真空预压法处理浅层吹填疏浚土效果分析与研究

张吕华 宁波舟山港股份有限公司

张浩 南京瑞迪建设科技有限公司

1.引言

随着国家沿海经济带的快速发展，土地资源需求量越来越大，围海造地工程成为一种目前常用的方法。我国海岸线超过1.8万km，沿线土地资源分布极不均衡，围海造地工程对抛填料需求巨大，随着多年围海造地工程的开展和生态环境保护的要求，作为围海造地首选原材料的砂石料极度匮乏，而航道疏浚、清淤等产生的疏浚土无处排放。近年来，对采用吹填疏浚土并经加固处理后形成陆域的思路已从研究阶段进入实施阶段，并取得了较好的成效。但在实践过程中，仍然存在较多的工程问题，本文依托某吹填疏浚土围海造地工程，对采用真空预压处理浅层疏浚土的各项参数及效果进行分析，提出修正优化参数，为类似工程提供经验借鉴。

2.工程概况

2.1 项目概况

本工程位于浙江省台州港某新建港区，陆域形成总面积约38万m2，其中吹填形成陆域面积约25万m2。吹填土土质差，开挖深度浅，吹填后吹填区土体含水率高，泥浆容重小，经短时间落淤晾晒后容重无明显变化，为满足进一步陆域地基处理施工的要求，设计采用真空预压法对浅层5m范围内吹填土进行预处理，将预处理后的硬壳层作为工作面层再对下部的吹填土和软土进行处理。工程平面布置图见图1。

图1 工程平面布置图

2.2 设计参数及施工方案

设计首先采用抛填宕渣形成围堤，在围堤内吹填疏浚土，吹填厚度约为9.6m，静置落淤沉降3个月，然后表层铺设一层土工布，进行人工插设排水板，如图2～3所示。排水板长度5.5m，间距0.8m，在插设前预先将其与排水滤管连接；上覆密封膜，进行浅层真空预压，预压期间膜上覆水。设计真空预压3个月，加固深度范围内地基承载力达到40kPa。

图2 排水板与滤管

施工工艺流程：施工准备→搭设浮桥→铺设编织土工布→打设排水板、布设滤管→铺设无纺土工布、密封膜→布设真空泵→抽气加载→加固效果检测→卸载。

2.3 监测与检测方案

为监控浅层疏浚土真空预压过程，施工期间布置了沉降板、孔隙水压力计等监测仪器，对沉降、真空压力传递等进行实时动态跟踪，以指导施工。为评估浅层疏浚土真空预压效果，采用十字板、静力触探和钻孔取土试验等方法对处理深度范围内疏浚土进行检测。现场监测仪器平面布置图如图4所示，原位试验平面布置图如图5所示。

图3 人工插排

图4 监测仪器平面布置图

图5 原位试验平面布置图

3.效果分析

通过对浅层真空预压施工过程的深入研究，本文将从浅层真空预压处理深度、真空压力传递、沉降及固结度分析、预压时间、处理后强度等方面进行分析。

3.1 真空压力传递及衰减度分析

吹填疏浚土一般黏粒含量很高，塑性指数超过20，渗透系数在10-6～10-7cm/s，渗透性很差，真空压力在其内部传递衰减很快。本工程排水板间距0.8m，真空预压处理深度5m，在施工过程中，按照竖向间距埋设了孔隙水压力计观测土中超静孔隙水压力，来反映真空压力在土中的传递情况，监测数据见表1。

由表1可知：监测得到的超静孔隙水压力能够反映真空压力在土中的传递情况，真空传递效率随处理深度的增大而降低，同时也随着距离排水板的间距增大而降低。真空压力在5m深度监测范围内均能够监测到有效数据，说明真空压力遍布整个浅层地基处理区域，且最小孔隙水压在20kPa以上，0.8m的排水板间距能够满足浅层真空预压处理对真空压力衰减的要求；从超静孔隙水压力的数值规律来看，超静孔隙水压力受处理深度、距离排水板间距共同影响，总体呈现处理深度越小，距离排水板间距越近，超静孔隙水压力越接近真空压力，真空衰减度越小；处理深度越大，距离排水板间距越远，超静孔隙水压力越小，真空衰减度越大。

表1 真空预压区超静孔隙水压力统计表

3.2 沉降及固结度分析

疏浚土采用水力法吹填，落淤沉降后上部含水率超过200%，呈泥水状态。沉降监测初始值以泥水面为基准，待密封膜吸紧并排出表层水后（约5～10天），布置沉降板进行沉降观测，此时泥面下降量约1m左右，该部分沉降量直接计入总沉降量中。表2给出了土体地表累计沉降量，图6～7给出了两个典型断面沉降随荷载、时间的变化曲线。

从表2和图6～7可知：在真空压力80kPa作用下，浅层疏浚土前期沉降速率较快，最大沉降速率为45.5mm/d，真空预压约两个月左右，沉降速率降低，累计沉降曲线趋于收敛，最大累计沉降量在2.2～3.0m之间。该工程真空预压处理时间为三个月，后期一个月沉降量对地基处理效果影响很小，此类工程建议根据现场实测沉降收敛情况确定卸载时间。

图6 CJ-Q2-1-2断面地表沉降荷载时程线

吹填疏浚土具有高含水率的特性，疏浚土压缩沉降的过程主要是土中水分被挤出，表3给出真空预压处理前后的含水率，忽略少量的气体影响，根据含水率变化计算沉降量与表2中的实测沉降量基本吻合。

表2 土体累计沉降量和固结度统计表

表3 疏浚土处理前后的含水率

3.3 处理效果分析

3.3.1 十字板剪切试验

真空预压结束后，采用十字板剪切试验对处理范围内的疏浚土进行强度检测，地基承载力特征值参照相关规范，采用式（1）进行计算，十字板剪切试验数据及计算得到的地基承载力特征值见表4。

式中：fak—地基承载力特征值（kPa）；cu—土的十字板剪切强度；γ—土的天然重度（kN/m3），取15kN/m3；

h—基础埋置深度（m），当h＞3.0m时，宜根据经验进行折减。

由表4可知：浅层进行真空预压预处理后，处理范围内吹填疏浚土十字板剪切强度有明显提高，处理后最大值为36.3kPa，由公式（1）计算得到的地基承载力最小值为46.4kPa，预处理区域均满足设计要求的40kPa。

表4 预压区处理后各断面十字板剪切试验及地基承载力特征值

3.3.2 土工试验

真空预压结束后，采用室内试验对现场钻孔取土试样进行检测，土工试验数值见表5，可以看出浅层吹填疏浚土经真空预压处理后性质指标有很大提高，平均含水率降低至40.4%，粘聚力提升至6.5kPa。表5给出了真空预压处理后的土工试验值。

表5 真空预压处理后的土工试验平均值

3.3.3预处理深度验算

浅层真空预压的目的是使表层一定深度内的吹填疏浚土固结排水，形成硬壳层，便于后续处理深部软土地基时施工机械行走、工作，该工作面不仅需要一定的承载力，而且应有一定的厚度。本节对真空预压预处理厚度进行复核，该工程中预处理厚度为5m，本节参照相关规范，采用式（2）进行抗冲切验算：

式中：Fl—地基土净反力设计值；βhp—受冲切承载力截面高度影响系数，当h不大于800mm时，βhp取1.0；当h大于或等于2000mm时，βhp取0.9；ft—基础的抗拉性能，按土体粘聚力取值；am—冲切破坏最不利一侧计算长度，am=(at+ab)/2；h0—基础冲切破坏的有效高度。

根据履带式液压插板机参数，插板机自重取16t，履带尺寸取5×0.5m，考虑插拔排水板套管反作用力，支撑插板机的地基土净反力约为40kPa，该工程的计算参数见表6。

由表6可知，预处理硬壳层的最小厚度为2.96m时，插板机械站立在预处理工作平面上才不至于产生冲切破坏。由3.2节浅层真空预处理的沉降数据可知，处理区域的最大沉降量在2.2～3.0m之间，5m的浅层真空预压处理明显无法满足抵抗冲切破坏的最小有效厚度。为了抗冲切破坏的安全性，考虑1.2倍的安全系数，浅层真空预压工作平面处理后的最小有效深度为3.56m，避免插板机械上工作面时产生冲切破坏的最小真空预压处理深度应在7～9m之间。

表6 预处理工作面抗冲切验算的计算参数

图7 CJ-Q2-2-1断面地表沉降荷载时程线

4.结论与建议

本文主要对吹填疏浚土的浅层真空预压处理效果进行分析与研究，主要结论如下：

（1）超静孔隙水压力能够反映真空压力在土中的传递情况，监测数据表明，真空压力遍布整个浅层地基处理区域，且最小孔隙水压在20kPa以上，真空压力传递效果良好。超静孔隙水压力受处理深度、距离排水板间距共同影响，总体呈现处理深度越小，距离排水板间距越近，超静孔隙水压力越接近真空压力，真空衰减度越小。

（2）对浅层真空预压处理吹填疏浚土的沉降数据进行分析，初期地表沉降较为明显，最大沉降速率为45.5mm/d，最大沉降量在2.2～3m之间。真空预压约两个月左右，沉降速率降低，累计沉降曲线趋于收敛，后期一个月沉降量对地基处理效果影响很小，此类工程建议根据现场实测沉降收敛情况确定卸载时间。

（3）真空预压法处理浅层疏浚土之后，强度性质指标有了很大的提升，粘聚力提升至6.5kPa，地基承载力特征值均满足设计要求的40kPa。对插板机站立在预处理平面上的抗冲切破坏进行了验算，为保证插板机站立在工作平面瞬间的安全性，建议抵抗冲切破坏的最小真空预压处理深度应在7～9m之间。