真空预压联合强夯法处理吹填场区软土研究

陈继忠

(烟台市福山区建设工程质量检测站，山东 烟台 265500)

0 引言

随着国民经济的飞速发展，我国基础建设也随之突飞猛进。在我国东部沿海地区，基础工程建设用地尤为紧张，几乎所有的沿海城市都采用了填海造地的方法，以增加本地区的用地需求，可见填海造地为一个城市有限空间的发展起到了重要作用。

我国沿海地区软土分布较为广泛，伴随着沿海城市的“填海造陆”土地开发，工程建设多在虾池、鱼塘、沼泽等地吹填而成，淤泥较厚且分布范围较广，软土处理已然成为这些地区土地开发利用不可或缺的一环。沿海软土通常具有含水量高、压缩性高、强度低、透水性差等特点，在软土地区填海造地，若不对软土地基进行处理，软土在上部附加荷载作用下将产生较大沉降，影响工程建设的正常使用，若地基承载力不能满足设计要求，将会发生地基失稳，直接威胁人身生命财产安全。因此在此类地质条件下修筑建筑物时，如何在保证安全条件下获得最大效益，是工程技术人员较为关心的问题。

本文以沿海地区某软土地基处理工程为依托，该工程经过吹砂回填后，采用真空预压+强夯相结合的手段进行地基处理加固[1]，根据现场监测和检测结果，对软土地基的加固效果进行分析与评价，为本地区相类似工程提供借鉴经验。

1 工程概述

拟建工程场地属于海陆交互相沉积地貌单元，场区原为海滩，局部为养虾池，近期经围海造地、人工吹填整平等手段形成建设用地。根据规划本工程建成后将成为住宅、商业、旅游及娱乐的综合体。

1.1 工程地质情况

场区地层自上而下分布依次为：

①-1素填土：以黄褐色为主，局部颜色杂乱，属强夯前人工回填形成，成分主要以砂性土、黏性土及风化岩屑为主。

①-2吹填土：黄色～灰黑色，稍密～中密状态，湿～饱和。该层为近期人工吹填形成，成分主要以粉细砂为主，局部见碎石。

②粉砂：灰色～灰黑色，松散～中密状态，饱和。该层矿物成分以石英、长石为主，含云母，混淤泥，夹碎蚌壳，局部淤泥含量较少，不均匀。

③淤泥：深灰～黑色，流塑状态。土质较均匀，局部夹少量粉细砂薄层，夹碎贝壳，具腥味，无光泽，无摇震反应。

④粉质黏土：灰绿～青灰色，可塑～软塑状态。土质较均匀，切面稍光滑，干强度及韧性中等，局部夹少量薄层中细砂。

④-1细砂：灰褐色，稍密～中密状态。砂质较均匀，分选较好，矿物成分以石英、长石为主。

⑤粉质黏土：该层于场区内普遍揭露，青灰色～褐黄色，可塑状态。含粗砂角砾，不均匀，切面稍光滑，干强度及韧性中等。

1.2 水文地质情况

拟建场区地下水动态变化主要受季节影响及海洋潮汐影响，场区地下水主要补给来源为大气降水和地下水侧向径流，主要排泄方式是地下径流和通过毛细管现象以蒸发形式垂直排泄至大气，本区域地下水年变化幅度约2 m。

根据本工程岩土工程勘察报告，场区地下水属第四系潜水，稳定水位埋深介于1.10 m～1.45 m。

1.3 设计要求

根据设计院要求，本工程经地基处理要求达到效果如下：

1)经地基处理后，地基承载力特征值不小于150 kPa。

2)在考虑回填土及建筑物荷载条件下的变形要求，即工后使用期内(50 a)沉降量小于150 mm[2]。

1.4 方案比选

本地区常用的地基处理方案主要有深层搅拌桩法、排水固结法、CFG桩法及预应力管桩法。上述各法优缺点如表1所示。

表1 地基处理方案优缺点

经与建设单位多次沟通、比选，最终在考虑工期允许的条件下，选择工程造价相对较低的真空预压+强夯法作为本次试验区域的地基处理方案[3]。

1.5 地基处理方案

结合本工程实际情况，从变形和承载力两方面着手，从地基处理方案技术可行性、施工工期以及工程造价等多方面比较，最终选择地基处理方案如下：

第一步采用真空预压法处理软土，改善土体性质，提高土体强度，增加土体变形模量进而降低工后沉降、提高地基承载力。

第二步采用强夯法处理上部回填土，消除上部回填土的自重固结、改善回填土体性质，进一步降低工后沉降、提高地基承载力,以满足上部结构对地基的变形与承载力要求。

2 试验方案

在工程项目现场选取代表性场地作为试验区，试验区面积约为2.5万m2。

试夯目的：1)通过真空堆载预压法加速淤泥固结速度并增强淤泥土体性质[4]；2)通过强夯消除表层砂土液化同时进一步降低工后沉降并提高土体地基承载能力；3)为本工程地基处理适宜性提出评价，并提供有关设计和施工参数。

试验区施工步骤为场地整平、周边密封→施工砂垫层→施工塑料排水板→安装抽真空设备→施工密封膜→抽真空→强夯→检测验收。

真空堆载预压试验方案：

1)塑料排水板：塑料排水板规格采用SPB-B型，正方形布置，塑料排水板间距1.0 m，排水板长度12 m～15 m(插板深度按穿透淤泥进行下卧土层不小于0.5 m控制)。塑料排水板上端高出砂垫层0.3 m。

2)砂垫层：本工程采用中、粗砂作为水平排水砂垫层，厚度为500 mm，含泥量不得大于5%，渗透系数大于1×10-2cm/s。

3)真空预压：每台真空泵处理面积不大于800 m2，真空泵中间间距不大于40 m，真空泵功率采用7.5 kW。覆盖膜采用2布3膜，即最上一层为长丝无纺土工布，中间为3 层PE 或PVC 密封膜，最下一层为短丝无纺土工布，短丝无纺土工布和长丝无纺土工布均采用250 g/m2。在真空度维持在-80 kPa以上。

4)黏土帷幕墙：密封沟下设置黏土帷幕墙，帷幕墙进入淤泥不小于1 m，搅拌后墙体含黏粒的量应大于20%，并掺入5%的膨润土，渗透系数应小于5×10-6cm/s[5]。

5)卸载要求：根据变形实测资料，推算的淤泥土层固结度不小于85%；连续10 d平均沉降量小于2 mm/d。

强夯试验方案：

1)点夯：两遍点夯，均为正方形布置，单点夯击能为2 000 kN·m～2 500 kN·m，夯点间距为6.0 m，两遍点夯施工间隔3 d～5 d。点夯击次数6击～8击，夯点的收锤标准以最后两击的平均夯沉量小于5 cm控制，并同时满足夯坑周围地面不应发生过大的隆起；不因夯坑过深而发生提锤困难的规范要求。

2)满夯：两遍满夯，满夯夯击能为1 000 kN·m，要求夯锤的底面积彼此搭接1/4。

检测方案：

本试验区在地基处理前、中、后三个阶段均进行了监测和检测工作。

试验前：预埋沉降监测板及孔隙水压力计等监测原件，同时进行了土体原位测试及室内试验，对后期试验提供对比参数。

试验中：对地基处理过程中的沉降及孔隙水压力进行监测。

试验后：进行土体原位测试及室内试验，与前期试验数据进行对比[6]。

3 试验数据分析

3.1 表层沉降

试验区沉降与时间变化干洗曲线见图1，从图1可以看出，地表沉降随时间逐渐增大，在后期的10 d～20 d沉降趋于稳定，沉降速率约为1 mm/d～2 mm/d，抽真空期内试验区地表沉降量约350 mm～390 mm，根据沉降数据计算，计算总沉降量约为380 mm～420 mm，抽真空结束后，软土的平均固结度约为93%，残余沉降约为25 mm～30 mm，满足设计要求。

3.2 孔隙水压力

根据有效应力原理，测定土中孔隙水压力的数值大小及其消散程度，对于正确评价地基土的强度、稳定性及其固结程度非常重要。超静孔隙水压力为附加应力中由孔隙水所承受或传递的压(或应)力。它随土中水的排出而不断消散，直至完全转化为有效应力。在试验区地面以下7.5 m和13.0 m处共设置两个孔隙水压力计，图2为抽真空期间不同深度处孔隙水压力与时间变化关系曲线图，从图2中可以看出，在抽真空初期，随着膜下真空度的不断提高，孔隙水压力也不断增大，当真空度达到极值稳定后，孔隙水压力达到峰值，在抽真空后期随着超静孔隙水压力的消散，土体有效应力不断增大，进而完成固结过程。如图2所示两个深度范围内的水压力变化幅度约30 kPa，试验区真空预压处理有效影响深度已达13.0 m。

3.3 原位十字板剪切试验

原位十字板剪切试验是一种不扰动原土土样就可以对原状土强度进行评价的方法。试验区选取0 m,2 m,5 m,8 m,10 m和12 m深处分别进行原位十字板剪切试验(见表2)，从表2可以看出试验区处理前的不排水强度约为11.53 kPa～15.74 kPa，处理后的不排水强度约为36.63 kPa～55.39 kPa，强度平均提高幅度均大于200%，从12 m位置处的原位十字板剪切试验数据可见，试验区的真空预压处理有效影响深度可达12 m。

表2 原位十字板剪切试验数据

3.4 室内试验

室内试验数据见表3，从表3中可以看出，经真空预压处理后软土的各项物理力学指标均有不同程度提高，软土地基经固结后相对密度增加1.1 g/cm3～2 g/cm3，w(水)降低5%～10.5%，孔隙比降低0.218～0.484，黏结力增加2.4 kPa～4.2 kPa，内摩擦角增大0.7°～3.1°。通过试验区加固前后的主要物理力学指标对比分析，加固土体的物理力学性质得到了明显改善，达到了地基处理的目的。

表3 室内试验数据

3.5 强夯后平板载荷试验

试验区内选取点夯的夯间土地基进行浅层平板载荷，共2组。

从表4可以看出，吹填砂经强夯地基处理后，试验区夯点处的加荷量为324 kPa～350 kPa，可见试验区地基经强夯处理后可以满足地基承载力特征值150 kPa的使用要求。

表4 试验区夯点处加荷量汇总表 kPa

3.6 强夯后软弱下卧层地基承载力验算

根据GB 50021—2001岩土工程勘察规范(2009 年版)10.6.5第1条规定：按中国建筑科学研究院、华东电力设计院的经验，地基容许承载力可按式qu=2Cu+rh进行估算。

由于上部吹填砂经强夯处理后形成人工硬壳层，人工硬壳层厚度按3.0 m,4.0 m和5.0 m分别进行验算(见表5)，根据GB 50007—2011建筑地基基础设计规范5.2.7条规定进行软弱下卧层验算：Pz+Pcz≤faz。作用于基础底面的平均压力按150 kPa计算。

表5 不同埋深强夯后软弱下卧层地基承载力验算

3.7 强夯前后分层沉降

试验区分别在软土层顶和吹填砂顶设置分层沉降板，试验区的分层沉降数据如表6所示。

表6 试验区分层沉降数据 mm

从表6中可以看出，试验区内表层的沉降值约为411 mm～473 mm，强夯的夯沉量约393 mm～445 mm,软弱土层的沉降值约为18 mm～28 mm。经检测试验区地基承载力均能满足设计要求，因此本试验区的夯沉量可作为下阶段大面积强夯施工提供参考，指导施工。另外根据软土层顶分层沉降板测量数据，经强夯处理后软土沉降值约为18 mm～28 mm，进一步减小了工后(残余)沉降[7]。

4 结语

本文以实际工程项目试验区为依托，从地基的变形和承载力两方面出发，采用真空预压+强夯相结合的手段对地基进行处理。真空预压可改善土体性质，提高土体强度，增加土体变形模量进而有效降低软土地基的工后沉降，满足工程使用要求。表层吹填砂经强夯加固处理后形成人工硬壳层，形成的人工硬壳层经强夯处理后可消除上部回填土的自重固结、改善回填土体性质，进一步降低工后沉降、提高地基承载力，以满足上部结构对地基的变形与承载力要求，另外，由于人工硬壳增大了上部附加应力的扩散路径和地基压力扩散角，进而降低了附加应力对软土的影响，一方面满足软弱下卧层的地基承载力要求，另一方面在真空预压处理的基础上，进一步降低了软土地基的工后沉降，为工程项目的后期使用提供保证。

通过对试验区内软土地基的沉降监测、孔隙水压力监测及十字板剪切试验等数据的分析，可以看出软土地基经真空预压处理后土体性质及强度较加固前均得到了较大的改善和提高，沉降趋于稳定，满足工后使用要求，通过对人工硬壳层的夯点间土体进行平板载荷试验分析，经强夯处理的人工硬壳层地基承载力均大于150 kPa，满足设计要求。试验区的夯沉量可为下阶段大面积强夯施工提供参考，指导施工。通过对软土层顶分层沉降板的沉降数据分析，经强夯处理后软土均不同程度地发生二次沉降，进而减小了工后(残余)沉降，为工程项目的后期使用提供保证。

综上可见，试验区采用真空预压+强夯相结合的手段处理软土地基取得了成功经验，为本工程后期建设提供了依据，亦为本地区相类似工程提供借鉴经验。