王國(guó)興周兆欣李 超

(1.山東交通學(xué)院 航海學(xué)院,山東 威海264200;2.威海港集團(tuán)有限公司,山東 威海264200)

真空預(yù)壓技術(shù)最早由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院Kjellman于1952年提出[1],其作用機(jī)理是,通過(guò)對(duì)覆膜下的土體抽真空,使土體在負(fù)壓荷載作用下產(chǎn)生超孔隙水壓力,在土體與砂墊層或排水板邊界形成孔隙水壓力差,在壓力差的作用下,孔隙水向外滲流排出,土體中的孔隙水壓力隨之消散。根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理[2],在總應(yīng)力不變的情況下,隨著孔隙水壓力的降低,土體有效應(yīng)力得到提高,在排水固結(jié)過(guò)程中,土體強(qiáng)度隨之提高[3-4]。因此,真空預(yù)壓技術(shù)處理軟土地基的效果取決于密封體內(nèi)外的大氣壓差,即負(fù)壓荷載的大小;土體固結(jié)的速度取決于超孔隙水壓力的消散速度。

我國(guó)于20世紀(jì)50年代末開(kāi)始真空預(yù)壓技術(shù)的相關(guān)研究。1958年,天津大學(xué)進(jìn)行了真空排水固結(jié)的室內(nèi)試驗(yàn)研究;80年代,真空預(yù)壓法在天津港新港軟基處理中試驗(yàn)成功;之后,真空預(yù)壓技術(shù)逐漸得到工程應(yīng)用,形成了低位真空預(yù)壓、無(wú)砂墊層真空預(yù)壓、直排式真空預(yù)壓、增壓式真空預(yù)壓等多種形式,但作用機(jī)理沒(méi)有變化。由于真空預(yù)壓法具有處理效果較好、造價(jià)較低、施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),近年來(lái),在海堤、港口填海造地等大面積軟基處理中逐漸被接受,并得到應(yīng)用[5-10]。學(xué)者們還對(duì)真空預(yù)壓過(guò)程中的真空度、孔隙水壓力、軟土強(qiáng)度及變形等規(guī)律和特性、卸載時(shí)間等進(jìn)行了研究[11-15],從工程應(yīng)用和理論研究方面推動(dòng)了真空預(yù)壓技術(shù)的發(fā)展。

本文結(jié)合威海港威海灣港區(qū)新港作業(yè)區(qū)的工程實(shí)例,對(duì)應(yīng)用真空預(yù)壓技術(shù)進(jìn)行港口吹填區(qū)大面積軟基處理的施工工藝、技術(shù)要點(diǎn)等做了詳細(xì)論述,并對(duì)真空預(yù)壓過(guò)程中膜下真空壓力、孔隙水壓力、表層沉降及分層沉降等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得出了相應(yīng)的結(jié)論,可供類似工程參考借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

威海港威海灣港區(qū)新港作業(yè)區(qū)位于威海灣的南岸,是威海港的中心港區(qū)。港區(qū)施工過(guò)程中通過(guò)港池、航道疏浚吹填形成陸域面積近80萬(wàn)m2。吹填區(qū)場(chǎng)地原為淺海相地貌,吹填后有如下特點(diǎn):場(chǎng)地西部以淤泥質(zhì)土為主,表層為流塑性,屬未固結(jié)高壓縮性軟土,東部以砂性土為主;吹填土厚度變化大,西部為9.60～11.20 m,東部為7.90～9.80 m;原海底普遍存在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,厚度2.00～7.45 m,屬高含水量、高壓縮性軟土。吹填后地層自上而下分別為①素填土:松散-稍密,以風(fēng)化砂為主;②沖填土:飽和,松散-稍密,以粉細(xì)砂為主;③沖填土:流塑或軟塑-可塑狀態(tài),以淤泥質(zhì)土或黏性土為主;④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土:流塑-軟塑狀態(tài);⑤粉質(zhì)黏土:軟塑狀態(tài),混砂性土;⑥黏土:可塑狀態(tài);⑦細(xì)中砂:松散-稍密,局部中密,飽和;⑧粉質(zhì)黏土:可塑狀態(tài),局部夾砂層;⑨細(xì)砂:中密,飽和;⑩中粗砂:中密-密實(shí),飽和,局部含黏性土;○11強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:巖芯較破碎,裂隙較發(fā)育,錘擊易碎。

2 施工工藝與技術(shù)要點(diǎn)

本工程采用真空預(yù)壓法進(jìn)行軟基處理,施工工藝與技術(shù)要點(diǎn)見(jiàn)圖1。由于本工程場(chǎng)地為吹填區(qū),吹填土土質(zhì)過(guò)于松軟,呈流塑或軟塑狀態(tài),含水量很高,因此,處理難度很大。提高土體的密封程度,盡量減少膜下真空度的損失,是本工程施工的關(guān)鍵[16]。本工程分4個(gè)區(qū)進(jìn)行施工,編號(hào)分別為1區(qū),2區(qū),3區(qū)和4區(qū)。

圖1 真空預(yù)壓施工工藝流程Fig.1 Construction technics flow of the vacuum preloading

2.1 水平排水墊層

2.1.1 荊笆與土工布鋪設(shè)

場(chǎng)地整平后,采取漸進(jìn)法錯(cuò)縫鋪設(shè)3層荊笆,上下兩層垂直交叉鋪設(shè),每片之間搭接20 cm,每間隔50 cm用鐵絲綁扎。荊笆鋪設(shè)完成后,在其上鋪設(shè)兩層規(guī)格為300 g/m2的土工布。鋪設(shè)前清理地表雜物以免土工布被扎破,鋪設(shè)過(guò)程中用袋裝砂包壓實(shí),鋪設(shè)完成后盡快進(jìn)入下一工序,以免土工布受光照過(guò)久老化。

2.1.2 砂墊層施工

土工布鋪設(shè)完成后,鑒于場(chǎng)地表面非常松軟,地基承載力很低,采用人工和輕便機(jī)械順序推進(jìn)回填0.5 m的中粗砂作為水平排水墊層,中粗砂要求含泥量小于5%,干密度大于1.5×103kg/m3,滲透系數(shù)大于5×10-3cm/s,不含植物、殘株等雜物。

圖2 排水板打設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Photo of the construction site of drainage plate setting

2.2 垂直排水通道

采用B型塑料排水板正方形布置,間距1 m。采用套管法整板打設(shè),嚴(yán)禁接長(zhǎng)使用;下端穿過(guò)淤泥層進(jìn)入粉質(zhì)黏土1 m以上,不得打入透水層;盡量避免“回帶”,“回帶”量控制在總量的5%以內(nèi),且長(zhǎng)度不超過(guò)30 cm,否則應(yīng)在臨近處補(bǔ)打;嚴(yán)禁出現(xiàn)扭結(jié)、斷裂和撕破濾膜現(xiàn)象。打設(shè)完畢及時(shí)剪斷板帶,確保板上端露出砂墊層頂面大于0.25 m,并把板頭埋入砂墊層0.15 m,以防扎破密封膜。排水板打設(shè)施工的現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。

3.3 黏土密封墻

使用SJB-Ⅱ型深層雙軸攪拌樁機(jī),采用兩噴四攪工藝,制作寬1.2 m的雙排黏土墻。自透水層以上1 m開(kāi)始粘土拌合,拌合深度至透水層底標(biāo)高以下1 m,確保墻體穿透透水層并進(jìn)入不透水層頂面標(biāo)高以下1 m。黏土摻入量＞20%,膨潤(rùn)土摻入量5%,如黏土黏粒含量＞40%,可不摻入膨潤(rùn)土,泥漿濃度達(dá)到1.3后用泥漿泵抽送泥漿。樁機(jī)定好位,調(diào)整機(jī)架垂直度,開(kāi)啟樁機(jī),攪頭邊下沉邊攪拌,下沉速度≤1.2 m/min,至設(shè)計(jì)深度后停止,攪拌噴漿10～30 s后,啟動(dòng)提升裝置,邊噴漿攪拌邊提升,提升速度≤0.8 m/min,使?jié){液和土體充分拌合。重復(fù)進(jìn)行第二次攪拌下沉及第二次噴漿提升,完成黏土密封墻施工。

3.4 射流泵及濾管

3.4.1 射流泵布設(shè)

選用3BA-9型真空射流泵,功率大于7.5 k W,安裝后形成不小于96 k Pa的真空壓力,確保膜下真空壓力達(dá)到85 k Pa以上。射流泵按800 m2/臺(tái)布置,要求24 h滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),應(yīng)預(yù)留備用泵,防止抽真空過(guò)程中射流泵因損壞或發(fā)生故障停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4.2 濾管布設(shè)

濾管采用Φ75 mm硬質(zhì)PVC管,打孔加工后包裹針刺無(wú)紡布,做到只透水不透砂。濾管呈框格形布置,縱向按兩端間距35.0 m、中間間距37.5 m布設(shè),橫向按間距6.5 m布設(shè),見(jiàn)圖3。在管路旁開(kāi)挖深約20 cm的管溝,埋管入溝,并用中粗砂填平。濾管相交處采用二通、三通、四通連接,連接點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格密封。為避免膜下真空度在停泵后很快降低,應(yīng)在管路中設(shè)置止回閥和閘閥。濾管布設(shè)施工見(jiàn)圖4。

3.5 密封系統(tǒng)

3.5.1 密封膜鋪設(shè)

為防止外力作用下膜下粗顆粒刺破密封膜,在密封膜鋪設(shè)前,先鋪設(shè)一層厚度為230 g/m2的單面壓膜防水編織布,鋪設(shè)時(shí)采用雙排線重疊,用手提縫紉機(jī)現(xiàn)場(chǎng)縫合,鋪設(shè)過(guò)程中每100 m2用砂包袋固定。

在編織布上鋪設(shè)3層聚氯乙烯薄膜作為密封膜,單層厚度0.12～0.14 mm,每邊各加長(zhǎng)3 m以便埋入壓膜溝,預(yù)留足夠的地基不均勻沉降變形富余量,防止密封膜拉裂。鋪設(shè)前認(rèn)真清理編織布表面雜物,選擇無(wú)風(fēng)或風(fēng)力較小的時(shí)段分層鋪設(shè),鋪膜過(guò)程中隨鋪隨用砂袋壓膜,每層膜鋪設(shè)完成后認(rèn)真檢查,發(fā)現(xiàn)有破裂處及時(shí)用清水洗凈,再用膠水貼膜補(bǔ)好,完成后即可進(jìn)行下層密封膜鋪設(shè),3層膜的黏接縫應(yīng)盡量錯(cuò)開(kāi)。密封膜鋪設(shè)完成后,用真空泵少量抽氣將膜吸住。

圖3 射流泵及濾管平面布置圖(m)Fig.3 Layout chart of jet pump and filter tube(m)

圖4 濾管布設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Photo of the site of construction and layout of filter tube

為防止外力作用下膜上粗顆粒刺破密封膜,造成漏氣,密封膜鋪設(shè)完成后,還要在其上鋪設(shè)一層厚度為450 g/m2的無(wú)紡?fù)凉げ?鋪設(shè)時(shí)間以抽真空當(dāng)膜下真空度達(dá)到85 kPa并穩(wěn)定后為宜。

3.5.2 壓膜溝施工

在預(yù)壓區(qū)四周采用機(jī)械輔以人工開(kāi)挖壓膜密封溝,壓膜溝應(yīng)切斷透水層,深入不透水層＞0.5 m,溝底寬1.0～1.5 m,挖溝時(shí)如遇塑料排水板,應(yīng)沿溝邊向上插入砂墊層中,不能剪斷,插入量大于0.2 m。為確保密封效果,需將密封膜逐層踩入密封溝,先踩粘合部位,再踩其他部分,防止撕裂密封膜,每層踩入深度不小于1 m。踩膜入溝完成后,用粘土及時(shí)回填壓實(shí)。

3.6 真空預(yù)壓

上述工序完成后,開(kāi)始試抽真空。首先開(kāi)啟所有的射流泵,正常情況下,開(kāi)泵4 h后泵口處真空度可達(dá)20 k Pa,在此過(guò)程中檢修漏氣部位;當(dāng)真空度達(dá)40 kPa時(shí)停泵,進(jìn)行全面檢修。試抽時(shí)間約為3～7 d。試抽無(wú)問(wèn)題后開(kāi)始正式抽真空。正常情況下,經(jīng)24 h抽氣后膜下真空度可達(dá)85 k Pa,此后進(jìn)入恒載階段。抽真空過(guò)程中應(yīng)備有足夠的發(fā)電機(jī),以保證臨時(shí)停電時(shí)至少有1/3的射流泵保持24 h滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.7 停泵卸載

在膜下真空度達(dá)到85 kPa的恒載狀態(tài)下連續(xù)抽真空150 d左右,經(jīng)監(jiān)測(cè)達(dá)到設(shè)計(jì)的卸載要求,即按實(shí)測(cè)沉降曲線推算的固結(jié)度不小于85%,且實(shí)測(cè)地面沉降速率連續(xù)10 d平均沉降量不大于2 mm/d,方可停泵卸載。真空預(yù)壓結(jié)束后,要對(duì)黏土墻和壓膜溝部位進(jìn)行處理。壓膜溝全部開(kāi)挖,黏土墻部位吹填土表面下挖1.5 m,用中粗砂夯填,壓實(shí)度要求達(dá)到93%。

4 過(guò)程監(jiān)測(cè)與分析

4.1 膜下真空壓力與孔隙水壓力

真空荷載影響孔隙水壓力的消散,監(jiān)測(cè)膜下真空度可以掌握真空荷載的施加情況。每個(gè)孔位的孔隙水壓力計(jì)有6個(gè)埋設(shè)深度,分別為地表以下2,5,8,11,14和17 m。對(duì)地下水位變化的影響進(jìn)行修正,得到真空荷載影響下的孔隙水壓力。監(jiān)測(cè)孔隙水壓力可了解土體中有效應(yīng)力的發(fā)展變化過(guò)程,從而分析土體加固效果及強(qiáng)度增長(zhǎng)情況。圖5為各區(qū)中心處真空荷載與修正后孔隙水壓力隨時(shí)間的變化曲線。

圖5 各區(qū)真空荷載、孔隙水壓力-時(shí)間曲線圖Fig.5 Changes of vacuum load and pore water pressure with time in each district

從真空荷載隨時(shí)間的變化曲線可以看出,施工過(guò)程中,除1區(qū)有過(guò)因鋪設(shè)土工布導(dǎo)致部分真空泵停止工作,出現(xiàn)孔隙水壓力反彈、在此期間隨時(shí)間消散不明顯的現(xiàn)象外,各區(qū)的真空度基本能夠保持在85 kPa以上,部分可達(dá)90 kPa,較好地滿足設(shè)計(jì)要求。從孔隙水壓力隨時(shí)間的變化曲線可以看出,當(dāng)真空度保持在85 k Pa時(shí),孔隙水壓力處于正常消散狀態(tài);加載初期,孔隙水壓力快速消散,隨著預(yù)壓時(shí)間的增加,土體內(nèi)孔隙水及氣體排除,土體壓縮固結(jié),孔隙比減小,土體的滲透性減小,孔隙水壓力消散速率減小;當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)停電、真空膜破損、真空泵維修等問(wèn)題時(shí),真空度明顯減小,孔隙水壓力也出現(xiàn)了反彈,恢復(fù)抽真空后,孔隙水壓力消散逐漸正常。

由于真空度隨深度的增加衰減,且深層自然沉積的低塑性粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土孔隙水壓力消散較慢;表層新吹填低塑性流動(dòng)淤泥質(zhì)土及松散的雜填土等孔隙水壓力消散較快,整個(gè)抽真空期間孔隙水壓力隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)。

4.2 表層沉降

觀測(cè)地表沉降量,可以根據(jù)實(shí)測(cè)沉降曲線推算土體固結(jié)度,評(píng)價(jià)地基加固效果,確定合理的卸載時(shí)間。各區(qū)地表沉降觀測(cè)最終結(jié)果見(jiàn)表1,用雙曲線法推算各區(qū)地基土平均固結(jié)度均可達(dá)到85%以上,且最后10 d沉降速率均小于2 mm/d。

表1 各區(qū)地表沉降觀測(cè)表Table 1 The subsidence of land surface observed in each district

各區(qū)觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)數(shù)量不同,各點(diǎn)表層沉降隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖6。本區(qū)域上部土層為新近吹填土,土質(zhì)松散,尚未完成自重固結(jié),后續(xù)施工回填砂墊層,砂墊層荷載使得土體產(chǎn)生部分沉降;插板期間,土體形成豎向排水通道,因回填砂墊層較為松散,插排水板期間土體沉降明顯,砂墊層密實(shí),致使抽真空期間表層土體沉降量較小。

圖6 各區(qū)表層沉降-時(shí)間曲線圖Fig.6 Changes of surface subsidence with time in each district

4.3 分層沉降

通過(guò)觀測(cè)各土層沉降量,掌握土層的壓縮情況,用于判斷軟基加固能夠達(dá)到的有效深度。在整個(gè)工程區(qū)內(nèi)布置12個(gè)孔位,每個(gè)孔位的分層沉降磁環(huán)有8個(gè)埋設(shè)深度,分別為地表以下2,4,6,9,10,12,14和16 m分層沉降觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖中可以看出,沉降量主要集中在9 m以上的中淺層,地面以下16 m處土體也有沉降,表明真空預(yù)壓加固有效深度可達(dá)16 m。各層土由淺到深沉降量逐漸減小,一方面是因?yàn)樯顚油临|(zhì)以密實(shí)的粉細(xì)砂為主,土質(zhì)較硬,土層壓縮率低,淺層土質(zhì)以松散的粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)吹填土為主,土質(zhì)較軟弱,含水量較高;另一方面是因?yàn)檎婵斩扔傻乇硐蛳聜鬟f逐漸衰減,使得深部土層加固效果較差。

圖7 分層沉降觀測(cè)結(jié)果Fig.7 Observed results of layering subsidence

5 結(jié) 論

本文結(jié)合威海港威海灣港區(qū)新港作業(yè)區(qū)的工程實(shí)例,對(duì)應(yīng)用真空預(yù)壓技術(shù)進(jìn)行港口吹填區(qū)大面積軟基處理的施工工藝、技術(shù)要點(diǎn)等做了詳細(xì)論述,并對(duì)真空預(yù)壓過(guò)程中膜下真空壓力、孔隙水壓力、表層沉降及分層沉降等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論:

1)對(duì)于疏浚土吹填形成的港口陸域軟基處理,因吹填土表層多為流塑狀的淤泥或淤泥質(zhì)土,強(qiáng)度非常低,為便于施工,可以通過(guò)鋪設(shè)荊笆來(lái)提高承載力,以保證工期的需要。

2)真空預(yù)壓法處理軟土地基的關(guān)鍵在于提高土體的密封程度,盡量減少膜下真空度的損失,要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行密封膜的鋪設(shè)和黏土墻的施工,施工過(guò)程中規(guī)范操作,采取一切措施避免破壞密封系統(tǒng),造成漏氣。

3)按照本文所述施工工藝進(jìn)行施工,港口吹填區(qū)軟基處理效果較理想,能夠在預(yù)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)卸載要求。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知,真空預(yù)壓過(guò)程中,膜下真空度、孔隙水壓力、表層及分層沉降等變化規(guī)律均正常,真空度、孔隙水壓力及分層沉降隨深度衰減的趨勢(shì)明顯,真空預(yù)壓加固有效深度可達(dá)16 m,但加固效果主要集中在9 m以上。

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