真空预压联合低能强夯法加固吹填土地基研究

李国栋，毛代松

(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362000)

通过吹砂填海方式形成的地基通常存在天然含水量高、压缩性高、强度低、透水性差和工后沉降过大的问题[1-3]。因此需要对地基进行处理,改善其工程性质,提高地基承载力,以满足工程建设用地的需要。对吹填土形成的地基进行处理是当前较少遇到的工程项目,现有方法对复杂大面积吹填地基处理的经验较少,需要结合工程案例总结适合大面积吹填土的地基处理新工艺。

当前对吹填地基的处理集中在浅层范围,如董志良等[4]报道的浅层超软土地基加固方法。其他处理方法,如:自然晾晒法[5]、化学加固法[6]、土工材料加筋[7]等,多存在工期长、加固效果差、经济投入高的缺点。针对上述吹填土地基处理方式的缺点,联合地基加固技术得到了广泛应用,联合地基加固技术是指在综合现有成熟地基加固技术的前提下,考虑不同加固方法的优势,同时借用另一种方法改善原方法的缺点对地基进行加固的处理方法,但是如何把握整个施工过程中场地的承载力变化,控制地基处理的指标,需要进一步开展研究。

现阶段对沿海吹填地基进行处理时,真空预压法和强夯法得到了广泛应用。如:莫睿娴[8]对某吹填软基处理工程的报道,该工程处理时采用真空预压联合强夯的施工方法,同时控制地基固结度和强夯时的夯击能量,得到符合工程建设要求的软基;刘永林[9]通过工程建设中沉降观测和施工完成后土体的静力触探试验发现,真空预压联合低能强夯的加固方法不仅适用于处理浅层软土地基,对深厚软弱地基的处理同样具有很好的效果。

目前,有关真空降水与低能强夯联合加固技术的理论分析综合工程试验报道的案例较少,不足以支撑技术的推广应用。对相关研究整理发现[10-12],该方法在国内尚处于起步阶段,对加固技术体系、加固方法以及沉降计算方法等有待进一步研究以指导工程实践工作。因此本文依托福建某沿海大型石化项目地基处理工程案例,对吹填土形成的场地,采用真空预压降水联合低能强夯的作业方式进行加固,在试验场地中布设监测元件,获得加固期间相关土体参数的变化,对监测数据进行分析,评价其加固效果并分析原因,为相似工程的软基处理提供指导。

1 工程背景介绍

本项目位于福建省湄洲湾南岸,地处海湾,场地地形平坦。

项目占地约4.40×106m2,场地设计标高+5.0 m,原场地主要为滩涂、海域,主要采用吹填淤泥、吹填砂、回填土等方式进行回填形成陆域,然后进行真空预压和低能强夯方式进行地基预处理,以消除吹填土场地土体的欠固结,形成项目建设用地。

前期勘察表明,该场地属于回填区,其下部有厚度不均的松散吹填砂层、流塑状吹填淤泥和软塑状淤泥。主要土层厚度和土体性质见表1。

表1 土体物理力学性质

对场地土体进行分析后,明确该场地土层承载力较差,不具备天然承载力的施工条件,需进行地基加固处理,考虑土层特点,选择真空预压联合低能强夯方法进行加固。

2 施工及监测、检测项目介绍

对试验场地进行初步处理后,首先进行真空预压作业:打设竖向排水板,排水板间距1.2 m,梅花形布设;排水板打设完成后,铺设真空密封膜及排水滤管;真空作业开始后,安排射流泵作业抽出孔隙水。真空预压完成后,进行回填砂土工作,并进一步开展低能量强夯作业。低能强夯作业完成后,采用振动压实法对场地进行整平,并回填砂土。主要施工流程见图1。

本文主要监测项目包含:表层沉降、土体分层沉降和孔隙水压力。根据工程实际需要,进行监测基准网的布设,在观测区建立相对独立的水准网作为监测控制网。监测基点采用打过桩的固定标石或混凝土水准标石,标石底部低于冻土线0.5 m;水准基点地面部分砌砖井保护,并且加盖防护。分层沉降采用垂直向测量磁环进行监测。场地处理完成后,开展浅层平板试验检测地基承载力。为减小施工因素影响,本文在试验场地内随机选择8个测点进行监测检测项目的作业。

3 监测数据分析

3.1 表层沉降

为消除监测元件误差,在每个测点均设置3个监测仪器。在真空预压作业期间,场地内土体的表层沉降见图2。为节省篇幅,本文仅列举J-1和J-2两监测点的数据变化。

由图2可知,不同监测元件获得的监测数据误差较小,能够真实反映施工期间的沉降量变化,不同测点的表层沉降均随着真空预压时间的增加而增大。不同测点的沉降量略有差异,分析其原因为不同测点下土层性质差异较大,进而导致了差异沉降量的产生。

3.2 分层沉降

在每个监测点设置一组分层沉降仪,每组分层沉降仪器包含3个磁环观测点,采用CJY-1型电磁式深层沉降仪(测量精度1 mm)进行数据采集工作。不同测点磁环的埋设深度见表2,不同测点的分层沉降量监测结果见表3。由表3可知,随着深度的增加,各土层的沉降量均逐渐减小,基本符合分层沉降的变化规律。

表2 沉降仪埋设标高 m

表3 沉降仪监测结果 mm

3.3 孔隙水压力

在试验场区内,共设置8处孔隙水压力监测点,每组包含3个孔隙水压力计,采用钻孔埋设法进行监测元件布设。孔隙水压力计通过导线引出孔外,采用GDK-1型孔隙水压力计及数字频率仪(精度0.5级～2.6级)进行监测。

表4所示为孔隙水压力消散值,图3所示为J-1,J-2测点的孔隙水压力随时间变化情况示意图。

表4 孔隙水压力消散值 kPa

由表4和图3中的孔隙水压力变化可知,在真空预压初期,地基中的孔隙水压力消散较快,后期的增长速率逐渐降低。这表明在大气压力作用下,土体中的有效应力逐渐增加,帮助土体进行压缩,进而提高了土体的固结度。

4 工后检测分析

4.1 地基承载力

真空预压和低能强夯施工完成,场地回填土作业结束后,对处理后的场地进行平板载荷试验,确定地基承载力。对8个测点开展平板载荷试验,采用1 m2方形刚性承压板,最大加载至300 kPa,分8级加载,单级荷载按照37.5 kPa进行加载。

图4所示为部分测点的平板载荷试验检测结果,表5所示为8个测点的试验结果。

由图4,表5可知,各试验点加载至预定荷载时,均未出现沉降的明显变化或承压板周围土体挤出现象,最终沉降量介于14.23 mm～49.84 mm之间,均小于压板宽度的6%,符合地基处理规范要求。

表5 平板载荷试验结果

各检测点荷载沉降(p-s)曲线均为缓变形,根据相关规范及设计要求[13],取试验中最大加载量的1/2和相对变形值s/b=0.01(10 mm)时对应的荷载中二者的较小值作为地基承载力特征值。试验结果表明:预处理后各检测点承载力特征值为86 kPa～150 kPa,符合后续工程建设要求。

4.2 钻孔取土试验

为研究处理前后试验区域内土体的物理力学性质变化,在试验区域预处理前进行15个钻孔取土试验,总延米185 m;处理后进行了52个钻孔取土试验,现场取样后进行室内土工试验。室内土工试验包含常规试验及剪切、压缩试验,对室内土工试验数据进行统计分析,预处理前后各项物理力学指标见表6。

表6 土层物理力学性质变化

由表6可知,通过对各项室内土工试验指标的对比分析,较预处理前,土层含水率降低、抗剪强度指标变大、土的压缩性降低,预处理后物理力学性质有较明显提高。

5 结论

针对吹填土地基压缩性大、含水率高、工后沉降大等问题,本文采用真空预压联合低能强夯的地基处理方法,对某吹填地基进行处理,开展现场试验。结合大量试验结果,对联合法处理地基的效果进行评价,主要结论如下:1)采用真空预压联合低能强夯法处理吹填土地基,能够实现土层物理力学性质的提高和地基承载力的大幅增强。2)真空预压和低能强夯联合处理能够发挥两种处理方式的优点,既降低深层土体含水率,在表面形成“硬壳层”,又能实现对表层土体的夯实加固,有效实现深厚吹填土地基的加固处理。