广州港南沙港区真空预压处理软基的分析

何方

何方

广州港建设工程有限公司

【摘要】真空预压法是一种常用的加固软土地基的方法。本文以广州港南沙港为研究对象，对影响真空排水预压法加固过程中出水量的因素进行了研究，主要对膜下真空度、地表沉降与分层沉降、软基的变形以及孔压的变化等进行了研究。试验结果表明真空预压法加固大面积超软淤泥效果显著。

【关键词】真空预压法；大面积软基；真空度；软基；沉降

1前言

随着经济发展，以及人类对土地需求量的增大，世界各地的沿海发达地区的围海造陆工程也日益增多，同时也涌现出了越来越多的新工艺，比如：排水固结法、托换技术、加筋法、灌浆法、真空预压法。其中，真空预压是近几十年来的新的处理地基的技术。真空预压法最早是由瑞典皇家地质学院W.Kjellman[1]教授提出的。真空预压法主要是先在欲要加固的软土地基上按照一定的间距打出塑料排水板或着是袋装的砂井，紧接着在地面上铺设砂垫层，然后，在砂垫层上铺上不透气的薄膜，最后，通过抽真空装置，并借助埋设在砂垫层中的管道，将膜下土体的空气和水抽出，排除土中的水分，同时，也能增强土体的强度，达到加固土地的目的。真空预压法经过半个多世纪的发展，尤其是近年来国内在采取真空预压法加固大面积软地基方面的不断探索与发展，为真空预压法注入了新鲜血液，并在一定程度上完善了已有的真空预压加固机理，从而掀起了一股围海造陆的热潮。研究显示，在天津港临港工业区、厦门港海沧港区、洋山深水港区、唐山港曹妃甸港区和苏州港、深圳港、连云港等港区都采用了真空预压处理软基的方法来进行围海吹填造陆的工程，从而使真空预压法在我国得到了广泛的应用。结果证明，真空预压法是一种比较经济可靠的加固软土的方法[2-3]。

广州港南沙港区位于珠江三角洲地理几何中心，是连接珠三角两岸城市群的枢纽性节点，如图1所示。因此，在该地区开展真空预压法来加固大面积超软吹填淤泥具有重要的意义。笔者对广州港南沙港区吹填土取样进行了一系列膜下真空度、地表沉降与分层沉降、软基的变形以及孔压的变化等研究，特别是针对加固区边界处和场地角落的泥土，总结颗粒分析试验数据和曲线，分析了其加固效果。广州港南沙港区真空预压处理软基的分析对后续港区软基处理和优化与设计具有积极的意义，同时也为真空预压机理的深入研究提供了一定的参考依据。

2广州港南沙港区饱和吹填土的基本性质

2.1研究地区吹填土的颗粒分析

吹填土的颗粒大小能影响到土体的渗透性能，进而对真空排水预压法的加固效果产生重大影响。本次研究主要是采用乙种密度计法[4]来研究广州港南沙港区饱和吹填土的颗粒。试验结束之后，根据实测数据整理出的实验数据如表1所示。

我们对广州港南沙港区饱和吹填土进行一系列土工试验，总结了颗粒分析的试验数据，可以将广州港南沙港区取样吹填土命名为粉土。另外，我们还对吹填土的物理性质进行了研究。从实验数据中，我们可以发现，广州港南沙港区的吹填土，具有压缩性大、含水量高、土体的流动性大等特性。为了让吹填土更加快速的被人们利用，我们必须进行地基处理。因此，选择一种合适的地基处理方法显得十分重要。本次研究，我们采用真空排水预压法对于此类土体进行处理。

3实验方案

3.1实验装置

沉降标、孔隙水压力仪、分层沉降仪、测斜仪、水位计、加固前（后）钻孔取土、加固前（后）十字板等。

3.2现场检测

根据设计要求，在真空预压进行地基处理过程中，为了能够及时掌握我们所需的信息，在真空预压施工过程中，我们布置了以下监测项目，包括：膜下真空度检测、地表的沉降测试、分层沉降的测试、孔隙压力的测定。另外，为了评估加固的效果，可以对加固前后的土样进行相应对比。

4实验结果及分析

4.1膜下真空度

膜下真空度可以了解膜下真空压力随时间变化的情况。在真空排水预压加固中，其荷载是靠降低膜下的大气压力来实现的。真空度具有很大的“可变性”，所以真空荷载不容易保持稳定。荷载的变化必然会影响到加固效果。检测膜下真空度有助于发现问题，以便能及时解决问题。因此，在真空预压中对膜下真空度的监测就是必不可少的观测项目。图2是膜下真空度与时间关系曲线图。

图2膜下真空度与时间关系曲线图

从图中我们可以发现，在12月10日真空度降到79kPa，是因为当天风力将部分未覆水密封膜卷起，从而使膜下真空度骤减。经过抢修后，膜下真空度恢复86kPa以上。从膜下真空度曲线可以看出，膜下真空度在密封之后一直保持在80kPa以上，最大值是93kPa，平均值为87kPa左右。因此，本地区加固后的效果以及真空设备的性能可以满足真空预压的要求。

4.2地表沉降观测

在进行抽真空时，地表沉降主要是由于土地中水、气的排出，土体之间的孔缝降低，土体会结成块而引起的。地表沉降可以通过观测真空膜面上的沉降表得到。图3是S23区的地表沉降速率。

从图中可以看出，区内沉降不均匀，这大概是因为广州港南沙港区土层的不均匀性导致的。刚开始抽真空的时候，沉降速度随时间变大，在真空趋于稳定的阶段，它的累计量已达最大，之后沉降值变小。在前20天，地表的沉降速率很大，而后沉降速率迅速降低；到抽真空36天时，沉降速率变得较小，地表表面沉降基本趋于稳定。在随后的时间里，沉降变得很慢，基本达到稳定。最终推算可得沉降的平均值为729mm，工后沉降为74mm，基本符合设计要求。

图4分层沉降随时间变化曲线图

从图4可以看到，该区土层压缩量较大。该区在1月29日尚未开始抽真空，2月2日开始试抽真空，此时，部分磁环还未达到稳定即开始进行测量，所测得的数据表现为土体先隆起后沉降，因此数据不太理想，但这并不能反映土层的真正压缩情况。2月12日以后，随着抽真空的时间的延长，不同深度的磁环开始迅速下降，各点的沉降速率也开始慢慢变小，因此，沉降曲线才开始趋于缓和。另外，从图中我们还可以看到，不同深度埋设的磁环沉降速率不同，随着真空预压时间的延长，各磁环的沉降速率逐渐减小。而且，埋设越浅的磁环沉降速度越大，埋设越深的磁环沉降速度越小，并且沉降主要发生在塑料排水板打设土层，这部分土层能够得到良好的加固，有利于满足工程的需要。

4.4孔隙水压力观测

孔隙水压力的观测能够直接了解地基土体固结状态的最佳手段[5]。本文中，孔隙水压力的观测采用频率计测出各孔隙水压力观测传感器的即时频率，用埋设在不同深度处的孔隙水压力测头监测地基土中孔隙水压力的变化过程。然后，记录每次检测的数据，并计算出该点的即时孔隙水压力。图5是加固区的孔压降变化图。

从图5中，我们可以看出，淤泥中的孔隙水压力随真空度的升高而迅速下降，并且随着时间的增加，孔隙水压力下降的幅度逐渐减小。其中，位于15m深处的土层为淤泥，因此，孔压水压力下降的速率很小，可见抽真空引起的孔压变化对渗透系数较小的土层影响较小。相对而言，浅层的回填砂以及吹填淤泥层的孔压的变化幅度相对明显。之后抽真空的时间延长，负孔隙的水压力出现在浅层0.6m，这表明此时地下的水位线已经低于地表0.6m，此时孔隙的水压力值实际就可以说明此处大气压的数值。而且，由于此处是围海造陆的软基土，是欠固结土质，因此，处于23m、25m地方孔压的变化范围比18m处土层的孔压消散的数值要高。图5显示，边界处淤泥孔压的变化范围要小，仅仅是在开始抽真空后的前8天里孔压开始迅速降低，其后，随抽真空时间的增加，孔压只有少量变化。

图5是加固区孔压降变化图

在边界处密封墙深度以下，加固区外的大气和水会对区内进行补充。因此，塑料排水板以下的土体的孔压几乎不受真空度的影响。

4.5加固效果评价

为了评价地基土的加固效果，分别取加固前后的土样进行室内土工试验，其中主要对土的含水率、干密度、孔隙比等进行了对比。实验结果显示：（1）加固后土体的含水率比加固前的含水率降低了18%；（2）加固后土体的干密度比加固前的干密度增加了3%；（3）加固后土样的孔隙比比加固前土样的孔隙比小，约降低了8.9%。以上变化说明土体的加固效果非常显著。

5结语

本文通过对广州港南沙港区真空预压处理软基的分析研究，可以得到以下几点结论：

（1）膜下真空度的测量能得到真空荷载随时间的变化过程，荷载的变化会影响到加固的效果。

（2）采用真空预压法加固地基可使地基产生较大的沉降速率，尤其在抽真空的初始阶段，加固效果更加明显。另外，地基土层的均匀性直接关系到区内沉降的均匀。

（3）孔压结果显示，对渗透系数较小的土层，抽真空的作用影响不大，并且边界处土层的孔压变化幅度相对较小。

参考文献：

[1]KjellmanW.Consolidationofclaybymeansofatmosphericpressure[C]//Proc.ConferenceonsoilstabilizationMIT.Boston，1952.

[2]刘兵，蔡南树，艾英钵.大面积吹填软土地基真空预压施工工艺[J]，水运工程，2006，9：73-75.

[3]曹俊伟，朱洪波.无砂真空预压抽真空梯度对软基加固效果的影响[J].水运工程，2015，1：181-185.

[4]徐显奇.真空预压法在软基处理工程中的效果分析与评价[J].建筑监督检测与造价，2011，4（5）：7-12.

[5]杨福麟，鲍树峰.围海造陆工程夹砂层吹填软基加固试验研究[J].路基工程，2016，1：71-85.