4沉降曲线计算最终沉降量为750 mm,平均固结度为82%,满足固结度达到75%的要求。

(2)真空度检测

每个区布置9个真空测头,进行膜下真空检测。平面位置按均布原则布置。真空度检测数据见图5。

由图5可以看出开始抽真空阶段,膜下真空度不稳定,随着时间推移进入稳定阶段,因为砂垫层透气性好使得膜下真空度传递比较均匀,所以各点的真空度读数基本上都稳定在80 kPa到90 kPa之间。

(3)孔隙水压力观测

图4 沉降-时间变化曲线图

图5 膜下真空度-时间变化曲线图

每个区中心布置一组孔隙水压力计,按深度方向每向下3 m埋设一个探头,共埋设6个,各深度位置的探头宜分孔埋设。孔隙水压力计用以观测软土层中孔隙水压力的变化过程,用以计算土体的强度增长、固结度。真空预压力初期的观测频率为每天观测一次,稳定后两天观测一次,后期可调整为3 d～4 d观测1次,观测数据见图6。

从图6中可以看出,孔隙水压力在不同的深度都有一定的消散,但是消散曲线比较平缓,消散速度不是很大。随着深度的不同,孔隙水压力的消散程度也不同,总的来说,浅层孔隙水压力的曲线波动比较大,而10 m处孔隙水压力变化比较小,10 m以下孔隙水压力没有变化,说明了真空度沿着深度的递增其影响效果是逐渐减弱的。这主要是因为在抽真空时,土体中的含砂层与外界形成了透水、透气通道,使得10 m及其以下深度的土体基本上在预压过程中没有得到有效的固结,孔隙水压力浅层变化较深层土体变化波动大,也说明了真空预压过程中浅层土体的固结速度快,真空度在传递的过程中有时间差和阻力的影响,使得深层土体的固结要滞后并且固结度要小于浅层土体。

图6 孔隙水压力-时间变化曲线图

(4)地下水位观测

每个区中心布置一个地下水位观测孔,埋设水位管。真空预压力初期的观测频率为每天观测一次,稳定后两天观测一次,后期可调整为3 d～4 d观测1次,观测数据见图7。

图7 地下水位变化-时间曲线图

图7为场区内和场区外的地下水位随时间变化曲线图,正值代表地下水位下降,负值代表地下水位上升。通过对曲线的分析,得到真空预压过程中地下水位的变化规律:

①真空预压开始阶段地下水位下降较快,当停泵对密封膜进行检修时,地下水位迅速回升,膜下真空度重新稳定后,地下水位开始迅速下降,在真空预压后半阶段,地下水位逐渐稳定。

②场外的地下水位在真空预压初始阶段下降较快,因为5～7月份,连云港降雨量较大,试验区地势低洼,地下水补充充足,所以地下水位高于初始地下水位。

(5)分层沉降观测

每个区中心布置一个分层沉降观测孔,在插板后埋设,测量磁环的埋设深度对应不同土层,埋设完毕后应对不同深度磁环按次序编号,并测量其初始标高。预压初期的观测频率为每天观测1次,稳定后两天观测1次,后期可调整为3 d～4 d观测1次,观测数据见图8。

图8 分层沉降-时间变化曲线图

图8为土体分层沉降随时间的变化曲线图,它较好地反映了不同深度土层在不同时间的沉降特征和压缩量,在真空预压初始阶段,不同深度的磁环均迅速下降,随着抽真空时间的增加,沉降速率逐渐变小,由于真空度在向下传递中受到介质阻力作用和深层土体的欠固结、欠密实程度要高于浅层土体,使得浅部土体的沉降量要大于深层土体,其中2 m～10 m淤泥质层的压缩量最大,沉降量为829 mm约占沉降总量的78%,说明了:①淤泥质土层是真空预压的主要压缩层;②真空预压工艺适用于处理深层淤泥质土;③淤泥质土具有高含水率、高压缩性的特点,水平渗透系数和垂直渗透系数均较小,塑料排水板的打设,增大了土体渗透系数,缩小了排水间距,加速了淤泥质土在真空压力作用下的孔隙水压力的消散和孔隙水的排出,最终实现有效的固结和沉降。

(6)深层位移观测

每个区临边区域布置一个测斜管,测斜管底部需埋入地基加固期间不变形的土层中3 m以上,测斜管应在插板前埋设并测读初始数据,预压初期每隔3天观测一次,预压满一个月后每隔一周观测一次,其中堆载加载时加强观测频率,观测数据见图9、图 10。

图9 CX1深层位移曲线图

图9、图10为卸载后最后一次深层位移监测成果,图中纵坐标表示土体的埋深,横坐标正值表示土体向真空预压试验区内部位移。通过对深层位移的监测成果进行分析,可以得出以下结论:

①在真空预压过程中,周围土体都向加固区内侧移动,这与真空预压的机理是一致的。

②因为地基上覆1.0 m～3.0 m左右的粘土硬壳层,所以土体侧向位移在深度2 m～4 m处最大,侧向位移随着深度的增大逐渐减小,CX1的最大水平位移约为145 mm,因此,在距加固区3 m左右的地表处出现了宽为100 mm左右的裂缝。

③地表深度10 m处是发生深层水平位移的主要土层,该土层主要是淤泥质土。

图10 CX2深层位移曲线图

④在深度10 m到深度20 m的范围,土层的水平位移一般小于8 mm,且位移量自上而下逐渐减小。

⑤从CX1和CX2的位移图对比可以看出,水平位移随着离加固区距离的变远,水平位移量逐渐减小,说明真空预压对周围地区的影响,随着距离的增加逐渐减小。

3 加固效果检验

3.1 加固前后土体的物理、力学性质指标对比分析

在施工前后对场地地基土进行了钻探取样工作,并进行了室内试验工作,具体数据见表3。

表3 加固前后淤泥质土的主要物理力学性质指标

根据表3可以看出加固后淤泥质土的含水率为38.9%,比原状土减少了36%,加固后土体的孔隙比为0.871,比原状土减少了49%,加固后压缩模量由1.84 MPa提高到2.93 MP,直剪和三轴剪切试验指标有了明显的提高,表明土体的抗剪强度也有了显著提高。

3.2 十字板剪切试验成果分析

十字板剪切试验是快速测定饱和软粘土快剪强度的一种简易而可靠的原位测试方法,其测的值相当于天然土的不排水抗剪强度,与钻探取样室内试验相比,土体的扰动性小。本次十字板检测数据见图11。

根据图11十字板试验成果,可明显看出,土体的强度有了显著提高,由于表层1.5 m～3 m左右为粘土硬壳层,土体强度增长较小,3 m～11 m的土体强度提高明显。

图11 加固前后十字板强度对照图

3.3 标准贯入试验成果分析

在同一地点,于加固前后做标准贯入试验,检测真空预压的加固效果。标准贯入试验见图12。

图12 加固前后标贯图

从图12可以看出,真空预压前后3 m～13 m部分土体强度力有了明显的提高。淤泥质土层在真空预压前标准贯入击数为0.5～5,平均击数为1.1击,加固后标准贯入击数为1～12击,平均贯入击数为2.5击,预压后比预压前提高了 1.4击,增长127.3%。

3.4 真空堆载联合预压效果评价

通过这三种检测方法的对比,可以看出真空堆载预压后的地基在承载力和压缩模量上都有了显著的提高,达到了设计的要求,尤其是淤泥质土,效果尤为明显。

4 结 论

(1)本文结合连云港国际物流园区软土地基处理的工程实例,通过现场试验和大量观测资料,分析真空联合堆载预压条件下软土的固结特性;对真空预压条件下土体的变形、含水率的变化、固结和稳定等进行了研究。实践证明,本工程软土地基采用真空联合堆载预压方法处理是成功的。

(2)真空联合堆载预压工艺具有工期短,效益高,环保等特点,在软土地基处理中具有独特的优势。本工程的成功给连云港地区类似的软土地基处理工程具有借鉴意义。

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[11]中华人民共和国建设部.JGJ79-2002.建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

Application and Research for Vacuum-surcharge Preloading in a Project of Lianyungang

WANG Zong-wen,YOU Su-nan,WANG Wen-yu
(Geotechnical Engineering Co.,Ltd.of Chemical Industry,Nanjing,Jiangsu210044,China)

For carrying out the ground treatment of a project in Lianyungang by means of vacuum-surcharge preloading technique,the observation methods for ground surface settlement,horizontal displacement,pore water pressure and groundwater are adopted to monitor the deformation regularity,vacuum transfer regularity and consolidation character during the loading of vacuum load.Then combinedwith the results from the indoor and site tests for the soft soil before and after consolidation,the comprehensive evaluation is made for the consolidation effect of vacuum-surcharge preloading,so as to provide reliable project examples for the theory study on vacuum-surcharge preloading.

soft soil;vacuum-surcharge preloading;vacuum degree;consolidation depth

TU471+.8;TU447

A

1672—1144(2013)02—0127—07

2012-08-30

2012-10-09

王宗文(1975—),男,江苏南京人,高级工程师,主要从事岩土工程勘察设计、地基处理和桩基施工等方面工作。