吹填土地基處理方法的討論

1、吹填土地基處理方法的討論 王 芳,郭進京,鄭忠成 (天津城市建設學院土木工程系,天津 300384) 摘 要 隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展和城市化步伐加快,土地資源短缺成為東部沿海城市發(fā)展的重要 影響因素。填海造陸是東部沿海許多城市解決土地資源短缺的重要途徑。吹填造陸工程的關鍵 問題是如何高效經(jīng)濟的處理吹填造陸形成的吹填土軟弱地基,由于吹填土是一種成分復雜,結構 特殊的軟土,因此吹填土處理方法的選擇既要考慮到吹填土本身的特點,又要考慮到工程要求, 且經(jīng)濟上合理。文章主要對目前吹填土的常用處理方法進行分析,討論吹填土處理方法中有關 問題。 關鍵詞 吹填土 地基處理 方法 中圖分類號: TU472

2、文獻標識碼:A 文章編號: 1009 - 5098 (2009) 06 - 0015 - 03 0 引言 隨著我國沿海城市經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展和對外 開放步伐的加快,沿海城市的土地需求量日益增加, 呈現(xiàn)出寸土寸金的趨勢,為適應現(xiàn)在的發(fā)展要求,填 海造陸成為各沿海城市發(fā)展,改變土地緊缺現(xiàn)狀的 必由之路。 所謂吹填土,是在整治和疏通江河航道時,用挖 泥船和泥漿泵把江河和港口底部淤積的泥砂通過水 力吹填而形成的沉積土。填海造陸工程一般采用干 填法和吹填法兩種方式,干填法采用挖方的形式,已 形成一套較完善的處理方法;而吹填材料最理想的 就是中粗砂,已有相應的處理方案,取得了一定的成 績 1 。然而在很多

3、地方,由于砂源緊缺和建設深港 口的需要,不得不采用近海新近沉積的海底軟土 (粘性土)作為吹填料,由于吹填土是由水力吹填形 成的,因此其成分和分布規(guī)律與所吹填的泥砂來源 及吹填時的水力條件有著密切的關系?，F(xiàn)在國內(nèi)外 出現(xiàn)了很多適用于吹填土的處理方法,這些方法主 要從物理和化學兩個方面來改善吹填土的工程性 質(zhì)。吹填土的性質(zhì)具有三高一低的特點,即天然含 水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、滲透系數(shù) 小,一般呈軟塑到流塑狀態(tài)。為了改善吹填土的工 程性質(zhì),提高吹填土的承載力,有效降低吹填土的含 水量是關鍵,吹填土的物質(zhì)成分通常較為復雜,在大 多數(shù)情況下,吹填的物質(zhì)是粘土和粉土。以粘性土 為主的吹填土

4、,土中含有大量的水分,且排水困難, 強度要經(jīng)過一段時間后才能提高。吹填土的工程性 質(zhì)與顆粒組成密切相關:含砂量較多的吹填土,其固 結情況和力學性質(zhì)較好;含粘土顆粒較多的吹填土, 則多屬于強度較低和壓縮性較高的欠壓密土,其強 度和壓縮性指標都比同類天然沉積土差 2 。 1 吹填土的處理方法 吹填土是否需要處理和采用何種處理方法,取 決于吹填土的工程性質(zhì)中顆粒組成、土層厚度、均勻 性和排水固結條件 3 ?，F(xiàn)有的吹填土處理方法大 概分為兩類,一類是物理的方法,通過對土體進行沖 擊或者使土體內(nèi)出現(xiàn)壓差,以此排出孔隙水,比較典 型的是強夯法、堆載預壓法、真空預壓法以及基于真 空預壓法出現(xiàn)的真空動力固結法

5、、高真空擊密法、全 封閉立體式真空降水法,還有打入預制樁法、換土墊 層法、加筋法等;另一類是化學的方法,該方法就是 在吹填土中添加外加劑,外加劑與土體中的物質(zhì)成 分發(fā)生反應,使土體固結。比較典型的方法是深層 攪拌法、粉噴樁法等。吹填土是軟土的一種,很多軟 土的處理方法都適用于吹填土。以下介紹幾種典型 處理方法的固結機理。 1. 1 物理的方法 (1) 強夯法 強夯法是用很大的沖擊能使土中出現(xiàn)沖擊波 (壓縮波、剪切波和瑞雷波)和很大的應力,迫使土 體運動、孔隙壓縮、局部液化,在夯點周圍產(chǎn)生裂隙, 土體內(nèi)部形成樹枝狀排水道路,使孔隙水順利逸出, 15 探討與分析GEO TECHN ICAL ENG

6、 INEER ING WORLD Vo l. 12 No. 6 從而促使土體迅速固結達到設計要求。強夯法對于 吹填砂和山體回填土的承載力處理較有效,對埋深 較深、土體較厚的淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土以及淤泥處 理效果不太理想. 但對于埋深淺土體較薄的軟土效 果比較明顯 4 。 (2) 動力排水固結法 動力排水固結法 5 是基于強夯法而發(fā)展起來 的一種方法,是在軟土地基上設水平排水系統(tǒng) 砂墊層和抽排水系統(tǒng),再在砂墊層自上往下插設塑 料排水板至軟土層以下作為豎向排水系統(tǒng);然后以 強夯動力作為附加應力,多次作用于軟土中,使軟土 產(chǎn)生很高的孔隙水壓力,動載壓縮波傳到地表臨空 面反射成拉伸波再傳回來,愈是軟的

7、土,抗拉強度愈 低,則愈容易產(chǎn)生水平向拉伸微裂紋。在很高孔隙 壓力作用下,軟土中的拉伸微裂紋貫通成水平向排 水通道,使土中高壓孔隙水較快排到水板中,經(jīng)排水 板再排走。軟土含水量降低,強度顯著上升,壓縮性 大幅度降低,達到了加固的目的。 (3) 真空預壓法 真空預壓法是在需要加固的軟基中插入豎向排 水通道(如砂井、袋裝砂井或塑料排水板等) ,然后 在地面鋪設一層砂墊層,再在其上覆蓋一層不透氣 的薄膜. 在膜下抽真空形成負壓,負壓沿豎向排水通 道向下傳遞,土體與豎向排水通道的不等壓狀態(tài)又 使負壓向土體中傳遞,在負壓作用下,孔隙水逐漸滲 流到豎向排水通道中,達到土體排水固結的效果. 真 空預壓時,由

8、于抽真空引起邊界(沙墊層、沙井或排 水板)中孔隙水壓力迅速降低變?yōu)樨撝?。土體中的 孔隙水壓力降低緩慢,從而形成壓力梯度,促使土中 孔隙水排出。所以,真空預壓的作用是在總應力基 本不變的情況下,孔隙水壓力的降低值即為有效應 力的增加值。真空預壓對欠固結、滲透系數(shù)較大的 土處理效果較好,特別對新近吹填土具有更好的效 果 6 。若在抽真空的同時進行堆載,此時外荷載增 加引起邊界與土體中孔隙水壓力升高,由于邊界 (沙墊層、沙井或排水板)滲透性大,在真空壓力的 作用下,孔隙水壓力很快消散又回到原來的負值。 土體中孔隙水壓力消散緩慢,即土體中外荷的正壓 作用使孔隙水壓力增大,這樣又加大了抽真空過程 中形成

9、的壓力梯度,促使孔隙水更多的排出,土體進 一步固結壓密。因此土體在真空預壓與堆載預壓聯(lián) 合作用下,可以引起有效應力增量的疊加效果。土 體固結完成后,加固效果更好 7 。 (4) 高真空擊密法 基于真空預壓法出現(xiàn)了很多處理吹填土的方 法,例如將高真空排水與強夯擊密兩道工序相結合 的高真空擊密法 8 ,真空降水結合低能量強夯加固 法 9 、明溝開挖、強排降水 10 施工方法等。高真空 擊密法是對軟土地基進行交替、多遍處理的一種方 法。在兩道工序交替、多遍處理過程中,高真空排水 強制主動地排出孔隙水,為強夯擊密創(chuàng)造條件;強夯 擊密激發(fā)出超孔隙水壓力與高真空排水的高真空形 成較高的壓力差,從而促進了高

10、真空排水效果。高 真空擊密法適合粘粒土含量低于50%、塑性指數(shù)小 于10 的粉質(zhì)粘土、砂性土,對于粘粒土含量大于 50%的粘性土和淤泥質(zhì)土工效較低。李麗慧 11 等 認為真空預壓法在應用上與工程要求還有一定的差 距,例如:在吹填土中打設塑料排水板還需相當長沉 淀時間,這無疑要延長工期; 若地基內(nèi)夾有排水砂 層,真空降水的密封性不夠,將會大大降低加固效 果。因此提出了全封閉立體式真空降水法,即分層 吹填、分層加固,將吹填土與外界水源隔開,根據(jù)其 厚度,分層布置真空管,對吹填土進行真空降水處 理,以達到加固目的。 1. 2 化學的方法 軟土礦物由于同相置換、晶格缺陷及破鍵、選擇 性吸附、離解吸附常

11、常帶有不平衡的負電荷,劉娉 慧 12 等對連云港地區(qū)吹填土中易溶鹽成分及其pH 值進行了測定,得出吹填土中陽離子以Na+為最多, 陰離子以Cl- 最多,這主要是由于吹填土是從海底 被吹填機械吹至陸面,其化學成分受海水化學成分 影響所致。根據(jù)吹填土的這一性質(zhì),在吹填土中摻 加不同的外加劑,使外加劑與吹填土中的離子發(fā)生 反應,達到土體固結的目的;摻加的外加劑一般是水 泥和石灰。當用水泥與吹填泥漿混合后,水泥礦物 很快與土中的水發(fā)生水解和水化反應,形成了不同 的水泥礦物:硅酸三鈣,硅酸二鈣,鋁酸三鈣,鐵鋁酸 四鈣,硫酸鈣等。水泥的各種水化物生成后,有的隨 著時間自身繼續(xù)硬化,形成水泥石骨格,有的則與

12、其 周圍活性的粘土顆粒發(fā)生反應。主要有:離子交換、 硬凝反應、碳酸化作用。石灰處理土的固化機理吸 水,膨脹作用、土和石灰的離子交換反應、凝硬反應。 由于在外摻劑的作用下,大量物理化學反應的生成 物或者附著在土顆粒表面,起到一種“橋”的作用, 將土顆粒連結起來,或者將小的團粒膠結起來形成 較大的團聚體,并在其表面形成薄膜,從而提高了土 體的結構強度。水泥和生石灰處理后的土樣掃描電 子顯微鏡照片,可以直觀地看到,加固處理后的吹填 16 土主要呈現(xiàn)為絮凝狀結構和團聚狀結構,有大量反 應生成物分布在團聚體及顆粒之間或覆蓋在單元體 表面將單元體包裹起來。深層攪拌法是利用吹填土 的這一性質(zhì)而發(fā)展起來的一種

13、方法。它是用深層攪 拌機械在須加固的軟土地基上邊鉆進邊噴射漿液和 外加劑或霧狀粉體,并且利用攪拌軸的旋轉使噴入 土體中的漿液或粉體與軟土充分拌和。使固化劑和 土體之間發(fā)生一系列的物理和化學反應,改變原狀 土的結構,使之硬結成具有整體性和水穩(wěn)性及一定 強度的水泥土;并與周圍的原狀土共同作用形成復 合地基,從而使土體的強度增加,達到加固目的 13 由于吹填土地基表層土質(zhì)太差,流塑狀淤泥土層常 達1525 m,基巖埋藏較深,使用二灰樁法和深層 攪拌樁法往往不太理想。 。 馮玉國 14 等用新型固化劑(哈爾濱工業(yè)大學研 制的復合固化劑固化吹填土的專利產(chǎn)品)對東營港經(jīng) 濟開發(fā)區(qū)吹填土進行了現(xiàn)場固化試驗,

14、試驗結果表 明,吹填土摻入2%固化劑和6%水泥,可顯著提高其 無側限抗壓強度,固化厚度3035 cm時地基承載力 達到120 kPa且沉降符合規(guī)范要求。王春波 15 等通 過對單一水泥、聚丙烯酰胺和水泥、Na2CO3 和水泥3 種固化方案的比較分析,認為吹填土中添加適量 Na2CO3 與水泥或聚丙烯酰胺與水泥比單純加水泥的 方案要優(yōu)。以上的幾個例子說明使用添加劑對于提 高吹填土的工程性質(zhì)有比較廣闊的發(fā)展前景。 1. 3 電加熱的方法 根據(jù)吹填土的性質(zhì)和現(xiàn)有處理方法的局限性, 筆者認為可以采取電加熱的方法處理吹填土,它的 基本原理是把電加熱裝置放入吹填土中,通電后電 加熱裝置產(chǎn)生熱量傳給其周圍的

15、土體,使周圍土體 內(nèi)的水分以蒸汽的形式排出,等水分不再明顯排出 時停止加熱,取出加熱裝置,再對加熱過的土體進行 強夯,以此來達到加固吹填土的目的。這種方法處 理效果的好壞取決于電加熱裝置性能的優(yōu)劣和加熱 過程中土體傳熱系數(shù)的變化。該方法的優(yōu)點是不需 要表面具有一定的強度就可以進行處理。 2 結論與討論 隨著沿海城市的發(fā)展,吹填造陸成為解決城市 土地資源短缺的重要途徑,而吹填土地基由于其高 孔隙率、高含水率、低滲透性、低強度等特殊工程性 質(zhì),特別是土顆粒與水之間復雜的物理化學作用,使 得吹填土地基的處理成為巖土工程研究領域中的重 要問題之一。目前吹填土地基處理主要是利用物理 和力學的方法,如強夯法、真空預壓法等,通過物理 過程使吹填土排水固結,從而降低土體的含水量,提 高土體強度,滿足工程場地的要求。但這些方法都 有其局限性,如果結合化學方法,如摻加外加劑加速 排水過程等,熱力學方