增壓式真空預(yù)壓施工工藝研究

楊子江，余 江，劉 輝，金亞偉，金亞軍

(1.中鐵六局集團(tuán)有限公司北京鐵路建設(shè)有限公司，北京 100036;2.宜興市鑫泰土工材料有限公司，江蘇宜興 214267)

1 概述

軟黏土強(qiáng)度低、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，通常需要進(jìn)行地基處理才能滿足建筑物基礎(chǔ)要求。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法是將需要加固的土體設(shè)置豎向(塑料排水板)和橫向排水裝置(砂墊層)并在上部預(yù)堆荷載共同作用下形成的加固體系。由于軟土強(qiáng)度低，上部堆載荷載不能加得過(guò)大過(guò)快，這導(dǎo)致了工期較緊的一些工程無(wú)法及時(shí)按合同竣工。同時(shí)，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明，在真空預(yù)壓抽真空進(jìn)行到50 d左右時(shí)，塑料排水板表層濾膜受到細(xì)顆粒淤泥堵塞后其滲透系數(shù)大大降低，從而導(dǎo)致排水板通水量下降;同時(shí)，橫向排水通道(濾管)表面的小孔及土工布長(zhǎng)期浸泡在含水砂墊層之中，易被砂粒堵塞，從而使得橫向排水系統(tǒng)的排水性能降低;地基產(chǎn)生的大變形將影響硬質(zhì)材料構(gòu)成的主、支濾管壓縮變形，從而影響管路系統(tǒng)的排水性能;常規(guī)式真空預(yù)壓的真空度通過(guò)真空泵-主管-濾管上小孔-密封膜下-塑料排水板(地基土中)的流程進(jìn)行傳遞，但開(kāi)放式系統(tǒng)將造成真空預(yù)壓效果大大下降。最后，對(duì)于大面積的處理場(chǎng)地而言，必須分段進(jìn)行密封，密封溝溝底必須挖至不透氣的淤泥層，而對(duì)于回填層較厚的場(chǎng)地施工難度很大，從而造成密封溝深度不夠，而場(chǎng)地的真空度不足。為解決這一矛盾，增壓式真空預(yù)壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

2 增壓式真空預(yù)壓的工作原理

增壓式真空預(yù)壓是在塑料排水板間設(shè)置增壓管，待常規(guī)真空預(yù)壓固結(jié)度達(dá)40%后，使增壓管開(kāi)始工作，土體中心增加了正氣壓(壓力為40 N)，使土體中心與排水板的壓力差增加，使真空預(yù)壓的加固效果得到了明顯改善。增壓式排水板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。增壓式真空預(yù)壓是把防淤堵排水板與真空管連接，泥砂粒無(wú)法進(jìn)入，真空直達(dá)防淤堵排水板內(nèi)部，防淤堵排水板濾膜內(nèi)外產(chǎn)生較大壓差，使軟基中含水量快速排出，再在土體均勻分布增壓管，使土體水分子在壓力作用下定向流動(dòng)，對(duì)軟基進(jìn)行快速固結(jié)，在有限工期內(nèi)大幅度提高地基強(qiáng)度及固結(jié)深度，降低工后沉降，實(shí)際效果更佳。同時(shí)，采用手形接頭、鋼絲軟管將整個(gè)排水系統(tǒng)形成一個(gè)封閉的系統(tǒng)，確保預(yù)壓期的真空度。增壓式與常規(guī)真空預(yù)壓的對(duì)比見(jiàn)表1，增壓式真空預(yù)壓的排水路徑見(jiàn)圖1。

表1 增壓式真空聯(lián)合堆載預(yù)壓與常規(guī)真空聯(lián)合堆載的對(duì)比

一方面，真空預(yù)壓的加固原理在發(fā)揮作用;另一方面，設(shè)置了增壓管后，增加了增壓段中與膜下水頭的大小，擠迫土中自由水進(jìn)入塑料排水板，相當(dāng)于補(bǔ)充了降水預(yù)壓的作用。因此，在真空預(yù)壓中設(shè)置增壓管的工作原理是真空預(yù)壓和排水預(yù)壓的組合處理辦法。

圖1 增壓式真空聯(lián)合堆載排水過(guò)程

與常規(guī)相比較，主要區(qū)別在于增壓管設(shè)置過(guò)程的不同，待土體固結(jié)度達(dá)到40%以上后(根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)約需要50 d時(shí)間)開(kāi)始進(jìn)行增壓施工。首先利用空壓機(jī)及增壓管網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)增壓管向有一定固結(jié)度的土體中打氣增壓，加速土體中水分進(jìn)入塑料排水板，此時(shí)隨著打氣增壓作業(yè)的進(jìn)行，膜下真空度將會(huì)降低，待膜下真空度降低至40 kPa后停止打氣作業(yè);其次在停止打氣增壓作業(yè)后，在真空泵抽真空的作用下，膜下真空度會(huì)逐漸由40 kPa增加到80 kPa;最后重復(fù)按照第一步的方法進(jìn)行打氣增壓施工。以上施工過(guò)程往復(fù)進(jìn)行，起到增壓施工的效果，在打氣增壓過(guò)程中，真空泵不停止工作。

3 增壓式真空預(yù)壓的施工工藝

增壓式真空聯(lián)合堆載主要施工步驟:

平整土地→施工放線定位→塑料排水板施工→增壓管施工→真空系統(tǒng)連接→增壓管連接→密封墻密封溝施工→埋設(shè)孔壓測(cè)量裝置→覆蓋密封膜→抽真空→抽至真空度≥80 kPa→真空恒載→增壓系統(tǒng)增壓0～40 N壓力→減壓往復(fù)進(jìn)行→堆載→真空固結(jié)→停泵終止抽氣→卸載→檢測(cè)。

3.1 增壓式真空預(yù)壓的設(shè)備和材料

增壓式真空預(yù)壓固結(jié)系統(tǒng)一部分是真空系統(tǒng)，由塑料排水板連接手形接頭，再由手形接頭連接三通，用PVC管連接而成，外部用PVC膜做密封層，使土體內(nèi)部產(chǎn)生真空，對(duì)軟基進(jìn)行快速固結(jié)。第二部分是由增壓系統(tǒng)組成，由塑料排水板按規(guī)則圖形分布，中間放置增壓管，增壓管是由微孔可變形的特殊管材組成，外接增壓泵，根據(jù)真空出水量調(diào)整壓力，使土體產(chǎn)生較大壓差，并且使水定向流到塑料排水板內(nèi)再由真空快速排出，土體水位快速降至增壓管以下，增壓管深度以上的土體又形成荷載，對(duì)下部土體形成堆載預(yù)壓，固結(jié)影響深度加深，在深層土體產(chǎn)生二次固結(jié)現(xiàn)象，在有限的工期內(nèi)大大提高地基強(qiáng)度，降低工后沉降。

3.2 塑料排水板插打施工

(1)插打塑料排水板的布設(shè)

塑料排水板通常按照正六邊形布設(shè)。

(2)塑料排水板插打工藝方法

①測(cè)量定位:采用全站儀和鋼尺進(jìn)行排水板打設(shè)區(qū)域控制角點(diǎn)精確定位，對(duì)每個(gè)塑料排水板的打設(shè)點(diǎn)位置進(jìn)行施工放樣，并做好標(biāo)識(shí)標(biāo)記;②插板機(jī)就位:根據(jù)打設(shè)板位標(biāo)記進(jìn)行插板機(jī)定位;③安裝管靴:將塑料排水板穿過(guò)插板機(jī)的套管，從套管下端穿出，與專用管靴連接(圖2);④調(diào)整垂直度:調(diào)整插板機(jī)套管的垂直度，滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定的要求;⑤高程控制:在打設(shè)套管上設(shè)置明顯的深度標(biāo)記，確保排水板的插入深度;⑥打設(shè)、拔管:將插板機(jī)套管(連同管靴和塑料排水板)插入地層，當(dāng)排水板插入到設(shè)計(jì)深度后，拔出插板機(jī)套管，于是排水板被固定于孔底;⑦剪斷排水板:插打排水板完成后，拔出插板機(jī)套管并剪斷排水板，塑料排水板超過(guò)孔口的長(zhǎng)度為深入砂墊層500 mm，預(yù)留段及時(shí)埋設(shè)于砂墊層中;⑧檢查排水板板位、垂直度、打設(shè)深度、外露長(zhǎng)度等，符合規(guī)范要求后方可移機(jī)，否則須在鄰近板位處重打;⑨插入塑料排水板后，在孔洞收縮之前，用中粗砂及時(shí)回填，防止泥土等雜物掉入孔內(nèi)。

圖2 排水板與管靴連接示意(單位:mm)

3.3 增壓管施工

(1)增壓管結(jié)構(gòu)

增壓管由若干節(jié)依次相連的透水軟管組成，透水軟管由螺旋形彈性支撐架和濾布組成，每節(jié)透水軟管的兩頭置有可配接的螺紋接頭，第一節(jié)軟管前端上旋接有錐形封頭，最末節(jié)軟管后端旋接有法蘭。

材料采用的增壓管長(zhǎng)度為8 m，透氣段長(zhǎng)6 m，不透氣段長(zhǎng)2 m;為保證增壓施工過(guò)程中增壓管臨近地表層部分不漏氣，在增壓管后端2 m設(shè)置不透氣段。

(2)增壓管布設(shè)要求

增壓管布置在6根塑料排水板組成的正六邊形中心，增壓管長(zhǎng)度8 m，即如果將增壓管看作塑料排水板，整個(gè)區(qū)域?qū)⑴c一、二區(qū)的排水板布置形式相同(一、二區(qū)采用正三角形布置)。具體的布置形式見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 增壓管布置

圖4 增壓管布置

(3)增壓管施工方法

增壓管的插打施工按課題組發(fā)明的特制裝置進(jìn)行，插打的基本過(guò)程是首先利用本裝置形成的高速高壓水流在地基土體中沖孔，然后利用本裝置的導(dǎo)向、導(dǎo)流作用將增壓管插打進(jìn)入地基土體中(圖5)。

3.4 手形接頭連接及真空排水管網(wǎng)連接

手形接頭的主要作用是將塑料排水板和橫向的真空排水支管網(wǎng)密封地連接形成一個(gè)整體，從而達(dá)到高效傳遞真空度的作用。主管采用φ75 mm PVC管，支管采用鋼絲軟管。

圖5 增壓管插打施工

施工中首先清理已插打完成的塑料排水板板頭并將超出規(guī)定尺寸的板頭裁剪，隨后安裝手形接頭。接頭安裝后使用木釘槍(413型氣壓式)將手形接頭與塑料排水板連接處用訂書(shū)釘密封，隨后用鋼絲軟管將手形接頭連接，再使用木釘槍(氣壓式)將手形接頭與鋼絲軟管連接處用訂書(shū)釘密封，如圖6所示。

圖6 塑料排水板、手形接頭及橫向支管網(wǎng)組成一個(gè)整體

在管網(wǎng)靠近加固邊線的兩端，每一橫行的支管路接入真空排水主管路，主管路通過(guò)出膜裝置與真空泵連接，見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 連接成形的主管路

圖8 連接成形的支管路

3.5 增壓管網(wǎng)連接

增壓管網(wǎng)連接方式類似于真空排水管網(wǎng)的連接方式，主要區(qū)別在增壓管管體自身帶有1個(gè)三通裝置，其中三通一端已與增壓管相連，只需用鋼絲軟管將每一行的增壓管尾部三通中的另外兩端依次相連，組成一整套的增壓系統(tǒng)支管系統(tǒng);最后在施工區(qū)兩邊接入由φ75 mm PVC管組成的主管系統(tǒng)即可;增壓管尾部三通管頭與鋼絲軟管相連時(shí)同樣采用人工操作，用木釘槍(413型氣壓式)用釘書(shū)釘密封連接。圖9為增壓管管網(wǎng)連接的現(xiàn)場(chǎng)相片。

3.6 管路出膜后與真空、增壓機(jī)械連接

增壓主管每隔20 m連接一個(gè)出膜管，出膜管采用出膜裝置穿透密封膜后與空壓機(jī)連接組成一個(gè)完整的增壓系統(tǒng);同樣真空排水主管每隔20 m連接1個(gè)出膜

圖9 增壓管網(wǎng)的連接示意

管，出膜管采用出膜裝置穿透密封膜后與真空泵連接組成1個(gè)完整的真空排水系統(tǒng)。出膜管的現(xiàn)場(chǎng)相片如圖10所示。

圖10 出膜裝置示意

在加固區(qū)兩側(cè)安裝真空泵，真空泵選用功率為7.5 kW的IS型，其抽氣速率≥4 m3/min，每臺(tái)泵可控制1 000 m2。安放時(shí)注意將真空泵進(jìn)水口和管路出膜口保持同一平面，保證真空泵能發(fā)揮最大功效，如圖11所示。

增壓裝置選用空壓機(jī)流量為6.0 m3/min，連接完成后的增壓系統(tǒng)見(jiàn)圖12。主管出膜裝置是指膜下主管與膜外的真空泵或空壓機(jī)相連接的一種裝置，該裝置使整個(gè)膜內(nèi)外管路形成一個(gè)有機(jī)整體，使管路系統(tǒng)連續(xù)、通暢，同時(shí)保證薄膜不漏氣。

圖11 連接好的真空排水系統(tǒng)

圖12 連接好的增壓系統(tǒng)

3.7 密封體系

密封體系由加固邊界的密封墻構(gòu)成的四周密封體和由加固區(qū)表面覆蓋的密封膜構(gòu)成表面密封體兩部分組成。

(1)密封墻施工

密封墻采用泥漿攪拌樁，采用攪拌機(jī)械以淤泥為材料，按照攪拌樁的施工工藝進(jìn)行密封墻的施工。每道密封墻共2排樁，樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)進(jìn)入原地面以下1～1.5 m，樁長(zhǎng)4～5 m，同一排樁之間相互咬合10 cm，第一排樁與第二排樁之間咬合25 cm，形成連續(xù)的墻狀結(jié)構(gòu)，起到止水、密封的效果。密封墻的施工見(jiàn)圖13。泥漿含砂率要求≤5%，比重不低于1.35，pH值以7.5～8.5為宜，泥漿膠體率應(yīng)＞45%。

圖13 密封墻疊加示意(單位:cm)

(2)密封膜施工

密封膜采用2層聚乙稀薄膜，每層膜厚0.12～0.14 mm，其密封膜的指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 密封膜的指標(biāo)參數(shù)

密封膜采用人工鋪設(shè)方式，先鋪設(shè)1層，然后再鋪設(shè)第2層。在鋪設(shè)密封膜前需要先在場(chǎng)地上鋪設(shè)1層土工布保護(hù)密封膜。施工中需要注意的是選擇在晴朗、無(wú)風(fēng)天氣進(jìn)行施工，施工無(wú)間斷，2層膜連續(xù)鋪設(shè)，以保證2層膜之間能夠密貼。

3.8 真空預(yù)壓施工

真空泵系統(tǒng)(將水泵、水箱、閘閥、截止閥、出膜口按要求連接)安裝完畢后，將配電箱與真空泵處漏電開(kāi)關(guān)盒和真空泵的電路接通后，空載調(diào)試真空射流泵，當(dāng)真空射流泵能實(shí)現(xiàn)真空度600 mmHg以上后，開(kāi)始試抽真空。

在膜面上、壓膜溝處仔細(xì)檢查有無(wú)漏氣處，發(fā)現(xiàn)后及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。如果在抽氣時(shí)發(fā)生漏氣，孔眼會(huì)發(fā)出鳴叫聲，可循聲進(jìn)行徹底檢查。抽真空的初始階段，為防止真空預(yù)壓對(duì)加固區(qū)周圍土體造成瞬間破壞，必須嚴(yán)格控制抽真空速率;可先開(kāi)啟半數(shù)真空泵，然后逐漸增加真空泵工作臺(tái)數(shù)。當(dāng)真空度達(dá)到400 mmHg，經(jīng)檢查無(wú)漏氣現(xiàn)象后，開(kāi)啟所有的真空泵，將膜下真空度提高到600 mmHg后，開(kāi)始恒載抽真空。

為保證抽真空的正常進(jìn)行，需要24 h不間斷地觀察檢查，對(duì)真空度表、真空泵的變化也要做好記錄，當(dāng)發(fā)現(xiàn)漏氣，泵損壞等問(wèn)題要及時(shí)維修，保證真空系統(tǒng)、密封系統(tǒng)正常工作。電力供應(yīng)的連續(xù)不斷是保證抽真空裝置連續(xù)工作的必要條件，施工前確定電源的供應(yīng)能力，必要時(shí)適當(dāng)配置一定數(shù)量的發(fā)電機(jī)，以備停電所需。

3.9 增壓施工

待土體固結(jié)度達(dá)到40%以上后(根據(jù)本試驗(yàn)約需要50 d時(shí)間)開(kāi)始進(jìn)行增壓施工。首先利用空壓機(jī)及增壓管網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)增壓管向具有一定固結(jié)度的地基土中打氣增壓，加速土體中水分進(jìn)入塑料排水板;隨著打氣增壓作業(yè)的進(jìn)行，膜下真空度將會(huì)降低，待膜下真空度降低至40 kPa后停止打氣作業(yè);在停止打氣增壓作業(yè)后，在真空泵抽真空的作用下，膜下真空度會(huì)逐漸由40 kPa增加到80 kPa;又重復(fù)按照第一步的方法進(jìn)行打氣增壓施工。以上施工過(guò)程往復(fù)進(jìn)行，就能達(dá)到增壓施工的效果。在打氣增壓過(guò)程中，真空泵不停止工作。

4 處理效果分析

珠海西站為二級(jí)三場(chǎng)區(qū)段站，車站起止里程DK176+100～DK179+050，面積32萬(wàn)m。車站設(shè)到發(fā)線4條(含正線)、預(yù)留3條，有效長(zhǎng)850 m;綜合貨場(chǎng)1座，設(shè)貨物線3條，預(yù)留貨物線3條;貨場(chǎng)牽出線1條，有效長(zhǎng)850 m。該場(chǎng)地地貌為海相堆積平原區(qū)，地形平坦。表層為第四系人工填土、海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等，下伏基巖為燕山期花崗巖。場(chǎng)地分4個(gè)區(qū)進(jìn)行，一區(qū)、二區(qū)為常規(guī)真空預(yù)壓，三區(qū)、四區(qū)為增壓式真空預(yù)壓。場(chǎng)地的排水板長(zhǎng)度均采用22 m，堆載高度為2 m;其中一區(qū)、二區(qū)排水板采用正三角形布置，間距分別為1.0 m和0.8 m，三區(qū)、四區(qū)排水板采用正六邊形布置，間距分別是1.0 m和1.2 m，六邊形中心設(shè)置8 m深度增壓管。具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)區(qū)工程概況對(duì)照

圖14為一區(qū)(常規(guī)真空預(yù)壓)和三區(qū)(增壓式真空預(yù)壓)不同位置的地表沉降隨時(shí)間的變化曲線，N1C1和N1C4分別代表一區(qū)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)1和4點(diǎn)，同樣，N3C1和N3C4分別代表三區(qū)相同位置地表沉降觀測(cè)點(diǎn)1和4點(diǎn)。從圖14可以看出，在增壓管開(kāi)始工作前，N1C1與N3C1、N1C4與N3C4的沉降差異不大，在此期間N1C4的沉降量甚至比N3C4大;待增壓管開(kāi)始工作后，一區(qū)和三區(qū)以上所述2個(gè)位置的沉降差異開(kāi)始增大，尤其表現(xiàn)為增壓管工作3個(gè)月(圖上橫坐標(biāo)為 150 d)后，N1C1的沉降量為1 550.0 mm，而N3C1處的沉降量達(dá)1 591.3 mm，相差了41.3 mm;同樣的，同期N1C4與N3C4的沉降量分別為1 505.2 mm和1 585.7 mm，相差達(dá)80.5 mm。而N1C1與 N3C1最終的沉降量分別為1 690 mm和1 800 mm，相差達(dá)110 mm;而N1C4與N3C4最終的沉降量分別為1 640 mm和1 852 mm，相差達(dá)212 mm。

圖14 一區(qū)與三區(qū)地表沉降變化曲線

表4為對(duì)應(yīng)位置的沉降對(duì)比，在2 m深度對(duì)應(yīng)位置，一區(qū)和三區(qū)沉降量分別為1 322.4 mm和1 629.3 mm，由于增壓管的設(shè)置，其沉降量增長(zhǎng)了23.2%;同樣的，在4 m的位置，其沉降增長(zhǎng)量達(dá)22.3%，但在增壓管偏下位置(10 m)深度，2個(gè)區(qū)的沉降量非常接近，其沉降增長(zhǎng)量?jī)H有5.7%，說(shuō)明增壓管的處理的增長(zhǎng)效果只能體現(xiàn)于其長(zhǎng)度范圍內(nèi)，向下延伸的幅度不大。

表4 增壓管處理范圍內(nèi)沉降對(duì)比值

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)闡述了一種新型軟基處理形式-增壓式真空預(yù)壓的施工工藝，并指出了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)和施工要點(diǎn)，對(duì)今后同類的工程有一定的借鑒作用;同時(shí)，增壓式真空預(yù)壓在預(yù)壓期的沉降量明顯大于常規(guī)處理方式，而且能節(jié)約大量的施工期，也給軟基處理提供一種嶄新的設(shè)計(jì)理念。

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