真空预压在超低渗透软粘土中的应用研究

蔡学石，刘孟孟，薛润泽，王 洋, 徐满意，刘瑞良

(1.大连东港商务区开发建设管理集团有限公司，大连 116001；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室 水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456)

我国海岸线长约1.8万km，由于长期的搬运和沉积作用，我国东南沿海大部分地区和沿海河流中下游地区广泛分布着淤泥质沉积层，该淤泥质沉积层的主要特点是土体颗粒小，粘粒含量高、渗透性差、含水率高、压缩性大、抗剪强度低[1]。此外，第四次围海造陆工程热潮的建设进入末期后，我国尚存留一批软基加固“难点工程”，如大连临空产业园填海造地工程等，这些工程普遍特点是吹填造陆区域深度大、吹填海相土渗透性差、含水率高。随着我国基础设施建设的发展，大量建(构)筑物如工业厂房、港口码头、机场、仓库、堆场、高速公路、房屋等都需要建设在这种软土地基之上，若直接在这种未处理的软弱地基上修建施工，会产生地基总体沉降量大、不均匀沉降严重、承载力低、稳定性差的现象，无法满足实际工程的需求，严重影响工程质量安全[2-4]。针对这一问题，交通运输部发布了《“平安百年品质工程”建设研究推进方案》，将“特殊土路基的填筑与沉降控制技术”和“水工结构沉降位移过大和不均匀沉降问题防治”列为推进交通基础设施高质量发展的重点研发项目。

采用真空预压进行软基处理的方法最早由瑞典皇家地质学院Kjellman提出，并初步论证了真空预压的机理并建立真空预压加固软土地基一维问题的最终效果图[5]。Mertirosym求解拉普拉斯方程绘制二维真空预压的渗流流网，小林正树采用有限元求解真空预压三维问题的数值解[6]。以上研究主要侧重采用真空预压加固的最终效果，属于稳定渗流的问题。1980年以来，中交一航局、南京水利科学院和天津大学等单位对真空预压的机理进行研究。陈环、高志义、钱家欢等对真空预压固结问题进行研究，指出地基土在负压作用下固结，尽管和堆载预压的边界条件存在差别，但和正压作用下的固结问题基本相同，因此固结方程形式和堆载预压一致，只是边界条件不同[7]。龚晓南、岑仰润总结前人研究经验提出真空预压存在两个基本问题，一是最终效果问题，二是固结问题，即变形、孔压、有效应力和强度等参数随时间的变化[8]。因此，必须从这样两个角度出发才能系统论述真空预压加固软土地基的机理。此后，采用真空预压方法进行软基处理技术逐渐成熟，天津大学、交通运输部天津水运工程科学研究院、南京水利科学研究院、浙江大学、中交水运规划设计院等多家单位对真空预压方法进行了多项试验研究和实际工程应用[9-11]，真空预压软基处理技术的施工工艺和设计方法也不断完善和创新，使我国真空预压技术处于国际领先水平，真空预压技术逐渐推广应用，在我国港口码头、仓库、机场和高速公路等重大基础性工程中得到应用，并取得了巨大的社会和经济效益。

但值得注意的是，以往真空预压技术主要应用于高渗透性软基固结工程，如天津港等。目前已有研究较少涉及真空预压在低渗透性软基工程中的处理应用，低渗透性软基加固工程的加固效果不仅受真空度、排水板布置工艺和地基垫层等方面的影响，还受制于如何打破低渗透性土体固有特性的影响，这也是目前真空预压工艺有待解决的关键技术问题之一。

1 试验概况

为详细探究真空预压技术在低渗透性软粘土中的处理加固效果，排除室内小比尺模型试验的比尺效应和边界效应，特选定辽东半岛某围海造陆工程作为试验地点。选定的人工岛试验场地总陆域形成面积20.29 km2，区域水域底标高-5.0～-6.0 m，回填区陆域交工标高3.1～4.85 m，清淤换填区回填标高为2.7 m，纳泥区吹填标高为5.0 m和5.5 m，吹填淤泥厚度约10.5 m。

由于试验场地吹填淤泥具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、密度小、强度低、渗透性小等特点，工作垫层的设置及吹填淤泥层的处理较常规软基处理项目难度大，故本次试验共布置6组对照试验，分别考察膜下处理方式、排水板深度、排水板类型和排水板间距对真空预压处理效果的影响，试验组次如表1所示，对照试验分区平面布置图如图1所示。土体物理力学指标见表2。

表1 试验组次对照表Tab.1 Test group comparison

注：试验区面积为80 m×120 m，排水板I表示滤膜等效孔径O95为0.05～0.075 mm，排水板II表示滤膜等效孔径O98为0.075～0.13 mm，2～3组次三维排水网是在吹填土上直接铺设排水网垫层(如图2-d所示)。

本次试验采用对照参考的方式，通过在地基处理试验区埋设孔隙水压力计、沉降标、真空表、水位仪等对地基处理过程进行监测，并对试验结果进行对比分析，探究真空预压施工工艺对低渗透性软粘土的处理加固效果。

表2 吹填土的物理性质Tab.2 Physico-mechanical parameters of soil

图1 对照试验分区平面布置及真空预压示意图Fig.1 Section plan of test group comparison and vacuum preloading

2-a 试验区现场2-b 排水板布设安装2-c 真空预压布设完成2-d 三维排水网垫层图2 现场试验图片Fig.2 Picture of field test

试验场地平整完成后，回填中粗砂作为水平向排水垫层，其中中粗砂含泥量不大于5%，砂垫层厚度为1.0 m。然后按照表1安排打设塑料排水板，板芯采用原生料，排水板正方形布置，为保证试验结果的准确性和可靠性，排水板的打设严格遵守《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS206)的有关规定，施工现场排水板用帆布覆盖以防日晒雨淋加速材料老化，打板前后均采用10 m×10 m方格网测出加固区各点高程，以便推算打板期间沉降量。塑料排水板打设完成并验收合格后，采用砂垫层砂料仔细填满打设时在板周围形成的孔洞，在埋设板头前及时清理干净塑料排水板在打设过程中带出的淤泥，以及现场的杂物，以便更好地形成排水通道，并将板头埋入砂垫层中，埋设方向与砂面平行，以确保排水畅通，同时防止刺破密封膜。布设滤管时根据现场实际情况对滤管、二通、三通和四通的数量及布置做适当的调整，以确保滤管排水通畅，同时埋设膜下真空度、地表沉降、深层分层沉降、孔隙水压力、地下水位、深层水平位移、排水板内真空度等监测仪器。为保证软基处理加固效果，抽真空满载14 d后，开始分级加载，联合堆载料采用0.5 m厚粉细砂保护层和4.5 m厚开山石土，分三级堆载，每级1.5 m。堆载完成后实时监测地基土层沉降，待沉降稳定后停泵卸载，真空预压结束。通过各试验组次地基沉降的差异情况，分析探究真空预压施工工艺对低渗透性软粘土的处理加固效果，以确定最优试验方案。

2 试验结果

2.1 真空度

试验开始后，随着抽真空时间的延续，膜下真空度在14 d内上升到85 kPa，真空度随时间变化过程见图3，从图中可以看出，抽真空后，膜下真空度很快达到80 kPa，然后缓慢增加到16 d后的85 kPa左右，然后随着时间的增加，膜下真空度逐渐缓慢下降并达到稳定，最终稳定在70 kPa。试验1区(1-1、1-2、1-3)和试验2区(2-1、2-2、2-3)膜下真空度的数值和趋势均保持相对一致。

图3 各组试验区膜下真空度Fig.3 The vacuum under membraneof each test group

2.2 沉降

试验过程中通过千分表测量了真空预压联合堆载过程中土体表面的沉降量，试验过程中土体表面沉降随时间变化曲线如图4所示。为减小各组试验的误差，试验1-1、1-3、2-1、2-3组次中布置了6个观测点，试验1-2和2-2组次中布置了3个观测点，每组试验结果在分析时采用均值化处理。

4-a 1-1组次地基沉降量结果

4-b 1-2组次地基沉降量结果

4-c 1-3组次地基沉降量结果

4-d 2-1次地基沉降量结果

4-e 2-2次地基沉降量结果

4-f 2-3次地基沉降量结果图4 各对照组试验沉降曲线Fig.4 Experimental settlement curve of each test group

由图3可知，在真空预压试验开始后，土体沉降发展很快，基本呈线性增长；当一级堆载(累计21.3 kPa)荷载施加后，沉降速率迅速增大，同时沉降迅速增加，此时土体沉降仍呈线性趋势增长；当二级堆载(累计42.6 kPa)荷载施加后，土体沉降速率再次增加，但速率增加幅度较一级堆载相比有所降低，此阶段土体沉降介于线性增长和指数增长趋势之间；当三级堆载(累计63.9 kPa)荷载施加后，土体沉降速率在荷载时间的短期时间内迅速增加，但随着时间的增加，沉降速率明显下降，呈现明显的指数函数增长趋势，并最终沉降趋于稳定值。

将上述结果进行均值汇总处理，结果如表3所示。

表3 试验最终平均沉降量Tab.3 The final average settlement of each testsgroup m

由表3可知，由于真空预压关键控制参数的不同，导致最终试验结果优劣不一，6组试验结果最终平均沉降量介于1.699～2.169 m之间。为详细分析真空预压不同关键控制参数的效果，结合前文表1可知，6组试验结果可组合成4组对照试验，分别考察排水板间距、排水板深度、排水板类型和膜下处理方式(铺设砂垫层、无砂垫层直排式、三维排水网垫层)对真空预压固结效果的影响。

表4 最优因素分析Tab.4 Optimal factor analysis

由表4中试验1-1和试验1-2可知，在排水板布置间距方面，0.8 m间距的最终沉降量为1.921 m，优于1.0 m间距的最终沉降量1.699 m，间距缩小0.2 m后加固效果可提高13.07%；对比试验1-2和试验2-1可知，对于单一的排水板深度(20 m)，采用长短板相结合(10 m、20 m间隔布置)的方式可有效增加真空预压固结效果，土体表层最终沉降量可由1.699 m跃升至2.169 m，加固结果可提升27.66%；选取滤膜等效孔径O95为0.05～0.075 mm规格的排水板I和滤膜等效孔径O98为0.075～0.13 mm规格的排水板II，试验结果表明较大的滤膜等效孔径可有效提高排水板真空度的传递效率，从而加强真空预压效果，从试验结果看，选用排水板II可较排水板I加固效果提升8.17%；此外，针对土体表面膜下处理方式的影响，选取了传统砂垫层+绑扎式、无砂垫层+直排式和三维排水网+绑扎式三种方案进行对比分析，分别应用于试验区1-1、1-3和2-3，现有试验结果表明传统砂垫层式处理方式效果最佳(沉降为1.921 m)，无砂垫层+直排式处理方式次之(沉降为1.909 m)，三维排水网+绑扎式处理效果最差(沉降为1.878 m)，这是由于传统砂垫层式处理方式可有效传递膜下真空度，且表层管路由于有砂垫层的保护作用，很少甚至不会发生表层负压管路在高负压下产生的“抽扁”现象，而无砂垫层+直排式处理方式普遍存在该现象，三维排水网处理虽然一定程度上提高了膜下真空度的传递效率，但采用传统的排水板绑扎式处理方式又减缓了负压沿排水板的传递效率，综合上述试验结果分析可以预测采用三维排水网+直排式处理效果将会大大提高真空预压效率，甚至达到采用传统砂垫层处理方式的效果。

3 结论

本文通过现场试验的方式，探究了真空预压技术在低渗透性软粘土中的处理加固效果，设计了6组试验组次共4组对照试验，分析了膜下处理方式、排水板深度、排水板类型和排水板间距对真空预压处理效果的影响。对于该工程中的超低渗透性软粘土，试验结果表明：(1)排水板间距为0.8 m的分布型式优于间距为1.0 m的分布型式，可提高13.07%的加固效果；(2)采用长短板相结合的分布方式较单一长度的排水板处理方式，可有效提高真空预压的处理效果，加固结果可提升27.66%；(3)采用较大的滤膜等效孔径可有效提高排水板真空度的传递效率，从而加强真空预压效果；(4)传统铺设砂垫层的膜下处理方式虽然效果最佳，但考虑到施工成本和时间成本的因素，可采用三维排水网+直排式处理的方式进行替代。