扰动式排水固结法处理结构性软土加固效果研究

扰动式排水固结法处理结构性软土加固效果研究

贾庆光

（中铁四局集团第一工程有限公司 合肥 230041）

摘要：扰动式排水固结法加固火山灰沉积软土的现场试验，先利用扰动式插打排水板技术，破坏土体的结构，加快固结速度，提高软土地基加固效果，再使用立体扰动式真空预压法的水平排水子系统和竖向排水子系统，共同构成一个立体扰动式排水系统，克服了传统真空预压地基土上下层之间真空度相差较大，排水速率慢的缺点，使加固效果更好，效率更高。

关键词：软土加固   扰动式排水固结   真空预压法  

1  整体概况

万隆盆地位于印度尼西亚爪哇岛西部、西爪哇省中部，为火山环绕形成的大型山间盆地。印尼万隆地区软土主要是在湖积环境中沉积而成，沉积物质来源主要为火山喷发的火山灰，物质来源较为单一，沉积环境相对较为稳定。特殊的沉积物质来源使得该地区软土具有天然密度低、超高含水率、超大孔隙比、超高液塑限、高压缩性、低渗透性、高灵敏度等特点，现国内暂无类似土。在总结我国软土地基处理经验的基础上，通过实施并分析扰动式排水固结法对结构性软土的加固效果影响，获得结构性软土在特殊工艺条件下的加固机理，为后续施工工艺的发展提供参考。

2  扰动式排水固结法

2.1  国内外研究现状

真空预压理论首先由瑞典地质学家W.Kjellman教授于1952年提出。1958年，美国费城机场的建设中，真空预压技术首次在工程实际中获得了应用。1990年Ambes的油罐项目，Lamentin的高速公路和法国的机场停机坪项目，1995年的Khimae和1996年的Jangyoo的污水处理工厂项目，德国汉堡的机场仓库项目，真空预压技术逐渐在工程领域得到推广。闫澍旺等通过对比试验研究发现正负压作用下，土体的加固效果基本相同。陈环等对两种相同的试样进行了抽气试验。发现在正压和负压下加固后的试样，物理力学参数差别很小，即其加固效果基本相同。梅国雄等(2006)对真空预压的加固机理进行了研究和探讨，分析了真空预压的研究在理论、试验和工程中存在的问题。

2.2  总体思路

扰动式排水固结法是在真空联合堆载预压的基础上发展而来，是结构性软基处理中应用较为广泛的一项地基处理技术。先在地基依次插打排水板，在其过程中，采用扰动装置对土体的结构进行破坏，再铺设砂垫层和滤管、土工布、密封膜，再抽真空使真空压力达到80~90 kPa，最后在其上填筑堆土。该地基处理技术的加固原理是，通过抽真空对地基造成的负压和在地基表面堆载填土形成的正压，两者共同作用于软土地基，使地基土体快速沉降，孔隙水压力消散，最后地基土体固结，土体强度增长。在进行扰动式排水固结时，地表沉降、孔隙水压力、地下水位、真空度和地表水平位移是主要监测对象，以监测结果估算工后沉降，确定正负压力的卸载时间，评估地基加固效果。

2.3施工工艺

2.3.1  排水板插打

选择DK143+072～DK143+102段为试验段，采用扰动式真空联合堆载预压处理，先进行试验段排水板插打，排水板间距0.8 m，正方形排布，插打深度为20 m左右。原状土体自然状态下具有一定的结构性，对于地基处理后的工后沉降等有一定的不良影响，打设时使用双层交叉式钢刺对原生土体的结构进行切割破坏，此装置可以在插打排水板的同时对土体的结构进行扰动破坏，节省工作量和工作时间，并起到良好的效果。

2.3.2  排水系统设置

克服传统真空预压地基处理方法中密封膜下方土体真空度不一致、地基土沉降慢的缺点，通过对土体的扰动增加真空预压效率，实现一种立体扰动式真空预压地基处理方法。水平、竖向两个排水子系统彼此独立工作，分别将土体浅层和深层的水通过不同的排水管汇集到不同的抽真空设备排出，竖向排水子系统中的竖向排水管在工作同时，端部震动装置通过振动对土体产生一定的扰动，土体在扰动的状态下将大大加快水的排出速度。整体结构布置如下图：

1、水平排水子系统中的水平排水管；2、反压沟；3、水平排水子系统中的集水管；4、控制台；5、竖向排水子系统中的竖向排水管；6、竖向排水子系统中的水平排水管；7、竖向排水子系统中的集水管；8、密封膜；9、土工织布；10、震动装置。

图1 整体结构布置图

（1）竖向排水子系统设置

在软土地基上铺设第一层土工织布，打设竖向排水子系统中的竖向排水管。竖向排水管外壳设置透水孔，管道为双层结构，夹层之间用塑料纤维填充，以过滤土中颗粒减少对排水装置的影响，一方面让土中水进入排水管，另一方面将土中气体排出形成真空状态。竖向排水管端部设置震动装置，用以对深层土体的结构进行扰动破坏。然后连接竖向排水子系统中的水平排水管，水平排水管外壳不设置透水孔，以减少真空度传递的损失，管道为单层结构，从而减少真空度在传递的过程中的损失。竖向排水管和水平排水管中均设有隔水管，导线穿过隔水管与竖向排水管端部的震动装置连接，用于控制端部震动装置，以避免土中液体对导线造成腐蚀。

11、导线；12、隔水管；13、排水管透水孔。

图2 竖向子系统结构布置及排水管端部布置图

（2）水平排水子系统设置

水平排水管外壳上设置透水孔，管道为双层结构，夹层之间用塑料纤维填充，以过滤土中颗粒减少对排水装置的影响，一方面让土中水进入排水管，另一方面将土中气体排出形成真空状态。

     （3）连接抽真空设备

水平排水管布置完毕后铺设第二层土工织布，铺设密封膜，通过反压沟进行密封处理，将水平排水子系统与竖向排水子系统独立连接不同的抽真空设备。

2.3.3  抽真空、堆载预压

试验段沉降观测与抽真空同时进行，监测发现，膜下真空度于第64天达到80 kPa，随后开始进行土方堆载，分4级堆载，于第101天完成所有土方堆载，高度约7.5 m。另外，抽真空期间，试验区出现为期一个月的降雨。满载持续70天后，根据《真空预压加固软土地基技术规程》（JTS 147-2-2009），满足卸载要求，进行真空卸载。

3  加固效果分析

3.1沉降效果分析

通过数据分析，试验区域累计沉降量达到4045 mm，沉降速率为1 mm/d；

总体规律沉降量表现出刚开始抽真空时，沉降速率大，之后趋于平稳，堆载预压开始时，沉降速率又有所增加，之后趋于稳定。随着抽真空和堆载联合作用，土体逐渐固结，沉降速率明显减小。

                        图  3  沉降效果

  3.2关键数据分析

主要对6个钻孔的土样进行试验。其中1号至3号孔的土样为经过地基处理后的扰动样，4号至6号孔的土样为原状样。1号至3号孔位于扰动式排水固结技术加载300天后区域，该区域排水板布设间距为0.8 m，正方形排布，堆载高度为5 m；4号至6号孔位于现场待施工区域。所采用的取土器均为薄壁取土器，孔径为75 mm，高长为500 mm。地勘报告显示，地表下7 m范围内为填土层，地表下7 m~22 m为火山灰淤泥层。为探求火山灰结构性软土的力学特征，6个钻孔均取地下7 m~22 m土样。钻孔揭示，分布于地表下7 m~22 m范围内软土为青黑色，呈流塑态，压缩性较高。对1号至3号钻孔的扰动样，4号至6号钻孔的原状样的基本特性参数按照取样深度取平均值，两种类别的土样其基本物理特性如表1所示。

表1 试验土样基本物理特性

图4（a）表示沿钻孔深度方向土体含水率及液塑限的变化。土层的含水率随深度方向逐渐变小。原状样的含水率范围为53.4%~229.5%，平均含水率为138.3%；扰动样的含水率范围在65.4%~153.1%，平均含水率为93.3%。相同深度处，扰动样的含水率小于原状样的含水率，液塑限相较于原状样也较小。可见，扰动破坏作用、排水固结过程破坏了土体原有的结构性，从而减小了土体的液塑限和含水率。

图4（b）表示沿钻孔深度方向土体密度和孔隙比的变化。可以看到，密度大致沿深度方向逐渐变大。原状样的密度平均在1.38 g/cm3，扰动样的密度平均在1.55 g/cm3。可见，相同深度处，扰动样的密度要大于原状样的密度，土体的结构有所改变。

图4（c）和（d）分别表示沿钻孔深度方向土体孔隙比渗透系数的变化。土体的孔隙比沿深度方向逐渐变小，原状样的孔隙比在1.054~5.127之间，平均孔隙比为3.606；扰动样的孔隙比在0.940~3.275之间，平均孔隙比为1.869。扰动样的孔隙比远小于原状样。同样的，原状样的渗透系数差异较大，但基本在0.3×10-6 cm/s~4.1×10-6 cm/s之间；而扰动样的渗透系数较为一致，基本在0.1×10-6 cm/s~0.2×10-6 cm/s之间。扰动样的渗透系数远小于原状样，且变化范围较小。这说明了扰动式排水固结技术对这种结构性软土的加固效果很明显，也说明了原状样其结构性的存在。

（a）含水率及液塑限，（b）天然密度，（c）初始孔隙比和（d）渗透系数

图4结构性火山灰沉积软土原状样和扰动样基本特性随深度变化

4  结语

（1）扰动式排水固结法处理结构性软土，其加固效果较为明显。另外，结构性软土的工程性质有较大的改善，压缩性、含水率等指标均降低，可见对其加固效果显著。采用扰动式排水固结法处理结构性软土后，土体能够满足工程施工的需求，因而可以进行大规模的施工处理。

（2）在扰动式排水固结法的不同阶段，结构性软土的孔隙水压力的消散规律是不同的，其不仅影响土体的变形、水位的变化，同时影响地基承载力，尤其是真空阶段和堆载阶段，结构性破坏前后土体的物理力学性质，需要作进一步分析研究，以得到结构性软土在扰动式排水固结法处理时的加固效果与孔隙水压力的相互关系。