新型增壓防堵真空預(yù)壓地基處理試驗(yàn)研究

北京鐵路局 北京 100860

某項(xiàng)目位于天津市濱海新區(qū)臨海部位，項(xiàng)目所處場(chǎng)區(qū)為圍海造地吹填土區(qū)域，回填區(qū)域淺海的淤泥是吹填土的主要材料來(lái)源，其顆粒較細(xì)、水含量高、土體空隙大、強(qiáng)度和承載力極低，并且具有很強(qiáng)的流變性，必須進(jìn)行地基處理，使其工程性能達(dá)到要求[1-4]。

吹填土地基加固處理的常用方法為真空預(yù)壓，經(jīng)過(guò)真空預(yù)壓處理后的地基承載力大幅提高，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。但該項(xiàng)目這種土質(zhì)造成該段區(qū)域吹填完成后，采用普通真空預(yù)壓技術(shù)需要較長(zhǎng)時(shí)間的泌水和固結(jié)。增壓防堵真空預(yù)壓法作為一項(xiàng)新型技術(shù)，是在常規(guī)真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，具有真空利用率較常規(guī)方法高、節(jié)省原材料、降低工程造價(jià)、對(duì)周邊環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)，由于該方法尚未在天津地區(qū)大面積推廣使用，因此需要開展相應(yīng)的試驗(yàn)研究確定其工藝參數(shù)，為加快施工提供理論基礎(chǔ)。

1 新型增壓防堵真空預(yù)壓原理

真空預(yù)壓施工的原理主要是利用壓差進(jìn)行地基加固，即利用一層密封膜使得大氣與土體達(dá)到隔絕狀態(tài)，進(jìn)而利用真空泵對(duì)軟土進(jìn)行抽真空，使地基砂墊層和排水板的孔隙水壓力迅速下降為負(fù)壓，對(duì)大氣產(chǎn)生壓差，利用大氣壓差施加到土體表層的壓力作為預(yù)壓荷載，從而使土體固結(jié)（圖1）。

而新型增壓防堵真空預(yù)壓是在對(duì)目標(biāo)軟土地基進(jìn)行真空預(yù)壓的施工過(guò)程中，通過(guò)在軟土地基中增設(shè)特殊微孔增壓管，利用增壓泵對(duì)地基軟土實(shí)施水平方向增壓，使軟土地基土體中的水分子沿增壓方向產(chǎn)生定向流動(dòng)，從而使土體加速固結(jié)，繼而土體上層部分對(duì)下層部分產(chǎn)生堆載效應(yīng)，相當(dāng)于真空聯(lián)合堆載的處理效果（圖2）。

圖1 常規(guī)真空預(yù)壓加固斷面示意

圖2 新型增壓防堵真空預(yù)壓加固斷面示意

增壓真空預(yù)壓固結(jié)系統(tǒng)在地基加固過(guò)程中，由真空系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)相互作用，通過(guò)壓力差將軟土地基土體中的孔隙水排出，提高地基承載力。增壓真空預(yù)壓地基加固一方面是真空預(yù)壓在發(fā)揮作用，另一方面，由于增壓系統(tǒng)的設(shè)置，在增壓管附近土體與排水板的水頭增大，擠迫地基土中的自由水進(jìn)入排水板，加強(qiáng)了降水預(yù)壓的作用。因此，在真空預(yù)壓基礎(chǔ)上設(shè)置增壓管加固地基的原理是利用真空預(yù)壓和排水預(yù)壓的組合，達(dá)到地基加固效果[5-8]。

增壓防堵相對(duì)于常規(guī)真空預(yù)壓，取消了水平砂墊層，并用手形接頭將排水板和鋼絲軟管連接，組成水平排水系統(tǒng)，并且采用防淤堵無(wú)紡布濾膜整體式排水板代替普通塑料排水板，同時(shí)增加了表層增壓系統(tǒng)，防止了管道堵塞。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

普通真空預(yù)壓與增壓防堵真空預(yù)壓試驗(yàn)對(duì)比的地點(diǎn)選在現(xiàn)場(chǎng)DK13+470～DK13+680段進(jìn)行，試驗(yàn)段分2個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)2 800 m2。試驗(yàn)段表層為沖填土、淤泥質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土。

其中1區(qū)采用增壓防堵真空預(yù)壓，預(yù)壓范圍70 m×40 m；塑料排水板深度為15 m，間距1 m，呈六邊形布置；增壓管深度為4 m，間距1.73 m，呈三角形布置。2區(qū)采用常規(guī)真空預(yù)壓，預(yù)壓范圍70 m×40 m；塑料排水板深度為15 m，間距1 m，呈六邊形布置。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，真空預(yù)壓前后及預(yù)壓過(guò)程中將嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行，其監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：地表沉降觀測(cè)、深層分層沉降觀測(cè)、孔隙水壓力觀測(cè)、水位觀測(cè)、膜下真空度觀測(cè)及加固前后現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣、室內(nèi)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)頻率按照設(shè)計(jì)要求如下：膜下真空壓力為2～4 h觀測(cè)1次；孔隙水壓力、地表沉降在加載前10 d每1 d觀測(cè)1次，10 d以后每2～4 d觀測(cè)1次；其余監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在加載前10 d每1～2 d觀測(cè)1次，10 d以后每3～5 d觀測(cè)1次；加固前后現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣及十字板剪切試驗(yàn)在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)各做1次。

增壓防堵真空預(yù)壓在膜下真空壓力達(dá)到80 kPa且出水量明顯減少時(shí)，啟動(dòng)增壓系統(tǒng)，采用間歇式增壓，間隔2 d增壓1次，連續(xù)增壓半個(gè)月。

3 工程試驗(yàn)過(guò)程

3.1 施工工藝

測(cè)量放線→預(yù)壓前鋪設(shè)土工織物或土工格柵→填素土→插設(shè)增壓管及塑料排水板→通過(guò)手形接頭及三通組建真空系統(tǒng)→增壓管通過(guò)三通組建增壓系統(tǒng)→布置密封溝→鋪設(shè)PVC真空膜、土工織物及無(wú)紡布→抽真空、增壓→堆載→卸載

3.2 操作要點(diǎn)

1）測(cè)量放線。本工程在施工前嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)單位提供的導(dǎo)線點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)線和水準(zhǔn)的復(fù)測(cè)工作，施工放樣時(shí)選擇的控制點(diǎn)即為在復(fù)測(cè)時(shí)布設(shè)的加密點(diǎn)。放樣點(diǎn)用全站儀進(jìn)行測(cè)設(shè)，并做好標(biāo)記。具體包括塑料排水板控制點(diǎn)、增壓防堵真空預(yù)壓區(qū)邊界點(diǎn)、土工織物鋪設(shè)范圍以及素土填筑范圍，并用白石灰灑出邊線。

2）預(yù)壓前鋪設(shè)土工織物或土工格柵。測(cè)量完畢后應(yīng)及時(shí)鋪設(shè)土工織物或土工格柵，其邊線即為增壓防堵真空預(yù)壓邊線，土工格柵之間采用扎帶固定，然后用扎帶扎緊。

3）插設(shè)塑料排水板。由于塑料排水板容易在打設(shè)過(guò)程中受到其他物體的剮蹭，故在施工過(guò)程中應(yīng)盡量小心。禁止將已連接完成的排水板放置于水中及淤泥上，防止塑料排水板受到污染。

4）通過(guò)手形接頭及三通組建真空系統(tǒng)。在組建真空系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)用手形接頭、三通、排水板及真空管覆蓋密封膜等共同作用形成真空系統(tǒng)。增壓管應(yīng)放置在防淤堵排水板中間。在鋪設(shè)主、支真空管及手形接頭時(shí)，首先將手形接頭與排水板連接，然后鋪設(shè)主、支真空管，主管和支管采用變徑三通、四通連接，最后將支管及手形接頭連接后開啟真空泵，檢驗(yàn)是否有漏氣現(xiàn)象產(chǎn)生。

5）增壓系統(tǒng)施工。選用增壓管時(shí)為了保證土體水分子在壓力作用下能夠定向流動(dòng)，故應(yīng)選擇能均勻分布?jí)毫?、具有特殊過(guò)濾層且具有收縮能力的水平井微孔透水增壓管。增壓管應(yīng)放置于排列成正六邊形的防淤堵排水板中間位置，管頭與三通連接后共同組成增壓系統(tǒng)。

6）布設(shè)密封溝。密封溝在開挖前應(yīng)預(yù)先確定開挖的邊界，并應(yīng)沿加固區(qū)邊界進(jìn)行開挖。其開挖深度應(yīng)以能夠切斷透水層為宜，邊坡應(yīng)平滑且無(wú)其他雜物存在，為了避免真空膜的破損，回填材料應(yīng)選用純黏土且分層夯實(shí)。

7）鋪設(shè)真空膜。真空膜應(yīng)采用熱合法加工，為了保證能與加固區(qū)很好地銜接，形成一個(gè)整體，其形狀要與加固區(qū)一致，并在運(yùn)輸前注意成品保護(hù)，確保運(yùn)輸過(guò)程中真空膜的安全完整。鋪設(shè)密封膜前需將基層處理平整，避免真空膜被硬物破壞。鋪設(shè)時(shí)施工作業(yè)人員應(yīng)穿軟底鞋，從上風(fēng)向鋪向下風(fēng)向，加固區(qū)四周應(yīng)留設(shè)一定的預(yù)留量。

8）安裝真空泵及增壓泵。安裝真空泵及增壓泵應(yīng)在鋪膜前進(jìn)行，在出膜彎管與真空主管、增壓主管連接好后及時(shí)放置下壓盤及下橡膠墊圈，鋪膜后在觸摸彎管口把膜剪開，及時(shí)放好上壓板及上橡膠墊圈，并在其間用黃油涂抹均勻，在確認(rèn)橡膠墊圈與膜間無(wú)異物后及時(shí)上緊最后2個(gè)螺母。

9）抽真空、增壓。覆水前檢查每臺(tái)射流泵是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、薄膜密封是否良好，并與真空試抽同時(shí)進(jìn)行，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題必須及時(shí)進(jìn)行處理。試抽真空正常時(shí)間宜為7～10 d，膜下真空正常壓力值應(yīng)達(dá)到0.06～0.08 MPa，如有問(wèn)題立即處理。抽真空及膜下真空壓力值在正常狀態(tài)時(shí)應(yīng)能穩(wěn)定在0.08 MPa。

4 過(guò)程監(jiān)測(cè)和檢測(cè)

4.1 地面沉降監(jiān)測(cè)

按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求必須在處理軟土的相應(yīng)地段設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)參照物，參照物由觀測(cè)標(biāo)志及沉降板組成，沉降板可采用尺寸為600 mm×600 mm×9 mm的鋼板，沉降標(biāo)志由立桿（即沉降桿，可采用φ50 mm鋼管）、4塊鋼肋板及1根鋼套管組成，沉降標(biāo)志部件必須在沉降板上焊接牢固。

為了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確，觀測(cè)標(biāo)志立桿應(yīng)隨填土高度變化，觀測(cè)標(biāo)志立桿的每段接管長(zhǎng)度可設(shè)置為500 mm左右，為了使鋼管接長(zhǎng)后不致因地面擾動(dòng)而影響監(jiān)測(cè)，要求鋼管接長(zhǎng)時(shí)必須咬緊（可用鋼管套絲機(jī)對(duì)鋼管進(jìn)行套絲后連接）。除此之外還應(yīng)設(shè)置明顯的標(biāo)志及標(biāo)語(yǔ)等，以防在施工過(guò)程中發(fā)生碰撞，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.2 土體水平位移監(jiān)測(cè)（豎向測(cè)斜管）

按照設(shè)計(jì)要求本工程需要對(duì)深層土體進(jìn)行水平位移的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)前可采用鉆機(jī)對(duì)深層土體進(jìn)行導(dǎo)孔的埋設(shè)，鉆機(jī)鉆頭的前端以及后端等特殊的部位，必須采用2道環(huán)形硬質(zhì)合金鋼進(jìn)行圍焊焊接，且每道至少4個(gè)?？紤]到要在鉆桿的兩側(cè)面設(shè)置垂直度儀對(duì)水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，故必須在靠近整平孔點(diǎn)的地表場(chǎng)地進(jìn)行鉆機(jī)及鉆桿的定位及固定。鉆機(jī)在成孔過(guò)程中應(yīng)在水平和垂直2個(gè)方面同時(shí)保證成孔的垂直度，垂直度的最小值可設(shè)置為1%。為防止土體坍塌，在終孔后應(yīng)快速拔出鉆桿并用已準(zhǔn)備好的底部已經(jīng)封死的測(cè)斜管進(jìn)行埋設(shè)。監(jiān)測(cè)方法為向測(cè)斜管內(nèi)充水拼裝到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度下沉、回填并及時(shí)沖管，最后管口要及時(shí)加蓋并固定牢固。監(jiān)測(cè)時(shí)，可采用測(cè)斜儀對(duì)水平位移進(jìn)行測(cè)試，讀數(shù)的頻次嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。

4.3 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

在確定埋設(shè)地點(diǎn)后用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的深度后方可將孔隙水壓力計(jì)放入孔內(nèi)，每個(gè)孔隙水壓力計(jì)間距最小值可設(shè)置為1 000 mm，為確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須采取措施防止水壓連通，應(yīng)在相鄰2個(gè)孔隙水壓力計(jì)間設(shè)置隔斷，并在監(jiān)測(cè)時(shí)采用頻率接收儀。

4.4 深層沉降監(jiān)測(cè)

在確定的地點(diǎn)采用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔并埋設(shè)導(dǎo)孔，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的深度后，按照先埋設(shè)波紋管、后插入導(dǎo)管的順序壓至孔底。波紋管的底部要進(jìn)行封堵并確保堵死，波紋管及導(dǎo)管的外露長(zhǎng)度分別為150～200 mm及300～500 mm，并且波紋管應(yīng)采用可靠措施進(jìn)行固定牢固。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，導(dǎo)管應(yīng)隨填土而接長(zhǎng)并采取可靠的保護(hù)措施[9-11]。

4.5 原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)

在地基加固前及地基預(yù)壓結(jié)束并確保穩(wěn)定后，分別對(duì)相應(yīng)的土體進(jìn)行靜力觸探、物理力學(xué)性能及十字板剪切等3項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)斷面可根據(jù)工程及地質(zhì)的不同而變化。

5 增壓防堵真空預(yù)壓加固試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 土體沉降觀測(cè)

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，真空預(yù)壓期間加固區(qū)實(shí)測(cè)分層沉降為1 104～1 172 mm，考慮插板期間沉降后，地基土在施工期間的總沉降為1 384～1 452 mm。卸載時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)分層沉降資料推算地基土平均固結(jié)度為90.4%～93.8%，卸載時(shí)沉降速率小于2.0 mm/d，滿足設(shè)計(jì)卸載要求。此外，采用增壓真空預(yù)壓技術(shù)的1區(qū)較采用普通真空預(yù)壓技術(shù)的2區(qū)總的沉降和綜合固結(jié)度高（圖3）。

圖3 地基沉降情況對(duì)比

5.2 孔隙水壓力觀測(cè)

打設(shè)塑料排水板后，在真空預(yù)壓區(qū)中心點(diǎn)附近埋設(shè)1組孔隙水測(cè)頭，埋設(shè)位置在排水板所圍區(qū)域的中心位置，埋設(shè)深度為設(shè)計(jì)要求深度?？紫端畨毫y(cè)頭用以監(jiān)測(cè)真空預(yù)壓施工期間土體內(nèi)部孔隙水壓力消散情況。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果分析可知，鋪膜前地基內(nèi)孔隙水壓力大于測(cè)頭位置的靜水壓力，地基內(nèi)存在一定程度的超靜水壓力，地基土處于欠固結(jié)狀態(tài)。這一情況與地基土的應(yīng)力歷史基本吻合，而真空預(yù)壓過(guò)程中孔隙水壓力消散明顯，土體發(fā)生固結(jié)（圖4）。

圖4 增壓真空預(yù)壓孔隙水壓力與時(shí)間變化過(guò)程曲線

5.3 靜力觸探試驗(yàn)分析

根據(jù)加固前后靜力觸探結(jié)果對(duì)比分析可知，主要加固土層土體的側(cè)摩阻力及端摩阻力均有一定程度提高。表明采用新型真空預(yù)壓技術(shù)對(duì)提高地基承載力的效果明顯（圖5）。

5.4 水位觀測(cè)分析

在預(yù)壓期間，地基中的孔隙水會(huì)在荷載作用下通過(guò)排水通道排出地基土體，造成軟土地基中的水位下降。在試驗(yàn)區(qū)外側(cè)埋設(shè)水位管，對(duì)加固區(qū)外的地下水變化情況進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果表明：在真空預(yù)壓過(guò)程中，加固區(qū)外水位隨著預(yù)壓的進(jìn)行而越來(lái)越低，在預(yù)壓期間加固區(qū)外的地下水位發(fā)生了明顯的下降，幅度范圍在1.51～1.98 m之間。并通過(guò)對(duì)地基加固后不同深度土體含水量的測(cè)量，表明采用增壓真空預(yù)壓技術(shù)較常規(guī)真空預(yù)壓可更有效地降低土體的含水量（圖6）。

圖5 加固前后比貫入阻力

圖6 加固后含水量對(duì)比

5.5 十字板剪切結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)觀測(cè)得出十字板剪切數(shù)據(jù)，并對(duì)加固前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明新型真空預(yù)壓處理大大提高了各層土體的抗剪強(qiáng)度，包括淤泥層、黏土層、粉質(zhì)黏土層等。十字板抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)較大，加固前的數(shù)據(jù)為1.1～34.2 kPa，加固后的數(shù)據(jù)為12.0～47.8 kPa。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，加固區(qū)域土體的物理性能指標(biāo)發(fā)生了較大改變，大大提高了加固土層的抗剪力學(xué)強(qiáng)度。因此，采用新型真空預(yù)壓處理比普通真空預(yù)壓處理效果較為明顯（圖7）。

圖7 試驗(yàn)區(qū)十字板強(qiáng)度

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上1區(qū)和2區(qū)的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，新型增壓防堵真空預(yù)壓技術(shù)與普通真空預(yù)壓比較，主要有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

1）經(jīng)過(guò)2種方法真空預(yù)壓處理，地基均發(fā)生了較大規(guī)模的沉降，采用新型真空預(yù)壓處理后，地表總沉降值大幅增加（1區(qū)比2區(qū)總沉降量增加68 mm），因此大大減少了上部結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物加載后的工后沉降值。

2）根據(jù)預(yù)壓期間實(shí)測(cè)分層沉降資料，卸載時(shí)推算地基土的綜合固結(jié)度為90.4%～93.8%，卸載前沉降速率均小于2 mm/d，新型真空預(yù)壓土體綜合固結(jié)度明顯增加（綜合固結(jié)度由2區(qū)的90.4%增加至1區(qū)的93.8%）。

3）由于采用增壓后淤泥質(zhì)土層含水率降低較快，因此土體地下水水位下降幅度較大（水位下降幅度1區(qū)平均為1.92 m，2區(qū)平均為1.73 m）。

4）取消了普通真空預(yù)壓需要的砂墊層，對(duì)施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)，加快了地基加固實(shí)施進(jìn)度，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5）從十字板剪切實(shí)驗(yàn)和靜力初探實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，加固區(qū)域土層的抗剪強(qiáng)度和地基承載力均有所提高，而采用新型增壓防堵真空預(yù)壓技術(shù)的效果更為明顯。