打孔管道真空预压加固高含水率淤泥效果影响试验研究

傅利军 翁奇波 杨则顺

(1.浙江交工集团股份有限公司，浙江 宁波 315000；2.浙江杭甬复线宁波一期高速公路有限公司，浙江 宁波 315000)

0 引言

近年来，随着经济的不断发展，我国东部沿海城市的土地资源越来越不能满足生产生活需要，这已经成为了阻碍城市进一步发展的重要因素之一。许多城市采用海涂整治的方式来增加建设用地，真空预压法是目前海涂整治的主要方法[1-4]。

在工程实践中发现，采用真空预压法处理海涂淤泥过程中存在排水板打设困难与排水板留在土中无法回收等问题[5,6]。打孔管道—真空预压法是近年来出现用于解决以上问题的新型地基处理方法。然而目前对于打孔管道—真空预压法的研究较少，对此方法的适用范围与加固效果也尚不明确。

基于上述情况，本文进行了打孔管道—真空预压室内模型试验与预制竖向排水板(PVD)—真空预压室内模型试验，对两种不同级配的高含水率淤泥在真空预压过程中的沉降、孔隙水压力、出水量等进行了分析。重点探讨了打孔管道—真空预压法处理高含水率淤泥加固效果的影响规律。

1 试验方案设置

1.1 实验装置

模型试验装置如图1所示，由模型桶、抽真空系统、排水与储水系统和监测系统组成。真空预压试验采用高为47 cm，直径为37 cm的圆柱形模型桶内进行，模型桶采用亚克力材质。抽真空系统由水循环真空泵与真空管道组成，试验过程中真空压力为-90 kPa；排水与储水系统由上下嘴滤瓶、出水管道、120 μm孔径的排水板(或打孔管道)组成；监测系统由电子秤、位移传感器(LVDT)、孔隙水压力计、传感器读取装置组成。孔隙水压力计量程为-100 kPa～100 kPa，精度为0.1%，位移传感器量程为0 mm～200 mm，精度为0.1%。

打孔管道示意图见图2。

1.2 土样参数

本次试验用土分别取自杭州某基坑工程、温州瓯海区某基坑工程，土样基本性质如表1所示。采用激光粒度仪对土样的级配进行了测定，土体级配曲线如图3所示。

表1 试验土样的基本物理参数

对比级配曲线发现，温州土几乎不含砂粒，杭州土的砂粒含量为14%，温州土粉粒含量为40%，黏粒含量为60%，杭州土粉粒含量为54%，黏粒含量为32%。总体而言，杭州土粗颗粒较多，整体颗粒粒径较大，温州土细颗粒含量高，整体颗粒粒径较小。

1.3 实验方案

工程现场检测结果表明现场淤泥含水率约为100%，因此按100%含水率在土样中加入定量的水，并用搅拌机搅拌均匀。

模型试验的具体步骤如下：

1)根据实验装置示意图，在不锈钢架子上安装完成孔压传感器与排水板(或打孔管道)，在模型桶上方安装完成LVDT，并连接真空管道与抽真空系统；

2)通过泥浆泵将淤泥土样按450 mm的高度装入模型桶，并在土体表面铺设土工膜与土工布，做好密封工作；

3)开始真空预压加载并采集出水量、孔隙水压力与沉降量等数据；

4)待每日沉降量小于0.1 mm时停止真空预压加载。

2 试验方法及数据分析

2.1 沉降量与出水量变化

图4，图5为高含水率淤泥在真空预压过程中的沉降量与出水量变化曲线。整个模型桶内的土体沉降与总出水量在第35天左右便趋于稳定，其中，采用排水板的杭州土沉降量与出水量最大，总沉降约为136 mm，总出水量约为19.5 L。采用打孔管道的温州土的沉降量最小，总沉降约为93 mm，总出水量约为14.7 L。

总体而言，采用排水板的淤泥的沉降量与出水量均明显大于采用打孔管道的淤泥，杭州土的沉降量与出水量均明显大于温州土。同时，使用打孔管道处理砂粒含量较多的土体时，其沉降量与出水量与使用排水板进行处理时较为接近。表明，使用打孔管道处理黏粒含量较高的淤泥的脱水效果比排水板差，但处理砂粒含量较多的土体时排水板—真空预压法与打孔管道—真空预压法的脱水效果相差不大。这是由于打孔管道的排水面积小，且土工布的抗淤堵能力差，在实验过程中随着细颗粒的迁移在土工布附近低渗透性的土柱，阻碍了土中孔隙水的排出。但由于含砂率高的淤泥不容易产生淤堵现象且孔隙水容易排出，所以排水板—真空预压法与打孔管道—真空预压法对含砂率高的淤泥的脱水沉降效果相差不大。

2.2 孔隙水压力变化

图6为高含水率淤泥在真空预压过程中的孔隙水压力变化曲线。处理砂粒含量较高的杭州土时孔压消散速度比处理黏粒含量高的温州土快，表明处理黏粒含量高的淤泥时，土体的固结排水效果差，而砂粒含量的提高可以有效提高真空度在土中的传递效率，促进土中孔隙水压力的消散。

采用排水板处理淤泥时，孔隙水压力消散情况良好，各模型桶内的孔压基本消散至-80 kPa以下，仅距离排水板15 cm的温州土的孔压仅消散至-60 kPa。而采用打孔管道抽真空时，孔隙水压力消散情况较差，实验完成后距打孔管道15 cm处的温州土的孔压仅消散至约为-30 kPa，而距打孔管道15 cm处的杭州土的孔压消散至约-60 kPa。

排水板—真空预压法与打孔管道—真空预压法在处理砂粒含量较高的土体时，孔压消散情况类似，其土体固结排水情况相差不大。然而在处理黏粒含量较高的土体时，打孔管道—真空预压法的孔压消散情况远远落后于排水板—真空预压法，这是由于打孔管道的通水面积小，抗淤堵能力差，在处理黏粒含量高的土体时会产生明显的淤堵情况。而砂粒含量高的土体的真空预压传递效率高，抗淤堵能力强，真空度在土中快速传递可以有效促使土体的脱水固结，进而使孔隙水压力更快消散，所以使用打孔管道与使用排水板的杭州土的孔压消散情况相差不大。

2.3 十字板剪切强度

表2为高含水率淤泥在真空预压完成后的十字板剪切强度情况。十字板剪切强度采用便携式十字板剪切仪，对与排水板(或打孔管道)不同距离(5 cm，15 cm)的土体的十字板剪切强度进行检测。

采用排水板处理杭州土的模型桶在距中心5 cm处的十字板剪切强度为36.2 kPa，与采用打孔管道处理时仅相差2.7 kPa，差距较小。然而采用这两种方法处理温州土时，距中心5 cm处的十字板剪切强度二者相差7.1 kPa。表明处理砂粒含量较高的土体时，排水板—真空预压法与打孔管道—真空预压法的加固效果相差不大。同时，采用这两种方法处理温州土时在距中心15 cm处十字板剪切强度相差9.9 kPa，在处理杭州土时相差5.6 kPa。距离中心较远处二者的十字板剪切强度差值变大，表明打孔管道—真空预压法的加固速度较慢，同样的时间内，打孔管道—真空预压法比排水板真空预压法的加固范围小。

表2 十字板剪切强度情况

3 结论

本文进行了打孔管道—真空预压室内模型试验与预制竖向排水板(PVD)—真空预压室内模型试验，对两种不同级配的高含水率淤泥在真空预压过程中的沉降、孔隙水压力、出水量等进行了分析，并得到了以下结论：

1)采用打孔管道—真空预压法处理高含水率淤泥时的孔压消散速度比排水板—真空预压法慢，同样的时间内，打孔管道—真空预压法比排水板—真空预压法的加固范围小。

2)处理黏粒含量较高的淤泥时，打孔管道对淤泥的脱水加固效果比排水板差，但处理砂粒含量较多的淤泥时排水板—真空预压法与打孔管道—真空预压法对淤泥的脱水加固效果相差不大。