气管直吸联合覆膜真空预压现场试验研究

林生法，范明桥，姜彦彬，徐锴，李杰

（南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏 南京 210024）

0 引言

目前，我国城市土地资源紧张，尤其是发达沿海城市，为充分开发利用土地资源，在沿海淤泥滩地进行了大量的填海造陆工程。围海造陆土地一级开发中，常要求经真空预压加固后场地的地基承载力为50 kPa。由于吹填淤泥具有高含水率、高压缩性、高黏土含量、高孔隙比、低渗透性和低强度等工程特性，“四高二低”的特点导致了刚吹填完成的淤泥强度极低，场地后期沉降量大、工后不均匀沉降显著。真空预压法技术成熟、施工速度快、加固效果好，已广泛应用于水利、交通、工民建等领域的软土地基处理工程中，是新近吹填淤泥地基较为理想的处理方法[1-2]。同时，真空预压场地内真空度影响真空预压处理深度、处理效率与效果，有时甚至直接关系到工程的成败。如何提高排水板与场地淤泥中的真空度，降低真空度在场地传递中的沿程与局部损耗，一直是真空预压研究的重点[3]。

本文针对以上问题，开展了基于新吹填淤泥地基加固的相关现场对比试验，并提出了气管直吸联合覆膜真空预压快速加固新方法。基于现场监测数据分析可知，该方法取得了良好的加固效果[4]。

1 现场试验概况

1.1 现场各试验分区概况

本项目把吹填淤泥试验区分为4块，每块面积约1 000 m2，各自独立，编号为A、B、C、D区。4个试验区排水板布置完全相同，即都采用B型排水板，0.6 m×0.6 m正方形布置。其中B、C区上覆真空膜，插板深度2.5~2.8 m。而A、D区不覆真空膜，插板深度2.1~2.3 m，板头在淤泥下30~50 cm，利用表面吹填淤泥作为密封。

为了对各个分区的加固效果进行分析，在各个分区场地中间布置1个沉降标，并在各区中心2 m深埋设1个孔隙水压力计。每块场地配置1台7.5 kW真空泵，分别采用不同真空预压方法对吹填泥进行处理，详见4个试验区参数对比表1及试验区平面图1所示。

表1 试验分区参数对比Table 1 Comparison of test partition parameters

图1 试验区平面图（单位：mm）Fig.1 Plan of the test site （mm）

1.2 各试验分区现场概况

1）A区采用气管直吸真空预压方法对淤泥进行排水固结处理。该方法首先采用水上浮动工作平台人工插设排水板，在排水板顶部插入特别研制的带有出水口的塑料板帽。板帽为敞口内收间距形式，便于排水板插入。板帽通过PE专用快速气动三通接头和PU专用气管相连，气管内径8 mm。每排气管用主管串联后连接到真空发生装置（真空泵），开启真空泵可以直接抽取场地土中孔隙水，达到降低土体孔隙水，增强土体强度的目的，故简称A区试验方式为“气管直吸”真空预压法。板帽、排水板接头、气管组成封闭直接抽吸系统实物图，详见图2。

图2 气管抽吸系统Fig.2 Air pipe suction system

由于采用了在排水板安装板帽、专用快速气动三通接头和专用气管后通过支管、主管（4根）直接连接真空系统，抽气过程中排水板始终位于泥面之下。由于排水板头上30~50 cm的表层淤泥起到密封作用，故不使用薄膜密封。由于板帽、三通接头等都在泥下，表面只能看到场区边缘气管和支管连接以及主管与真空泵连接，详见图3。

图3 主管与真空泵连接系统Fig.3 Connected system between the main pile and the vacuum pump

2）B区采用直吸联合真空膜方法，先在泥面铺设1层编织布，然后用和A区相同的方法插板、安装接头和气管，并连接水平排水管路详见图4。图4为只铺设编织布的现场照片，后期还需铺设1层土工布和2层专用密封膜。

图4 B区排水板施工Fig.4 Drain board construction in partition B

3）C区采用无砂垫层真空方法[1，5-8]。先在泥面铺设1层编织布，然后在泡沫板上人工插板，板头和滤管绑扎，滤管先连接主管，主管连接真空泵。滤管之上再铺设1层编织布，编织布上面铺设2层聚氯乙烯密封膜。

4）D区采用常规滤管置于泥面下作为水平排水管路，同A区一样，利用泥面密封，不覆膜，即所谓低位真空预压[3，9]。泡沫板上插板，板头和滤管绑扎，板头置于泥面下0.3~0.5 m。

2 现场试验结果分析

为了对比各分区加固吹填淤泥层效果，对最终处理效果进行分析，分析的内容主要是新近吹填淤泥地基真空预压下各试验分区的场地真空度、地表沉降、超孔隙水压力消散、土的含水率及淤泥强度的增长。

2.1 抽真空历时

吹填淤泥基本呈流动状，为减轻土颗粒流动而吸附在排水板周围，堵塞排水板后降低排水板的渗透性。所以，抽气初期控制抽气主管真空压力为30~40 kPa，各试验分区抽真空历时见表2。

表2 各试验分区抽真空历时Table 2 Vacuum supply duration in every test partition d

从表2可知，各区真空处理时间已达3~4个月，各区吹填淤泥压缩变形速率已小于1 mm/d，达到停泵标准。

2.2 场地真空度与地表沉降

场地中的真空度与地表沉降是软基分析的基础，其变化规律是控制施工进度和安排后期施工最重要的指标[8]，本试验区各分区的场地真空度、地表沉降与时间曲线关系见图5。

图5 试验分区真空度、地表沉降与时间曲线关系Fig.5 Curves of vacuum degree，ground surface settlement and time

如图5所示，4个试验分区为减轻淤泥“抱团”现象，在抽气初期控制真空压力20~50 kPa，10 d后逐步增大真空压力。无膜区A、D区真空度一直较小，基本为0。有膜的B、C区膜下真空压力达到70~90 kPa，其中B、C区有个别期间真空度降为0是由于停电、取土样、做一些原位试验引起的，整体上B区真空度略低于C区。随着地表沉降的不断增加，表面积水蒸发，A、D区淤泥表面产生裂缝，少量板头有漏气现象，导致真空压力下降。经过检查对有漏气的板头进行处理，为防止淤泥再次产生裂缝导致漏气，故采取表面注水措施。但是，由于不能检查出所有漏气部位，不能完全解决漏气问题，导致A、D区真空有所上升，但也只能到20~50 kPa。分析其原因是由于局部表面覆水通过淤泥裂缝与板头联通所致。

在抽真空作用下各区淤泥均产生了较大地表沉降，其中B、C区地表沉降分别达到750 mm、720 mm，加固效果显著。有膜B区抽气时间短于C区，并且B区真空度低于C区，但沉降量已超过C区，说明B区采用气管直吸联合覆膜方法真空效果较好，原因可能是B区真空度在场地传递中的沿程与局部损耗比C区小，B区场地中的排水板负压比C区场地中的排水板负压大。

2.3 孔隙水压力

超静孔隙水压力消散观测是了解地基土体固结状态的手段，因此通过超静孔隙水压力消散随时间变化曲线的实测资料，可以判断真空预压加固软基的效果[8]。各试验分区超静孔隙水压力消散如图6所示。

图6 超静孔隙水压力消散随时间变化曲线Fig.6 Curve of excess pore water pressure dissipation changing with time

如图6所示各试验分区在真空抽气期间，超静孔隙水压力不断消散，说明各区排水固结一直在持续进行。抽真空初期，由于吹填淤泥土颗粒尚未形成骨架，无法传递粒间应力，因此孔隙水压力和有效应力变化较小，主要表现为自由水的排出[1]。从图6可以知道，B区超静孔隙水压力消散约为50 kPa，C区超静孔隙水压力消散约为40 kPa。根据有效应力原理[10]与齐永正[11]等人研究成果，超静孔隙水压力消散值转化为有效应力。随着排水固结，土体中的孔隙减小，土颗粒越紧密，土颗粒之间啮合力增大，土的强度得到提高。对B与C区进行现场十字板剪切试验，试验结果详见表3。可知土体强度增长与地表沉降、超静孔隙水压力消散基本一致。

表3 B、C区十字板强度Table 3 Vane strength in partition B and C

2.4 含水率

自然落淤的淤泥与自重沉积后的吹填淤泥含水率分布极不均匀，往往是上部高下部低，2012年12月9日深度0.5 m取样含水率为115%。2013年4月18日经抽气加固后对场区不同区域取样测定处理后淤泥的含水率结果见表4。

表4 吹填淤泥处理后含水率ωTable 4 Water contentωafter treating the dredge fill mud

根据表4各区含水率均有大幅度下降。覆膜的B、C区淤泥含水率已降至40%或以下，而加固前淤泥含水率为110%左右，排水固结效果明显。无膜区含水率也有较大幅度减少，但与要达到形成结构强度的程度相比还有一定差距。

2.5 淤泥强度增长

从有膜B、C区现场抽气情况看，存在明显的板周围“抱团”现象。这是因为初始吹填淤泥呈流动状，细小的土颗粒在真空吸力作用下向板周聚集，形成以排水板为中心的圆柱状土柱，土柱之外则产生明显的沉陷。与其外土体相比，土柱要坚硬的多，强度相对较高，且越靠近排水板强度越高，而在4根排水板正中心位置强度最低。为进一步确定处理效果，对B、C区淤泥地基进行了浅层载荷板试验，可以直接得到地基的承载能力。按照规范[12]载荷板尺寸为0.707 m×0.707 m=0.5 m2，试验获得B区极限承载力为110 kPa、C区极限承载力为100 kPa，两区地基承载力特征值分别为B区55 kPa、C区50 kPa，均达到了50 kPa的地基使用要求。

2.6 最终处理效果分析

从沉降、含水率变化情况来看，4种真空预压方法处理吹填淤泥均取得了一定的效果。其中覆膜区效果优于无膜区，因此影响处理效果的关键在于淤泥表面的密封状况。利用吹填淤泥自身渗透性弱、封闭性好的优点，将其用来保持排水板真空度，可以省去铺真空密封膜的工序，降低工程造价。

然而如前所述，无膜区随着淤泥逐步沉降，表面失水，0.3~0.5 m覆盖厚度还不足以有效防止淤泥表面产生裂缝与排水板贯通。所有排水板都是通过气管或滤管相通的，只要有个别排水板与大气联通，必然造成整个真空预压系统漏气，真空度下降，影响处理效果。所以要保证系统密封性，一是加大淤泥覆盖厚度，二是要防止表面裂缝产生。对于吹填泥来说加大淤泥覆盖厚度，表面覆盖淤泥在短期自然晾干、自重固结作用下，强度增长有限，远达不到场地使用对承载力的要求。表面覆泥可以消除大部分开缝，但由于沉降的不均匀（板头小、板间大），仍然会有少量裂缝产生，与排水板相通，造成板中真空度下降，影响排水固结效果。无膜区淤泥含水率虽然也在下降，但其下降速度远小于有膜区，淤泥含水率还较高，土体强度还基本没有形成。

B区采用气管直吸联合覆膜真空预压方法进行处理，C区采用无砂垫层真空预压方法，相同抽气时间内B区淤泥沉降量、沉降速率、处理后地基承载力均大于C区，而处理后含水率小于C区，采用B区真空预压方法处理效果明显更好一些。造成这种情况的可能原因是：气管直吸系统排水板芯通过板帽、气管与真空直接相连，泵与板之间是密封直通的，真空传递几乎没有损失。而滤管系统排水板芯要透过板芯外面包裹的滤布、滤管外面包裹的滤布、滤管与真空泵相连，泵与板之间多了2层滤布，真空传递有一定损失。此外由于排水板是绑扎在滤管上的，淤泥也有可能淤堵在滤管滤布和排水板滤布之间，对真空传递造成阻塞。要使用无砂垫层真空预压方法可考虑将排水板直接插入到滤管中的连接方式，而不是用绑扎连接方式，当然效果还有待验证。

根据淤泥强度的形成和增长规律，在其含水率大于液限（本场淤泥液限棕L=45.8%）时基本不具有结构强度。当含水率低于液限后，土体强度随着土中水分即含水率的减少而快速增长。在有膜区域，从淤泥含水率的降低幅度看，淤泥含水率已小于其液限（棕L=45.8%），土体结构强度已经初步形成。

3 结语

1） 由于无膜A区和D区场地真空预压试验方法无法保证排水板内较高的真空度，故不适宜在本场地作吹填淤泥处理方法使用。

2） 现场监测结果表明，气管直吸联合覆膜与无砂垫层真空预压方法适宜在本场地作吹填淤泥处理方法使用，并且气管直吸联合覆膜比无砂垫层真空预压方法处理效果更好。

3） 气管直吸联合覆膜能减少真空度在传递中的损失，快速实现排水固结，快速实现加固吹填淤泥层，并满足后续工程施工承载力要求，可推广应用于我国大面积吹填造陆工程中。

[1]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（2）：92-94.CANG Ji-jun，GUAN Yun-fei，LI Xiao-mei.A new quick treatment technology of muck filled shallow foundation by vacuum preloading method without sand cushion and its in-situ test[J].Water Resourcesand Power，2012（2）：92-94.

[2] KJELLMAN W.Consolidation of clay by means of atmospheric pressure[C]//Proc.conference on soil stabilization.Boston：MIT，1952：258-263.

[3] 娄炎.真空排水预压法加固软土技术[M].第2版.北京：人民交通出版社，2013.LOU Yan.Vacuum preloading drainage reinforces soft clay technology[M].2nd ed.Beijing：China Communications Press，2013.

[4] 范明桥，李杰，徐锴，等.浙江玉环漩门三期围区软土地基处理和疏浚淤泥土处理专项研究[R].南京：南京水利科学研究院，2013.FANMing-qiao，LIJie，XUKai，et al.Thespecial research for soft foundation and dredge mud treatment of Xuanmen third stage reclamation project in Yuhuan of Zhejiang[R].Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2013.

[5] 张文彬，许忠发，苏波，等.无砂垫层真空预压法加固大面积软土地基的实例研究[J].水利与建筑工程学报，2012（3）：54-59.ZHANGWen-bin，XU Zhong-fa，SU Bo，et al.Case study of large areasoft soil foundation consolidation by no-sand cushion vacuum preloading method[J].Journal of Water Resource and Architecrural Engineering，2012（3）：54-59.

[6]谢勇，康爱荣.无砂垫层真空预压法在某填海造地工程中的应用[J].中国水运，2012（7）：273-274.XIE Yong，KANG Ai-rong.No sand cushion vacuum preloading application in reclamation project[J].China Water Transport，2012（7）：273-274.

[7] 曾永贵，仇伟淇，周涛.超软地基无砂垫层真空预压施工技术应用[J].山东交通学院学报，2012（2）：65-71.ZENGYong-gui，QIUWei-qi，ZHOUTao.Technology application of vacuum preloading construction to super soft foundation with no sand pad[J].Journal of Shandong Jiaotong University，2012（2）：65-71.

[8] 董江平，张雄壮，洪雷，等.超软海底淤泥吹填地基无砂垫层真空预压处理效果研究[J].江苏科技大学学报：自然科学版，2010（4）：25-30.DONG Jiang-ping，ZHANG Xiong-zhuang，HONG Lei，et al.Effect of no-sand cushion vacuum preloading on ultra-soft seabed silt hydraulic fill foundation[J].Journal of Jiangsu University of Science and Technology：Natural Science Edition，2010（4）:25-30.

[9] 朱群峰，高长胜，杨守华，等.低位真空预压加固大面积吹填淤泥地基试验研究[C]//第七届全国工程排水与加固技术研讨会论文集，2008.ZHU Qun-feng，GAO Chang-sheng，YANG Shou-hua，et al.Low level vacuum preloading reinforce large area dredge fill mud foundation in-site test[C]//Conference proceedings of the 7th national seminar for engineering drainage and reinforcement technology，2008.

[10]钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].第2版.北京：中国水利水电出版社，1996：267-269.QIAN Jia-huan，YIN Zong-ze.Geotechnical engineering theory and calculation[M].2nd ed.Beijing：China Water Power Press，1996：267-269.

[11]齐永正，赵维炳.排水固结加固软基强度增长理论研究[J].水利水运工程学报，2008（2）：78-83.QI Yong-zheng，ZHAO Wei-bing.Study on theory of shear strength increment of soil body by draining consolidation for improving soft clay[J].Hydro-science and engineering，2008（2）：78-83.

[12]GB/T 50021—2001，岩土工程勘察规范[S].GB/T 50021—2001，Code for investigation of geotechnical engineering[S].