真空预压联合堆载法加固吹填淤泥地基室内试验研究

汪小平 吴洪贵 王军 符洪涛

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院 江西赣州 341000；2.温州大学建筑与土木工程学院 浙江温州 325035；3.温州大学浙江省软弱土地基与海涂围垦工程技术重点实验室 浙江温州 325035)

真空预压联合堆载法加固吹填淤泥地基室内试验研究

汪小平1吴洪贵1王军2,3符洪涛2,3

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院 江西赣州 341000；2.温州大学建筑与土木工程学院 浙江温州 325035；3.温州大学浙江省软弱土地基与海涂围垦工程技术重点实验室 浙江温州 325035)

针对传统真空预压法加固吹填淤泥地基过程中，存在真空应力小，孔隙水压力消散过慢，深层土体加固效果欠佳，加固后地基标高不够等缺陷，提出了真空预压联合堆载法，即在真空预压真空度稳定后通过堆载满足后期机械进场施工之前宕渣所需的回填，分别采用5Kpa、10Kpa、15Kpa的砂袋堆载方式进行，以增加地基土的标高和总应力，从而增大了排水效率，快速有效的加固了吹填土。试验结果表明，采用真空预压联合堆载法能够加快孔隙水的消散，加速了土体的固结，加固后的土体剪切强度、含水量均优于普通真空预压法，说明真空预压联合堆载法能够更好的加固吹填土淤泥地基。

孔隙水压力；真空联合堆载法；土体剪切强度：加固效果

E-mail:978165053@qq.com

0 引言

随着东南海产业带经济建设的飞速发展，围垦造陆已经成为了获取土地资源的主要途径[2,3]。吹填土具有含水量高、强度低、渗透性差、压缩性大、孔隙大、承载力低等缺陷[4]。目前国内外通常采用真空预压法加固吹填淤泥土地基[5,7]，如孙立强等人[8]进行超软土真空预压室内模型试验研究，提出了排水板不同深度处真空度随时间的变化呈现出一定的递减规律，主要是因为真空度在沿排水板传递的过程中，排水板容易发生弯折和淤堵现象，排水板的阻力变大，使得真空度难以到达土体深部，土体整体固结效果差；张泽鹏、李约俊、冯淦清对塑料排水板与袋装砂井的真空度传递性能进行了对比分析，得出同样位置处袋装砂井中的真空度仅为膜下真空度的 20%[9]。因此普通真空预压应力较小，真空度传递过程中容易发生淤堵排水板容易产生淤堵现象，其次孔隙水消散缓慢，加固后地基标高满足不了工程实际要求，后期机械进不了场宕渣需要回填才能满足后期施工的需要等缺陷，对一些地基容许承载力要求高的工程，不能满足实际工程应用，为了进一步提高地基承载力，通常采用真空预压联合堆载法加固吹填土[10,12]。针对上述问题，本文提出采用真空预压联合堆载法处理吹填淤泥的方法，将后期回填宕渣作为堆载在真空预压过程中施加，通过进行室内模型箱试验比对方法评价加固效果。

1 模型试验

1.1 试验土样

试验所用土样取自温州市龙湾区瓯飞工程围垦区吹填土现场，取样深度为滩涂以下1m～2m，取回的土样装入模型箱内，试验前将模型箱表层土样进行平整，待自然沉积一周后，土-水很快分离，具有明显的分界面，表层余水的高度大概5cm。通过室内土工试验进行人工取样，测试得到土样的初始基本物理指标见表1：

表1 初始土样物理指标

1.2 试验过程

试抽真空一段时间后，待沉降稳定之后下再进行逐级堆载，模型装置如图1所示，吹填淤泥土样装入模型箱经过平整之后后，将真空探头、孔压传感器和复试排水板固定在内置钢架上，然后将内置钢架缓缓地压入土中。在试验区域铺设一层土工编织布，将真空探头设在膜下，并采用双层塑料薄膜密封，取中心面积120cm×120cm区域进行试验，将四周冗余的密封膜压入试验区外侧，最后利用防水标签在土体表面试验区域布置沉降标如图2所示，孔压、真空度的数据监测仪器布置如实体装置所示(图3)，试验安装完成后，开启真空泵抽真空，真空泵初始真空压力稳定在95kPa，待表层沉降变化稳定之后进行逐级砂袋堆载，堆载的方式为5kPa堆载，稳定后加下一级堆载、分别为10kPa堆载和15kPa堆载，监测指标稳定后，待每天沉降不超过2mm/d，再进行逐级卸载，试验试抽后检查试验装置的密封性，如发现漏气则采取补漏措施进行补救。

图1 试验模型装置(单位;mm)

图2 平面装置示意(单位：mm)

图3 试验实体装置图

2 试验结果分析

2.1 真空度

数据每两个小时监测一次，通过监测结果得知模型箱的膜下真空度、排水板露出土表层弯折处的真空度，真空预压联合堆载试验膜下真空度和排水板不同深度处真空度如图3，试抽之后，泵中真空度很快上升稳定在85～95kPa,随之膜下真空度也迅速上升，真空曲线图表明,膜下真空度最终稳定在78～85kPa，膜下真空度始终要低于泵中真空度，稳定后相比泵中真空度小10～15kPa左右。试抽真空一段时间后，真空度在传递过程中排水板和和土中不同深度处的变化趋势基本一致，且随着深度的增加呈现出一定量的衰减规律如图4，曲线图表明，排水板弯折处真空度相对膜下真空度下降了10～15kPa，排水板单位深度真空度下降1kPa左右，土中单位深度真空度下降1.2kPa左右，说明相同土中真空度沿程损失要比排水板快。

此外，当抽真空过程变形稳定后进行逐级联合堆载，上述试验分别在第一级变形稳定后，进行下一级堆载，模型箱分别进行5kPa，10kPa，15kPa的方式进行堆载，试验曲线表明，真空联合堆载并不影响膜下真空度的下降，但是排水板和土中不同深度的真空度在瞬时堆载后曲线出现明显抖动现象，在堆载的瞬间排水板和土中不同深度处真空度出现5～8kPa的突增，这是因为在堆载的瞬间，外部荷载突然增加，总应力增加，负压增大，从而更好的通过排水板向土体传递真空度。此外，孔压也出现类似的突增。

图3 排水板和土中各测点真空度

图4 真空度随深度衰减曲线图

2.2 孔压

孔隙水压力数据能够有效的反应土体固结的情况，孔压计安装在内置钢架上,孔压计分别安装土深30cm,60cm的位置，如图5所示，土体不同深度孔压随时间的变化曲线呈现一定的递减规律，试验前，随着深度的增加，孔压初始值逐渐增大，抽真空开始时，土体孔隙水比较多，在真空压力的作用下孔隙水很快被大量排出，孔压下降比较明显，甚至有些出现负压的现象，一段时间后趋于稳定，曲线图表明模型箱抽真空15d土体中的孔压消散基本达到稳定，30cm处的孔压值为-3.8kPa左右，60cm处孔压值为-1.0kPa左右；此外，上述试验在第20天、第30天和第40天分别进行逐级堆载，伴随着土体总应力增大，导致每次孔压都出现一个上升的过程，土深30cm处孔压出现0.7kPa左右的突增，60cm处孔压出现1.0kPa左右的突增；最终土深30cm处的孔压稳定在-7.4kPa左右，土深60处孔压稳定在-4.5kPa左右，真空预压联合堆载完毕后，整个加固过程中孔隙水压力不断地消散，从而土体的有效应力不断增大，土体强度最终得到加强，土深30cm孔压最终消散值10.4kPa，土深60cm孔压消散值10.7kPa。

图5 孔压随时间变化曲线图

图6 土表沉降随时间变化曲线图

2.3 沉降

用防水标签纸在土体表面布置沉降标，根据观测数据绘制表层沉降—时间关系如图6,图7所示，土体沉降初期沉降速率比较快，基本呈线性增长。曲线表明，抽真空初期，施加85kPa真空，沉降速率达到0.8cm/d，抽真空20天后，1号点的沉降逐渐稳定8.2cm左右,2号点沉降稳定6.5cm左右，其他各个点的沉降有类似的规律，之后再进行逐级堆载，由图可知每一次堆载之后，沉降都会有所增加直至稳定。由表可以看出，真空预压联合堆载期间实测表层沉降为7.3cm～12.6cm，这当中的沉降包括垂直压缩产生的，也包括堆载后侧向变形引起的附加垂直变形。

根据三点法公式，从曲线上取三点(s,t)，可推算最终沉降，进而计算地基沉降固结度情况。

(1)

(2)

式中：S1、S2、S3—t1、t2、t3时刻沉降量(mm),△S=t3-t2=t2-t1；

S∞—最终沉降量(mm)；

Ut—某时刻沉降固结度(%)。

卸载时，利用公式(1)～(2)推算土表沉降固结度结果汇总见表2：

图7 土表沉降随时间变化

表2 土表沉降固

图8 测试点取样平面示意图

2.4 十字板剪切强度和加固后含水量

试验结束后，分别取模型箱1/4区域进行试验，如图8 所示，在排水板附近，直角边离排水板15cm,30cm,斜边距离排水板15cm,30cm,45cm,共取7个点进行试验，每个点分别在表层、距表层20cm、距表层40cm、距表层60cm的位置进行取土。根据加固后土体深度平分为4 层土体，分别测得每层土体分界线下十字板板头高度范围内土体的4 个十字板剪切强度值和每层土体分界线下十字板板头底边处的4 个土样含水量值[13]，土的含水率-深度曲线变化如图9～图10，曲线说明加固后土的含水率相对初始值在很大程度上均发生降低，土的初始含水率值为85%～116%，加固后的含水率为28%～53%，说明加固后土的工程性质明显得到改善且比单纯真空预压相同深度处的含水量要低5%～15%[13]，进一步说明真空联合堆载的效果更佳。

图9 直角边含水量随深度变化曲线

此外含水率随深度变化情况与十字板剪切强度值符合加固效果规律，试验前不同深度相同位置的剪切强度为0～0.5kPa左右，试验后十字板抗剪强度～深度变化曲线如图11～图12所示，曲线表明排水板附近表层土体的抗剪强度最大且比单纯真空预压时相同深度处的十字板剪切强度要大0.6kPa～1.2kPa[13]，排水板附近土的剪切强度为10.3kPa，说明通过真空预压联合堆载之后土的抗剪强很快加强，土的工程性质得到改善。

此外，同一深度距离排水板越远抗剪强度反而越小，同一位置抗剪强度随着深度的增加出现递减规律，说明随着渗流路径的增加，土中孔隙水在真空负压作用下的渗流变得更为困难，导致排水效果降低，因此土体的加固区影响范围是至上而下，由近到远扩散的，含水率随着深度的增大而升高，同一分层含水率由近到远逐渐减小。

图11 直角边抗剪强度随深度的曲线变化

图12 斜边抗剪强度随深度的曲线变化

3 结论

本文采用真空预压联合堆载试验，通过实时监测数据并进行检测结果分析，得出以下结论：

(1)真空预压初期施加真空荷载造成较大的土表沉降,一段时间后沉降速率变化越来越小,在联合堆载阶段,由于堆载的瞬时作用,沉降速率突然增大之逐渐平稳。最终,在真空荷载和堆载联合作用下,沉降速率越来越慢,趋于平缓,并取得更好的加固效果。

(2)采用真空预压联合堆载法能够更快加速土体固结沉降，其加固后土体平均总沉降量比真空预压增加了近25%～30%；并且该方法能够加速生成土体的固结，提高深层土体的抗剪强度，很大程度上提高了吹填土地基的有效应力。

(3)抽真空初期,上体抗剪强度和固结收缩变形不断增长,地基不会存在失稳的现象,允许抽真空至最大载荷，可以提高联合堆载阶段的加载速率和土体稳定性。

(4)采用真空预压联合堆载的方式加固吹填淤泥土地基，能在很大程度上减小土体的含水量和提高土体的抗剪强度，获得更高的地基承载力，比单存的真空预压更为有效。该方法不但可以短施工工期，而且很大程度上节约了工程成本，在吹填土地基处理工程中具有很好的应用价值。

(5)此次试验以部分试验为基础分析了真空预压联合堆载的加固效果，为了获得更精确理论成果，还需要学者分析更多的现场试验。

[1]曾芳金，位慧星，王军，等.分层插板真空预压法处理软土地基的试验研究[J].中国港湾建设，2014(3)：31-32.

[2]赵维炳, 唐彤芝,关云飞, 等.大面积吹填淤泥土表层快速硬化处理技术究报告[R].南京:南京水利科学研究院,2009.

[3]孙立强.超软吹填土地基真空预压理论及模型试验的研究[D].天津：天津大学，2010.

[4]龚镭,余文天.新吹填淤泥工程性质变化特性研究[J].工程勘察, 2008(6): 23-25.

[5]娄 炎.真空排水预压法加固软土技术[M].北京：人民交通出版社，2002 ：62 - 93.

[6]唐彤芝, 黄家青, 关云飞, 等.真空预压加固吹填淤泥土现场试验研究[J].水运工程, 2010(4):115-122.

[7]胡利文, 王永平.真空预压淤泥搅拌墙气密性试验分析与应用技[J].岩土力学, 2005, 26(3) ,427-431.

[8]夏玉斌，陈允进.直排式真空预压法加固软土地基的试验与研究[J].工程地质学报，2010，18(3)：376-384.

[9]孙立强，闫澍旺，李伟，等.超软土真空预压室内模型试验研究[J].岩土力学，2011,32(4)：984-990.

[10]张泽鹏，李约俊，冯淦清.塑料排水板在真空预压加固软基中的作用，广州大学学报(自然科学版)，2002，1(2)：68-71.

[11]李就好.真空-堆载联合预压法在软基加固中的应用[J].岩土学,1999,20(4):58-62.

[12]刘汉龙，李 豪，彭劫，等.真空-堆载联合预压加固软基室内试验研究[J].岩土工程学报，2004，26(1)：145-149.

[13]熊熙，王杰光，曹辉，等.真空联合堆载预压与堆载预压软土地基加固对比研究[J]． 路基工程，2012( 3) : 53 - 56．

[14]王军，蔡袁强，符洪涛，等.新型防淤堵真空预压法室内与现场试验研究[J]岩土工程学报，2014，33(6)：1261-1263.

汪小平(1973.1- )，男，副教授，主要从事结构工程方面的研究。

吴洪贵(1988.8- )，男，硕士研究生，主要从事岩土工程方面的研究。

王 军(1980.02- )，男，教授，主要从事岩土工程方面的研究。

符洪涛(1987.05- )，男，讲师，主要从事岩土工程方面的研究。

Indoor experiment on reclaimed silt foundation reinforced by vacuum combined with surcharge preloading

WANGXiaoping1WUHonggui1WANGJun2,3FUHongtao2,3

(School of Architectural and surveying and mapping engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000;2.College of architecture and Civil Engineering, Wenzhou 325035;3.Key Laboratory of Engineering and Technology for Soft Soil Foundation and Tideland Reclamation. Wenzhou University, Wenzhou 325035)

The imperfection of pumped The imperfection of pumped vacuum preloading with little vacuum pressure, pore water pressure dissipation slowly, clogging seriously, deep soil reinforcement ineffective, foundation elevation is not enough after soil reforcement, Vacuum combined with surcharge preloading method is proposed, in the process of vacuum preloading, through the pile load ,act as the need of backfill soil before the mechanical approach in later period ,with 5Kpa、10Kpa、15Kpa sand bags stacks manner,the level of foundation soil and the total stress increased, the reclaimed soil reinforce Quickly and effectively through the pile load, Experimental results show that using vacuum preloading combined with surcharge method can accelerate the soil pore water pressure dissipation and soil consolidation, the shear strength and moisture content of soil are also superior to ordinary vacuum preloading method ,This is show that new type of vacuum preloading combined with surcharge preloading can achieve better effect.

Pore water pressure; vacuum combined with surcharge preloading method; shear strength; reinforcement effect

汪小平(1973.1- )，男。

2015-09-26

TU4

A

1004-6135(2015)12-0068-05