陳祥龍　江舜武　金亞偉　鄧永鋒

摘要：

疏浚淤泥這種超軟土地基目前主要采用排水固結(jié)法進行加固，然而，工程實踐發(fā)現(xiàn)，淤堵是一個重要的問題，新型防淤堵材料和施工工藝是研究的熱點。依托恒大海南?；◢u真空預(yù)壓處理工程，引入一種應(yīng)用于超軟土地基處理的新型防淤堵真空預(yù)壓法。該方法是直排式真空預(yù)壓方法的進一步改進，將防淤堵排水板取代傳統(tǒng)排水板，在連接方式上，將無孔鋼絲軟管取代了水平波紋管，也將傳統(tǒng)的包扎捆綁改進成了三通密封接頭，槍釘固定。結(jié)合施工動態(tài)監(jiān)測和加固后檢測，表明了該方法的加固效果和實用性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的室內(nèi)模型試驗研究，闡述其抽真空過程中在排水板附近防淤堵的原理和改善機制。

關(guān)鍵詞：

真空預(yù)壓；防淤堵；現(xiàn)場試驗；室內(nèi)模型試驗；機理分析

中圖分類號：TU471.8

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）02007509

Abstract：

At present， despite that the super soft soil foundation of the dredging silt is mainly strengthened by the vacuumPVD consolidation method， the clogging is an important issue during the field application. With the vacuum preloading project of the Hengda Sea Flower Island in Hainan Province， a new type of anticlogging vacuum preloading method for the super soft soil foundation is developed. It is the further improvement of the straightline vacuum preloading method. The traditional PVD is replaced by the anticlogging PVD， and the nonporous steel hose and tee sealing joint are also applied to update the traditional connections. Thereafter， the insitu monitoring during vacuum and quality evaluation after construction is detailed introduced. The results verify the effectiveness and applicability of the preloading vacuum method amendment. Combined with the existed laboratory model test， the principle of clogging in the vicinity of the PVD during vacuum preloading， and the mechanism of improved vacuum preloading are also discussed.

Keywords：

vacuum preloading； anticlogging； field test； laboratory modeling test； mechanism analysis

港口、航道在開挖、建設(shè)、維護的過程中以及河流、湖泊在進行水環(huán)境治理的過程中會產(chǎn)生大量的疏浚泥[12]。很長一段時間疏浚泥都是作為廢棄材料而丟棄，隨著環(huán)境保護的日益嚴格，疏浚泥又禁止外拋。與此同時，中國城鎮(zhèn)發(fā)展尤其是沿海地區(qū)建設(shè)規(guī)模不斷擴大，建設(shè)用地越來越緊張，吹填造 陸與圍海造地成為解決土地緊張問題的主要途徑[36] 通過絞吸式、耙吸式、水力沖挖等工藝形成的疏浚淤泥，具有粘粒含量高，滲透性差，排水速率慢，強度和承載力極低等特征，導(dǎo)致了土地資源的大量占用[78]。

由疏浚淤泥所形成的超軟土地基，工程實踐中一般采用排水固結(jié)法進行處理，然而在工程實踐中，排水體系的淤堵是該加固方法進一步推廣的主要技術(shù)障礙。為了解決疏浚淤泥地基真空預(yù)壓工程實踐中的淤堵問題，學(xué)者們從不同方面進行了研究，其中高效濾水性能的土工織物是一個研究熱點[912]。也有從施工工藝角度出發(fā)，相繼產(chǎn)生了直排式真空預(yù)壓、新型防淤堵真空預(yù)壓。直排式真空預(yù)壓相較于傳統(tǒng)真空預(yù)壓改進了傳遞真空負壓和水平排水的路徑，用水平波紋管取代砂墊層，并將塑料排水板直接捆綁在水平波紋管上，形成一個獨立的排水系統(tǒng)。新型防淤堵真空預(yù)壓在直排式真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上進行了演變，不僅用防淤堵排水板取代了傳統(tǒng)排水板，改善了豎直排水路徑；而且采用了無孔鋼絲軟管取代了水平波紋管，避免了水平波紋管在抽真空過程中因地基不均勻沉降拉裂；連接方式也從包扎捆綁改進成了三通密封接頭，槍釘固定，解決了豎直排水路徑與水平排水路徑接頭處易堵，形成了一個密閉貫通的獨立排水系統(tǒng)。

本文依托恒大海南海花島圍堰填海項目展開了新型防淤堵真空預(yù)壓的現(xiàn)場試驗，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)檢測明確其加固效果，為今后類似工程的設(shè)計與施工提供參考。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)已有室內(nèi)對比試驗，明確其內(nèi)在機制。

1工程技術(shù)方案

1.1工程概述

恒大海南海花島項目1#島A區(qū)于2013年9月采用吹填淤泥形成陸域，落淤晾曬后的泥面高程約為3.50 m。A區(qū)內(nèi)的6區(qū)、9區(qū)、10區(qū)淤泥厚度約5.0 m，采用真空預(yù)壓法進行加固。處理總面積約6.9萬m2，共分3個分區(qū)，平面位置如圖1所示。

1.2排水板材料

新型防淤堵真空預(yù)壓在直排式真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上進行了演變，該真空預(yù)壓技術(shù)采用防淤堵排水板，其濾膜為無凹凸結(jié)構(gòu)親水性材料，濾膜與芯材軋在一起，提高排水效果。防淤堵塑料排水板的各項指標見表1。塑料排水板施工采用輕型軌道式打板機進行打設(shè)，施工順序采用后退式施工，以保證打設(shè)完成的排水板不受碾壓；排水板完成后，拔出插板機套管，剪斷排水板，塑料排水板超過地面的長度不小于50 cm。

1.3現(xiàn)場施工工藝與控制要求

工程采用新型防淤堵真空預(yù)壓法，要求膜下真空度不小于80 kPa，抽真空時間2個月，施工工藝如圖2所示。塑料排水板間距1.0 m正方形布置，打穿軟土層。抽真空達到設(shè)計要求恒載滿載時間，停泵卸載時，監(jiān)測結(jié)果需達到設(shè)計卸載要求標準[13]：

1）最后10 d沉降速率小于2 mm/d。

2）據(jù)實測沉降曲線推算地基土預(yù)壓荷載下固結(jié)度不小于85%。

2施工監(jiān)測與檢測結(jié)果評價2.1監(jiān)檢測

現(xiàn)場監(jiān)（檢）測內(nèi)容主要包括兩方面，一方面是地表沉降觀測、分層沉降觀測、孔隙水壓力觀測、水位觀測等通過加固前預(yù)埋儀器在預(yù)壓過程中的動態(tài)監(jiān)測；另一方面，加固后原狀取土及室內(nèi)試驗、現(xiàn)場十字板剪切試驗、淺層平板載荷試驗等在抽真空卸載結(jié)束后的加固效果檢測?，F(xiàn)場抽真空時間為2015年9月—2015年12月。施工結(jié)束后進行地基測試以評價加固效果，檢測時間為2015年12月—2016年1月。監(jiān)檢測布置如表2所示。AGH9區(qū)塊的監(jiān)測設(shè)備布置圖如圖5。

2.2加固結(jié)果分析

各個區(qū)塊的觀測數(shù)據(jù)較為類似，現(xiàn)選取其中AGH9區(qū)塊的典型觀測數(shù)據(jù)進行分析各區(qū)加固過程特征和效果。

2.2.1豎向變形

1） 插板施工期沉降新近吹填形成的淤泥含水率非常高，為欠固結(jié)土。排水板的打設(shè)形成豎向排水通道，減小真空度損失，縮短排水路徑，在薄膜內(nèi)外形成的接近一個大氣壓負壓力下，地基排出孔隙水，有效應(yīng)力增大，產(chǎn)生固結(jié)沉降。該場地插板施工期沉降平均為265～308 mm。

2） 真空預(yù)壓沉降真空預(yù)壓共分為4個區(qū)塊，每塊真空預(yù)壓區(qū)真空預(yù)壓持續(xù)時間60 d。AGH9區(qū)塊的地表沉降曲線如圖6所示。AGH9區(qū)在絞吸形成淤泥場時就形成了中間有洼地，北側(cè)高程比南側(cè)低的地形，結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)，沉降最大的14#、10#、12#、7#和沉降較小的3#、9#、2#、17#的沉降特征是符合經(jīng)現(xiàn)場勘測情況的預(yù)測結(jié)果。

3） 固結(jié)度及殘余沉降

在數(shù)據(jù)處理的過程中，根據(jù)雙曲線沉降預(yù)測公式（1）～（3）[1415]推算地基土的固結(jié)度，可反映出地基的總體加固效果。

4） 分層沉降在每個加固區(qū)的中間位置埋設(shè)了1組深層分層沉降儀，從而掌握待加固地基中各土層的豎向變形情況。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制分層沉降時間關(guān)系曲線如圖7。AGH9區(qū)預(yù)壓期間分層沉降的大小和速率都很平均，由于0.5 m的沉降是深層土層沉降疊加，所以沉降最大，分層總沉降量360 mm ，與地表豎向沉降能吻合。

2.2.2孔隙水壓力觀測在每個真空預(yù)壓區(qū)中間位置埋設(shè)1組孔隙水測頭，埋設(shè)深度為4.5 m，孔隙水壓力測頭用以監(jiān)測真空預(yù)壓施工期間土體內(nèi)部孔隙水壓力消散情況?？紫端畨毫ψ兓€見圖8。

在抽真空過程中，施工場地周圍區(qū)域進行了大面積的填土施工，填土高度2～5 m，填土造成的主動土壓力對真空區(qū)壓膜溝產(chǎn)生了擠壓，造成漏氣，導(dǎo)致真空度出現(xiàn)小幅跌落。AGH9區(qū)土體的孔隙水壓力在真空預(yù)壓加固期間產(chǎn)生了明顯消散，場地處理范圍內(nèi)土體有效固結(jié)。

2.2.3水位觀測在抽真空期間，地基中的孔隙水會在荷載作用下通過豎向排水板、橫向管道排水通道排出地基土體，地基中水位會持續(xù)下降。鋪真空膜之前，在加固區(qū)中間位置埋設(shè)地下水位管。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制水位時間關(guān)系曲線見圖9。

由圖9可知，11月10號到11月底明顯的水位反?！盎貜棥爆F(xiàn)象，正常的地下水位在抽真空過程中是持續(xù)下降的，其出現(xiàn)“回彈”現(xiàn)象主要原因是11月初加固區(qū)周圍有大量填土堆積導(dǎo)致壓膜溝受到擠壓，造成漏氣。經(jīng)過與現(xiàn)場恒大項目部協(xié)商處理暫停加固區(qū)周圍填土，以及重新挖筑壓膜溝和埋設(shè)密封膜，11月底基本完成施工，抽真空過程正常運轉(zhuǎn)，最終地下水位下降幅度達2.45 m。

2.3加固效果檢測

加固前后進行了現(xiàn)場十字板剪切試驗及鉆孔取土及室內(nèi)試驗，加固后進行了淺層平板載荷試驗，下面根據(jù)檢測資料對加固效果進行綜合分析。

現(xiàn)場驗收時，發(fā)現(xiàn)有一個普遍的“土柱”現(xiàn)象，如圖10，“土柱”的立體空間形態(tài)是個倒立椎體，現(xiàn)場采用的是1 m×1 m正方體排水板布置，土柱之間的強度要明顯小于土柱強度[16]。相比傳統(tǒng)真空預(yù)壓工藝處理軟基的“土柱”現(xiàn)象（圖11），采用新型防淤堵真空預(yù)壓工法的土柱不明顯?！巴林爆F(xiàn)象反映了排水體周圍的淤堵以及處理效果沿排水體徑向不均勻問題。從微觀上就是顆粒隨著孔隙水移動，在持續(xù)抽真空過程中，顆粒集中到了排水板附近，產(chǎn)生涂抹區(qū)，形成排水板涂抹區(qū)周圍土體整體淤堵機制，但現(xiàn)在的文獻多把淤堵歸為土工材料淤堵?！巴林爆F(xiàn)象的明顯與否對應(yīng)微觀淤堵程度強弱，“土柱”越明顯，淤堵越嚴重。這進一步表明了新型防淤堵真空預(yù)壓工藝比傳統(tǒng)真空預(yù)壓在防淤堵處理效果更好。

3新型防淤堵真空預(yù)壓加固效果的室

內(nèi)對比模型試驗

3.1傳統(tǒng)與新型防淤堵真空預(yù)壓對比

龔濟平等[18]開展了傳統(tǒng)與新型防淤堵真空預(yù)壓對比模型試驗。傳統(tǒng)與新型防淤堵真空預(yù)壓僅僅在施工工藝和塑料排水板實驗條件不同以外，其它實驗條件均相同，持續(xù)抽真空48 h，膜下真空度80 kPa。試驗結(jié)束后相同位置分別取土樣測試含水率。采用新型防淤堵真空預(yù)壓技術(shù)加固后.淺層土和深層土的含水率分別為55.18%和55.21% ，僅相差0.03% ；經(jīng)傳統(tǒng)砂墊層法處理后。淺部土樣和深部土樣的平均含水率分別為65.6%和77.8%，相差達12.2%；采用新型防淤堵真空預(yù)壓和傳統(tǒng)砂墊層法處理后土樣的平均含水率分別降至55.2%和717%[18]。由表6可知，在海南?；◢u真空預(yù)壓現(xiàn)場，淺層淤泥加固前后的含水率分別是61.4%和45.4%，增減量-26.1%；深層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土含水率分別是55.5%和33.3%，增減量-40.0%。通過以上對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)新型防淤堵真空預(yù)壓法處理后軟土的含水率更低，可以推斷新型防淤堵真空預(yù)壓法較傳統(tǒng)砂墊層法具有更高的真空度傳遞效率，孔隙水壓力差更大、真空度損失更小。真空度沿深度方向的傳遞更均勻。

3.2直排式與新型防淤堵真空預(yù)壓對比

王軍等[19]開展了直排式與新型防淤堵真空預(yù)壓對比模型試驗。直排式與新型防淤堵真空預(yù)壓分別采用普通B型塑料排水板與防淤堵塑料排水板，施工工藝不同，其它試驗條件相同，試驗過程中，分別實時監(jiān)測表面沉降；試驗結(jié)束后拆膜，對2個試驗分別進行含水率試驗和十字板抗剪強度試驗。

沉降量的觀測每組選取3個點，一一對應(yīng)。中心點的沉降明顯大于邊點的沉降值，這是由于中心點的真空度更大，滲透路徑更短。同時，新型防淤堵真空預(yù)壓法相應(yīng)點最終沉降量和前期沉降速率明顯優(yōu)于直排式真空預(yù)壓法。所以，達到相同承載力強度，新型防淤堵真空預(yù)壓法在功耗和時間消耗上優(yōu)于直排式真空預(yù)壓法。

在對尾水收集過程中，兩組試驗有明顯區(qū)別，直排式真空預(yù)壓尾水清澈伴隨泡沫，而新型防淤堵真空預(yù)壓則是起初水渾濁，伴隨抽真空時間增長，逐漸清澈，說明細小顆粒是與尾水一起排出，而直排式真空預(yù)壓細小顆粒滯留在了B型排水板以及塑料排水板在水平波紋管捆綁處，體現(xiàn)了新型防淤堵排水板以及密閉貫通的獨立排水系統(tǒng)的優(yōu)越性。這一點在海南?；◢u真空預(yù)壓現(xiàn)場也得到了驗證（圖12），抽真空結(jié)束后，拆模后會發(fā)現(xiàn)直排式真空預(yù)壓水平波紋管存在不均勻沉降帶來的拉伸現(xiàn)象，一個原因是新型防淤堵真空預(yù)壓采取的無孔鋼絲軟管質(zhì)量上優(yōu)于水平波紋管，主要原因直排式真空預(yù)壓模下真空強度很高，但傳遞效率很低，表面形成硬殼層。

十字板抗剪強度試驗和含水率試驗分別對兩組實驗徑向離排水板10、40 cm，縱向0、25、50、75 cm對應(yīng)點。直排式真空預(yù)壓法淺層位置相應(yīng)點處理強度比新型防淤堵真空預(yù)壓稍強，這是由于以綁扎來處理水平排水路徑與豎直排水板的結(jié)合方式，能在待處理軟基表面形成更大的強度，如圖13。深度達到35 cm附近，新型防淤堵真空預(yù)壓法距排水板40 cm處的抗剪強度已經(jīng)大于直排式真空預(yù)壓法10 cm處，隨著深度加深，差距不斷增大。試驗結(jié)果表明新型防淤堵排水板以及密閉貫通的獨立排水系統(tǒng)可以增強真空度的傳遞，預(yù)防豎直排水路徑與水平排水路徑接頭處易堵，排水板易堵。含水率與十字板抗剪強度值情況基本吻合，結(jié)合十字板強度檢測值，說明了新型防淤堵真空預(yù)壓加固深層土體的效果優(yōu)于直排式真空預(yù)壓[19]。

在海南?；◢u真空預(yù)壓現(xiàn)場，十字板抗剪強度由加固前3.7～80.0 kPa增到加固后16.9～80.0 kPa，增幅明顯，見表4。結(jié)合十字板剪切現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，各區(qū)各加固土層抗剪強度明顯提高。AGH9區(qū)加固前后十字板抗剪強度詳細對比見表5?，F(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)同樣表明深層土的十字板抗剪強度增量比淺層土的幅度更大，新型防淤堵真空預(yù)壓施工工藝可以增強真空度的傳遞，預(yù)防豎直排水路徑與水平排水路徑接頭處易堵，排水板易堵。

4結(jié)論

在超軟土地基加固的實踐中，真空預(yù)壓過程中淤堵導(dǎo)致的加固效果受限是困擾工程和學(xué)術(shù)界的一個問題，本文結(jié)合海南?；◢u真空預(yù)壓的工程實踐，引入了新型的防淤堵真空預(yù)壓技術(shù)。該技術(shù)是是直排式真空預(yù)壓方法的進一步改進，將防淤堵排水板取代傳統(tǒng)排水板，在連接方式上，將無孔鋼絲軟管取代了水平波紋管，也將傳統(tǒng)的包扎捆綁改進成了三通密封接頭。通過現(xiàn)場施工過程中的動態(tài)監(jiān)測和加固效果檢測，表明了現(xiàn)場應(yīng)用效果，表明該改進的有效性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的室內(nèi)模型試驗研究，分析了對比了新型防淤堵真空預(yù)壓法技術(shù)能取得良好效果的機制。

1） 現(xiàn)場監(jiān)測（檢測）各加固區(qū)土體的孔隙水壓力在真空預(yù)壓加固期間產(chǎn)生了明顯消散，場地處理范圍內(nèi)土體有效固結(jié)，真空區(qū)區(qū)域各加固土層的十字板抗剪強度均有所提高。真空區(qū)地表地基承載力特征值不小于60 kPa，各真空預(yù)壓區(qū)按實測沉降推算固結(jié)度為85.1%～85.2%，按交工25 a后，推算得出殘余沉降為83～110 mm，平均值為100 mm，滿足設(shè)計要求。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，加固前后地基土的物理力學(xué)指標都有較大改善，各加固區(qū)的土體含水率、孔隙比變小，主要加固土層土性指標均有較大幅度提高。

2） 新型防淤堵真空預(yù)壓法用防淤堵排水板取代了傳統(tǒng)排水板，改善了縱向排水路徑，而且采用了無孔鋼絲軟管取代了水平波紋管，避免了水平波紋管在抽真空過程中因地基不均勻沉降拉裂；連接方式也改進成了三通密封接頭，槍釘固定，解決了豎直排水路徑與水平排水路徑接頭處易堵問題，形成了一個密閉貫通的獨立排水系統(tǒng)。在恒大海南?；◢u項目軟基處理效果顯著，改善了真空度傳遞效率，避免淤堵現(xiàn)象，預(yù)壓區(qū)地基得到了改善。

3） 結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)以及他人已有模型試驗研究成果，高效濾水性能的土工織物在克服濾水通道的淤堵問題效果明顯，尤其對于處理深層土體，新型防淤堵真空預(yù)壓法處理吹填淤泥的排水效率以及防淤堵比傳統(tǒng)真空預(yù)壓法的效果更好。該新型防淤堵真空預(yù)壓法可以大幅縮短施工工期和節(jié)約工程造價，在人工吹填（超）軟土地基處理工程實踐中具有良好實用價值和重大的社會應(yīng)用前景。

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（編輯王秀玲）