真空預壓固結排水法在太浦河泵站工程堤防加固中的研究與應用

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1、概述

    太浦河泵站工程位于江蘇省吳江市，其修建目的主要是解決太湖枯水年份4～10月太湖水位較低情況下，當太浦閘自流難以滿足下游上海市的供水要求時，通過太浦河泵站抽取太湖水補充黃浦江上游水量，滿足上海市的供水要求，改善水質(zhì)。工程主要由進出水渠、池、交通橋、攔污柵閘和泵房等建筑物組成。進水渠渠道為梯形復合斷面，全長487.7m（樁號0-543.90m~0-56.20m），底寬70m，邊坡1:3，底高程-2.50m，頂高程7.00m，在3.50m高程設置寬5m的馬道，渠道邊坡采用分段襯砌，高程-2.50m~3.50m采用漿砌塊石護砌，高程3.50m至堤頂采用草皮噴植，渠底根據(jù)流速的分布，部分采用漿砌塊石或混凝土護底。進水渠堤防按1級建筑物設計。     施工期間，2001年11月3日在進水渠南堤樁號0-413.00m~0-475.00m范圍內(nèi)發(fā)生滑坡，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，堤腳向渠中心滑移30m左右，順堤軸線方向在坡面上出現(xiàn)寬度和深淺不一的較多縱向裂縫，堤腳的滑動面呈自然坡狀態(tài)，未出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。     滑坡發(fā)生后，為了盡快清理滑坡現(xiàn)場，恢復原設計的堤防并保證其安全，設計擬定出兩個滑坡處理方案：水泥土攪拌樁加固和塑料排水板真空預壓加固。在對方案進行施工現(xiàn)場條件、工期、處理費用等技術經(jīng)濟比較后，最后決定采用塑料排水板真空預壓加固處理方案。     2、工程地質(zhì)條件     根據(jù)工程地質(zhì)報告，滑坡部位原天然地面高程約為5.30m。典型地質(zhì)剖面見圖1，主要土層的部分物理力學指標見表1。其中②3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土強度很低，屬高壓縮性土，且含有機質(zhì)土。該層頂面高程基本保持在1.30m~1.80m左右，底部高程自西向東由-5.06m抬高到-0.32m，最厚處達6.9m。進水渠滑坡部位的渠底進入了②3層土。渠堤穩(wěn)定分析表明，②₃土是影響進水渠岸坡穩(wěn)定的主要土層。 圖1 典型地質(zhì)剖面圖 表1   滑坡部位土層物理力學指標 層號 土層描述 天然容重kN/m³ 飽和容重 kN/m³ 含水量% 飽和度% 壓縮系數(shù) MP^-1 固快指標（峰值） C kPa φ度                          ①₁ 粉質(zhì)粘土 水上17.8 18.7 29.4 87 0.31 8.0 32 水下18.7 18.8 32.4 98 8.0 30 ②₂ 粉質(zhì)壤土 18.7 18.8 39.2 100 0.19 13 22 ②₃ 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土 17.8 17.8 51.7 100 0.77 16 16 ③₁ 粉質(zhì)粘土 20.0 20.1 20.0 99 0.15 40 20 ③₂ 重粉質(zhì)壤土 19.4 19.4 19.3 100 0.19 32 20 ③₃ 輕砂壤土 18.9 18.9 19.1 99 0.12 8 35 ⑤ 粉質(zhì)粘土 19.0 19.0 34.6 98 0.38 18 16 ⑥ 粉質(zhì)粘土 20.4 20.5 23.9 99 0.12 55 24       3、滑坡原因分析     發(fā)生滑坡的原因是多方面的，這和該段的水文地質(zhì)條件以及當時的氣候條件等都有著密切的聯(lián)系，經(jīng)分析研究，認為發(fā)生滑坡的主要原因如下：     （1）經(jīng)過現(xiàn)場查勘和實際測量，對照滑坡體測量圖，發(fā)現(xiàn)滑坡體附近的②3層土基本上處于地質(zhì)剖面圖中的最深處，最大深度達6.9m，另一方面，該段②3層土的實際物理力學指標遠較預料中的為低應是導致該處邊坡失穩(wěn)的主要原因。     （2）滑坡的前一天下雨，雨水滲入土坡，使土體基本處于飽和狀態(tài)，由此土的物理力學指標進一步降低；另一方面，外坡的水塘一直有水，使堤防的浸潤線抬高，增加了滲透壓力。     （3）太浦河泵站的進水渠屬于挖、填結合型，渠道為新開挖，渠道開挖屬于卸荷過程，堤防回填高約3m，屬加荷過程。渠道的開挖和回填幾乎同時進行，工序集中，時間短促（先回填，后開挖，回填約三個月，開挖約一個月）。此外，由于進水渠邊坡土體主要由滲透性能差、固結緩慢的粘土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土組成，在快速加荷、卸荷過程中易于產(chǎn)生較大孔隙水壓力并較大幅度降低土體抗剪強度。     4、處理方案擬訂     對滑坡的處理一般采用改變堤防的斷面或堤線位置，采取堤頂卸載或堤腳堆載的辦法，由于進水渠的河道斷面及堤頂高程必須滿足過流和防洪要求，因此該處理辦法在本工程不適用；對滑坡的處理另一種方法是處理堤基，提高堤基土的物理力學指標和抗滑能力，設計先后考慮了兩個方案：一是采用水泥攪拌樁加固堤基，二是采用塑料排水板真空預壓加固堤基，對上述兩個方案進行施工現(xiàn)場條件、工期、加固方案費用等技術經(jīng)濟比較后，采用方案二。     處理的具體步驟：滑坡體修整、真空預壓的施工、渠堤回填、邊坡修正。     5、真空預壓設計     5.1塑料排水板布置范圍     根據(jù)滑坡發(fā)生的范圍和附近區(qū)域的工程地質(zhì)資料，塑料排水板布置的范圍為順水流向從樁號0-496.30m~0-390.10m，垂直水流方向包含整個進水渠南堤寬度再往進水渠延伸15m，總加固面積約5400m²。排水板布置剖面圖見圖2。 圖2  排水板布置剖面圖     5.2塑料排水板布置     排水板尺寸為100mm×4mm，在滑坡中心區(qū)樁號0-478.30m~0-408.10m之間70.2m范圍內(nèi)，排水板間距1.3m，按三角形布置。在滑坡區(qū)兩側樁號0-496.30m~0-478.30m之間及0-408.10m~0-390.10m之間各18m范圍內(nèi)，排水板間距以1.5m、2.0m、2.5m間隔按三角形布置。本工程加固的主要對象是②3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，以渠堤穩(wěn)定為控制條件，所以排水板的長度根據(jù)最危險滑弧的深度來確定。根據(jù)土層地質(zhì)資料分析和穩(wěn)定計算結果，最危險滑弧底部高程與②3層土底部相切，所以排水板必須穿過②3層土，最后確定排水板底高程-9.00m。在排水板頂部鋪設0.50m厚的砂墊層，當中布置濾水管，砂墊層上鋪設2層密封膜。采用射流真空泵抽真空，預壓期間泵真空壓力不小于96kPa，膜內(nèi)真空度不小于80kPa。     5.3地基固結度計算     固結度計算的目的是通過計算固結度，推求地基強度的增長，據(jù)此進行穩(wěn)定分析，在此基礎上判斷排水系統(tǒng)布置的合理性并確定真空預壓的施工期。.固結度根據(jù)三向固結軸對稱問題的解析解進行計算，計算參數(shù)和結果見表2。由計算結果可以看出，徑向固結度遠大于豎向固結度，地基主要是通過徑向排水固結的。由此可見，在地質(zhì)情況確定的情況下，固結度主要受排水板平面布置的影響，過大的排水板深度無利于固結度的提高。     5.4抗剪強度增長值的推算     由于滑坡后土體受到很大的擾動，在滑坡區(qū)域進行的十字板試驗抗剪強度隨深度的變化的規(guī)律比較紊亂，設計根據(jù)滑坡體外試驗點的試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合以后進行抗剪強度增長值的推算。經(jīng)過推算，經(jīng)過60天的預壓達到88%固結度的時候，推算的平均不排水抗剪強度為31kPa。經(jīng)穩(wěn)定分析，該強度指標可以滿足渠堤穩(wěn)定的要求。 表2   固結度計算參數(shù)及計算結果 水平固結系數(shù)C_r (cm²/s) 豎向固結系數(shù)C_v(cm²/s) 井徑比n 豎向排水距離（m） 30天固結度 （%） 45天固結度 （%） 60天固結度 （%） 徑向 U_r 豎向 U_v 全 部 U 徑向 U_r 豎向 U_v 全部 U 徑向 U_r 豎向 U_v 總量 U 3.14×10^-3 3.14×10^-3 28 11 61 20 69 76 21 73 85 22 88       6、真空預壓施工     6.1施工工序     修整滑坡體－鋪設砂墊層－打插塑料排水板－在砂墊層中埋設濾水管－在加固區(qū)邊緣挖溝－鋪密封膜、填溝－安裝抽氣管道和射流真空泵－檢驗密封情況并抽氣     6.2主要施工工藝及質(zhì)量控制要點     ①砂墊層厚500mm，選用級配良好的中粗砂，要求含泥量<3%，滲透系數(shù)>3×10-3cm/s。     ②在打插排水板的過程中嚴格控制排水板的間距和深度，并注意保護板表面的濾水膜，防止其損壞而失去反濾的效果。     ③濾水管采用D100的PVC穿孔管外包無紡布，安放在砂墊層中間，平行布置，間距5m，兩端接集水管。     ④在砂墊層上鋪設兩層聚氯乙烯塑料密封膜，需要連接的地方用熱合粘接，搭接寬度大于20mm。嚴格保證加固區(qū)域的氣密性。首先是加強對密封膜的保護，為了防止砂墊層刺破密封膜，在砂墊層和密封膜之間鋪設了一層土工布。加固區(qū)四周挖了深度1m的梯形密封溝，將密封膜周邊貼土鋪設過溝后，在膜上填土壓實。在抽真空過程中，要注意檢查漏氣情況，及時修補。     ⑤在加固區(qū)四周布置了6臺射流真空泵，每臺泵平均控制面積為900m²。為避免停泵后膜內(nèi)真空度急劇下降，在真空泵和出水管的連接處布置有逆止閥和截門。     7、過程監(jiān)測     為了驗證加固處理的效果，并保證施工期間渠堤的安全，在真空預壓期間進行了持續(xù)的表面沉降、水平位移等監(jiān)測。     7.1表面沉降     預壓60天以后，最大沉降為322mm，最小沉降為136mm，平均沉降值為224mm。從實測結果可以看出，在開始抽真空的30天以內(nèi)，表面沉降量比較大，前10天、20天和30天的沉降量分別占到總沉降量的45%、70%和78%，以后曲線變化趨于平緩。     7.2水平位移     由實測的土層隨時間和空間的水平位移數(shù)據(jù)可以看出加固區(qū)土層的變形是指向渠內(nèi)的。水平變位主要發(fā)生在深度小于8m的上部土層，最大水平位移總是發(fā)生在深度小于2m的土層。從時間上看，抽真空的初期側向變形速率較大，30天以后變形趨緩。三根測斜管的最大水平位移分別為66mm、47mm和53mm。     8、加固效果檢測分析     8.1固結度分析     利用實測的沉降量與時間關系曲線，根據(jù)下式可以推求地基的最終沉降量S_∞        式中S₁ 、S₂ 和S₃為在停止預壓以后的沉降－時間關系曲線上任取的三個時間T₁ 、T₂ 和T₃（令T₃－T₂ ＝ T₂－T₁ ）對應的沉降量。據(jù)此求得地基最終沉降量S=238mm，由60天的平均沉降量S₆₀=224mm求得相應的固結度U₆₀=94%，滿足設計提出的固結度要求。     8.2力學強度指標分析     為了檢驗地基土物理力學指標在加固前后的變化，預壓前在加固區(qū)內(nèi)外進行了7孔十字板剪切和9孔靜力觸探試驗，預壓結束以后進行了其中3孔十字板剪切和1孔靜力觸探試驗。預壓前后力學指標比較見表3。      表3    真空預壓加固處理前后淤泥層力學指標對比 十字板剪切不排水強度C_u （kPa） 靜力觸探比貫入阻力P_S（kPa） 預壓前 預壓后 前后比值 預壓前 預壓后 前后比值 16.4 47.3 2.88 221 1409 6.40 最大值74，最小值21.9，19點平均值47.3，均方差為17.5 -0.6~-5.4m深度范圍內(nèi)的平均值       由試驗結果可以看出，經(jīng)過真空預壓加固處理以后，淤泥質(zhì)土層的抗剪強度得到了顯著的提高，達到了原來值的2.88倍，并大于設計推算的平均不排水抗剪強度31kPa，可以滿足渠堤穩(wěn)定要求。     9、結語     （1）深厚的淤泥質(zhì)土層經(jīng)過真空預壓處理后，抗剪強度指標能得到顯著提高。     （2）在塑料排水板真空預壓加固處理中，水平徑向固結度遠大于豎向固結度，土體固結主要靠徑向排水固結。     （3）土體大部分的固結發(fā)生在預壓2個月左右，固結速率表現(xiàn)為前期很大，后期明顯變小。因此，從經(jīng)濟角度出發(fā)，在滿足加固效果的前提下，可以合理縮短后期預壓時間和適當減少后期部分預壓設備的運行。     （4）施工過程中注意加強氣密性檢查和修補是保證預壓效果的重要環(huán)節(jié)。