长短板方案加固吹填淤泥土体的试验研究

中建港务建设有限公司 上海 200438

1 概述

随着我国东部沿海地区的发展，陆地成为了稀缺资源，利用海底淤泥进行吹填造陆，已成为我国沿海城市土地开发利用的有效途径[1]。海底吹上来的泥土大多为流泥（85%＜w≤150%）和浮泥[2]（w＞150%），含水率高，呈流动状、压缩性强、结构性极差、颗粒极细、强度基本为零，吹填过程中必须进行加固处理，才能满足后续工程建设的需要。

天津滨海新区吹填泥厚度为6 m，地基处理深度约为20 m，通常采用真空预压法对地基进行加固，由于新近吹填土地基承载力几乎为零，而地基处理深度过深，无法采用常规的一次处理真空预压法对地基进行处理，而是采用二次真空预压处理地基，即浅层真空预压和深层真空预压。浅层真空预压由于浅层人工插设排水板的深度方面的限制，处理深度最多为6 m，其目的为使地基表面形成足够厚度和强度的硬壳层，进而满足后续吹设砂垫层及机械打板所需的承载力条件，浅层真空预压处理效果至关重要，如浅层处理效果不佳，吹设砂垫层时将会出现“翻浆”现象及打板时机械无法进场的问题，浅层处理的好坏直接关系到工程的成败。目前真空预压处理一般软弱地基已经相对成熟，但对于处理吹填泥，还处于初级阶段，还有许多问题尚待我们进一步的研究。

唐彤芝[3]等处理吹填土时发现，在浅层真空预压处理时，上部的土层强度没有明显改善，但下部的土层强度却有很大程度的提高。董志良[4]等发现，在浅层真空预压后期，出现了以排水板为中心，直径为40～50 cm的“土柱”现象，而板间土加固效果欠佳，造成土体加固效果的不均匀现象。

本文依托天津滨海新区吹填软基处理工程，在常规浅层真空预压地基处理基础上，提出了一种浅层真空预压处理吹填土改进方案，并与常规方案进行对比分析，结合各种检测成果，对比改进方案的加固效果，同时探究了“土柱”形成原因，进而提出了适合吹填土地基的快速加固技术。

2 试验区方案

试验区位于天津临港吹填区T4区内，该区域为新近吹填区域，含水率较高，表层为浮泥，承载力几乎为零，吹填厚度为6 m，其下为原状淤泥。本工程采用二次真空预压地基处理，即浅层真空预压（处理深度为6 m）和深层真空预压处理（处理深度为20 m）。本文主要研究浅层真空预压，针对本工程特性，提出一种浅层真空预压改进的长短板方案，并与常规方案进行对比。

浅层真空预压地基处理2个技术方案的共同流程为：施工准备→铺设编织布→铺设无纺土工织物→人工打设排水板→布设滤管→连接滤管与排水板→铺设土工格栅→铺设无纺土工织物→布设真空泵等抽真空装置→抽真空→卸载→加固后效果检测。2种方案不同之处见表1，其中，长短板方案的长板打设深度为6 m，短板打设深度为3 m，长板与短板交叉打设。

试验区分为1区、2区，面积分别为31 845 m2、32 000 m2，分别采用常规方案和长短板方案。2个区地质情况相近，有较好的对比作用，抽真空时间为60 d，期间监测膜下真空度、地表沉降、孔隙水压力消散情况，卸载后进行原位十字板剪切试验、钻孔取土及室内常规试验，分析对比2种方案加固效果与固结特性。

表1 2种方案对比

2.1 真空度

膜下真空度的高低直接反映无纺土工织物以及土工格栅等土工织物传递真空度的能力，直接关系到加固效果的好坏和均匀性。抽真空初期，要求先分3批开启真空泵，每批只开启1/3的泵数量，每批持续时间为2 d，然后全部开启真空泵。

抽真空前期，虽然分批进行加载，膜下真空度上升很快，随着抽真空的进行，各区膜下真空度维持在80～90 kPa，2个区的膜下真空度差别不大。膜下真空度随时间变化曲线（图1）表明：无纺土工织物以及土工格栅等土工织物传递真空压力效果良好，进而可以代替砂垫层传递真空压力。

图1 膜下真空度随时间变化曲线

2.2 地表沉降

图2、图3为各区地表沉降测点平均累计沉降量和沉降速率随时间变化曲线。从图中可以看出，抽真空前一个月沉降量较大，占总沉降量75%以上，抽真空速率较大，达到3 cm/d，随着抽真空的进行，沉降速率逐渐放缓，但2区沉降速率明显快于1区，卸载时，1区总沉降为891 mm，平均速率14.90 mm/d；2区总沉降达到了1 146 mm，平均速率19.10 mm/d， 2区加固效果明显优于1区。

通过现场踏勘，1区出现了以排水板为中心，直径40～50 cm的“土柱”现象，土柱较硬，但是土柱与土柱之间的柱间土较软，部分土柱发展到后期，土柱与土柱之间甚至出现了裂缝，裂缝随着抽真空的进行，逐渐变宽并向深度上发展；2区虽也出现了“土柱”现象，但柱间土强度明显优于常规方案，土柱之间未出现裂缝，土体加固效果比较均匀。

图2 沉降量随时间变化曲线

图3 沉降速率随时间变化曲线

2.3 孔隙水压力消散

孔隙水压力观测是通过实测数据掌握预压过程中孔隙水压力的消散情况，用以分析土体固结度及强度增长情况，同时实现对预压过程的动态监测。孔隙水压力的消散一部分是由于水位的下降引起的，另一部分是由于膜下真空度传递于地下水位面，大气压力降低，水位下面的孔隙水压力也随之降低。在1区、2区中心位置排水板的形心位置分别埋设3个振弦式孔隙水压力计，深度分别为1 m、3 m、5 m。

从孔隙水压力随时间变化曲线（图4、图5）可以看出，抽真空期间，孔隙水压力呈下降趋势，抽真空前一个月下降速率较快，此后逐渐缓慢，但长短板方案下降趋势明显快于常规方案，特别是抽真空后期，常规方案孔隙水压力1 m、3 m处孔隙水压力基本处于稳定状态， 而长短板方案孔隙水压力下降趋势也有所减缓，但明显快于常规方案，与地表沉降规律吻合。

分析其原因，根据Stock定律，颗粒下沉的速度与颗粒直径的平方成正比，因此新近吹填的吹填土粗颗粒下沉快，细颗粒下沉相对较慢。颗粒直径相同的土颗粒依据Stock定律将以等速度v下沉。经过t秒后所有颗粒粒径为d的颗粒下沉的距离为L=vt，因此所有粒径大于d的土颗粒已经下降到L平面以下，L平面以上仅有直径小于d的颗粒，所以新近吹填土颗粒出现分选现象，表现为沿吹填土深度方向土颗粒直径逐渐变粗，上层大多为细颗粒，并且孔隙较小，极易在抽真空初期迅速黏附于排水板滤膜上，堵塞以排水板为中心的水平排水通道，进而出现以排水板为中心，直径为40～50 cm的“土柱”现象，严重影响了板间土排水固结和强度的增长。因此，抽真空后期，浅层孔隙水压力消散缓慢，下层粗颗粒较多，孔隙相对较大，排水效果相对于浅层较好，本工程长短板方案对浅层排水板进行了加密，缓解了“土柱”现象的发生，取得了良好的效果。

图4 1区孔隙水压力随时间变化曲线

图5 2区孔隙水压力随时间变化曲线

2.4 十字板剪切试验

为分析、评价浅层真空预压施工质量、吹填淤泥土层的强度增长状况和加固效果，在2个试验区中心排水板附近10 cm处及排水板形心处分别做现场十字板剪切试验，试验深度为6 m，每1 m剪切1次。从十字板强度测试曲线（图6、图7）可以看出，2个区经真空预压地基处理加固后（加固前2个区承载力几乎为零），强度都有了很大的提高，长短板方案土体强度明显高于常规方案；板间土强度明显低于土柱强度，但长短板方案板间土强度比常规方案有了很大的提高，尤其是浅层；长短板方案土柱与板间土强度差别不大，相对于常规方案比较均匀。

图6 1区加固后十字板强度测试曲线

图7 2区加固后十字板强度测试曲线

2.5 室内常规试验

为了了解真空预压处理后土柱与板间土的加固情况，分别在2个区的中心排水板附近10 cm处及排水板形心处进行了钻孔取土试验，室内土样测试结果表明，2个区经过真空预压处理后，其物理力学性质都有了十分明显的改善与提高。加固区域的含水率、孔隙比、液性指数等指标减小，土的湿密度、干密度等指标增大，但以排水板为中心的土柱的物理力学指标的改善明显优于板间土，但经长短板方案处理后的土体各项物理力学指标与常规方案相比明显较均匀[5,6]。

3 结语

1）本文依托天津滨海新区吹填软基处理工程，探究了真空预压期间“土柱”的形成原因：新近吹填土含水率高、孔隙比大、结构强度低，在自重落淤过程中颗粒出现分选现象，表现为沿吹填土深度方向土颗粒直径逐渐变粗，上层大多为细颗粒，并且孔隙较小，极易在抽真空初期迅速黏附于排水板滤膜上，堵塞以排水板为中心的水平排水通道，进而出现以排水板为中心，直径为40～50 cm的“土柱”现象。

2）在常规浅层真空预压地基处理基础上改进工艺，提出了浅层真空预压地基处理改进方案：长短板方案。此方案通过与常规方案在地表沉降、孔隙水压力消散情况，卸载后原位十字板剪切试验、钻孔取土及室内常规试验等方面进行了对比，发现其加固效果明显优于常规方案，很好地缓解了“土柱”现象，土体加固较均匀，此方案值得在类似工程中推广[7,8]。