新近吹填淤泥真空预压一次性处理关键技术

新近吹填淤泥是指原位海积或湖积淤泥经水力重塑和颗粒重新分选后、土颗粒自重沉积尚未完成、颗粒结构极松散、含水率极高(85%～150%，甚至大于150%)、处于悬浮状态或流动状态的吹填淤泥[1-2]。该类地基无承载力，施工设备根本无法直接开展地基处理相关施工工序，往往是先晾晒2～3 a，再采用传统的真空预压技术进行深层处理。近10 a来，“二次处理技术”的应用—即先采用无砂垫层真空预压技术对新近吹填淤泥地基浅表层土体进行预处理，吹填或者铺设砂垫层后再采用传统真空预压技术对地基深层土体进行加固[3-8]，极大地缩短了地基处理工期，有效缓解了建设用地急剧紧张的局面，在国内已得到了迅速推广。然而，这种二次处理技术工期虽短但施工成本并不低。

鉴于此，本文先提出新近吹填淤泥地基真空预压一次性处理技术，并从施工流程、技术参数与材料性能参数、施工要点等3方面重点介绍其中3项关键技术，最后基于依托工程对该技术的加固效果和直接施工成本进行概括性分析。

1 一次性处理技术的背景

1.1 新型大面积砂被工作垫层工艺技术

新近吹填淤泥地基无承载力，如何在新近吹填淤泥垫层表面快速形成一种人造硬壳层(即人造工作垫层)为地基处理施工机械提供工作平台，是首先要解决的问题。

传统的人造硬壳层方法主要有[9-19]：加筋体法、化学加固法、大型砂被或砂肋软体排法、无砂垫层真空预压法，这4种传统方法仍存在一些局限性，主要体现在：1)加筋体法及砂肋软体排法不能较好地适用于含水率大于85%的流泥或浮泥地基，其承载力仍然不足，无法作为地基处理施工机械的工作垫层；2)化学加固法无法大面积实施；3)传统大型砂被法无法直接在承载力为零的新近吹填淤泥地基表面形成；4)无砂垫层真空预压法相对于长时间自然晾晒方法而言，工期虽短但施工成本也并不低。

目前，中交四航工程研究院有限公司基于广州港南沙港区三期工程疏浚吹填及软基处理工程II区工程已成功研发出新型大面积砂被工作垫层工艺技术。

1.2 新型真空预压排水系统工艺技术

大量工程实践已证实：现行真空预压排水系统无法解决新近吹填淤泥地基真空预压过程出现的严重淤堵现象以及排水效率低下的难题，研发出一种适用于新近吹填淤泥地基的真空预压排水系统，也是亟待解决的问题。

新近吹填淤泥细土颗粒含量(d< 0.075 mm)非常高，一般都大于85%；强亲水矿物含量也较高；含水率均在90%以上，且均大于1.5倍的液限；孔隙比均大于2.0；塑性指数基本在20以上；液性指数基本大于2.0，该类地基排水固结所产生的压缩变形可达6 m以上。相对于新近吹填淤泥这种工程特性而言，现行真空预压排水系统竖向排水体反滤层的等效孔径过小(O95< 0.075 mm)、芯体抗折性能差，是导致新近吹填淤泥地基真空预压过程中真空压力损失较大、竖向排水体出现严重淤堵、排水系统排水效率低、土体加固效果不理想的主要原因之一。

目前，中交四航工程研究院有限公司基于一系列室内正交模型试验研究成果，给出了竖向排水体的具体优化参数：竖向排水体反滤层的等效孔径O95应控制在0.075～0.21 mm，渗透系数应不小于5×10-3 cm/s；对于塑料排水板，芯体必须采用原生料制成，而对于袋装砂井，砂料填充体应采用中粗砂，其粒径应为0.10～0.81 mm，渗透系数不应小于5×10-3 cm/s；基于广州港南沙港区三期工程疏浚吹填及软基处理工程II区工程已成功研发出新型真空预压排水系统，该系统由粉细砂垫层和(单管双排型、单管四排型)直排式真空预压排水系统组成。

1.3 分级真空预压技术

新近吹填淤泥中细土颗粒(d< 0.075 mm)含量非常高、自重沉积尚未完成、颗粒结构极松散、处于悬浮状态，在过大的真空压力作用下会向竖向排水体快速聚集，因此，该类地基采用现行真空预压技术加固时采用过快的真空加载速率是导致竖向排水体出现严重淤堵、排水系统排水效率低、土体加固效果不理想的另一主要原因之一。

目前，中交四航工程研究院有限公司基于一系列室内正交模型试验研究成果，初步给出了控制真空加载速率的建议：当竖向排水体反滤层采用中等等效孔径(O95=0.15 mm)时，可以采用较快的真空荷载加载速率对高黏粒含量新近吹填淤泥地基进行分级真空预压加固；并已成功应用于广州港南沙港区三期工程疏浚吹填及软基处理工程II区工程中。

2 一次性处理技术施工流程

一次性处理技术施工流程见图1。

图1 一次性处理技术施工流程

新近吹填淤泥地基真空预压一次性处理技术中各关键技术的主要施工流程如下：

1)新型大面积砂被工作垫层工艺技术主要施工流程。根据加固区域尺寸加工砂被袋体→依次铺设若干幅砂被袋体且相邻袋体之间通过包缝缝接→从四周依次对称回形充填砂肋、使砂肋排水密实下沉稳定→从四周依次对称充填砂被、使砂被排水密实→在砂被表面铺设一层土工格栅，通过铁丝与下方袋体固定→水力吹填或者机械铺设粉细砂垫层、充分排水密实并整平场地。

2)新型真空预压排水系统工艺技术主要施工流程。插设防淤堵型原生料排水板且预留足够长度、无破损的排水板板头→将各排水板板头与滤管进行绑扎或者通过特制接头平顺连接→将水平排水系统埋入砂垫层中。

3)分级真空预压技术主要施工流程。开一部分真空泵，使管路中的或者排水板板头内的真空度达到40 kPa左右，维持4 d→增加真空泵使相应位置的真空度达到60 kPa左右，维持4 d→继续增加真空泵使相应位置的真空度达到80 kPa左右，维持4 d→使全部真空泵运行，地基固结度满足设计要求后卸载。

3 关键技术参数和材料性能参数

3.1 新型大面积砂被工作垫层工艺技术

新型大面积砂被工作垫层的施工三维图见图2。

图2 新型大面积砂被垫层三维示意

如图2所示的砂被工作垫层形成后，再在其上面机械铺设或水力吹填一定厚度的粉细砂，即可形成能顺利实施新近吹填淤泥地基真空预压处理前的插板施工工序的工作垫层。

新型大面积砂被工作垫层的主要技术参数如下：1)扁平结构体(砂被)单幅尺寸为100 m×50 m，充填厚度为1.0 m，隔仓宽度为10 m；2)复合式柔性结构体(砂肋软体排)砂肋尺寸为4.0 m×1.0 m，侧向布体长度为5.0 m；3)柱状结构体(普通砂井)直径为0.3 m，高度为4.0 m，间距5.0 m；4)上覆垫层厚度为0.8 m。

新型大面积砂被主要材料性能参数如下：

1)砂被和砂肋袋体的底层布体均为280 g/m2的编织布，面层布体、隔仓布、袖口以及普通砂井均为200 g/m2的编织布，材料性能参数符合GB/T 17690—1999《土工合成材料 塑料扁丝机织土工布》中的要求。

2)土工格栅的规格为TGSG2020，其主要性能参数要求符合GB/T 17689—2008《土工合成材料 塑料土工格栅》中的要求。

3)砂肋中的充填料为中细砂垫层，砂被中的充填料为粉细砂垫层，上覆垫层为素土垫层，具体技术指标见表1。

表1 充、回填料技术指标

3.2 新型真空预压排水系统工艺技术

新型真空预压排水系统主要有两种形式，分别为单管双排型直排式真空预压排水系统+素填土/粉细砂垫层和单管四排型直排式真空预压排水系统+素填土/粉细砂垫层，施工三维图见图3。

图3 新型真空预压排水系统施工三维示意

新型真空预压排水系统的主要技术参数见表2。

新型真空预压排水系统主要材料及其性能参数概括如下：

1)竖向排水板采用整体式或分离式防淤堵型原生料排水板，其性能参数见表3。

表2 新型真空预压排水系统技术参数

表3 防淤堵型原生料排水板性能指标

2)排水滤管采用直径为60 mm软式透水滤管，主管应采用直径为60 mm软式不透水滤管，具体性能要求为：管内壁均匀光滑；对管材进行径向垂直加压，当管材垂直方向的变形量达到其外径的40%时，立即卸荷，管材试样不破裂、不分层；在周围压力150 kPa作用下，不发生瘪管、破裂等现象；温度为0 ℃、高度为1 m的条件下，用重力为10 N的重锤，冲击10次，应9次无开裂现象；纵向回缩率≤3.0%，弯曲度≤2.0%，环刚度≥6.3 kN/m2。对于软式透水滤管而言，管外四周须外包针刺土工布，在凹槽处打孔(透水孔在90°、180°、270°、360°等范围内均匀分布，均匀地分布在波谷高度的1/2以下，在波谷高度1/2以上的孔数不大于总数的10%)。

3)订制四通接头是采用中交四航工程研究院有限公司自主研发的模具进行加工的，该模具主要是基于SPB-C型排水板与排水滤管的横截面尺寸进行综合设计。订制四通接头的具体设计见图4。

图4 订制四通接头

3.3 分级真空预压技术

分级真空预压技术的主要技术参数见表4。

表4 分级真空预压技术参数

真空泵的功率可为5.5 kW，加固场地内的布泵原则为1台/(800～1 000 m2)，采用分级开泵或智能真空加载系统实现分级真空预压。

4 关键技术施工要点

4.1 工程概况

广州港南沙港区三期工程，疏浚吹填及软基处理II区工程较大范围的陆域是在原有珠江口水域之中淤积的滩涂地基上吹填淤泥形成的。该工程试验区、D19～D25区以及D31区上部均为黏土颗粒(粒径d≤0.005 mm)含量高达40%以上的新近吹填淤泥，其中试验区新近吹填淤泥的含水率最高，为100%～150%。这些区域围堰边界附近的新近吹填淤泥厚度较薄，小于3 m，而除围堰边界附近区域之外,厚度范围为5～8 m；这些区域新近吹填淤泥下方为深厚原状软土，主要为流泥、淤泥及淤泥质黏土等。现场实景见图5。

图5 现场实景

4.2 新型大面积砂被工作垫层工艺技术

1)根据加固区域尺寸，现场加工或者工厂内订制若干幅符合3.1节中要求的砂被袋体。

2)人工通过泡沫板平台将各幅砂被袋体平顺地铺设在淤泥表面。

3)相邻砂被袋体之间通过包缝连接的形式进行连接。

4)采用对称的回形充填方式从砂被袋体组合体四周的砂肋依次往其中间的砂肋水力充填符合表1要求的中细砂，充盈率按85%以上控制，并使砂肋排水密实、下沉稳定。

5)采用对称的充填方式从砂被袋体组合体四周的隔仓依次往其中间的隔仓水力充填符合表1要求的粉细砂，充盈率按85%以上控制，并使砂被排水密实、下沉稳定。

6)在砂被表面铺设一层土工格栅，并按一定间距通过细铁丝与砂被表层布体固定。

7)机械铺设素填土垫层或水力吹填粉细砂垫层，厚度按3.1节中的要求控制。

现场关键施工实景如图6所示。

图6 新型大面积砂被工作垫层现场施工实景

4.3 新型真空预压排水系统工艺技术

基于该工程试验区以及D19～D25区分别进行了“单管四排型直排式真空预压排水系统”和“单管双排型直排式真空预压排水系统”等两种真空预压排水系统施工，其施工要点为：

1)采用插板机(优先考虑轨道式插板机)按现行规范要求施工排水板。然而尤其需要注意的是，须考虑设计间距d预留足够长的排水板板头，对于单管双排而言，板头的预留长度至少为d/2+0.5 m，而对于单管四排而言，远离滤管的板头的预留长度至少为1.5d+0.5 m。

2)将各排水板板头与软式透水滤管连接，须保证连接的平顺性和紧密性、且连接范围内外裹至少1层排水板滤膜。对于单管双排而言，可采用直接缠绕绑扎的连接方法，而对于单管四排而言，须通过订制四通接头进行连接。

3)确保各连接位置的连接质量满足上述相关要求后，将水平排水系统埋入砂土垫层中，埋深至少为20 cm，然后人工整平垫层。现场关键施工实景见图7。

图7 单管四排系统现场施工实景

4.4 分级真空预压技术

对该工程试验区以及D19～D25区的地基进行了分级真空预压加固。具体方法为通过分级开泵间接实现分级抽真空方式。

1)先满荷运行一部分真空泵，将水平滤管中的真空度控制在40 kPa左右的低真空荷载阶段，持续时间至少为4 d。

2)再增开一部分真空泵，将水平滤管中的真空度控制在60 kPa左右的中等真空荷载阶段，持续时间至少为4 d。

3)继续增开一部分真空泵，将水平滤管中的真空度控制在80 kPa左右的高真空荷载阶段，持续时间至少为4 d。

4)使全部真空泵满荷运行、进入恒载期(真空度至少为85 kPa)，并按设计固结度(至少为90%)卸载。

5 一次性处理技术的加固效果及成本

5.1 加固效果

1)沉降变形结果。地基平均固结总沉降为3.035～3.306 m，平均应变固结度计算值为92.9%～94.9%。

2)地基原位检测结果。被加固土层的原位抗剪强度平均值范围为37.9～39.1 kPa。被加固土层的平均锥尖阻力值为0.69～0.74MPa。

5.2 直接施工成本对比

该技术的直接施工成本与二次真空预压处理技术的直接施工成本对比见表5。

表5 直接施工成本对比

6 结论

1)新型大面积砂被工作垫层与下卧淤泥地基构成一个整体的承力体系，具有较高的承载力，可作为地基处理施工机械的工作平台。

2)新型真空预压排水系统由粉细砂垫层和直排式真空预压排水系统构成，具有良好的排水效率，可弥补现行真空预压排水系统的不足。

3)分级真空预压技术可通过智能式真空加载系统来直接实现，也可通过不同开泵率来控制水平排水管路中的真空度间接实现。

4)新近吹填淤泥真空预压一次性处理技术的加固效果好，被加固土层的平均应变固结度计算值为92.9%～94.9%，原位抗剪强度平均值范围为37.9～39.1 kPa，平均锥尖阻力值为0.69～0.74 MPa。相对现行的二次处理技术而言，该技术的直接施工成本可降低22元/m2左右。