海南海花岛软基处理工程中真空预压法的改进与机理分析

陈祥龙　江舜武　金亚伟　邓永锋

摘要：

疏浚淤泥这种超软土地基目前主要采用排水固结法进行加固，然而，工程实践发现，淤堵是一个重要的问题，新型防淤堵材料和施工工艺是研究的热点。依托恒大海南海花岛真空预压处理工程，引入一种应用于超软土地基处理的新型防淤堵真空预压法。该方法是直排式真空预压方法的进一步改进，将防淤堵排水板取代传统排水板，在连接方式上，将无孔钢丝软管取代了水平波纹管，也将传统的包扎捆绑改进成了三通密封接头，枪钉固定。结合施工动态监测和加固后检测，表明了该方法的加固效果和实用性。在此基础上，结合已有的室内模型试验研究，阐述其抽真空过程中在排水板附近防淤堵的原理和改善机制。

关键词：

真空预压；防淤堵；现场试验；室内模型试验；机理分析

中图分类号：TU471.8

文献标志码：A文章编号：16744764（2017）02007509

Abstract：

At present， despite that the super soft soil foundation of the dredging silt is mainly strengthened by the vacuumPVD consolidation method， the clogging is an important issue during the field application. With the vacuum preloading project of the Hengda Sea Flower Island in Hainan Province， a new type of anticlogging vacuum preloading method for the super soft soil foundation is developed. It is the further improvement of the straightline vacuum preloading method. The traditional PVD is replaced by the anticlogging PVD， and the nonporous steel hose and tee sealing joint are also applied to update the traditional connections. Thereafter， the insitu monitoring during vacuum and quality evaluation after construction is detailed introduced. The results verify the effectiveness and applicability of the preloading vacuum method amendment. Combined with the existed laboratory model test， the principle of clogging in the vicinity of the PVD during vacuum preloading， and the mechanism of improved vacuum preloading are also discussed.

Keywords：

vacuum preloading； anticlogging； field test； laboratory modeling test； mechanism analysis

港口、航道在开挖、建设、维护的过程中以及河流、湖泊在进行水环境治理的过程中会产生大量的疏浚泥[12]。很长一段时间疏浚泥都是作为废弃材料而丢弃，随着环境保护的日益严格，疏浚泥又禁止外抛。与此同时，中国城镇发展尤其是沿海地区建设规模不断扩大，建設用地越来越紧张，吹填造 陆与围海造地成为解决土地紧张问题的主要途径[36] 通过绞吸式、耙吸式、水力冲挖等工艺形成的疏浚淤泥，具有粘粒含量高，渗透性差，排水速率慢，强度和承载力极低等特征，导致了土地资源的大量占用[78]。

由疏浚淤泥所形成的超软土地基，工程实践中一般采用排水固结法进行处理，然而在工程实践中，排水体系的淤堵是该加固方法进一步推广的主要技术障碍。为了解决疏浚淤泥地基真空预压工程实践中的淤堵问题，学者们从不同方面进行了研究，其中高效滤水性能的土工织物是一个研究热点[912]。也有从施工工艺角度出发，相继产生了直排式真空预压、新型防淤堵真空预压。直排式真空预压相较于传统真空预压改进了传递真空负压和水平排水的路径，用水平波纹管取代砂垫层，并将塑料排水板直接捆绑在水平波纹管上，形成一个独立的排水系统。新型防淤堵真空预压在直排式真空预压的基础上进行了演变，不仅用防淤堵排水板取代了传统排水板，改善了竖直排水路径；而且采用了无孔钢丝软管取代了水平波纹管，避免了水平波纹管在抽真空过程中因地基不均匀沉降拉裂；连接方式也从包扎捆绑改进成了三通密封接头，枪钉固定，解决了竖直排水路径与水平排水路径接头处易堵，形成了一个密闭贯通的独立排水系统。

本文依托恒大海南海花岛围堰填海项目展开了新型防淤堵真空预压的现场试验，结合现场监检测明确其加固效果，为今后类似工程的设计与施工提供参考。在此基础上，总结已有室内对比试验，明确其内在机制。

1工程技术方案

1.1工程概述

恒大海南海花岛项目1#岛A区于2013年9月采用吹填淤泥形成陆域，落淤晾晒后的泥面高程约为3.50 m。A区内的6区、9区、10区淤泥厚度约5.0 m，采用真空预压法进行加固。处理总面积约6.9万m2，共分3个分区，平面位置如图1所示。

1.2排水板材料

新型防淤堵真空预压在直排式真空预压的基础上进行了演变，该真空预压技术采用防淤堵排水板，其滤膜为无凹凸结构亲水性材料，滤膜与芯材轧在一起，提高排水效果。防淤堵塑料排水板的各项指标见表1。塑料排水板施工采用轻型轨道式打板机进行打设，施工顺序采用后退式施工，以保证打设完成的排水板不受碾压；排水板完成后，拔出插板机套管，剪断排水板，塑料排水板超过地面的长度不小于50 cm。

1.3现场施工工艺与控制要求

工程采用新型防淤堵真空预压法，要求膜下真空度不小于80 kPa，抽真空时间2个月，施工工艺如图2所示。塑料排水板间距1.0 m正方形布置，打穿软土层。抽真空达到设计要求恒载满载时间，停泵卸载时，监测结果需达到设计卸载要求标准[13]：

1）最后10 d沉降速率小于2 mm/d。

2）据实测沉降曲线推算地基土预压荷载下固结度不小于85%。

2施工监测与检测结果评价2.1监检测

现场监（检）测内容主要包括两方面，一方面是地表沉降观测、分层沉降观测、孔隙水压力观测、水位观测等通过加固前预埋仪器在预压过程中的动态监测；另一方面，加固后原状取土及室内试验、现场十字板剪切试验、浅层平板载荷试验等在抽真空卸载结束后的加固效果检测。现场抽真空时间为2015年9月—2015年12月。施工结束后进行地基测试以评价加固效果，检测时间为2015年12月—2016年1月。监检测布置如表2所示。AGH9区块的监测设备布置图如图5。

2.2加固结果分析

各个区块的观测数据较为类似，现选取其中AGH9区块的典型观测数据进行分析各区加固过程特征和效果。

2.2.1竖向变形

1） 插板施工期沉降新近吹填形成的淤泥含水率非常高，为欠固结土。排水板的打设形成竖向排水通道，减小真空度损失，缩短排水路径，在薄膜内外形成的接近一个大气压负压力下，地基排出孔隙水，有效应力增大，产生固结沉降。该场地插板施工期沉降平均为265～308 mm。

2） 真空預压沉降真空预压共分为4个区块，每块真空预压区真空预压持续时间60 d。AGH9区块的地表沉降曲线如图6所示。AGH9区在绞吸形成淤泥场时就形成了中间有洼地，北侧高程比南侧低的地形，结合图3可以发现，沉降最大的14#、10#、12#、7#和沉降较小的3#、9#、2#、17#的沉降特征是符合经现场勘测情况的预测结果。

3） 固结度及残余沉降

在数据处理的过程中，根据双曲线沉降预测公式（1）～（3）[1415]推算地基土的固结度，可反映出地基的总体加固效果。

4） 分层沉降在每个加固区的中间位置埋设了1组深层分层沉降仪，从而掌握待加固地基中各土层的竖向变形情况。

根据观测数据绘制分层沉降时间关系曲线如图7。AGH9区预压期间分层沉降的大小和速率都很平均，由于0.5 m的沉降是深层土层沉降叠加，所以沉降最大，分层总沉降量360 mm ，与地表竖向沉降能吻合。

2.2.2孔隙水压力观测在每个真空预压区中间位置埋设1组孔隙水测头，埋设深度为4.5 m，孔隙水压力测头用以监测真空预压施工期间土体内部孔隙水压力消散情况。孔隙水压力变化曲线见图8。

在抽真空过程中，施工场地周围区域进行了大面积的填土施工，填土高度2～5 m，填土造成的主动土压力对真空区压膜沟产生了挤压，造成漏气，导致真空度出现小幅跌落。AGH9区土体的孔隙水压力在真空预压加固期间产生了明显消散，场地处理范围内土体有效固结。

2.2.3水位观测在抽真空期间，地基中的孔隙水会在荷载作用下通过竖向排水板、横向管道排水通道排出地基土体，地基中水位会持续下降。铺真空膜之前，在加固区中间位置埋设地下水位管。根据观测数据绘制水位时间关系曲线见图9。

由图9可知，11月10号到11月底明显的水位反常“回弹”现象，正常的地下水位在抽真空过程中是持续下降的，其出现“回弹”现象主要原因是11月初加固区周围有大量填土堆积导致压膜沟受到挤压，造成漏气。经过与现场恒大项目部协商处理暂停加固区周围填土，以及重新挖筑压膜沟和埋设密封膜，11月底基本完成施工，抽真空过程正常运转，最终地下水位下降幅度达2.45 m。

2.3加固效果检测

加固前后进行了现场十字板剪切试验及钻孔取土及室内试验，加固后进行了浅层平板载荷试验，下面根据检测资料对加固效果进行综合分析。

现场验收时，发现有一个普遍的“土柱”现象，如图10，“土柱”的立体空间形态是个倒立椎体，现场采用的是1 m×1 m正方体排水板布置，土柱之间的强度要明显小于土柱强度[16]。相比传统真空预压工艺处理软基的“土柱”现象（图11），采用新型防淤堵真空预压工法的土柱不明显。“土柱”现象反映了排水体周围的淤堵以及处理效果沿排水体径向不均匀问题。从微观上就是颗粒随着孔隙水移动，在持续抽真空过程中，颗粒集中到了排水板附近，产生涂抹区，形成排水板涂抹区周围土体整体淤堵机制，但现在的文献多把淤堵归为土工材料淤堵。“土柱”现象的明显与否对应微观淤堵程度强弱，“土柱”越明显，淤堵越严重。这进一步表明了新型防淤堵真空预压工艺比传统真空预压在防淤堵处理效果更好。

3新型防淤堵真空预压加固效果的室

内对比模型试验

3.1传统与新型防淤堵真空预压对比

龚济平等[18]开展了传统与新型防淤堵真空预压对比模型试验。传统与新型防淤堵真空预压仅仅在施工工艺和塑料排水板实验条件不同以外，其它实验条件均相同，持续抽真空48 h，膜下真空度80 kPa。试验结束后相同位置分别取土样测试含水率。采用新型防淤堵真空预压技术加固后.浅层土和深层土的含水率分别为55.18%和55.21% ，仅相差0.03% ；经传统砂垫层法处理后。浅部土样和深部土样的平均含水率分别为65.6%和77.8%，相差达12.2%；采用新型防淤堵真空预压和传统砂垫层法处理后土样的平均含水率分别降至55.2%和717%[18]。由表6可知，在海南海花岛真空预压现场，浅层淤泥加固前后的含水率分别是61.4%和45.4%，增减量-26.1%；深层淤泥质粉质粘土含水率分别是55.5%和33.3%，增减量-40.0%。通过以上对比发现，经新型防淤堵真空预压法处理后软土的含水率更低，可以推断新型防淤堵真空预压法较传统砂垫层法具有更高的真空度传递效率，孔隙水压力差更大、真空度损失更小。真空度沿深度方向的传递更均匀。

3.2直排式與新型防淤堵真空预压对比

王军等[19]开展了直排式与新型防淤堵真空预压对比模型试验。直排式与新型防淤堵真空预压分别采用普通B型塑料排水板与防淤堵塑料排水板，施工工艺不同，其它试验条件相同，试验过程中，分别实时监测表面沉降；试验结束后拆膜，对2个试验分别进行含水率试验和十字板抗剪强度试验。

沉降量的观测每组选取3个点，一一对应。中心点的沉降明显大于边点的沉降值，这是由于中心点的真空度更大，渗透路径更短。同时，新型防淤堵真空预压法相应点最终沉降量和前期沉降速率明显优于直排式真空预压法。所以，达到相同承载力强度，新型防淤堵真空预压法在功耗和时间消耗上优于直排式真空预压法。

在对尾水收集过程中，两组试验有明显区别，直排式真空预压尾水清澈伴随泡沫，而新型防淤堵真空预压则是起初水浑浊，伴随抽真空时间增长，逐渐清澈，说明细小颗粒是与尾水一起排出，而直排式真空预压细小颗粒滞留在了B型排水板以及塑料排水板在水平波纹管捆绑处，体现了新型防淤堵排水板以及密闭贯通的独立排水系统的优越性。这一点在海南海花岛真空预压现场也得到了验证（图12），抽真空结束后，拆模后会发现直排式真空预压水平波纹管存在不均匀沉降带来的拉伸现象，一个原因是新型防淤堵真空预压采取的无孔钢丝软管质量上优于水平波纹管，主要原因直排式真空预压模下真空强度很高，但传递效率很低，表面形成硬壳层。

十字板抗剪强度试验和含水率试验分别对两组实验径向离排水板10、40 cm，纵向0、25、50、75 cm对应点。直排式真空预压法浅层位置相应点处理强度比新型防淤堵真空预压稍强，这是由于以绑扎来处理水平排水路径与竖直排水板的结合方式，能在待处理软基表面形成更大的强度，如图13。深度达到35 cm附近，新型防淤堵真空预压法距排水板40 cm处的抗剪强度已经大于直排式真空预压法10 cm处，随着深度加深，差距不断增大。试验结果表明新型防淤堵排水板以及密闭贯通的独立排水系统可以增强真空度的传递，预防竖直排水路径与水平排水路径接头处易堵，排水板易堵。含水率与十字板抗剪强度值情况基本吻合，结合十字板强度检测值，说明了新型防淤堵真空预压加固深层土体的效果优于直排式真空预压[19]。

在海南海花岛真空预压现场，十字板抗剪强度由加固前3.7～80.0 kPa增到加固后16.9～80.0 kPa，增幅明显，见表4。结合十字板剪切现场试验数据，各区各加固土层抗剪强度明显提高。AGH9区加固前后十字板抗剪强度详细对比见表5。现场试验数据同样表明深层土的十字板抗剪强度增量比浅层土的幅度更大，新型防淤堵真空预压施工工艺可以增强真空度的传递，预防竖直排水路径与水平排水路径接头处易堵，排水板易堵。

4结论

在超软土地基加固的实践中，真空预压过程中淤堵导致的加固效果受限是困扰工程和学术界的一个问题，本文结合海南海花岛真空预压的工程实践，引入了新型的防淤堵真空预压技术。该技术是是直排式真空预压方法的进一步改进，将防淤堵排水板取代传统排水板，在连接方式上，将无孔钢丝软管取代了水平波纹管，也将传统的包扎捆绑改进成了三通密封接头。通过现场施工过程中的动态监测和加固效果检测，表明了现场应用效果，表明该改进的有效性。在此基础上，结合已有的室内模型试验研究，分析了对比了新型防淤堵真空预压法技术能取得良好效果的机制。

1） 现场监测（检测）各加固区土体的孔隙水压力在真空预压加固期间产生了明显消散，场地处理范围内土体有效固结，真空区区域各加固土层的十字板抗剪强度均有所提高。真空区地表地基承载力特征值不小于60 kPa，各真空预压区按实测沉降推算固结度为85.1%～85.2%，按交工25 a后，推算得出残余沉降为83～110 mm，平均值为100 mm，满足设计要求。室内试验结果表明，加固前后地基土的物理力学指标都有较大改善，各加固区的土体含水率、孔隙比变小，主要加固土层土性指标均有较大幅度提高。

2） 新型防淤堵真空预压法用防淤堵排水板取代了传统排水板，改善了纵向排水路径，而且采用了无孔钢丝软管取代了水平波纹管，避免了水平波纹管在抽真空过程中因地基不均匀沉降拉裂；连接方式也改进成了三通密封接头，枪钉固定，解决了竖直排水路径与水平排水路径接头处易堵问题，形成了一个密闭贯通的独立排水系统。在恒大海南海花岛项目软基处理效果显著，改善了真空度传递效率，避免淤堵现象，预压区地基得到了改善。

3） 结合现场试验数据以及他人已有模型试验研究成果，高效滤水性能的土工织物在克服滤水通道的淤堵问题效果明显，尤其对于处理深层土体，新型防淤堵真空预压法处理吹填淤泥的排水效率以及防淤堵比传统真空预压法的效果更好。该新型防淤堵真空预压法可以大幅缩短施工工期和节约工程造价，在人工吹填（超）软土地基处理工程实践中具有良好实用价值和重大的社会应用前景。

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（編辑王秀玲）