国内外对真空预压和真空堆载联合预压加固软土地基的内在机理进行了诸多研究^{[1,2,3,4,5,6]}, 发现真空预压的实质是土体在真空渗流场中的渗透固结, 真空预压在抽真空时, 真空度自上而下传递, 传递过程中真空度会随深度增加而衰减。其作用是在沿各竖向排水通道产生无数动态完整井, 以各完整井为中心产生无数凸面向下的降落漏斗, 各降落漏斗即形成真空渗流场, 其中土体将以各完整井为中心产生渗透固结, 并使整个土体强度得到改善。

近几年, 随着沿海经济的飞速发展, 围海造陆工程不断增加, 新吹填的超软土地基具有“三高两低”的特点 (即高含水量、高压缩性、高孔隙比、低强度、低承载力) , 处理起来十分棘手。吹填土层不断加厚, 工期不断缩短, 预留自重固结的时间被压缩。为解决这一矛盾, 工程上开发出一种两次处理超软土地基的方法, 即浅层处理与深层处理相结合的方法。本文结合温州民科基地永兴园区实际工程, 探索了无砂垫层改性真空预压浅层处理与真空预压深层处理相结合的超软土两次真空预压加固方法, 并对两次真空预压过程进行现场监测, 通过监测数据分析不同阶段的加固效果, 监测结果为两次真空预压施工提供了理论依据。

温州民科基地永兴园区项目开发面积为26 600亩 (1亩≈667m²) , 其围海造地原涂面高程约2.000m。吹填淤泥为外海浅滩疏浚土, 吹填土的厚度3.0~4.5m, 由于吹填时间极短, 自重固结少, 吹填完成后场地基本为流态的泥浆。吹填土具有高含水量、高压缩性、孔隙比大、强度低等特点 (物理力学指标归纳如表1所示) , 由于本工程排水系统不完善, 落淤晾晒所发挥的作用甚微, 同时由于吹填层流动性较大, 土工布铺设时常发生滑移、局部沉陷、局部隆起等问题, 排水砂垫层铺设极其困难。

鉴于此, 本工程采用两次真空预压技术, 首先对吹填土层进行浅层无砂垫层真空预压, 使其满足后续人员、机械进场条件后再进行深层真空预压处理, 最终使其满足建设要求, 该方法能够大大缩短建设工期, 节约建设成本。

试验场地长45.0m、宽22.2m, 面积1 000m²。具体施工步骤如下。

1) 在吹填场地上铺1层塑料编织布, 人工插设B型塑料排水板, 深度2.5m, 排水板间距1.0m×1.0m, 每根排水板头外裹无纺土工布与软式透水虑管绑扎连接, 防止淤泥堵塞。

2) 在施打排水板的同时开挖排水明沟, 作为真空预压施工中的压膜沟。

3) 布置真空吸水总管, 吸水总管采用渗水波纹管。总管下开挖浅层盲沟, 使总管置入后比地表稍低。

4) 铺设1层双向土工格栅, 之后在其上部再铺设2层0.12~0.16m厚的密封膜。

5) 每500m²布置1台7.5kW真空射流泵;将塑料真空膜边沿植入四周压膜沟内, 然后进行试抽, 确认负压密封不漏气。

6) 抽真空开始后2d内真空度即可维持在80kPa以上。当抽真空22d后, 加固区域沉降量逐渐减小并趋于稳定, 说明负压密封沉降水已趋于无效, 此时负压密封降水结束。

文中采用的改性真空预压与传统真空预压相比最大的区别在于改性真空预压取消了铺设砂垫层这一环节, 主要原因: (1) 砂垫层的工程造价高, 中粗砂垫层一般需要设置0.8~1.0m厚, 优质砂需求量大, 据统计原方法中砂垫层费用占地基处理总费用的1/3左右; (2) 若在吹填淤泥上铺设砂垫层按传统方法施工, 机械插板易引起垫层内泥浆翻浆和机械沉陷, 且加固过程中真空压力在吹填淤泥层内衰减较快, 导致深层淤泥的加固效果难以保证。

因此, 本项目采用浮桥和竹筏取代砂垫层, 砂垫层水平排水通道作用可以用真空管路和土工布取代, 砂垫层中的摩阻作用可用铺设的无网土工布代替, 对于砂垫层对土体表面压载作用可用膜上覆水代替。

为了解两次真空预压中浅层处理的效果, 无砂垫层改性真空预压处理过程中的超净孔隙水压力分布如图1a所示, 选取2, 6m和12m 3个深度。从监测数据可知, 2m处超净孔隙水压力受真空度影响较大, 随时间下降较为迅速, 并出现负值, 最大可达到-18kPa。在6m深度处, 超净孔隙水压力变化幅度较小, 约稳定在-10kPa。在12m深度处, 超净孔隙水压力稳定在5MPa, 正超净孔隙水压力由上部设备荷载产生。产生这种现象的原因主要为排水板深度为2.5m, 真空度在排水板中的传递深度为2.5m, 由此可知在2.5m以下的土层真空作用减弱, 加固效果微弱。

图1b为加固过程中场地表面沉降发展过程。由图中2个测点可知, 场地表面沉降量随着抽真空天数的增加而增大, 在抽真空20d后沉降逐渐趋于稳定, 每天沉降量在5mm以下, 在第23d后每天沉降不超过3mm。经过25d后, 测点1表面沉降量达194mm, 测点2地表面平均沉降量达216mm。

本次试验在加固前后分别对场地的相对高程 (相对于临时设置的水准基点, 假定水准基准点的高程为10.000m) 进行了水准测量, 以了解经过浅层真空预压后, 场地高程的整体沉降量, 同时也可校核沉降板观测的精准度。通过对场地高程的观测, 场地表面沉降213 mm, 与沉降板测量法的结果非常吻合, 也验证了沉降监测的合理性。

因此, 无砂垫层改性真空预压处理效果明显, 可以起到加固表层的作用, 当表层承载力可以承载后续施工所需的机械荷载时, 施工机械可以入场, 开展后续深层加固。

无砂垫层真空预压处理结束后, 拆除真空膜, 清理场地, 进行深层真空预压处理, 具体施工方案如下。

1) 首先在场地铺设40cm砂垫层, 方便施工机械施工。

2) 在新铺设的砂垫层上进行二次插板, 排水板类型采用SPB-B型。塑料排水板长度10m, 间距1m, 呈梅花形布置。

3) 待排水板打设完成后进行滤管埋设, 滤管埋设在砂垫层中, 呈网状布置, 将排水板头轻绕在滤管周围。

4) 滤管埋设完成后, 在砂垫层上部铺设1层土工布, 与此同时进行密封沟开挖, 待密封沟开挖完成后, 进行铺膜抽真空。抽真空具体措施如下:每1 000m²1套布置真空泵 (7.5 kW) 。将抽真空设备与横向排水管路连接, 并进行抽真空至80kPa。而后抽真空持续约90d, 在达到设计卸载标准后卸载。开始阶段, 为防止真空预压对加固区周围土体造成瞬间破坏, 必须严格控制抽真空速率。具体操作时可先开启半数真空泵, 然后逐步增加真空泵工作台数。当真空度达到50~60kPa且经检查无漏气现象后, 开始膜面蓄水, 在此真空度下抽7~10d, 使吹填土形成一定的固结度, 再开足所有泵, 将膜下真空度提高到80kPa (实际达到85kPa) 。

为了解加固期间土体中孔隙水压力变化情况, 在加固区多区域布置了孔压监测点, 由于软基处理深度是10m, 每个监测点分别在地下1.5, 6.0, 12.0m深度处设置了孔压计, 监测数据如图2a所示。从图中可以看出, 抽真空初期, 土体产生负的超静孔隙水压力, 孔压刚开始下降速率较快, 到了中后期, 孔压变化趋缓。整个抽真空过程中, 孔压出现波动现象, 其原因为抽真空过程中土体孔隙中的水被排出, 土体被压缩, 渗水通道由于土体挤压而关闭, 孔压消散受阻, 之后在持续的负压作用下新的渗水通道又会打开, 孔压消散又变快, 如此循环, 就出现了孔压波动现象。从图中可以看出, 孔压在地下1.5m处消散了55kPa, 在6m和12m处消散了12kPa。真空负压影响随深度减弱, 其最大影响深度可达到排水板下2m左右的土体。

图2b为加固区累计沉降曲线, 为了对加固区表面沉降进行监测, 在加固区的典型断面上布置了沉降板, 每个断面上布置3块沉降板 (观测点1, 2和3) 。从图中以看出, 累计沉降量约在500mm。曲线开始下降较快, 说明沉降速率开始较大, 之后曲线逐渐变得平缓, 说明沉降速率持续下降, 卸载前连续5d沉降速率<2mm/d, 满足卸载要求后停泵。

加固前后对场地进行十字板剪切试验, 采用3t手摇式便携式静力触探机架、机械式及LMC-D310型微机记录仪, 板头规格为50mm×100mm, 结果如图2c所示。经过浅层真空预压后, 土体抗剪强度有一定增长, 尤其以2.5m以上处理效果明显, 因为真空预压处理深度仅为2.5m, 即吹填土层, 试验说明第1次真空预压施工方法对于处理浅层吹填土层具有良好的效果。二次加固结束后, 再次对场地中预留孔进行十字板剪切试验, 发现二次处理后, 被加固的土体抗剪强度有明显的提高, 尤其是2.5m以下的处理效果明显, 这是因为浅层处理的深度为2.5m, 因此也说明二次处理对深层软土具有良好的加固效果。

1) 归纳出了一套“先浅后深”的两次真空预压施工方法, 这种施工方法通过浮桥和竹筏取代砂垫层, 砂垫层水平排水通道作用可以用真空管路和土工布取代, 砂垫层中的摩阻作用可用铺设的无网土工布代替, 对于砂垫层对土体表面压载作用可用膜上覆水代替。该方法可以有效节省造价。

2) 通过对浅层吹填土真空预压加固过程进行监测, 发现浅层超净孔隙水压力可达到-18kPa, 表面沉降稳定发展, 说明改性真空预压工艺处理后的超软土地基可形成1层具有一定承载力硬壳层, 能满足后续二次处理所需的机械进场条件。

3) 由于浅层处理后地表形成硬壳层, 深层加固时砂垫层仅需原来加固方法一半的厚度, 二次加固深度可以达到10m, 超净孔隙水压力可以达到-65kPa, 沉降可以达到0.5m。

4) 对深层加固后的地基进行监测, 发现地基强度进一步提高, 尤其是2.5m以下土体加固效果更为显著, 经检验地基承载力可达80kPa以上, 满足沿海对于道路、码头及堆场等的建设要求。