印度尼西亚Jawa-7 2×1 050MW电站项目位于爪哇岛西部滨海平原区, 地貌成因类型为冲积平原, 地貌类型为滨海倾斜平地和潮间带, 普遍地势较低, 原始地貌主要为大面积水塘、水沟 (见图1) , 而且软土层广泛分布;此外, 拟建场地位于活跃地震带上, 场地周边存在多个休眠火山。真空预压法是普遍应用且较为成熟的固结排水地基处理方法, 适用于各类淤泥、淤泥质土等软弱黏性土, 而且具有工期较短、造价经济等特点。业主经过多方讨论和论证, 决定采用真空预压法进行地基预处理, 本文主要就真空预压法处理火山灰质淤泥的试验研究和大面积应用进行分析探讨。

本工程勘察报告指出, 拟建场地土层分布从上往下依次为素填土、淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土、中粗砂、黏土, 其浅层土层中广泛分布的典型软弱土层为:② 淤泥 灰色、灰绿、灰褐等色, 流塑状态, 饱和, 含有大量火山灰, 含贝壳碎屑, 局部有机质含量高, 该层场区普遍分布;②₁淤泥质黏土 灰褐、灰黑、灰绿色, 流塑～软塑状态, 饱和, 含有大量火山灰。其中, ②淤泥的典型物理力学指标如下:①天然含水率120%;②垂直渗透系数9.12×10^-6cm/s;③不排水抗剪强度5.3kPa;④重度14.3～16.0kN/m³;⑤天然孔隙比2.702;⑥内摩擦角8°;⑦地基承载力特征值30kPa。

颗粒筛分试验结果显示, 该淤泥层的粉土颗粒占总颗粒数量的85%以上, 属于高液限粉土, 但是该②淤泥层的天然含水率显著高于一般黏性土淤泥的含水率, 甚至接近吹填形成的流体性状淤泥的含水率, 作为85%以上的土颗粒为粉土颗粒的土体, 这是难以理解的物理性质指标。另外, 该淤泥层的不排水抗剪强度以及内摩擦角与一般黏性土淤泥接近。上述分析说明该淤泥层属于非常特殊的土质, 不宜视为一般黏性土淤泥对待, 需从形成机理上理解和分析其土体性状与力学行为。

从勘察报告中可得到, 关键的淤泥层中含有大量火山灰, 火山灰土具有很高的比表面积, 由于火山灰土特殊的形成原因, 其工程性质与一般黏性土淤泥有显著不同, 为了确保本工程地基预处理顺利开展, 必须先进行试验进一步验证真空预压法是否适用于该火山灰质淤泥的处理。

因②淤泥层的天然含水率很高, 火山灰土可能含有大量极细的黏土颗粒, 在真空预压过程中易发生淤堵而导致真空预压的处理失败, 首先需进行淤堵试验以对排水板进行选型, 避免淤堵现象发生, 本工程选用防淤堵整体式排水板, 防淤堵整体式排水板的技术指标要求如表1所示。

室内试验在直径分别为1.2, 1.0, 0.8m圆形钢桶中模拟不同排水板间距下的固结排水工况, 每种直径的桶各做2个试样, 共设6个试验桶, 每个桶的直径与编号对应关系如表2所示。试验桶采用现场取样, 预先在每个桶中放入1个安装有防淤堵整体式排水板和监测元件的预制钢架, 然后填入淤泥土样直至桶口, 覆盖真空膜, 安装真空管并连接至真空泵, 试验过程如图2所示。

所有试验桶安装完毕后, 同时开始抽真空, 连续抽真空360h并持续观测每个试验桶的排水情况, 通过观测每个试验桶每天的排水体积, 绘制成排水量与时间的关系曲线来判断是否发生明显的淤堵现象, 同时将试验结果与典型的黏土性淤泥即温州淤泥的试验结果进行对比, 试验结果的曲线如图3所示。

室内试验结果表明, 连续抽真空360h, 所有6个试验桶的每天排水量均未出现显著减少现象, 即未出现淤堵现象, 防淤堵整体式排水板适用于本工程。不同直径的试验桶未出现显著差异性。

考虑到本工程淤泥层的85%以上颗粒属于粉土颗粒, 且其渗透系数比一般黏性土淤泥高, 为验证真空预压法在该场地是否会出现漏气现象, 同时为找到最优的排水板间距, 特在主厂房区域旁边选一块2 600m²区域作为室外试验区。室外试验区又分为A, B, C 3个小区, 3个小区的排水板间距分别为1.0, 0.8, 1.2m, 3个试验区的真空膜铺设和真空泵系统安装统一一次性完成, 同时开始抽真空。

室外试验区的监测包括地面沉降观测、膜下真空度观测、孔隙水压力观测和分层沉降观测, 各观测点的平面位置及剖面位置如图4所示。试验区持续运行并观测51d, 膜下真空度维持在80kPa以上并能保持稳定, 在达到验证真空并未出现漏气现象的目的而且得到足够数据判断合适的排水板间距后, 试验区真空运行至51d时停止。

室外试验区的地表沉降观测曲线如图5所示, 通过计算分析沉降数据推算各小区的平均固结度, 得到主要结论如下。

1) 试验区A区总沉降为0.810m, 固结度为53.3%;试验区B区总沉降为1.037m, 固结度为67.1%;试验区C区总沉降为0.664m, 固结度为37.1%。在真空运行至51d时, 各区沉降仍以1cm/d的速率发展, 真空预压地基处理运行效果良好, 未出现排水板淤堵现象。

2) 排水板间距为1.2m的方案固结度发展过于缓慢, 将影响施工工期, 不建议采用。

经过室内试验和室外试验对真空预压法在本工程的适用性验证, 本工程的重要设备和构筑物区域 (共22万m²) 均采用真空预压法进行地基预处理, 排水板间距1.0m, 平均深度13.0m。此外, 为确保在地基预处理施工期间的预压荷载大于将来的使用荷载, 采用在真空膜上填土和覆水方式。其中, 主厂房和锅炉区采用覆水深度2.0m的方案可减少堆载土方工程量, 并且可减少基础施工的开挖深度, 为基础施工带来更高的安全性。各分区位置的地基预处理方案如表3所示。

大面积真空预压实施过程的监测采用地面沉降观测、膜下真空度观测、孔隙水压力观测、分层沉降观测以及土体侧向位移观测5种监测手段实时掌握各分区排水固结的状态和效果。各分区固结过程的信息汇总如表4所示, 6个分区的预压荷载普遍在127～128.6kPa, 固结时间在110～148d, 不同分区的固结时间不同主要原因是真空膜上回填土方工作的时间长短有所差别, 固结沉降量在1.331～1.647m, 采用三点法计算得到的平均固结度为91.3%～95.0%, 均>90%的目标固结度。

主厂房区域是本工程的重点区域, 本文将A1-1区的固结理论计算、监测和检测数据作为代表性数据进行重点计算分析。采用分层沉降法计算得到A1-1区在使用阶段和施工阶段沉降量如表5所示, A1-1区使用阶段的沉降量 (即如不采用地基预处理, 在使用阶段将发生沉降) 为1.423m, 而在施工阶段将完成的沉降量为1.427m, 即A1-1区的主固结沉降在地基预处理施工阶段将基本完成, 工后沉降将较小。此外, 采用表6所示固结度理论计算参数取值计算得到的A1-1区固结度发展曲线如图6所示, 预计在固结100～110d可达到90%的固结度。

A1-1区真空度监测曲线如图7所示, 可看到从真空连续运行第10天开始膜下真空度维持在80kPa以上, 持续抽真空至第110天, 其中第35～40天由于要进行铺膜覆水, 暂停观测真空度5d, 恢复观测真空度后发现膜下真空度并未受到铺膜覆水施工的影响。地表累计沉降曲线如图8所示, A1-1区的9个地表沉降观测点的累计沉降在1.210～1.448m, 平均沉降量为1.331m, 卸载前连续5d的平均日沉降增量约为1.2mm。孔压观测点P1的孔压变化曲线如图9所示, 可看到不同深度处的孔压随着时间的推移逐步减小, 说明真空预压的排水固结效果影响到12m深度。当进行膜上堆载和覆水施工时, 孔压值出现上升的跳跃点, 这是堆载和覆水所产生的正孔压导致。在卸载前, 3m深处孔压下降值>80kPa, 而12m深度的孔压下降值接近70kPa, 而且3m深处孔压下降明显要快一些, 说明浅层土体的固结速度显著快于深层土体。

本文采用三点法根据沉降观测数据推算平均固结度, 具体方法为:从s-t曲线上取3点 (s, t) 推算最终沉降量, 然后根据实测沉降量与最终沉降量的比值作为某时刻的平均固结度, 具体计算公式如下:

$\begin{array}{l}S{}_{\infty }=\frac{S{}_3(S{}_2-S{}_1)-S{}_2(S{}_3-S{}_2)}{(S{}_2-S{}_1)-(S{}_3-S{}_2)}(1)\\ U{}_t=\frac{S{}_t}{S{}_{\infty }}\times 100\%(2)\end{array}$

式中:S₁, S₂, S₃分别为t₁, t₂, t₃时刻沉降量 (mm) ;S_∞为最终沉降量 (mm) ;U_t为某时刻沉降固结度 (%) 。

取A1-1-S4的10月2日、11月4日以及12月7日对应的时间为t₁, t₂及t₃, 按照相应的沉降计算得到的最终沉降量为1.45m, 由此计算得到的固结度为91.3%。此外, 将理论计算预测的固结度发展曲线与三点法计算得到的最终沉降量结合起来可绘制出理论沉降发展区域, 同时可与实测沉降曲线进行对比 (见图10) , 对比发现理论计算曲线与实测曲线吻合度较高。

地基预处理工后检测采用静力触探试验、荷载板试验、十字板剪切试验以及钻孔取样室内试验4种测试方式。A1-1区共设6个静力触探测试点、7个十字板剪切试验点、3个荷载板试验点以及3个钻孔取样室内试验点。

静力触探测试结果显示, ②淤泥层的锥尖阻力q_c在0.16～0.26MPa, ②₁淤泥质黏土层的锥尖阻力q_c在0.24～0.41MPa。十字板剪切试验结果显示, ②淤泥层的不排水抗剪强度在21.5～25.0kPa, 比初始不排水抗剪强度提高16.2～19.7kPa;②₁淤泥质黏土层的不排水抗剪强度在23.3～44.0kPa。平板荷载板试验采用开挖到淤泥层顶进行测试, 测试结果显示淤泥层地基承载力特征值为70kPa, 比初始地基承载力特征值提高40kPa。上述检测结果说明, 该火山灰质淤泥层的力学指标在处理后得到显著提高, 这一点在后续基础开挖过程中得到进一步印证, 部分区域采取1∶2放坡开挖至-6.7m而且基坑连续暴露6个月的情况下, 基坑仍保持良好稳定性。但是, 钻孔取样室内试验结果显示, 处理过后的淤泥层含水率为102.5%～106.0%, 虽然相比于初始含水率下降10%以上, 但其处理后的含水率仍然处在一个显著偏高状态。

1) 印度尼西亚爪哇岛西部滨海平原区广泛分布着一层较厚的火山灰质淤泥, 该火山灰质淤泥的初始含水率高达120%, 但是85%以上的土颗粒为粉土颗粒, 渗透系数的数量级为10^-6cm/s, 其物理力学指标说明该火山灰质淤泥层属于非常特殊的土质, 不宜视为一般黏性土淤泥对待。

2) 为了确保真空预压在本工程的顺利实施, 分别进行室内和室外试验, 然后再进行大面积实施。室内试验结果表明未出现淤堵现象, 说明防淤堵整体式排水板适用于本工程;室外试验区验证真空预压并未出现漏气现象, 并且选定排水板间距1.0m为最合适间距。

3) 本工程的重要设备和构筑物区域共22万m²均采用真空预压法进行地基预处理, 排水板间距1.0m, 平均深度13.0m。淤泥层的不排水抗剪强度比处理前提高16.2～19.7kPa, 地基承载力特征值比处理前提高40kPa。在后续基础施工阶段, 部分区域采取1∶2放坡开挖至-6.7m而且基坑连续暴露6个月的情况下, 基坑仍保持良好稳定性。

4) 该火山灰质淤泥的初始含水率高达120%, 处理过后的淤泥层含水率为102.5%～106.0%, 虽然相比于初始含水率下降10%以上, 但是其处理前后的含水率始终显著高于一般黏性土淤泥。笔者认为最为合理的解释为:火山喷发时的喷发物快速冷却形成在颗粒内部含有大量孔隙的粉土颗粒, 这些颗粒内部的孔隙可容纳大量水。这些处于颗粒内部的水分导致该火山灰质淤泥的含水率显著高于一般黏性土淤泥, 但这些颗粒内部水分对土颗粒之间的力学行为不产生影响, 所以该火山灰质淤泥 的力学指标在固结排水过程中获得的提高仍然符合预期。