真空预压技术在太湖淤泥固化工程中的应用

朱前维， 钱冠群， 尤征懿， 陈 娟

(1.江苏省水文水资源勘测局无锡分局，江苏 无锡214031;2. 无锡市惠山区钱桥街道水利农机服务站，江苏 无锡214153)

1952 年瑞典皇家地质学院杰尔曼教授提出了真空预压技术这一概念，并阐述了利用该技术加固地基的模型以及抽真空使土体中孔隙水压力降低、有效应力增加的观点［1］。我国于1985 年通过了真空预压法的国家技术鉴定，经过多年努力，真空预压技术在已广泛应用于路基处理、吹填造地、港口建设等工程中，并取得了较好的经济效益和社会效益［2-3］。

目前，在太湖清淤底泥处理方面，采用传统的排泥场堆放自然干化的方式已经不能适应当前社会可持续发展的趋势以及太湖底泥资源化利用的要求。使用真空预压技术对太湖底泥进行固化成为近几年太湖生态清淤底泥固化工程的新课题。根据《太湖流域水环境综合治理总体方案》和江苏省出台的《关于加快实施太湖生态清淤工程意见》的规划，太湖底泥疏浚总量达3 541 万m3，而主要清淤区域梅梁湖、贡湖和竺山湖，均位于无锡境内，清淤量占整个计划的84.6%［4］。自2007 年开始，随着太湖治理步伐的加快，太湖底泥疏浚的总量逐渐增加，淤泥堆放与用地紧张的矛盾越来越突出，一度成为制约太湖清淤计划的瓶颈。文中将真空预压技术应用于月亮湾生态清淤底泥固化工程项目中，是将这一成熟技术应用于太湖底泥固化这一全新领域的有益尝试。

1 真空预压技术原理及系统组成

1.1 真空预压技术原理

真空预压时，真空压力首先作用在土体中的水、气流体上，而非直接作用在土体骨架或颗粒上。在真空预压初始阶段，土体排水量很大，但沉降量比较小。这是由于土体中的自由水和气首先被抽出，然而由于土体颗粒之间的粘聚力、排斥力、接触点支撑力的存在，土体中的有效应力并未显著增加。随着水、气的抽出及时间的持续，土体颗粒间的无水孔隙逐渐增大，土体骨架开始承受真空压力，导致土体颗粒发生错位重新排列。这是一个由外因而导致土体内部“自发”调整的过程，结果使得土体密实而得以加固［6-7］。使用真空预压技术对太湖淤泥进行物理固化的简单原理结构如图1 所示。

图1 真空预压技术固化淤泥原理结构Fig.1 Principle structure of the vacuum preloading technology

1.2 真空预压技术的系统组成

1.2.1 真空机械系统 真空机械系统包括往复式真空泵及其附属设备。每台真空泵与水气分离系统通过胶管相连接。真空机械系统是在密封系统、排水系统、监测系统配合下抽取真空的，当抽取的真空度达到最大值时，应能保持一定时间，其持续时间的长短和真空度大小要满足设计要求［5］。

1.2.2 排水系统 排水系统包括铅直塑料排水板、水平排水管，铅直塑料排水板正方形布设，水平排水管主要由水平干管和支管构成。每一条支管与一排塑料排水板进行复式搭接，干管、支管尾端需密封。要求铅排水板、水平排水管的排水阻力小，能顺畅地将孔隙水排出软基。排水管出膜处应安装出膜装置，以保持密封效果，排水管及其连接件在预压过程中须能适应地基变形。

1.2.3 密封系统 密封膜宜采用2 ～3 层聚乙烯或聚氯乙烯薄膜［5］。加固区四周应开挖压膜沟，压膜沟深度至少应挖至不透水、不透气层顶面以下0.5 m。要求编织布、薄膜、土沟、土堤、灌水各个环节密封性能好，各种管、线通过密封膜处不漏气，膜下真空度满足设计要求。

1.2.4 监测系统 监测系统主要包含以下3 个方面控制:①真空度。膜内真空度包括膜下真空度和土中真空度两部分，检测时，还应看其分布是否均匀及深度变化情况。②孔隙水压力。测定孔隙水随深度变化的规律。③沉降板。测定经真空预压的软基的垂直沉降变化状况，以孔隙水压力及沉降板的沉降变化验证固结度是否满足设计要求。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

月亮湾生态清淤淤泥固化工程为月亮湾生态清淤工程的后续工程，主要对月亮湾生态清淤工程所堆放在堆场内的淤泥以及原堆场内鱼塘底部的淤泥进行物理固化。该固化区域内淤泥质土［8］:青灰～灰色，流塑，含有机质，夹贝壳碎屑。厚度:1.60 ～7.10 m，平均2.75 m;层底标高(85 国家高程):－7.10 ～－1.60 m，平均－2.75 m;层底埋深:1.60 ～7.10 m，平均2.75 m。

工程地点位于马山常乐路西端。分为A，B 两个区域，常乐路南侧为A 区，面积约14.5 万m2，北侧为B 区，面积约6.7 万m2。根据招标文件要求工程质量:固化土最低承载力5 个月后必须达到或超过50 kPa，并满足外运需要和复耕要求。

2.2 施工过程

2.2.1 总体思路及施工工序 根据堆场区域分布，将固化堆场分为8 个区域。每个分部面积约25 000 m2。综合考虑密封膜整体大小、电力、工期等因素，可分块实施也可几块同时推进。在开始抽真空后，当膜下压力达到80 kPa 后开始计时，抽真空时间达到3 个月以上，方可卸载。

按真空预压加固法的施工要求，施工过程分为8 个工序，具体流程如图2 所示。

图2 施工工序Fig.2 Construction process

2.2.2 主要施工过程 ①放线定位。根据设计图纸，用测量观测仪器确定加固区边界、塑料排水板的打设位置、真空集水井位置、真空管网的位置，并设立标记。②管网布设。真空管网系统包括铅直排水系统(塑料排水板的布设)、水平排水系统、水气分离系统及机泵系统。铅直排水系统塑料排水板正方形布设，板间距0.8 m，插板深度2.0 ～6.0 m 至淤泥底部。水平排水系统主要由水平干管和支管构成，每个加固分区设1 条排水干管;根据干管长度每个加固分区设多组水平支管，支管对称垂直分布于干管两侧，支管与干管相嵌接。每一条支管与一排塑料排水板进行复式搭接，干管、支管尾端需密封。③监测仪器设备安装。根据《真空预压加固软土地基技术规程》并结合本工程相关技术要求，在每个加固分区进行水位、真空度和沉降量的观测。在每个加固分区内设置9 个沉降标，2 个水位观测点，6 个真空度测头。④真空机械安装。抽真空设备采用射流泵，其单机功率≥7.5 kW，且能形成≥96 kPa 的真空压力;约900 ～1 100 m2布置一台真空泵。⑤真空负压操作。机械设备完成进场后，各单元的机泵系统进入真空操作阶段。真空操作要求有水必排。随着压力的逐渐上升，排水量越来越小，软基的固结程度也逐渐加大。

2.3 施工监测

抽真空期间的数据监测是整个真空预压过程中的重要工作，根据设计要求施工期监测的内容包括水位监测、沉降监测、真空度监测等，具体见表1。

3 工程实施效果

月亮湾生态清淤淤泥固化工程的淤泥固化处理总面积约21.7 万m2，固化处理共分8 个区。为全面、合理、准确评价固化土体承载力指标，按照固化区域项目划分，共8 个分部工程，编号为Ⅰ～Ⅷ;每个分部分成6 个单元，编号为Ⅰ-01 ～Ⅷ-06，共计48个单元。图3 为具体的检测项目及分布情况。

3.1 检测方案

本着经济合理、高效、准确的原则，以浅层载荷板试验、十字板剪切试验与静力触探试验相结合，并布置少量取土机钻孔取土化验的检测方案。

根据工程项目划分情况，为确保每个单元、每个分部区域内均有工程质量数据指标反映，故工程检测计划按照平均约25 m 间距，间隔布置十字板剪切试验孔与静力触探试验孔，少量机钻取土孔均匀分布于整个固化区域，以剖面形式将固化后的淤泥进行分层，并分层确定其承载力及土层物理力学性质指标。

图3 检测项目及分布(局部)Fig.3 Detection items and distribution(local)

3.2 检测设备和方法

1)浅层载荷试验:采用堆载法，共进场两套设备，试验装置由反力装置系统、加荷稳压装置系统和测读装置系统3 部分组成。承压板为圆形0.5 m2钢板。具体试验方法如下:①加载分级。预估极限荷载140 kPa，加载等级分为9 ～10 级。②沉降观测。每级加载后按间隔10，10，10，15，15 min，以后每半个小时测读一次沉降量，当在连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1 mm 时，则认为已趋于稳定，即可增加下一级荷载。

2)十字板剪切试验:采用十字板剪切试验(Vane Shear Test，VST)，施工进场一套电测十字板剪切设备，设备由十字板头、数据采集仪器、探杆、地锚和和贯入主机组成。十字板剪切试验的原理，即在钻孔某深度的软黏土中插入规定形状和尺寸的十字板头，施加扭转力矩，将土体剪切破坏，测定土体抵抗扭损的最大力矩，通过换算得到土体不排水抗剪强度。

3)单桥静力触探试验:采用静力触探试验(Static Cone Penetration Test，CPT)，施工进场两套单桥静力触探设备，设备由单桥触探头、数据采集仪器、探杆、地锚和贯入主机组成。当静力触探的探头在静压力作用下，均速向土层中贯入时，探头附近一定范围内的土体受到压缩和剪切破坏，同时对探头产生贯入阻力。利用静力触探与土的野外载荷试验对比，运用数理统计的方法，可以建立各种相关方程(经验关系)。这样，只要知道土层的贯入阻力即可确定该层土的地基承载力等指标参数。

4)钻探取样:采用两台钻探取样设备，设备包括GXY-1 型钻机，钻杆，泥浆泵，重锤，薄壁取土器。样品进行室内测试的项目有含水率(w)，重度(r)，比重(Gs)，液限(wl)，塑限(wp)，抗剪强度(τ)，无侧限抗压强度(qu)，压缩模量(ES)。所有测试项目均严格按《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)执行。

3.3 检测结果

竣工检测采用了浅层载荷板试验、十字板剪切、单桥静力触探等原位测试手段对固化土的承载力进行测试，共完成测试点444 个。其中，浅层载荷板测试点10 个，十字板剪切测试点50 个，单桥静力触探测试点360 个，钻探取土测试点24 个。根据多种测试手段的检测点综合对比分析，浅层载荷板测试点10 个，满足承载力大于50 kPa 为8 个;钻探取土测试点24 个，24 个测试点的承载力均≥50 kPa;单桥静力触探测试点360 个，承载力≥50 kPa 为355个;十字板剪切测试点50 个，50 个测试点的承载力均＞50 kPa。对承载力＜50 kPa 的5 个测试点进行分析，测试点主要分布在Ⅰ-05，Ⅱ-05，Ⅱ-06，Ⅷ-01，Ⅷ-05 单元边界位置，因为真空预压法对边界位置的处理难以达到预期效果，导致承载力偏低，在不合格测试点的旁侧进行补测试，补测的测试点均合格。故本工程Ⅰ～Ⅷ区48 个单元的所有测试点承载力均＞50 kPa。

根据多种测试手段检测成果综合对比分析，经真空预压处理后，土的含水率降低30% 以上，力学强度指标提高5 倍以上，承载力提高1 倍，压缩模量提高1.5 倍，灵敏度降低一个等级。经真空预压固结处理后，固化土由流泥与淤泥变成淤泥质土，其各项物理力学指标均有较大提高。工程质量符合设计要求，达到了预期效果。

4 结 语

月亮湾生态清淤底泥固化工程是无锡地区首次大规模的应用真空预压技术对太湖生态清淤后堆场内的淤泥进行固化处理，它的成功运用，为真空预压技术应用于淤泥固化这一新领域起到了很好的示范作用，具有如下优点:

1)提高堆场重复利用率。真空预压对淤泥的含水率的要求不高，可以及时固化，节约时间成本。同时固结后的底泥力学性能大幅提高，体积大幅缩小，可以及时外运利用，提高堆场重复利用率，缓解无锡太湖生态清淤中堆场短缺的问题。

2)节约工程资金。常用的化学固化成本在35 ～50 元/m3，而真空预压技术成本在20 ～30 元/m3，工程造价大大降低，可节约资金约40% 以上。

3)降低环境污染。真空预压技术固化淤泥不需要在淤泥中添加其他材料，可有效控制淤泥的占地面积，且不会产生二次污染，固化后的淤泥营养成分没有发生变化可直接复耕、种植。

4)增强淤泥的资源化利用。经过真空预压技术固化的太湖淤泥，若能与有关建设项目的用土需求在时空上做好衔接，如建筑填方土料、农林园艺绿化土壤等，使无用淤泥转化为其他建设项目的可用资源，不但可以解决疏浚底泥的排泥场地问题，而且可以减少部分取土对土地的破坏，符合保护垦地与资源循环的可持续发展战略要求，是一项一举多得的措施。

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