吹填深厚超软土地基加固现场试验研究

王鹏，梁爱华，刘爱民，刘洪亮，王荣利

（1.天津港（集团）有限公司，天津300461；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津300222）

吹填深厚超软土地基加固现场试验研究

王鹏1，梁爱华2*，刘爱民2，刘洪亮2，王荣利2

（1.天津港（集团）有限公司，天津300461；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津300222）

为解决砂资源紧缺情况下高含水率、大面积吹填超软土真空预压地基加固技术难题，在南港进行13.8万m2现场试验，开发了一种适合表层为深厚吹填超软土、下层为深厚沉积欠固结土地基的无砂二次真空预压地基处理技术。该技术在浅层真空预压加固中采用较小的排水板间距，使超软土快速形成满足深层插板机械施工的硬壳层，取消了传统工艺中作为施工垫层的粉细砂垫层，并提出了浅层加固的卸载标准；在深层加固时取消作为排水垫层的黄砂垫层，由排水板与滤管有效连接形成的管网作为抽气排水通道，实现了完全无砂超软基真空预压地基加固，加固效果满足设计要求。

真空预压；二次加固；吹填土；卸载标准

0 引言

随着围海造陆向较深海域快速发展，不少地基吹填土厚度达到了8 m，甚至超过10 m。多数吹填地基以航道疏浚土作为吹填土料，形成的地基压缩性高、强度低，短期内上人和施工机械困难。为了完成围海造陆向商业用地的迅速转换，往往需要对新吹填土层和原泥面以下10~20 m的欠固结土层迅速加固，达到用地要求。

高含水率的吹填土一直是地基加固的难题[1-2]，采用现有的真空预压工艺，即使是二次真空预压加固，仍然需要在浅层加固的密封膜上吹填60～80 cm的粉细砂，以增加浅表层地基承载力，满足深层真空预压地基加固施工机械的安全行走和工作要求。为减少砂的使用，节省自然资源，在南港进行了大面积无砂二次真空预压地基处理现场试验，期望试验过程和结果为其他类似工程提供借鉴。

1 试验方案

1.1 试验区概况

南港工业区B03路西侧造陆3区地基处理工程，分为191个真空预压加固区，总面积549.1万m2。试验区位于造陆3区东北角，见图1，分别为47区、31区、48区、32区、16区，共计5个加固区，面积13.8万m2，平面分区图见图2。

1.2 试验区土质

课题组在试验区表层土层进行了17组原位检测试验，钻孔深度为5 m，共计取得85个土样和170个十字板剪切数据。试验数据统计见表1，十字板均值统计见表2。

图1 试验区位置Fig.1Location of experiment area

图2 试验区平面分区图Fig.2Plane partition graph of experiment area

表1 表层吹填土物理指标统计Table 1Physical index of surface hydraulic fill

表2 表层吹填土十字板剪切强度值统计Table 2Statistics of vane shear strength for surface hydraulic fillkPa

试验区浅表层5 m深度范围内吹填土含水率103%～124%，黏粒含量约40%，为细颗粒含量较高的流泥[1]；平均十字板剪切强度均小于2 kPa。

1.3 试验方案设计

1.3.1 试验目的

通过现场试验开发一种适合表层为深厚吹填超软土、下层为深厚沉积欠固结土地基的无砂二次真空预压地基处理技术。该技术浅层加固时取消作为工作垫层的粉细砂垫层，由浅层加固后的表层淤泥作为深层加固插板机械施工的工作垫层；深层加固时取消作为排水垫层的黄砂垫层，由排水板与滤管有效连接形成的管网作为抽气排水和传递真空压力的通道。

1.3.2 预估浅层真空预压地基加固卸载标准

由于二次真空预压地基处理浅层加固目前没有统一的卸载标准，根据现场常用插板机（DJG系列钢轨插板机）的重量和接地面积计算，考虑插板机动态工作对地基承载力的影响，乘以1.5倍的安全系数，反算成地基十字板剪切强度，预估浅层地基处理后十字板剪切强度达到10 kPa左右，可进行卸载。

1.3.3 浅层抽水固结方案

1）方案一

试验47区、31区、16区，在吹填流泥上铺设1层编织布，1层无纺布，人工打设排水板。排水板间距1.0 m，正方形布置，在每4根相邻排水板的形心位置打设1根排水板；排水板实际间距约70 cm。排水板打设深度4.5 m，外露长度0.4 m。每排排水板铺设1根滤管，滤管间距50 cm。滤管铺设完成后，进行滤管排水板连接，排水板缠绕滤管1.5周，用自拉锁固定。铺设1层土工格栅，1层无纺布，一次性铺设2层密封膜。试验47区浅层加固卸载后，吹填黑砂，一半面积吹填30 cm，另一半面积吹填40 cm。

2）方案二

试验48区、32区，排水板间距0.8 m、正方形布置，同时在每4根相邻排水板的形心处打设1根排水板；排水板实际间距56 cm。每排排水板铺设1根滤管，滤管间距40 cm。其它同方案一。1.3.4深层抽水固结方案

5个试验区排水板间距均为0.8 m，正方形布置，排水板打设底标高为-13.0 m、外露长度0.4 m。在每排排水板位置铺设1根滤管，排水板滤管通过自拉锁连接。试验16区、48区、31区滤管绑扎完成后，铺设1层无纺布，2层密封膜；试验32区、47区滤管上绑扎完成后，在滤管上覆盖中粗砂，铺设1层无纺布，2层密封膜。深层真空预压要求膜下真空度不小于85 kPa。预计抽真空恒载时间100 d。

1.4 卸载标准

浅层抽水固结卸载标准：正式抽气20 d进行现场十字板检测，每区8个点，要求浅层2~3 m范围内平均十字板剪切强度大于10 kPa。如达不到，继续抽真空，后每10 d做十字板检测1次，直至地基强度满足要求。

深层真空预压卸载标准：按实测沉降曲线推算的固结度不小于90%，且连续5 d地表实测平均沉降速率不大于2.5 mm/d。

2 试验区实施概况

试验区10月21日浅层加固正式抽气计时，有效抽气时间为40 d，正式抽气20 d、30 d、40 d分别进行了原位取土和十字板剪切试验。浅层加固卸载后，试验区32区、48区、47区采用DJG系列钢轨插板机进行深层排水板打设，其它区域采用轻型打板机械进行深层排水板打设。深层加固抽真空正式计时105 d后卸载，经第三方单位检测，加固效果满足设计要求。

3 试验数据分析

为了取得真实有效的试验数据，为新技术提供翔实依据，试验加固前后及施工过程中进行大量的现场检测和动态监测。主要项目有：现场取土及相关室内试验检测、现场十字板试验检测，孔隙水压力监测[3]、土体分层沉降监测、表层沉降监测、膜下真空度监测等。

3.1 浅层加固监测与检测数据分析

1）孔压监测

浅层加固40 d，56 cm排水间距的32区、48区孔压消散值为35.05 kPa、30.70 kPa，70 cm排水板间距的16区、31区、47区孔压消散值为10.63 kPa、11.77 kPa、14.11 kPa。排水板间距小的试验区孔压消散值相对较高。

2）表层沉降观测

试验区浅层加固表层沉降统计见表3，浅层加固总沉降量为1 097.3～1 763.7 mm。

表3 表层沉降统计Table 3Statistics of surface settlement

根据实测平均沉降曲线，估算试验区浅层加固的固结度[4-5]。试验47区、16区、31区固结度为50%~65%，加固范围内残余沉降60~70 cm；试验区32区、48区固结度70%~75%，加固范围内残余沉降35~50 cm。排水板间距较小的32区、48区地基固结度高于47区、16区、31区。

3）浅层加固前后含水率变化

在浅层加固前、过程中和卸载后，进行了原位取土和室内土工试验，含水率统计数据平均值见表4。试验区土体含水率在浅层加固过程中大幅降低，试验32区、48区含水率降低幅度大于试验47区、31区和16区。

4）浅层加固十字板剪切强度分析

在试验区浅层加固过程中进行了4次原位十字板剪切试验，分别为加固前、加固20 d（47区、31区覆水较深，加固20 d未取得数据）、加固30 d和加固40 d。各区平均十字板剪切强度统计见表5。试验区加固40 d，十字板平均强度均小于10 kPa，排水板间距56 cm的试验32区、48区十字板强度相对较高，加固20 d十字板强度接近排水板间距70 cm试验16区、32区、48区40 d十字板强度。

表4 含水率数据统计Table 4Statistics of water content %

表5 试验区平均十字板剪切强度统计Table 5The mean vane shear strength in experimental area kPa

从现场浅层真空预压加固试验数据包括孔压消散、推算固结度、加固土体含水率变化、十字板剪切强度等可以看出，排水板间距对吹填土加固效果的影响是显著的，在吹填超软土中采用小于规范推荐的排水板间距（0.7～1.3 m）[6]，能取得相对较好的加固效果。

5）卸载标准分析

经过40 d的真空预压加固，加固区2~3 m范围内实测十字板剪切强度并没有达到设计预计的10 kPa。但根据现场踏勘及设计施工人员的经验，认为32区、48区能够满足常用插板机的施工要求，随在抽真空计时40 d后卸载。卸载后在试验区进行了排水板试打，试验32区、48区在不采取措施的情况下，采用常用插板机能够顺利进行排水板打设作业。47区（密封膜上吹填了40 cm的黑砂），在插板机枕木下铺设泡沫板后，能够采用常用插板机进行插板作业。其它各试验区采用轻型插板机进行排水板打设作业。说明32区、48区加固后地基承载力能够满足常用插板机插板作业要求。

试验区表层滤管布设密，排水条件好，表层0.5 m深度范围内加固效果好于0.5 m深度以下。浅表层硬壳层对插板机的安全作业至关重要。因而对不同试验区浅表层0.2~0.5 m深度及0.5 m深度以下十字板剪切强度分别进行统计和平均，统计结果见表6。

表6 十字板强度统计Table 6Statistics of vane shear strength kPa

由表6可以看出，试验区浅层加固后，表层0.2～0.5 m深度范围内十字板强度明显高于0.5 m以下。48区、32区浅表层0.2~0.5 m深度平均十字板剪切强度为10.2 kPa，该强度满足设计预期的10 kPa的十字板剪切强度。32区、48区0.5 m以下排水板打设深度以上平均十字板剪切强度为7.5 kPa。

为了更好地了解插板机在插板过程中对地基的实际压力，在插板机下的枕木上安装了土压力盒，对常用、轻型两种插板机最大接地压力进行测量。通过测试得到插板机在拔桩时对地压力最大，常用插板机拔桩对地压力反算成地基十字板强度为9~10 kPa，轻型为7.0~7.5 kPa。土压力盒测得的折算值与加固后地基十字板强度检测值非常相近。认为以检测值均值作为浅层抽水固结卸载推荐值是可行的。

6）卸载标准

根据以上分析，制定无砂的二次真空预压加固浅层加固卸载标准如下：

采用目前常用插板机械施工，无砂法浅层加固卸载标准为：表层0.2~0.5 m深度范围内，土体十字板平均强度不小于10 kPa；0.5 m以下加固范围内平均十字板剪切强度不小于7.5 kPa。以土体原位十字板剪切试验为推荐检测方式。

采用轻型插板机械施工，无砂法浅层加固卸载标准为：表层0.2~0.5 m深度范围内，土体十字板平均强度不小于7 kPa；0.5 m以下加固范围内平均十字板剪切强度不小于4 kPa。以土体原位十字板剪切试验为推荐检测方式。

3.2 深层加固效果分析

1）土质分析

深层加固前和卸载后进行了原位钻孔取土和室内土工试验。土性指标中含水率变化是加固效果改善最敏感的指标，加固前后各试验区含水率统计均值见表7，加固后各区平均含水率相差不大，在35%~38%之间，含水率降低10.2%~34.9%。滤管上铺有中粗砂的试验47区和32区，卸载后含水率和其他试验区没有明显区别。

表7 深层加固前后平均含水率对比Table 7Comparison of the mean water content before and after deep ground improvement %

2）表层沉降及固结度分析

根据沉降观测结果统计（见表8），加固区内的插板沉降为1 240~1 404 mm之间，受吹填顺序及不均匀影响插板期沉降差别较大。深层真空预压期间该沉降量在764~1 037 mm之间，卸载前5 d的沉降速率在1.3~1.7 mm/d。根据实测沉降曲线，采用双曲线法[3-4]推算各试验区的固结度为90.2%~90.7%，满足设计要求。

表8 沉降量、沉降速率及推算固结度汇总Table 8Summary of the settlement,settlement ratio and calculated consolidation

3）加固前后十字板剪切强度分析

深层加固前和卸载后进行了原位十字板剪切试验。根据试验数据统计，表层8 m左右土体为吹填土，经浅层、深层二次真空预压加固后，土体十字板剪切强度增幅巨大，加固效果明显。深层加固前，表层土十字板剪切强度2.3～11.8 kPa，深层加固后十字板剪切强度增加到23.1～41.2 kPa。原泥面以下土层加固前主要采用十字板进行检测，十字板剪切强度4.0～35.9 kPa。加固后，土体强度大幅增长，采用标贯试验进行检测，击数3～11击。

4 和邻近传统方案进行对比

1）工艺对比

距离试验区最近的加固区为15区、29区、46区，土质和试验区相接近，采用传统有砂二次真空预压地基处理方法。和试验区加固工艺的主要区别：传统加固区浅层排水板间距70 cm，加固时间30 d，在浅层抽真空正式计时后，在密封膜上吹填80 cm的粉细砂。

2）加固效果对比

根据现场实测数据，对试验区和邻近加固区加固前后土体的含水率变化及吹填土层加固后十字板强度进行对比，见表9、表10。

表9 深层加固前后试验区及邻近加固区平均含水率对比Table 9Comparison of the mean water content at the experimentalareaandtheadjacentimprovement area before and after deep ground improvement%

表10 试验区及邻近加固区吹填土层加固后十字板强度均值对比表Table 10Comparison of the mean vane shear strength at theexperimental areaand the adjacentimprovement area after dredger filled soil improvement kPa

根据以上试验数据，考虑土质均匀性等因素，认为试验区和邻近加固区的加固效果是相当的。

3）经济对比

以32区、48区作为推荐方案和邻近加固区传统工艺进行对比。根据现场实际成本测算，考虑交底标高相同（无砂法真空预压工艺采用吹填淤泥补齐标高），无砂法真空预压二次加固工艺比传统有砂工艺节约成本20.23元/m2。

5 结语

通过13.8万m2的现场试验和数据分析，得到以下结论：

1）提出了一种无砂的适合深厚超软基快速加固的真空预压新技术。该技术在浅层真空预压加固中采用较小的排水板间距，使超软土快速固结，形成满足深层插板机械施工的硬壳层，取消了传统工艺中作为施工垫层的粉细砂垫层；在深层真空预压加固中取消了作为排水垫层的中粗砂垫层，实现了完全无砂超软基真空预压地基加固。

2）提出无砂的二次真空预压地基处理技术浅层加固卸载标准。标准为：表层0.2~0.5 m深度范围内，土体十字板平均剪切强度不小于10 kPa；0.5 m以下加固范围内平均十字板剪切强度不小于7.5 kPa。以土体原位十字板剪切试验为推荐检测方式。

3）排水板间距对浅层超软土加固效果的影响是显著的，采用小于规范推荐的排水板间距可有效加固吹填超软土，可以迅速形成能够满足常用排水板打设机械工作的工作界面。

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Experiment research on hydraulically filled ultra-soft soil ground improvement

WANG Peng1,LIANG Ai-hua2*,LIU Ai-min2,LIU Hong-liang2,WANG Rong-li2
（1.Tianjin Port（Group）Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China;2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering,Ministry of Communications,PRC,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin 300222,China）

In order to solve the problems in high water content and large area reclamation of ultra-soft soil vacuum preloading foundation reinforcement technology with sand shortage,we carried out an in-situ experiment with 138 000 m2site,and proposed a secondary vacuum preloading technique without sand.This technique applies to the ground which the upper part is ultra-soft soil and the lower part is under-consolidated soil.In shallow ground improvement,this technique use smaller drainage plate spacing to form a crust quickly which meet the requirements of deep inserted plate mechanical construction, excluded the silty fine sand used as sand mat,put forward the unloading criteria of shallow reinforcement.In deep ground improvement,excluded the sand cushion used as drainage cushion,used pipe network composed of drainage plate and pipe as suction drainage channel.No sand is needed for foundation reinforcement using this technique and the reinforcement effect meets the design requirements.

vacuum preloading technique;secondary improvement;hydraulic fill;unloading criteria

U652.2

A

2095-7874（2017）07-0057-05

10.7640/zggwjs201707013

2017-04-26

2017-05-17

王鹏（1985—），男，天津市人，工程师，港口航道及海岸工程专业，从事项目建设管理工作。*通讯作者：梁爱华，E-mail：liangah75@sina.com