李海玲，李 武

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

真空预压对新吹填淤泥地基水平位移影响范围研究

李海玲，李 武

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

针对真空预压对新吹填淤泥地基水平位移影响范围，以及如何防护才能减少这种影响等的技术问题。本文依托连云港港徐圩港区预制厂扩建工程，利用数值分析和现场测试等手段进行研究，得出真空预压对新吹填淤泥地基水平位移影响范围以及防护水平位移的工程措施，为工程设计提供参考。

真空预压；水平位移；吹填淤泥

引 言

徐圩港区作为连云港规划发展的新建港区，主要是以30万t级航道工程为依托，通过疏浚淤泥回填成陆，形成新建港区。经过疏浚和吹填施工，吹填土原状特性已经有很大改变，其含水量增高，压缩性增大，渗透稳定性差，在自重情况下没有达到充分固结，属于欠固结土；此外，吹泥口附近和较远处的土颗粒粗细也不均匀。根据钻孔资料：吹填区内①层主要为灰黄色～黄色淤泥（冲填土），呈流塑状，细分主要为表层①2层及下部的①6层两亚层。表面①2层流泥含水量为75.6 %～116.6 %，平均含水量为101.5 %。随着深度增加，吹填土（①6层）的含水量有所降低，平均含水量仍达73.5 %。①层吹填土具有含水量高，压缩性高等特点，在附加荷载作用下有很大的沉降、易产生触变及侧向剪切破坏等现象。②层原生淤泥：灰色，流塑，海相沉积成因，为极细粒土，渗透性差，固结时间长，其含水量高，孔隙比大，力学强度低，具流变、蠕变、高灵敏度、高压缩性等工程地质特性，属不良岩土层。在上覆荷载作用下易产生沉降、不均匀沉降及侧面滑移。该层压缩性高，工程地质性质差。①2层流泥、①6层淤泥、②1层淤泥及②2层淤泥在徐圩港区普遍分布，因此开发建设港区需对地基进行处理。大面积的地基处理，根据类似工程的工程经验，采用排水固结法为有效且经济的处理方法。排水固结法是在软土中打设塑料排水板或砂井，形成竖向排水通道，并通过施加外部荷载产生附加应力，使天然土体在外部荷载作用下发生固结（主要表现为超孔隙水压力消散，颗粒重新排列），从而达到有效的加固效果。排水固结法按加载方式主要分为堆载预压法、真空预压法及真空预压联合堆载法等几种方法。由于软土初始强度低，需要分多级进行加载，且初始加载速率较慢，一般需要较长的工期，同时，该方法需要较大量的土石方，因此堆载预压法在此实施有一定难度。真空预压法通过真空泵抽取真空膜下的空气，使膜内外形成大气压差，从而对软土层产生一定量的附加应力。并且由于其产生的是负压，有效应力增加的同时，土体总应力并没有增加，因此其不会造成土体的剪切破坏，无需分级加载，从而可大大缩短工期，适合徐圩港区地基处理。

徐圩港区是分期建设，先吹填的陆域一部分完成地基处理，建设建筑物，未处理的陆域随着港区开发建设的深入，逐步也需要采用真空预压地基处理，这将影响已建建筑物的地基，距离建筑物多少距离加固才能避免这种影响，以及如何防护才能减少这种影响，是徐圩港区开发建设面临急需解决的关键技术问题。因此，本文依托连云港港徐圩港区预制厂扩建工程[1～2]，研究真空预压的水平影响范围以及防护措施，为此类工程的设计和优化提供理论参考。

1 工程概况

原连云港港30万t级航道建设指挥部临时预制厂工程，工程建设规模码头占用岸线180 m，建设1座重件出运码头和1座交通船码头。陆域总面积约为12.28万m2（其中约2.28万m2是原来吹填堤的面积），预制厂设计年生产混凝土预制构件混凝土30万m3。扩建后出运码头岸线增加约93.00 m，总岸线长度约273.00 m，陆域面积增加约2.5万m2，总陆域面积约为14.77万m2。需要加固处理的平面见图1。

图1 加固处理的平面

徐圩预制厂宿舍区位于加固后的软土上，其一侧为未加固软土。由于场地用地要求，现需要对未加固软土进行真空预压处理。真空预压前在宿舍区外7.5 m位置处施打了一排热轧U型钢板桩（桩长17 m，型号400×170，小锁口打入），抽真空期间于2015年3月16日～6月30日对钢板桩的水平位移及竖向沉降进行监测，抽真空到结束施工共三个半月。

根据地勘资料，场地地层分布如下：表层吹填土厚约9 m，往下为天然淤泥厚度约11 m，天然淤泥下为粘土及粉质粘土等土层。土体的物理力学指标见表1。

表1 土体物理力学参数

2 真空预压水平向影响范围

采用ABAQUS软件对真空预压水平影响范围进行分析，研究不同软土厚度条件下真空预压工法对周边土体的影响[3～6]。根据近年来真空预压工法的实施经验并结合真空预压的实施效果，本次分析选定软土层厚度10 m、15 m、20 m三种情况进行二维分析。

2.1 几何模型

真空预压分块施工，每块的面积大致2万m2，塑料排水板均匀分布在待加固区内。为了减少计算规模，取近边界的30 m作为计算加固区，几何模型非加固区（影响区）的宽度取3倍软土层厚度与50 m两者间较大值。

图2 有限元计算模型

本模型地质参考徐圩预制厂地勘资料，为了便于建模，计算模型中将实际地层情况进行了合理简化，如将计算区域内的土层厚度进行了适当平均、将较薄且参数相近土层合并到一起，赋予同一土体特性。土层分布如下：①1淤泥，厚度为10～20 m；②粉质粘土，厚度为10 m；以下为②1粉土、③粉砂等，由于真空吸力作用范围为软土区，②1粉质粘土以下硬土对软土侧向收缩的影响可忽略，几何模型中不列入。有限元模型见图2。

2.2 土体本构关系及计算参数

对土体采用实体单元来模拟。①层淤泥采用修正剑桥模型，该模型是建立较早、较完善、目前应用最广的弹塑性模型之一，模型的优点是参数少且均可以通过常规室内试验获得；临界状态线、状态边界面、弹性墙等重要概念都有明确的几何意义和物理意义；屈服面连续光滑，且方程形式简单，便于进行数值计算；符合热力学基本原理，对应的耗散势函数形式简单且意义明确。②层粉质粘土采用Mohr-Coulomb模型。分析过程中采用有效应力法，土体物理力学指标见表2。

表2 土体指标参数

塑料排水板施工过程中将不可避免地扰动排水板周围的土体，使其渗透性降低，参考《港口工程地基规范》说明，通过对地勘报告提供的淤泥渗透系数就行修订以考虑涂抹效应对渗透系数的影响，本次分析淤泥土渗透系数定为5E-5 m/d。

由于排水板受软土侧向挤压导致的作用断面变小、排水板弯折、微小颗粒堵塞滤膜等原因存在，排水板纵向通水能力受到影响，排水板内传至深部区域的真空度也低于浅部，造成地基地固结速率减慢；为了使模拟结果更接近实际情况，模型分析中设置真空度沿深度范围逐渐衰减：顶部真空度为85 kPa，沿竖向每延米衰减2 kPa，淤泥厚度为10 m加固区内排水板底的吸力为65 kPa，15 m厚淤泥加固区内排水板底的吸力为55 kPa，20 m厚淤泥加固区内排水板底的吸力为45 kPa。

2.3 边界条件

计算模型左右两条边界仅允许竖向位移，底部边界固定（竖直、水平向均固定），顶部边界自由。固结计算过程中，加固区内排水板所在节点依深度施加不同的真空吸力。

2.4 施工工序（模拟工序）

1）泥面处进行初始地应力平衡；

2）采用固结分析，线性施加真空吸力，工序时间15天；

3）施加真空吸力促使土体固结，时间150天。

2.5 模型计算结果

淤泥厚度为10 m时，稳定抽真空5个月后软土位移值如图3。

图3 10 m厚淤泥真空预压位移

淤泥厚度为15 m时，稳定抽真空5个月后软土位移值如图4。

图4 15 m厚淤泥真空预压位移

淤泥厚度为20 m时，稳定抽真空5个月后软土位移值如图5。

图5 20 m厚淤泥真空预压位移

由图3～图5可见：抽真空过程中，影响区内软土在真空吸力作用下不断向加固区中心运动，水平位移最大值出现在加固区与影响区的相交处。将不同厚度软土影响区地表的水平位移发展情况汇总见图6，加固区以外0～20 m范围内地表水平位移发展较大，20～35 m范围水平位移发展减缓，30 m以外地表水平位移较小。比较水平位移值与竖向沉降的关系，水平位移最大值约为竖向沉降最大值的40 %～50 %。

对不同厚度模型影响区内竖向节点水平位移情况进行统计。图7～图9为10 m、15 m、20 m厚度下，淤泥计算模型中距离加固区边界不同距离截面（分别为0 m、2 m、5 m、10 m、15 m）竖向节点在稳定抽真空5个月后水平位移发展情况。

图6 影响区地表水平位移变化

图7 10 m厚软土竖向节点水平位移

图8 15 m厚软土竖向节点水平位移

图9 20 m厚软土竖向节点水平位移

由上述地表水平位移及距加固区不同距离截面竖向节点水平位移情况分析可知：真空预压过程中距离加固区越近由抽真空作用而产生的水平位移越大；软土层越厚对应的地表水平位移值越大，同时同一截面水平位移值沿深度方向逐渐减少。截面距离加固区越远水平位移越小，地表与下部节点水平位移差逐渐减少，当截面距离真空预压加固区20 m以上时，地表产生的水平位移与该截面其他竖向节点的水平位移差值逐渐不明显。

由上述分析可知抽真空对加固区以外20 m以上的区域的水平位移影响较弱，若该区域内存在结构物，由于竖向范围内水平位移差可忽略，对结构的水平受力影响较小。若真空预压加固区以外20 m范围的影响区内存在建筑物，抽真空可能会对其产生较大影响。

3 钢板桩防护措施

3.1 几何模型及边界条件

采用平面应变法模拟施工过程中钢板桩水平位移及沉降发展情况，土体本构关系同2.2节论述，其物理力学参数按2.2节并综合表1数据确定。渗透系数考虑涂抹等效益的修正、真空度的竖向衰减情况同样按照2.2节的要求进行。有限元的计算模型见图10。

图10 有限元计算模型

计算分析过程中土体、钢板桩等均采用实体单元进行模拟，土体采用单元类型为CPE4P，钢板桩单元类型为CPE4P。钢板桩对应的实体单元宽度定为0.2 m，根据钢板桩的EI等效原则确定钢板桩实体单元对应材料的等效弹性模量值。

边界条件设置与2.3节模型设置要求一致。

3.2 施工工序（模拟工序）

1）泥面处进行初始地应力平衡；

2）钢板桩施工，（单元材料替换）；

3）采用固结分析，线性施加真空吸力，工序时间15天；

4）施加真空吸力促使土体固结，工序时间 90天。

3.3 计算结果及对比

在施打钢板桩的情况下对软土区实施真空预压施工，其水平位移发展情况见图11。抽真空结束后钢板桩顶部的水平位移约0.244 m。真空预压加固区边界处产生最大水平位移约0.84 m，与2.5节中分析结果较接近。

图11 抽真空结束时水平位移（单位：m）

图12 钢板桩顶水平位移对比

图12为钢板桩水平位移计算值与实际监测值对比，实际施工过程中因抽真空约一个月后钢板桩已产生较大的水平位移，为限制板桩的继续变形，在真空膜上覆水，增加板桩侧载，后期边界条件发生改变与模拟工况不再一致，仅将前 30天监测结果列入图表进行对比。根据对比，计算值与实测值在前一段时间内吻合较好，也说明数值模型及所定参数与实际情况较符合。与未防护的情况相比，水平位移减小到原来的 1/3，钢板桩防护明显减小真空预压对已加固去的影响。从机理上分析，钢板桩隔断了真空预压区的真空度向已加固的渗透，同时也阻止了已加固区孔隙水向真空预压区的渗流，进而减小真空预压邻近区的水平位移。

4 结 论

本文依托连云港港徐圩港区预制厂扩建工程，利用数值分析和现场测试等手段，对真空预压的水平影响范围以及防护措施进行了研究，得出以下结论：

1）徐圩港区新吹填软土采用真空预压法地基处理，水平向影响距离20 m以内，越靠近加固边界，水平位移越大，最大水平位移约为加固区竖向沉降最大值的40 %～50 %。

2）真空预压水平位移的影响范围与加固深度相关，加固范围越深，水平位移影响范围越大，但是不成线性比例增长，随着加固深度增加，水平位移影响范围增幅急速减小。

3）真空预压影响范围内的水平位移随着加固深度增加而减小，表层水平位移最大，加固底部水平位移最小。

4）在真空预压影响区范围内的建筑物，可以采用钢板桩等不透水性材料防护，能有效减小真空预压水平位移的影响。

5）根据现场监测结果，通过抽真空测覆水反压，减小抽真空侧与防护测高差，也是防护水平位移一种措施。

[1]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.连云港港徐圩港区预制厂工程及出运码头工程工程可行性研究[R].2013.

[2]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.连云港港徐圩港区预制厂工程及出运码头工程初步设计[R].2013.

[3]陈平山,房营光,莫海鸿,等.真空预压法加固软基三维有限元计算[J].土木工程学报,2009,31(4):564-569.

[4]岳红宇,陈加付,谢明锋.真空预压加固软基的沉降过程模拟与数值分析[J].公路交通科技,2002,19(6):5-9.

[5]朱群峰,高长胜.超软淤泥地基处理中真空度传递特性研究[J].岩土工程学报,2010,32(9):1429-1434.

[6]王坤,林佑高,谢万东.软弱土在预压荷载作用下的强度增长分析[J].水运工程,2014,2:189-194.

Research on Influence Range of Vacuum Preloading for Horizontal Displacement of Dredger-filled Silt Foundation

Li Hailing,Li Wu
(CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China)

Based on the expansion project of prefabrication factory at Lianyungang Port Xuwei harbor,some means such as numerical analysis and field test have been used to study the influence range of vacuum preloading for the horizontal displacement of dredger-filled silt foundation and find out the countermeasures to the horizontal displacement.The research results will provide a reference for similar engineering design.

vacuum preloading,horizontal displacement,dredger-fill of silt

TU472.3+3

：A

：1004-9592（2016）06-0085-07

10.16403/j.cnki.ggjs20160622

2016-05-28

李海玲（1973-），女，高级工程师，主要从事港口工程设计。