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新近吹填淤泥地基真空固结失效原因分析及对策

2016-07-15

新近吹填淤泥地基经无砂垫层真空预压技术加固后,土体强度增长有限,地基有效加固深度小,地基承载力仍然较低。为了深入分析新近吹填淤泥地基真空固结失效原因,首先对不同地区新近吹填淤泥的工程特性进行了系统地研究,然后采用3 种典型的竖向排水体进行了室内真空固结单井模型对比试验研究,研究结果表明:

  ①新近吹填淤泥中黏粒含量(d≤ 0.005 mm)过高、竖向排水体反滤层的等效孔径过小、真空加载速度过快是竖向排水体出现较严重淤堵现象的主要原因;

  ②排水系统内的真空度局部损失较大,竖向排水体弯曲程度大和水平排水垫层中真空度传递阻力大均致使较大的真空度沿程损失;

  ③土体中强亲水矿物含量较高、排水体中出现严重的淤堵现象和过大的真空度损失等共同降低了排水系统的排水效率,削弱了土体中的真空压力作用,最终致使土体的加固效果不理想。最后,有针对性地提出了相应的解决对策。

  引言

  新近吹填淤泥处于“稀泥汤”状态,工程特性极差,几乎无承载力,因此,该类地基处理难度十分大,目前主要采用无砂垫层真空预压技术进行加固。然而,工程实践表明:新近吹填淤泥地基经该技术加固后,土体强度增长有限、地基有效加固深度小、地基承载力仍然较低,如天津滨海新区新近吹填淤泥地基加固 30 d 后,仅形成了厚度为15~30 cm 的硬壳层,硬壳层内土体实测十字板抗剪强度为4.0~9.0 kPa,其承载力值仅为27.3 kPa,且硬壳层以下土体的强度十分低,几乎无法进行相关原位测试;温州民科基地新近吹填淤泥地基加固120 d 后,由于加固时间较长,整个加固深度范围内的十字板抗剪强度相对较均匀,平均值为18.4 kPa,最低值为13.0 kPa,地基承载力特征值也仅为55.0 kPa。

  显然,新近吹填淤泥地基的真空固结效果主要取决于新近吹填淤泥工程特性、排水系统的排水性能以及真空固结技术等3 方面。鉴于此,为了深入研究新近吹填淤泥地基真空固结失效的原因,本文先对不同地区新近吹填淤泥的工程特性进行系统地研究,并采用3 种典型的竖向排水体进行室内真空固结单井模型对比试验研究,然后提出相应的解决对策。

  1、新近吹填淤泥工程特性

  新近吹填淤泥,主要指原位海积或湖积淤泥经水力重塑和颗粒重新分选后、土体颗粒自重沉积尚未完成、颗粒结构极松散、含水率极高、处于流动或者悬浮状态、刚吹填形成的淤泥。

  1.1、微观特征

  土颗粒之间的微观结构是土体的一个重要特征,土体在宏观上所表现出来的各种特性都是其内在微观特征的外在反映。

  相对于一般软土和原位海积或湖积淤泥而言,新近吹填淤泥主要以紊流状结构为主,孤立孔隙、大裂隙更加发育,结构性更差,这是疏浚淤泥在吹填过程中经过了水力重塑及颗粒重新分选的结果[8]。

  1.2、粒度组成及矿物成分

  表1对不同地区新近吹填淤泥的粒度组成和矿物成分进行了统计。由表1可知:

  (1)不同地区新近吹填淤泥的主要差异是粒度组成。惠州和连云港的土体黏粒含量(d≤ 0.005 mm)明显高于粗颗粒含量(d>0.005 mm);而珠海、深圳、温州、天津和大连的正好相反。

  (2)不同地区新近吹填淤泥的强亲水矿物(伊利石和蒙脱石)含量也有明显的不同。珠海、天津和温州3 个地区基本接近,而深圳、大连的稍低。然而,总的来说,不同地区新近吹填淤泥的黏粒含量和强亲水矿物含量都较高。

表1 不同地区新近吹填淤泥的粒度组成及矿物成分

不同地区新近吹填淤泥的粒度组成及矿物成分

  1.3、物理性质

  表2 对不同地区新近吹填淤泥的物理性质进行了统计。由表2 可知,新近吹填淤泥的物理性质概括如下:

  (1)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。

  (2)吹填完成时间的长短对含水量和孔隙比的影响很大,如珠海高栏港和惠州荃州湾港的两个区域的相关指标远大于天津滨海新区和深圳湾。已有研究成果表明:①新近吹填淤泥中黏粒(d≤ 0.005 mm)含量越高,自重落淤越慢,真空预压过程中竖向排水体就越容易出现严重的淤堵现象,致使排水效率显著降低;②新近吹填淤泥中强亲水矿物含量越高,土体所吸附的结合水就越多,真空固结排水越难,也会致使排水效率显著降低。因此,新近吹填淤泥极差的工程特性是真空固结排水效率低的主要原因之一。

  如前所述,新近吹填淤泥真空预压加固效果还取决于排水系统的排水性能以及真空固结技术。因此,下面基于具有上述工程特性的新近吹填淤泥土样,采用3 种典型的竖向排水体进行室内真空固结单井模型对比试验研究,进一步分析新近吹填淤泥地基真空固结失效的原因。

表2 不同地区新近吹填淤泥的物理性质

不同地区新近吹填淤泥的物理性质

  3、结论及建议

  本文先对不同地区新近吹填淤泥的工程特性进行系统地研究,并采用3 种典型的竖向排水体进行室内真空固结单井模型对比试验研究,深入研究了新近吹填淤泥地基真空固结失效的原因,主要结论概括如下:

  (1)新近吹填淤泥中黏粒含量(d≤0.005 mm)过高、竖向排水体反滤层的等效孔径过小、真空加载速度过快是竖向排水体出现较严重淤堵现象的主要原因。

  (2)排水系统内的真空度局部损失较大,竖向排水体弯曲程度大和水平排水垫层中真空度传递阻力大均致使较大的真空度沿程损失。

  (3)土体中强亲水矿物含量较高、排水体中出现严重的淤堵现象和过大的真空度损失等共同降低了排水系统的排水效率,削弱了土体中的真空压力作用,最终致使土体的加固效果不理想。

  针对上面的原因,为了提高新近吹填淤泥地基真空预压加固效果,可以从以下3 方面着手:

  (1)研发出抗弯折性能好、不易淤堵、排水性能好、适宜于真空预压加固的新型排水材料。

  (2)改变真空荷载的加载方式,如采用分级抽真空的方式。

  (3)改变新近吹填淤泥的初始状态。如施工工期允许的话,可以先让新近吹填淤泥先自重沉积一段时间,以便淤泥中形成结构性孔隙,以便有效促进后续真空预压加固过程中自由水排出;另外,众所周知,化学加固法能快速改变土体的初始状态,如颗粒的结构性等,因此,若场地急需交付使用的话,则可以尝试在真空预压加固的同时采用环保型的化学加固剂进行综合加固。

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