真空預(yù)壓技術(shù)在永定新河治理一期工程防潮閘基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用

鄭冬艷　翁　杰

摘要：真空預(yù)壓屬于排水固結(jié)法，是由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院w.Kjellman教授于1952年提出的，20世紀(jì)80年代真空預(yù)壓法在我國得到大力推廣和應(yīng)用。真空預(yù)壓是加固軟土地基行之有效的方法，具有成本低、效果好、工期短等特點(diǎn)，已在沿海等地廣泛應(yīng)用。永定新河治理一期工程應(yīng)用這一方法對(duì)防潮閘基礎(chǔ)軟基進(jìn)行了處理，效果比較理想。

關(guān)鍵詞：真空預(yù)壓；防潮閘基礎(chǔ)；永定新河；治理工程

中圖分類號(hào)：U231

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-2374(2009)17-0058-02

一、工程概況

永定新河位于天津市區(qū)北側(cè)，是天津市北部的防洪屏障，河道開挖于1971年，西起天津市北辰區(qū)的屈家店，東至塘沽區(qū)北塘鎮(zhèn)入渤海。河道全長66km，沿途納入機(jī)場排水河，北京排污河、潮白新河和薊運(yùn)河等，是海河流域北系永定、北運(yùn)、潮自和薊運(yùn)河的共同人海尾閭河道，河口處控制北四河流域面積83×10⁴km²,對(duì)天津防洪、沿岸及支系河道的排耢等均起到十分重要的作用。

永定新河目前存在的主要問題是海潮輸沙對(duì)河道造成的嚴(yán)重淤積、堤頂超高不足等，使河道行洪能力大幅度下降。因此，為有效緩解天津市和海河流域北系的防洪壓力，為濱海新區(qū)的開發(fā)開放，為天津市成為我國北方經(jīng)濟(jì)中心，永定新河治理一期工程的順利完成將具有深遠(yuǎn)的政治意義。永定新河治理一期工程主體工程包括河道清淤、碼頭工程、引堤工程和防潮閘工程四項(xiàng)工程。在防潮閘建設(shè)實(shí)施工程中，針對(duì)施工區(qū)域地質(zhì)情況較差屆松軟地基，施工時(shí)必須對(duì)地基進(jìn)行處理的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用了真空預(yù)壓技術(shù)，對(duì)軟基進(jìn)行了排水固結(jié)加固處理。

二、真空預(yù)壓技術(shù)介紹

(一)真空預(yù)壓技術(shù)的特點(diǎn)

真空預(yù)壓屬于排水固結(jié)法，是由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院w·Kjelkman教授于1952年提出的，20世紀(jì)80年代真空預(yù)壓法在我國得到大力推廣和應(yīng)用。

真空預(yù)壓技術(shù)主要由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分組成。排水系統(tǒng)主要包括豎向排水體和水平排水體，豎向排水體常用塑料排水板、袋裝砂井、透水軟管等，水平排水體常用砂墊層(純凈中粗砂)，對(duì)于砂源緊缺、砂價(jià)較貴的地區(qū)可采用技術(shù)可靠的塑料盲溝或透水軟管等土工合成材料，以降低工程造價(jià)。設(shè)置排水系統(tǒng)主要為了改變地基原有的排水邊界條件，傳遞真空壓力，增加孔隙水的排出通道，縮短排水距離，以便在上部荷載作用下能以較短的時(shí)間使地基土的有效應(yīng)力增加，地基土產(chǎn)生固結(jié)，完成預(yù)定的地基加固效果，滿足工程建設(shè)需要。加壓系統(tǒng)主要是指抽真空裝置。

(二)真空預(yù)壓加固機(jī)理

真空預(yù)壓是在需要加固的軟土地基表面先鋪設(shè)砂墊層，然后埋設(shè)垂直排水管道(袋裝砂井或塑料板排水井)，再在砂墊層表面鋪設(shè)一封閉薄膜使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過砂墊層內(nèi)埋設(shè)吸水管道，用真空裝置進(jìn)行抽氣，使其形成真空。當(dāng)抽真空時(shí)，在砂墊層、垂直排水管道先后形成壓差，在此壓差作用下，土體中的孔隙水不斷由排水管道排出，從而使土體固結(jié)。

它的加固機(jī)理是使加固區(qū)域內(nèi)的土體造成負(fù)壓，使邊界的孔壓降低，土體中的原來孔壓便與這些邊界的孔壓形成一定的壓力差并且發(fā)生不穩(wěn)定滲流，隨著時(shí)間的增長，土體中的孔壓逐漸降低，降低的孔壓轉(zhuǎn)變?yōu)橥馏w的有效應(yīng)力，真空度越高，沿深度衰減越小，則增加的有效應(yīng)力越大，加固效果越好。對(duì)于天然地基，地基土一般處于K0固結(jié)狀態(tài)，即σ‘30=KOσ10，由于孔隙水壓力是球應(yīng)力，所以真空預(yù)壓時(shí)減少的孔壓(增加的有效應(yīng)力)是各向相等的，因此地基中土體單元的莫爾圓大小并沒有改變，只是向右發(fā)生平移，當(dāng)“荷載”卸除后，被加固土體由正常固結(jié)狀態(tài)變?yōu)槌探Y(jié)狀態(tài)，和加固前相比，強(qiáng)度增加△T。由于真空預(yù)壓時(shí)土體不會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，因此即使真空荷載一次性施加上去，地基土也不會(huì)發(fā)生剪切破壞，從而可以縮短工期。真空預(yù)壓時(shí)，周圍土體由于產(chǎn)生收縮變形而開裂，裂縫一般平行于加固區(qū)的邊線。隨著時(shí)間的增長，土體固結(jié)度的提高，裂縫也在發(fā)展，逐漸變大加深，數(shù)量也逐漸增加。真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓都使地基產(chǎn)生沉降，一般在加固區(qū)的中心點(diǎn)產(chǎn)生的沉降值最大，使加固區(qū)表面呈鍋底狀，但它們的原因卻有質(zhì)的區(qū)別。真空預(yù)壓使地面產(chǎn)生鍋底狀的原因除了有效應(yīng)力因位置的差異之外，還有加固區(qū)土體向里移動(dòng)的結(jié)果，正是這種收縮的特性使土體更利于擠密，在產(chǎn)生相同垂直變形的情況下，真空預(yù)壓法的加固效果要好于堆載預(yù)壓法。

三、真空預(yù)壓技術(shù)在軟基加固工程中的應(yīng)用

(一)施工準(zhǔn)備

真空預(yù)壓施工前，砂墊層、塑料排水板均應(yīng)施工完畢，并通過驗(yàn)收符合設(shè)計(jì)要求。

塑料排水板的主要施工范圍為：左右堤基礎(chǔ)、岸坡基礎(chǔ)及上下游護(hù)底基礎(chǔ)處理等。塑料排水板技術(shù)性能指標(biāo)見表1：

(二)塑料排水板施工

塑料排水板在上部砂墊層施工完畢后進(jìn)行。本工程采用套管法施工。施工時(shí)板位間距偏差控制在不高于±30mm,打板機(jī)定位時(shí)，管靴與板位標(biāo)記的偏差控制在±70mm范圍內(nèi)。在打設(shè)過程中隨時(shí)注意控制套管垂直度，其偏差不得大于±1.5％。必須按照設(shè)計(jì)要求控制塑料排水板的打設(shè)標(biāo)高，不得出現(xiàn)淺向偏差。打設(shè)塑料排水板時(shí)嚴(yán)禁出現(xiàn)扭結(jié)、斷裂和撕破濾膜等現(xiàn)象，如有上述情況需在旁邊補(bǔ)打合格的排水板。剪斷塑料排水板時(shí)，砂墊層以上的外露長度應(yīng)大于200mm。塑料排水板施工過程中要逐板進(jìn)行自檢，并按照要求做好記錄備查。塑料排水板打設(shè)驗(yàn)收合格后，及時(shí)用砂墊層砂料仔細(xì)填滿打設(shè)時(shí)在板周圍形成的孔洞，并將排水板埋設(shè)于砂墊層中。

(三)施工步驟

主要施工步驟有：測量放線(分區(qū))→鋪設(shè)主支濾排水管→砂墊層砂面整平→鋪設(shè)聚氯乙烯薄膜→施工密封溝→設(shè)置測量標(biāo)志→安裝射流泵→抽真空預(yù)壓固結(jié)土層→完工驗(yàn)收。

(四)施工工藝

首先，用全站儀對(duì)各真空預(yù)壓區(qū)域進(jìn)行測量放樣，用木樁和白石灰放出各加固單元邊線的準(zhǔn)確位置，并標(biāo)出砂墊層頂面的標(biāo)高。在挖密封溝的同時(shí)，進(jìn)行主(干)管和支濾管的加工、連接和安裝埋設(shè)。主管采用4寸鍍鋅鐵管，支濾管采用2寸鍍鋅鐵管，外包土工布濾水網(wǎng)。主管和支濾管間采用變徑三通、四通連接，同管徑的對(duì)接采用絲扣連接。全部吸水管均須埋人砂墊層中，并通過出膜器及吸水管與真空泵連接。在進(jìn)行此道工序的同時(shí)，將露出砂墊層表面的塑料排水板頭埋入砂墊層中。為保證真空預(yù)壓加固效果，兩個(gè)相鄰單元塊之間，須開挖真空預(yù)壓密封膜溝，單元塊內(nèi)要預(yù)留2米間隔不鋪設(shè)砂墊層。密封溝布置在各單元塊的四周，在真空預(yù)壓施工中它主要起周邊密封的作用。根據(jù)密封溝的位置，可分為加固塊外側(cè)的密封溝和單元塊之間的密封溝，它們分別具有不同的斷面。密封溝施工采用液壓反鏟挖掘機(jī)結(jié)合人工開挖，在鋪設(shè)密封膜后，密封溝還要用淤泥或粘土回填。在完成上述兩項(xiàng)工作后，應(yīng)先揀除砂墊層表面的尖棱小石子、尖銳貝殼及其他雜物，并人工細(xì)平砂墊層表

面。待埋設(shè)完真空表測頭及其他觀測儀器后，用人工將二層聚氯乙烯鹽用薄膜分層鋪放覆蓋整個(gè)真空預(yù)壓單元塊。然后將膜體周邊埋入密封溝內(nèi)，用淤泥、粘土回填密封溝并壓實(shí)，再向上修筑密封水圍堰。真空主管道通過出膜器及吸水膠管與真空泵連接。出膜器的連接必須牢固，密封性可靠安全。

在完成上述工作后，即可開始抽真空及抽充密封水膜，并將密封水膜覆蓋厚度保持在0，3m標(biāo)準(zhǔn)。開始抽真空以后，加固單元塊內(nèi)膜下真空度會(huì)持續(xù)上升。當(dāng)其膜下真空度達(dá)到并穩(wěn)定在80KPa以上時(shí)，即進(jìn)入真空預(yù)壓工程的正常預(yù)壓階段。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在試抽真空十天左右，檢查無透氣、透水現(xiàn)象時(shí)即可進(jìn)入正常真空預(yù)壓階段。當(dāng)真空預(yù)壓加固單元塊在膜下真空度達(dá)80KPa的條件下連續(xù)進(jìn)行，地基固結(jié)度ut≥80％；連續(xù)10天沉降速率不大于1mm／天，即可以停機(jī)卸荷，交工驗(yàn)收。

(五)施工監(jiān)測

進(jìn)行施工過程監(jiān)測不但能及時(shí)發(fā)現(xiàn)加固過程中出現(xiàn)的問題，以便及時(shí)解決它，而且能作為施工過程中的控制，根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)掌握工程的進(jìn)展和加固的效果，以判斷加固工程是否達(dá)到了預(yù)期的目的，從而決定加固工作的終止及后續(xù)工程的開始時(shí)間。

1、真空度監(jiān)測。對(duì)每個(gè)加固單元所設(shè)置的真空表都應(yīng)按照以下規(guī)程進(jìn)行觀測：在真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)期間，每隔2h測讀一次真空度，當(dāng)真空度達(dá)到要求后，每6h讀一次。

2、孔隙水壓力監(jiān)測。在孔隙水壓力計(jì)的探頭埋人到所要求的深度時(shí)，就要立即采集初始讀數(shù)，自加固開始后，每天觀測一次(在每天的同一時(shí)刻進(jìn)行觀測)。監(jiān)測后應(yīng)繪制各土層的P-T-u曲線，推算各土層的固結(jié)度。

3、地表沉降監(jiān)測。在獲得觀測的初始值后，每天量測一次(抽真空初期)，當(dāng)沉降速率小于2.0mm／d時(shí)，3d測量一次，當(dāng)沉，降速率小于1.0mm／d時(shí)，5d測量一次。加固結(jié)束后進(jìn)行地基回彈量的量測。監(jiān)測后應(yīng)繪制P-T-S曲線，推算s∞。、ch、u。

4、深層側(cè)向位移監(jiān)測。地基加固期間，每5d進(jìn)行側(cè)向變形觀測一次，直到加固工程結(jié)束。監(jiān)測后繪制軟土層的P-T-Sxy曲線及各土層最大的側(cè)向位移。

5、水位監(jiān)測。從真空預(yù)壓開始每天觀測一次，直到預(yù)壓結(jié)束。

6、深層分層沉降監(jiān)測。為了實(shí)測各土層的沉降及土層沿深度變化特征，自加固開始后，每天觀測一次。

四、結(jié)語

采用真空預(yù)壓技術(shù)處理防潮閘基礎(chǔ)軟基，處理效果好、成本低，能夠達(dá)到工程施工要求，而且縮短了工期，保證了閘主體工程的順利建設(shè)實(shí)施。

作者簡介：鄭冬艷，女，河北人，天津市水利工程建設(shè)管理中心工程師，碩士，研究方向：水利；翁杰，男，天津人，天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：水利。