真空预压法地基处理设计及加固效果分析

陈 赟,胡尉彬,杨勤锋

(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司,浙江 杭州 310028;2.浙江国丰集团有限公司，浙江 杭州 311200)

真空预压法最早由Kjiellman(1952)[1]提出,是处理和加固软土地基的有效方法,经过大量的理论研究和工程实践,逐渐形成了一套基本成熟的理论体系和施工工艺。随着经济建设的迅猛发展和陆地资源的日趋紧张,大面积的围海吹填造陆成为沿海地区土地开发的重要手段,真空预压法被广泛应用于吹填土地基的处理。

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

某液体化工罐区工程位于河北省沧州市,场地原为潮间带浅滩,2014年经人工吹填而成陆地,地表高程5.06～5.85 m,场地东西长734.75 m至739.23 m,南北宽497 m,面积为366 329.82 m2,要求先期进行地基处理,以提高场地地基承载力,场地标高5.5 m。

1.2 地质条件

根据岩土工程勘察报告,本工程所涉及的各地基土层为：①冲填土,黄灰色,流塑,由淤泥及淤泥质土、黏性土、粉土组成,含有机质成分,岩性极不均匀。堆填方式为人工冲填,冲填年限约为1.5年,高压缩性；②淤泥质黏土,浅灰色,软塑—流塑,切面有光泽,韧性高,干强度高,含有机质成分及贝壳碎片,岩性较均匀,高压缩性；②-1粉土,浅灰色,稍密,饱和,摇震反应中等,韧性低,干强度低,含贝壳碎片,岩性较均匀,中压缩性；③粉质黏土,灰色,可塑—软塑,切面稍有光泽,韧性中等,干强度中等,夹粉土及淤泥质土薄层,局部呈互层状分布,含贝壳碎片,岩性不均匀,中压缩性；④淤泥质黏土,灰色,软塑—流塑,切面有光泽,韧性高,干强度高,含有机质成分及贝壳碎片,岩性较均匀,高压缩性；⑤黏土,灰黄色,可塑—软塑,切面有光泽,韧性高,干强度高,具锈染及灰绿染,岩性较均匀,中—高压缩性；⑤-1粉土,灰黄色,中密,饱和,摇震反应迅速,韧性低,干强度低,具锈染及灰绿染,岩性较均匀,中压缩性；⑥粉土,灰黄色,中密,饱和,摇震反应迅速,韧性低,干强度低,具锈染及灰绿染,岩性较均匀,中—低压缩性。土层的物理力学性质指标见表1。

表1 各地基土层的物理力学性质指标

2 地基处理设计

2.1 地基处理设计

根据本工程地质条件、周边环境及工期要求,采用真空预压法进行地基处理。真空预压处理面积为330 991.69 m2,共分为A1～A16共16个预压分区；已建二港池围堰西侧区域及旧围堤堤身两侧直接采用换填法进行处理,面积为35 338.13 m2。地基处理总平面图见图1。真空预压法包括压力系统、排水系统和密封系统三个方面。

1)压力系统 要求膜下真空度稳定地保持在650 mmHg(相当于85 kPa)以上。稳定抽气72 h后可开始计时,并转入正常抽真空阶段有效满载预压时间为120 d。

2)排水系统 ①水平排水通道：在工作垫层上铺设0.5 m厚的中粗砂垫层,形成水平向排水通道。②垂直排水通道：采用塑料排水板作为垂直排水通道,排水板间距1.0 m,按正方形布置,板底深度17.5 m,穿越4号淤泥质黏土层进入5号黏土层。

3)密封系统 采用三层聚乙烯或聚氯乙烯薄膜,压膜沟必须切断透水层,最浅进入不透水层顶面以下500 mm,压膜沟处的密封膜上的覆土厚度不小于1 m。在真空预压边线位置设置黏土帷幕墙,采用双排φ700@500水泥搅拌桩施工,墙厚1.2 m,墙底深度15.5 m。

4)预压稳定、卸荷标准 ①固结度≥85%(按沉降量曲线计算)。②连续5～10 d的平均沉降量不大于2.0 mm/d。③有效满载预压时间不少于120 d。

2.2 施工工序及质量要求

1)铺设编织布、荆笆、竹笆及土工布：在原吹填泥面上首先铺一层150 g/m2编织布,铺设两层荆笆(或两层竹笆),然后在荆笆上铺设一层300 g/m2土工布,铺设范围为地基处理边线外扩4.5 m。

2)铺砂垫层：在土工布上铺筑中粗砂垫层,厚度0.5 m,砂的含泥量不大于5%,干密度应大于1.5 t/m3,渗透系数大于5×10-3cm/s。

3)打设塑料排水板：根据设计要求打设塑料排水板,塑料排水板在砂垫层表面外露不小于0.25 m。打设最后一根塑料排水板距加固区边界不大于0.5 m。打板后应将板口处淤泥清除干净,再将板头埋入砂垫层中间。

4)铺设滤管、安装射流泵。

5)施工黏土帷幕墙、挖压膜沟、铺密封膜。

6)连接抽真空设备，泵开启时应分批、均匀开启,试抽气，检查，达到设计要求并稳定抽气72 h后正式抽气，开始计时。

7)卸载：满载预压120 d并达到卸荷标准后停泵卸载,真空预压结束。

8)真空预压卸载后,分层回填素土至标高5.5 m,每层厚度不大于0.5 m,对场地进行碾压整平。

3 加固效果分析

为了检验加固区真空预压后的加固效果,更好地掌握软基加固过程中各土层固结、沉降及侧向变形等变化,确定卸载时间,对软基在加固期间的表层沉降、膜下真空度、孔隙水压力、土体侧向位移、地下水位、分层沉降值随加固时间变化等情况进行了观测。同时,加固前、后对软基进行十字板抗剪强度试验及室内土工试验等,检验处理效果。测试点布置见图1,部分测试结果见表2。

表2 地基处理部分测试结果

图2 A3、A4、A7、A8、A11、A12区抽真空期间表层平均累计沉降量曲线

图3 A9区抽真空期间分层沉降量曲线

1)根据监测数据,抽真空前期随着膜下真空度的快速升高,地基土产生较大的沉降变形,表层沉降速率较大,且地基压缩变形主要发生在地表以下10 m深度范围内,浅层土体的沉降速率及沉降量大于深层土体,见图2、图3；孔隙水从土体中排出,孔隙水压力开始快速消散,孔隙比逐渐降低；加固区边界外侧地下水位逐渐降低,见图4；加固区东侧边界外土体深层水平位移逐渐增大,位移主要发生在16 m深度范围内,位移量随着深度的增加而逐渐减小,最大位移值发生在表层位置,位移方向朝向加固区方向。地基处理中后期膜下真空度基本保持不变,各项监测数据的变化速率逐渐减小,累计变化量逐渐趋于稳定。

图4 地下水位-时间变化曲线

图5 A10区十字板抗剪强度对比曲线

图6 A12区十字板抗剪强度对比曲线

2)根据检测结果可见,经地基处理后,试验深度范围内地基土的十字板抗剪强度较工前得到了较大提高,见图5、图6；土体含水率明显降低,干密度增大,孔隙比减小,力学指标得到了较高的增长,土性指标得到明显改善。大部分淤泥已转化为淤泥质土,部分淤泥质土转化为黏土或粉质黏土。

4 结 语

1)根据表层沉降监测数据、满载预压时间、固结度推算结果可知,各加固区达到设计卸载标准,土体大部分固结变形已在抽真空期间完成,加固处理效果明显。

2)根据加固后土层物理、力学性质变化表明土层得到了较好的固结,地基处理效果显著。

3)通过分析实测资料,加固区不同观测点之间,存在着不均匀沉降,产生了一定的沉降差。因此,建议在后期对加固区使用的过程中,注意各小区加固效果差异引起的工后不均匀沉降。同时建议工后对加固区进行浅层平板载荷试验,确定场区浅层土体地基承载力,进一步验证地基处理加固效果,从而保证工程后期使用的安全。