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【本期聚焦·科技奖优秀成果】中厚层吹填淤泥地基加固设计与施工技术

中厚层吹填淤泥地基加固设计与施工技术

庄小将1,方伟2,李小梅3,肖建法4

(1.温州市瓯江口开发建设投资集团有限公司,浙江温州325026;

2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海200120;

3.南京水利科学研究院,江苏南京210029;

4.华北水利水电工程集团有限公司,天津300170)

摘要

对于中厚层(5~10 m)吹填淤泥层的加固,传统的浅层处理方法难以实现人工排水板的插设,而二次处理方法成本高、工期长,造成很大的浪费。针对中厚层吹填淤泥地基处理设计与施工中的技术难点,结合现场试验提出无砂垫层分级加载的真空预压一次处理方案,研制适合5~8 m 厚度超软吹填淤泥层的新型可伸缩式人工插板枪、适合8~10 m 吹填淤泥层的轻型插板机械、立体式密封接头及真空预压法排水处理系统等,优化中厚层吹填淤泥地基施工技术。提出的适合中厚层吹填淤泥地基的真空预压加固设计方法、施工技术等创新成果在温州瓯江口新区一期地基处理工程中得到成功应用,工程造价大幅降低。

关键词

中厚层吹填淤泥;真空预压;设计方案;施工技术

0引言

利用港口建设及航道疏浚产生的大量海底淤泥进行吹填造陆,已成为增加沿海港口建设用地、缓解土地资源紧缺的有效途径之一。吹填淤泥是典型的由水力吹填形成的欠固结沉积软土,它具有高含水率、高压缩性、高孔隙比、高灵敏度及低强度等特点,必须要对其进行加固处理后才能用于工程建设。大量的工程实践表明,真空预压法是吹填淤泥地基加固处理方法中最有效的方法,具有设备简单、操作方便、加固效果好、预压时间短等优点,被广泛应用于吹填软土地基的加固。

在以往的围海造陆工程中,吹填淤泥层一般不超过 5 m,根据加固深度的不同,对此类地基真空预压加固处理常采用2种方式:一是通过人工插板对吹填层进行浅层处理,使其具备后续建设所需的地基承载力;二是同时处理吹填层和原地基海相软土层,须先铺设工作垫层和一定厚度的砂垫层,通过插板机械直接将排水板插入深层地基。浅层加固后地基承载力一般可达50 kPa,可在吹填淤泥表层快速形成硬壳层,尤其适用于吹填层厚度在3 m内的场地。深层加固后地基承载力一般可达80 kPa。

关云飞等[1]和仓基俊等[2]提出采用无砂垫层真空预压法对新近吹填的超软淤泥地基进行浅层加固,并在温州民科基地开展现场试验,地基加固效果显著。唐彤芝等[3-4]开展吹填淤泥地基加固现场试验研究,提出采用薄砂层长短板真空预压法快速加固新近吹填淤泥地基,加固后吹填淤泥的物理力学性质得到大幅度改善,能满足浅层快速加固的建设需求。程万钊等[5]提出研制浮箱步履式轻型插板机进行吹填淤泥地基加固。席宁中等[6]提出大面积软基处理设计要求的确定应综合考虑时间成本和地基处理效果,以便达到最佳技术、经济效益。

近年来,随着沿海经济的快速发展,土地需求持续增加,围垦区不断向外海延伸,吹填的软土厚度不断增长简易排水板插板机,当吹填淤泥层厚度达到5~10 m时,如采用吹填层和原地基海相软土层同时加固的方法,常因为吹填层厚度较大且场地初始承载力过低,导致加固效果不佳、工程造价过高。因此,对于此类场地,一般先设法加固5~10 m厚度的吹填淤泥层,使其地表承载力达到50 kPa。

本文依托温州市瓯江口一期吹填淤泥软基处理工程,研究中厚层吹填淤泥真空预压加固设计与施工技术,为港区陆域的形成和沿海围垦工程提供技术支撑。

1工程概况

温州市瓯江口新区一期软基处理工程位于温州市瓯江口外,介于灵昆岛(属温州市瓯海区)与霓屿岛(属温州市洞头县)之间。该工程总面积约15 km2,采用吹填海底淤泥方式成陆,吹填淤泥深度3~10 m,其中深度5~10 m 的中厚层吹填淤泥超软地基区域面积约3 km2,拟采用一次无砂垫层分级加载真空预压处理方法进行吹填淤泥层的加固。试验区位于工程场地中间区域,吹填淤泥厚度5~10 m。通过现场试验,验证研制的新型排水板施工机具的可靠型和工效。通过对抽真空期间地面沉降、孔隙水压力、分层沉降的监测及加固前后土体物理力学指标和地基原位十字板剪切试验,分析无砂垫层方案对中厚层淤泥地基加固效果的影响。

2中厚层吹填淤泥地基施工技术

对深度5~10 m的中厚层吹填淤泥地基实施真空预压的主要施工难点是如何进行竖向排水板的施工。

2.1人工插板机具研制

目前,对于吹填淤泥层厚度在3 m左右的场地一般采用竹竿等简易插板装置进行人工插板,若插板枪太长,则携带不便、插板过程中易晃动,难以控制插板质量。针对上述问题,研制一种新型的可伸缩式排水板人工插板枪,现场实际使用效果较好。可伸缩式排水板插板枪示意图见图1。

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可伸缩式排水板插板枪的设计思路是通过两段式的插板枪实现吹填淤泥厚度超过5 m情况下的人工插板,插板枪总长8 m,粗杆和细杆各长4 m,粗杆直径38 mm,细杆直径26 mm。利用可伸缩式插板枪能在数秒内将两段式的插板枪便捷、省力地组合成1根满足强度和刚度要求的插板枪。在实际操作时,由2名工人操作,先将排水板粗杆插入4 m深的淤泥中,再通过旋转手轮将细杆抽出,继续将排水板向下插入至指定深度。插入每根排水板的平均耗时在25 s左右。工效随着操作工人的熟练程度逐渐提升。经现场试验,研制的可伸缩式插板枪可以解决传统单根插板枪携带不方便、上部晃动引起竖向排水板垂直度偏差过大等问题。

2.2机械插板设备改装

可伸缩式插板枪解决了5~8 m厚度吹填淤泥地基的竖向排水板打设问题。当吹填层深度进一步加大,达到8~10 m时,难以继续采用人工插板方法,此时可通过机械插设竖向排水板。因此,研制一种适合在超软地基上插设8~10 m的轻型插板设备。

门架插板机主要由门架、卷扬机、振动锤、横向导轨、纵向导轨、置于门架上的竖向滑道、电控柜等组成。滑道内的插管顶端配置排水板长度记录仪,插管前后及门架上下分别设置定滑轮,卷扬机钢丝绳绕过门架上侧定滑轮与振动锤相连,振动锤与插管顶端相连。排水板从插管顶部进入,并将排水板头反包在插管底部,启动卷扬机,插管进入淤泥土体内,插设至预先设计深度,然后启动卷扬机,将插管缓慢拔出土体,排水板留在土体内,待排水板露出泥面一定长度后剪断多余部分。新改造的轻型门架插板机沿纵向导轨移动,可以插设数排排水板,竖向滑道沿横向导轨移动,可以插设数根排水板。该插板机具有结构简单、质量轻、控制精准、效率高、成本低等优点。轻型插板机现场施工见图2。

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轻型插板机结构简单,高12 m,最大插板深度为11.5 m。在插板前,铺设1层150 g/m2编织布、1层TGTG5050土工格栅、2层竹笆及1层200 g/m2无纺布,作为工作垫层,再通过插板机底部的2排枕木减小压力,可实现在初始承载力极低的吹填地基上插设8~10 m的竖向排水板。

3中厚层吹填淤泥地基设计方案

3.1加载方式

以往在吹填淤泥真空预压过程中,由于淤泥初始结构松散,在真空压力作用下细颗粒往排水板周边集中,常常在排水板周边形成透水性很差的“土柱”,造成真空压力无法进一步向土体传递,影响地基处理效果。因此,在加载方式上进行优化。

为防止土颗粒在高真空压力下积聚形成“土柱”,采用分级施加负压的方式进行地基处理。预压前期开泵率控制在20%,每隔3~5 d逐渐增加开泵率,并轮换开泵,确保在15 d内开泵率增加到80%,后期开泵率不得低于80%。在确保真空度的情况下,可适当覆水以提高真空预压效果。覆水高度根据现场实际情况确定,一般不高于80 cm。

3.2排水板弯折对加固效果的影响

根据以往的经验,排水板的弯折变形对其排水效果具有显著的影响。排水板在真空预压加固工程中使用后,滤膜渗透系数降低,而且土体固结变形越大,排水板弯曲越严重,排水板的通水能力折减越多。为此,对于中厚层吹填淤泥层,为减小排水板的变形量,采用整体性更好的A型板代替以往常用的B型塑料排水板。为使土体得以充分排水固结,适当延长抽真空时间,以减轻排水板弯折变形对地基加固效果的影响。

3.3卸荷标准

对吹填淤泥层进行加固的设计承载力标准一般为50~55 kPa,远小于一般软土地基真空预压的加固要求,加固后土体物理力学指标虽得到显著提升,其值也仅相当于普通软黏土。因此,常规真空预压中“连续10 d沉降速率小于2 mm/d”的卸载标准显得过于苛刻,尤其当吹填淤泥层较厚时,地表沉降速率更难达到该标准。通过现场试验,对于加固要求不高的吹填层处理,可将停泵卸载的标准按吹填层平均固结度达到85%为依据。对于本工程,根据现场监测数据推算固结度85%,与实测地面沉降速率连续10 d平均沉降量小于或等于3 mm/d相当,故以此为卸载依据。同时,规定表层0~1.5 m范围内地基承载力特征值不小于50 kPa,1.5 m以下处理土层地基承载力特征值不小于30 kPa。在以上2个卸载标准均满足的情况下方可停泵卸载。

4加固效果检验

4.1真空预压前后土体参数变化

在吹填淤泥层真空预压加固前,土体平均含水率约80%~90%。在真空预压后,土体含水率得到较大程度的降低,平均约52%。

真空预压前后土体物理力学参数见表1。从表1中可以看出,地基土体在真空预压处理后含水率、孔隙比、液性指数均得到明显改善,说明真空预压效果较好。在真空预压前,取样土体呈流动状,无法实施剪切试验,真空预压后进行土体取样并开展固结快剪试验。

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4.2原位十字板剪切试验

在地基处理结束后,选取代表性点位做十字板剪切试验,并与加固前的试验结果进行对比。新近吹填淤泥地基加固前后十字板剪切强度沿深度变化曲线见图3。从图3中可以看出,加固前后土体强度得到明显提高。处理后表层0~1.5 m土层十字板强度约30~40 Pa,深度3~5 m处土层十字板强度降低至15 kPa左右,深度6 m以下土层十字板强度随深度增加逐渐提高。

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地表沉降数据分析表明,吹填淤泥处理前厚度为8~9 m,处理后吹填土厚度约7 m。地基表层形成厚约1.5 m的硬壳层,但中间有约1 m厚的软弱夹层,主要原因有:第一,真空压力在沿水平向及竖向排水通道传递时符合能量守恒规律,表层压力大,排水固结效果较好;第二,较深土层的土颗粒较大,渗透性较好,排水固结效果也较好;第三,随着地基不断地排水固结,土体结构处于不断的调整中,细颗粒土在孔隙水的渗流场内沿水力梯度的方向流动,使吹填淤泥底层固结效果较好,而且靠近竖向排水通道的土体固结效果较好。

在前2个月抽真空期内,吹填淤泥地基的大部分自由水在真空压力作用下迅速排出地表,预加固地基的沉降量快速增加,十字板抗剪强度也有明显的改善。随着孔隙水的不断排出,淤泥逐渐形成具有一定结构的土体骨架,在第3个月抽真空期内,逐渐排出孔隙中的自由水及部分结合水,形成更加密实的土体结构,沉降量增加趋势逐渐趋缓,但该阶段地基承载力的增加更为显著。

5结论

中厚层吹填淤泥地基真空预压处理的技术难点是如何插设竖向排水板、如何制定合理的真空预压方案以避免“土柱”的形成及减小排水板弯折变形对加固效果的影响。针对上述问题,开展以下工作:

研制人工和机械插板装置,解决传统单根插板枪长度太长携带不便、插板过程中易晃动的技术难题,实现在初始承载力极低的吹填地基上插设8~10 m的竖向排水板,解决中厚层吹填淤泥超软地基一次无砂垫层真空预压中的排水板施工难题。

提出真空压力分级加载、排水板选型及卸载标准等方面的优化措施。

通过对比加固前后土体物理力学参数和十字板剪切试验结果简易排水板插板机,验证本文提出的5~10 m中厚层吹填淤泥地基加固设计方案与施工技术的可行性和合理性。

参考文献

关云飞,唐彤芝,陈海军,等.超软地基真空预压浅层加固现场试验研究[J].岩土工程学报,2011,33(S1):97-101.

仓基俊,关云飞,李小梅.吹填软基无砂垫层真空预压快速加固新技术及现场试验研究[J].水电能源科学,2012,30(2):92-94.

唐彤芝,董江平,黄家青,等.薄砂层长短板结合真空预压法处理吹填淤泥土试验研究[J].岩土工程学报,2012,34(5):899-905.

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.

程万钊,关云飞,唐彤芝.某围海造陆地基处理技术探讨[J].土工基础,2010,24(5):1-3.

席宁中,于海成.对大面积软弱地基处理技术的辩证思考[J].岩土工程学报,2013,35(S2):584-587.

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