滨海道路吹填软基增压式真空预压试验研究

郑海泉，吴能森，廖河山，徐 祥，庄铃强

(福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

闽南沿海地区经济快速发展，城市可利用的土地资源紧缺，吹填造陆工程孕育而生，由此产生了大量的疏浚淤泥地基。吹填淤泥因含水率极高、压缩性大而强度较低，若未经加固或预处理，将无法满足道路、港口或机场等工程建设要求。

软土地基的加固方法主要有常规真空预压法、真空-堆载联合预压法和置换强夯法等。其中常规真空预压法需要砂垫层和堆载材料，成本较高且真空度通过砂垫层传递过程中损失较大。为克服常规真空预压法的不足，学者们在此基础上作了许多改进。文献[6-7]等提出在真空预压前用石灰和丙烯酰胺对淤泥进行预处理，从而提高土体孔隙率和渗透性；文献[8-9]等提出了无砂增压式真空预压加固技术，研发出新型防淤堵排水板和不倒翁水气分离装置，并引入土体注气增压技术；新型防淤堵排水板在较高水力梯度条件下，排水板表面的淤堵情况明显改善。对土体注气增压可产生微小劈裂裂隙，使得排水板与周围土体压力差增大，自由水更容易径向流动。而土体增压持续时间不宜过长，否则土壤中气体太多会降低真空压力，经过增压处理后的土体孔隙数量增多，但孔隙率明显降低，而土颗粒更多是以面接触，因此土体密实度更高。文献[15-16]通过设置常规真空预压和增压式真空预压的现场对比试验，在增压作业后发现地基再次发生明显的沉降，土体十字板强度最大增幅达239.7%，且地基沉降量较常规真空预压最大增加了212mm。目前砂土资源紧缺且价格居高不下，无砂增压式真空预压技术无需砂垫层和砂土堆载，无疑是一项可有效降低工程成本的新工艺。

然而针对无砂增压式真空预压技术在含砂量较高的吹填土软基的现场试验研究较少。本文通过对无砂增压式真空预压加固软基进行现场试验，研究分析施工期间膜下真空度变化、孔隙水压力的消散规律、地基固结沉降以及加固前后土体物理力学性质指标，并讨论了土体最佳增压时机，以期为该技术在实际工程的应用提供参考。

1 现场试验研究

(1)工程概况

闽南沿海某道路工程K6+560～K7+000标段路基属软土地基，拟加固面积约50 000m。根据地勘资料，场地内的软土分别是吹填淤泥、淤泥混砂、淤泥和淤泥质黏土，软土层总厚度为9～11m。该场地整体含砂量较高，其中淤泥混砂主要由粘粒及粉粒组成，混有10%～15%石英质中细砂粒，渗透性较好，呈薄层状分布，层厚1.90～6.00m。各软土层地基主要物理力学参数如表1所示。

表1 岩土层地基主要物理力学参数表

(2) 试验方案

试验场地位于K6+560～K6+574标段，试验区为14m×14m。采用无砂增压式真空预压法处理软土地基，该技术主要分为密封系统、排水与真空系统和增压系统。密封系统由土工布、密封膜和密封墙组成，加固区上部铺设一层土工布和两层密封膜，场地四周打入深度为4m的粘土搅拌桩。排水与真空系统采用新型防淤堵排水板和不倒翁水气分离装置。新型防淤堵排水板采用插板机进行施工，呈0.7m×0.7m正方形布局，插打深度为12m。不倒翁水气分离装置内设浮球式水泵，可自动排出内部积水，上部连接真空管和出水管，气体由水环式真空泵排出，从而实现水气分离。增压系统由增压管和增压泵组成，增压管以2.1m×2.1m正方形布置，埋深为4m。在地基沉降量小于5mm/d时开始增压作业，每次增压持续时间不超过30min，每天间歇性增压3次，持续增压作业约25d。增压时膜下真空度应控制在70kPa以上。现场监测项目布置如图1所示，其中孔隙水压力计的埋设深度分别为0.3m、2m、4m、6m、9m和12m。

图1 监测项目布置示意图

2 试验结果及分析

为详细评价无砂增压式真空预压加固吹填软基的综合效果，对拟处理场地内膜下真空度的变化、孔隙水压力的消散和地基的沉降量进行了全程监测，并对各土层加固前后的物理力学指标进行对比分析。

(1)真空度的变化

膜下真空度随时间的变化过程如图2所示，膜下真空度可长时间稳定在85kPa左右。抽真空前30d真空度增长缓慢，这是为了有效改善排水板表面的淤堵情况，避免产生“土柱”现象。30d后膜下真空度达到80kPa以上，并保持到卸载。根据地基沉降监测数据显示在160d时地基沉降量小于5mm/d，此时开始为期25d的土体增压工作。对土体注气增压会导致膜下真空度略微降低，但总体维持在70kPa以上，保证土体中的真空负压不会发生较大的损失，该现象符合注气增压时真空度的实际变化规律。186～210d膜下真空度达90kPa以上，能确保较高水平的膜下真空度得益于在铺设密封膜后，场地上没有砂土堆载施工，从而避免大型机械破坏密封膜和真空管道，导致膜下真空度减小。

图2 膜下真空度的变化曲线图

(2)孔隙水压力的变化

孔隙水压力的变化情况如图3所示。孔隙水压力先急速下降，土体快速排水固结，随后各深度的孔隙水压力都维持相对稳定，不同深度的孔隙水压力随时间的变化规律基本一致。0～30d期间，随着膜下真空度提高，孔隙水压力快速消散，土体有效应力增大，此时土体排水固结速率较快。各深度的孔隙水压力最大消散值分别为71.1kPa、62.4kPa、51.5kPa、44.1kPa、40.5kPa和38.5kPa。30～90d期间表层孔隙水压力基本维持在-70～-75kPa。孔隙水压力(负压)随深度的增加而逐渐减小，说明真空在土体中传递具有较大的阻力。90～110d期间由于设备故障，导致膜下真空度下降，孔隙水压力上升，经处理后孔压再次趋于正常水平。在160d开始对土体增压，各土层深度的孔隙水压力随之升高，说明增压作业抵消了部分负压。其中0.3m、2m和4m深度处孔隙水压力值涨幅最为明显，这是由于增压管的埋深为4m，处于浅层的土体在增压管的有效作用范围内且上覆土压力较小，而较深处土体因上覆土压力较大，增压压力难以引起孔隙水压力的改变。

图3 孔隙水压力的消散曲线图

(3)沉降效果分析

根据规范地基最终沉降量和固结度可按公式(1)～(3)推算，计算结果如表2所示。地基最终沉降量最高可达881mm，土体固结度均在90%以上， 所有观测点最后10d的沉降速率均满足≤0.5mm/d，说明无砂增压式真空预压的加固效果良好，可减小工后沉降量及其不均匀性。

(1)

(2)

(3)

式中：

S

为满载

t

时间的实测沉降量，mm；

S

满载开始时的实测沉降量，mm；

t

为从满载时刻开始算起的满载预压时间，s；

S

为最终沉降量，cm；

α

、

β

为待定系数，可根据实测数据确定；

U

为固结历时

t

的地基固结度，%。

表2 各监测点地基最终沉降量和固结度

各监测点地基沉降量变化如图4所示，地基的预压固结沉降量较大。施工作业的前60d，在总应力不变的情况下，由于负孔隙水压力迅速增长，土体的有效应力快速增长，地基沉降量也快速增加。60～160d内，地基沉降速率随固结度的提高而降低，膜下真空度在85kPa上下波动，土体中真空负压并未增加，地基沉降量缓慢增长。在160d开始注气增压作业之后，地基沉降量只有微小的增长，表明增压对促进土体固结沉降的效果不太明显。

图4 各监测点地基沉降量变化曲线图

(4)物理力学指标

加固前后各土层的物理和力学指标变化情况如表3所示。无砂增压式真空预压能有效降低土体的含水率、孔隙比和液性指数，提高土体的无侧限抗压强度和压缩模量。其中吹填淤泥层的含水率和孔隙比下降幅度最大，分别降低了32.5%和26.3%，这是由于吹填淤泥层处于表层，排水板内与周围土体压力差最大，故排水固结的效果最佳。无砂增压式真空预压期间土体中自由水大量排出，淤泥混砂和淤泥质黏土的液性指数分别降低了45.2%和37.9%，由流塑状变为可塑状。处理后土体的无侧限抗压强度和压缩模量均大幅度上升。各土层的无侧限抗压强度和压缩模量最大增长率分别为216.2%和30.3%。

表3 加固前后各土层的物理力学指标对照表

5 结论与展望

(1)试验研究表明，无砂增压式真空预压技术对含砂量较高的吹填土地基具有十分良好的加固效果，真空预压加载160d后土层的平均固结度达90%以上，土层的含水率和孔隙比明显下降，土体的无侧限抗压强度成倍增长，压缩模量显著增大。

(2)土层负孔隙水压力的增长与膜下真空度的增长同步，约30d内二者均达到设计值，此后趋于稳定；土层的真空预压固结沉降滞后于负孔压和膜下真空度的增长，先快后慢，在0～60d内约完成主固结沉降70%～80%，此后100d内仅占约15%～20%。

(3)对含砂量较高的吹填土地基，在160d后进行注气增压效果不佳，主要原因可能是土层已基本完成主固结，土体强度显著增大，而压缩性明显降低，此时实施增压作业，难以产生劈裂裂隙，形成新的排水通道，继而再次产生较为明显的固结沉降。因此，增压作业的时间可考虑提前在第40～50d或土层固结度达50%～60%时进行，建议对注气增压固结机理和增压时机进一步开展理论和试验研究。