真空预压新技术加固吹填超软土的现场试验研究

吹填疏浚泥是通过机械疏浚和水力吹填的方式，将港池、航道或河湖中的原状黏性土通过高压管道输送至预定位置后沉积形成的浮动状流泥。由于这种疏浚土自身土颗粒较小，加之吹填过程中的水力分选作用，导致吹填形成的疏浚土为超软土[1-3]。新近吹填超软土含水率极高，可达100%～200%，抗剪强度极低，土体颗粒细小，固结系数较低，渗透性能较差，特别是土体颗粒之间没有形成稳定结构，处于流动状态，基本无承载力，施工机械和人员无法进场进行施工。

采用传统的排水板真空预压技术加固吹填超软土时，往往加固效果有限，容易形成“土柱”，距离排水板较远位置的土体基本无大的改善[4]，而且存在真空能量利用效率低、大部分真空能量集中在砂垫层表层、真空度沿深度大幅衰减、孔隙水压力消散缓慢、排水板淤堵严重、加固效果不明显、施工工期长、工程造价较高等问题[5]。

对于超高含水率和大量浮动流泥的吹填超软土，目前采用传统的排水板真空预压技术存在较大的问题和局限性，亟待进行有针对性的深入分析研究[6]。鉴于此，本文提出一种加固吹填超软土的真空预压新技术。该技术是对传统排水板真空预压的技术改进和创新，包括采用新型超软土浅层预处理技术、新型高效节能抽真空技术、新型防淤堵塑料排水板技术等，具有节省工期、降低总造价、加固软土效果显著的特点。作为一种新技术还从未在惠州地区应用，有必要针对这种吹填超软土特性，通过现场试验进行分析，研究其加固机制，为大面积吹填超软土地基处理及类似工程提供参考依据。

1 真空预压新技术

1.1 新型超软土浅层预处理技术

吹填疏浚土沉积时间短，承载能力低，自身固结系数很小，如果等待其自然沉降后再投入使用，时间成本过高。传统的吹填疏浚土处理方式为通过半年以上的晾晒以提高吹填土表层地基承载力，待表层疏浚土达一定强度后再进行插板等机械设备作业，在软土中打设竖向塑料排水板进行预压处理。董志良等[7-11]提出的浅表层快速加固方法，以水平向的软式滤管配合编织土工布和无纺土工布来代替传统真空预压法中的水平排水砂垫层，采用人工插设塑料排水短板，而非重型插板机械，同时增加了排水板头与滤管的绑扎连接，大幅缩减传统晾晒方法的时间，具有施工周期短、表层加固效果好、工程造价低等特点。

与传统浅表层快速加固方法不同，新型超软土浅层处理技术在铺设第1层和第2层土工布施工步骤之间取消布置土工格栅(图1)，避免了浅层预处理过程中两层土工布之间的土工格栅被拉断的问题；同时，使用不透水的钢丝软管替代软式透水滤管，且具有更高的抗压强度，由于不透水减小了真空度的传递路径，可提高真空度的传递效果；排水板与钢丝软管通过新型防泥蝶形接头连接(图2)，可防止插板过程中冒出的淤泥污染排水板与管的接头处，减小了真空度在连接处的损失，提高真空度的传递效率[12-13]。

图1 新型超软土浅层预处理技术流程

图2 新型蝶形接头

通过超软土浅层预处理后，浅层土体含水率大幅降低，表层土物理力学性质得到极大改善，表层形成一层具有一定承载力的硬壳层，从而满足吹填砂垫层和机械插板所需要的承载力条件，可后续进行二次深层预压处理。

1.2 新型高效节能抽真空技术

传统真空预压技术抽真空设备采用射流泵，通过高强度、稳定地排出泵窝内循环水的方法将膜下逐步形成真空，利用负压差将土体内的水和气通过射流器排出，达到土体固结的目的。传统射流泵在整个抽真空期间都需要保持射流泵始终维持固定功率运转，用电量大，成本消耗高；由于射流泵是依靠液体质点间的相互撞击来传递能量，在运转过程中会产生大量的水力损失，造成射流泵抽真空效率较低[14]。

新型高效节能抽真空技术，在保证真空预压加固地基效果的同时，能大幅度节约用电；利用水环式真空泵改变水气分离罐内的气体容量形成负压，通过可控的负压调节使水气分离罐控制的加固区域形成稳定的负压差，利用负压差将须加固土体内的水、气混合物排入水气分离罐中，利用水气分离罐的高度将水和气自然分离，形成气体在上，水在下，最后气体从连接水气分离罐上部接口的真空泵的排气口中排出，水从连接水气分离罐下部接口的射流泵中排出，这样不仅可以达到土体固结的目的，又可以提高抽真空效率，减少用电量，降低真空预压整体施工成本。

新技术的抽真空设备包括集控室、大功率真空泵和水气分离罐(图3)。不仅解决无砂垫层真空预压的问题，而且对抽真空设备进行重大改造，可节电60%以上，达到既节能环保又较大幅度降低工程造价(15%以上)的双重效果。

图3 水气分离罐

1.3 新型防淤堵塑料排水板

普通塑料排水板一般采用缝纫式或黏合式的分离式结构包裹方式，在加固软黏土的固结排水过程中，软黏土中的水发生单向渗流通过排水板滤膜，土颗粒则聚集在塑料排水板滤膜周围。比滤膜孔径大的颗粒被阻挡在滤膜外，比滤膜孔径小的细颗粒穿过滤膜，或吸附在滤膜孔隙旁边，将造成滤膜和芯板的淤堵，从而减弱塑料排水板的排水功能[15-16]。

新型防淤堵塑料排水板采用热熔黏合整体式包裹方式(图4)，芯板和滤膜共同受力，提高了塑料排水板的整体强度；由于各排水通道均独立分开，即便滤膜有破损，也只会影响某个通道的排水，整体排水功能不易受影响。采用的长丝滤膜实测渗透系数在0.01～0.015 cms，等效孔径O95为0.12 mm，孔径尺寸大于普通排水板滤膜，避免土颗粒淤堵无纺布而影响透水性[17]；新型防淤堵塑料排水板抗拉强度和耐久性更好，大变形条件下抗弯折能力较强，适用于更复杂的地基处理工程。

图4 整体式防淤堵排水板

2 试验区场地条件

现场试验场地位于惠州荃湾港区，试验区面积约7万m2。场地主要土层从上到下依次为新近人工吹填疏浚土层、第四纪海相沉积形成的淤泥层第四纪海陆交互沉积形成的粉质黏土和残积土层基岩为侏罗系凝灰岩。表层为厚度约6 m的吹填疏浚土，含水率极高(100%～150%)、孔隙比极大(约3.5)、抗剪强度极低(约2 kPa)，比原状淤泥层更差，不能承受任何荷载，完全不能满足人员和设备行走的要求。原状淤泥层厚度4～10 m(平均7 m)，属于典型的惠州海相沉积软土，含水率高、塑性高、孔隙比大、压缩性强、强度低、渗透性低、具有流变性。场地主要土层的物理力学指标见表1。

表1 场地主要土层的物理力学指标

3 现场试验方案

3.1 浅层预处理

试验区吹填疏浚土至4.5 m后，表层为吹填超软土，无法满足人员和设备行走的要求，因此首先进行浅层预处理试验。浅层抽真空预处理在吹填疏浚土中不铺设砂垫层进行裸插短板，将板头与滤管(软管)直接连接抽真空，达到浅表层快速排水、提高土体强度和承载力的目的。试验区采用新型超软土浅层预处理技术、新型高效节能抽真空技术、新型防淤堵塑料排水板技术，首先通过浅层预处理试验来确定评价真空预压新技术加固表层吹填超软土的效果。试验区浅层预处理过程中，布置了大量的监测与检测项目，包括真空度、表层沉降、孔隙水压力、十字板剪切试验等。

3.2 深层处理

浅层预处理试验阶段完成后，吹填超软土表层已达到一定的承载力，可进行后续的真空联合堆载预压深层处理试验，最终满足场地的工后残余沉降和地基承载力要求。首先，在泥面上铺设一层土工布和土工格栅，然后铺设开山土垫层和中粗砂垫层，再打设塑料排水板。排水板施工后进行真空联合堆载预压施工。试验区采用新型高效节能抽真空技术、新型防淤堵塑料排水板技术，通过真空联合堆载预压深层处理试验来评价真空预压新技术加固深层吹填超软土的加固效果。试验区深层处理过程中，同样进行了表层沉降、分层沉降、孔隙水压力、十字板剪切试验、静力触探试验等监测与检测项目。

4 试验结果分析

4.1 浅层预处理

4.1.1 真空度

试验区真空荷载采用分级加载，21 d左右保持真空度稳定。通过对管内及排水板不同深度处的真空度进行监测，分析排水板不同深度处的真空荷载传递规律(图5)。

图5 排水板管内及不同深度的真空压力

从图5可知，随着抽真空的进行，管内及排水板内不同深度处的真空度逐渐增加，由于排水管路采用不透水的钢丝软管，真空度传递过程中沿程损失小，传递速度较快。此外，钢丝软管有较高的抗压强度，抽真空过程中不会出现管压瘪的现象，对真空度的传递和排水均有利，管内的真空度最后可达到88 kPa。排水板内不同深度的真空压力随着深度的增加存在单位深度降低3 kPa 左右的衰减规律，但衰减幅度较小，最后排水板的板内真空压力在74～77 kPa，说明采用新技术的真空度传递较好。

4.1.2 表层沉降

浅层预处理各分区的平均表层沉降随时间变化曲线见图6。从图6可以看出，由于吹填口位于B2区内，吹填土中含有较多的粗颗粒，因此B2区相对于其他分区的总沉降明显偏小。在抽真空开始的前2 d内，沉降速率发展迅速，基本呈线性增长，速率约100 mmd。抽真空约60 d，不同分区的沉降变化较大，除了B2区(吹填口)外，采用新型防淤堵排水板的A区(排水板间距0.8 m)沉降最大，达到1.276 m，均超过传统浅表层快速加固法的表层沉降值。采用防淤堵排水板的表层沉降普遍大于普通排水板，说明防淤堵排水板在通水量、防淤堵能力均明显比普通排水板强，淤泥更易于排水固结。

图6 浅层预处理各分区的表层沉降随时间变化曲线

4.1.3 孔隙水压力

为分析浅层预处理过程中新技术加固吹填超软土的固结排水效果及孔压消散规律，在距排水板不同距离和不同土体深度处分别布置孔隙水压力计，监测其在抽真空过程的孔压消散情况。图7为在1.0 m深度位置距排水板15.0、30.0、42.5 cm处的孔压消散值随时间变化曲线。排水板在深度1.0 m处，距排水板不同距离的孔压消散值均随着抽真空的进行逐渐增大；抽真空初期，孔压消散值较小，主要是由于土体的含水率较大，排出的是土体中的自由水，随着抽真空的进行，土体中的自由水逐渐减少，超孔压迅速减小，到后期超孔压减小的速度变缓。

图7 排水板周围不同距离的孔压消散值曲线

4.1.4 十字板剪切试验

浅层预处理完成后，在距排水板不同距离处的土体进行十字板剪切试验，评价加固效果。图8为在距排水板15.0、30.0、42.5 cm位置的处理后土体的不排水抗剪强度随深度变化曲线。由图8可知，吹填超软土已由原先的流动状态浮泥转变为软塑状态的淤泥，加固后土体抗剪强度范围为3～16 kPa，表层明显形成一层厚度约0.5 m的硬壳层；在深度1.0～4.5 m范围，随着深度增加，土体的强度逐渐增大；随着距排水板距离的增加，硬壳层范围内土体的强度有所减小；在深度1.5 m处，距排水板15.0 cm土体的强度与距排水板30.0及42.5 cm的土体强度相比明显较大，深度继续增加时，不同距离处的土体强度均出现明显增大。

图8 排水板周围不同距离的土体抗剪强度

4.2 深层处理

4.2.1 表层沉降

深层处理试验各分区的表层沉降平均值随时间的变化曲线见图9。处理初期，所有区域表层沉降快速增长，沉降速率最高达到30 mmd，抽真空30 d时，膜上覆水开始排出并铺设土工布，膜下真空压力有所下降，地表沉降速率也相应降低；抽真空51 d后开始堆载，各区的沉降速率逐渐增大，尤其是满载后的初期沉降速率达到最大，但随着孔压的消散沉降速率逐渐减小，沉降逐渐趋于收敛；满载预压约6个月后沉降均趋于稳定，采用防淤堵板的施工期沉降、固结度、沉降速率及推荐最终沉降见表2。深层处理期间表层沉降最大为4.53 m，说明新技术处理吹填超软土加固效果显著。

图9 深层处理各分区的表层沉降随时间变化曲线
表2 深层处理各分区的表层沉降及固结度

注：1.采用Asaoka法推算得到固结度；2.卸载前10 d平均沉降速率。

4.2.2 分层沉降

在各区沿不同深度埋设沉降磁环，以监测深层土体的沉降量，了解各土层的压缩变形量及有效压缩层的变化规律，进一步分析加固效果。图10为加固土体的分层沉降随时间变化曲线(沉降环埋设高程分别为2.55、-1.45、-5.45、-7.45 m)。由图10可知，不同深度处沉降环的沉降均随着预压的进行不断增长，随着时间的延长，沉降速率逐步变小，且沉降速率的变化与表层沉降类似，表明各层的沉降也是一个逐渐收敛的过程。表3统计了不同土层的压缩量及压缩比，结果反映沉降主要由表层吹填疏浚土和海相沉积淤泥层的压缩变形构成，下卧海陆交互沉积粉质黏土发生的沉降非常小，说明新技术对吹填超软土加固效果显著。

图10 分层沉降随时间变化曲线
表3 深层处理不同土层压缩量及压缩比

4.2.3 孔隙水压力

孔隙水压力是了解地基土体固结状态最直接的手段，根据孔隙水压力的消散规律，分析地基土体的固结效果。图11为加固土体的孔隙水压力随时间变化曲线(孔压计埋设高程分别为2.25、-1.75、-5.75、-7.75 m)。由图11可知，随着真空和堆载荷载的分级施加，孔压先增大，静载后又逐渐消散，真实地反映了加载全过程；不同深度处的孔压计在抽真空和堆载过程中孔压变化均明显，说明地基处理影响的范围包含整个软土层。

图11 不同深度孔压随时间变化曲线

4.2.4 十字板剪切试验

采用十字板剪切试验原位检测饱和软黏土的不排水抗剪强度。图12为加固前后不排水抗剪强度Cu随高程变化曲线。由图12可知，加固前软土的不排水抗剪强度为2～20 kPa，加固后软土的不排水抗剪强度约35～55 kPa，增加幅度为30～50 kPa，软土的不排水抗剪强度增长显著，加固效果明显。

图12 深层处理前后不排水抗剪强度Cu随高程变化曲线

4.2.5 静力触探试验

深层处理前后对各区进行静力触探试验，判断软土地基强度变化及加固效果。试验采用双桥探头，可测锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs。图13分别为加固前后锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs随土层高程变化曲线。结果显示软土加固前为0.1～0.4 MPa，加固后锥尖阻力qc为0.6～1.0 MPa，增加约0.6 MPa；加固前侧摩阻力fs为1～2 kPa，加固后侧摩阻力fs为15～20 kPa，增加约15 kPa。

可见，用真空预压新技术解决无砂垫层真空预压的难题时，对抽真空设备进行重大改造，能够达到节省电能50%以上的效果，结合省去的中粗砂排水垫层，综合降低工程造价可达到30%，达到高效、节能、环保的效果。对于工期紧张或堆载料缺乏的吹填土地基处理工程，新技术优势更明显。

图13 深层处理前后锥尖阻力qc和侧摩阻力fs随高程变化曲线

5 结论与建议

1)采用新型超软土浅层预处理技术、新型高效节能抽真空技术、新型防淤堵塑料排水板技术等真空预压新技术形成密闭排水系统，真空度传递效率高，真空度沿程衰减少，土体孔压消散快，防淤堵能力强，技术可靠，加固惠州地区吹填超软土是可行的。

2)真空预压新技术采用不透水的钢丝软管替代软式透水滤管，排水板与钢丝软管通过新型防泥蝶形接头连接，可有效减小真空度的沿程损失，提高真空度的传递效率，保证真空预压的加固效果。

3)新型高效节能抽真空技术，在保证真空预压加固地基效果的同时，能大幅度节约用电，不仅可以达到土体固结的目的，还可以提高抽真空效率，降低真空预压整体施工成本。

4)防淤堵排水板真空度沿程衰减更少，固结沉降更大，更有利于土体孔隙水压力的消散，不易形成明显的“土柱”，排水板防淤堵能力更强，加固后抗剪强度更高。

5)针对高含水率、低强度、无结构性的吹填超软土，采用真空预压新技术进行加固，能更大程度上降低土体的含水率，获得更高的抗剪强度，特别是对于深层土体，加固效果更明显。采用真空预压新技术可以降低工程造价约30%，在吹填土地基处理工程中有显著的经济优势。