水利工程軟土地基處理中真空預(yù)壓聯(lián)合注漿法的應(yīng)用研究

王任飛

(錦州市新禹水利工程有限公司，遼寧 北鎮(zhèn) 121300)

1 工程概況

流塑狀的粉土或淤泥質(zhì)土為水利工程中最常見的軟弱土，此類土具有壓縮性高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，易受到振動(dòng)或水體的影響而產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，特別是在具有較高等級和建設(shè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的水利樞紐工程中，由于存在軟弱夾層使得工程的潛在風(fēng)險(xiǎn)較大[1]。

遼寧省某水利工程試驗(yàn)場地總面積1500m2，寬30m、長50m，場地內(nèi)地勢較為平坦，吹填后初次地基處理。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)、靜力觸探測試及現(xiàn)場鉆取土檢測結(jié)果，自下而上可將勘察深度內(nèi)的土層分為5種類型，即：①淤泥質(zhì)黏土：此類土為該工程的主要土質(zhì)類型，土體防滲性和整體質(zhì)量一般；②淤泥質(zhì)(粉質(zhì))黏土：此類土體的工程性質(zhì)和抗沖刷能力一般，透水性處于微-弱水平；③粉砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：工程性質(zhì)和抗沖刷能力較差，透水性處于微透水水平，且力學(xué)強(qiáng)度較低；④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：土質(zhì)的工程性質(zhì)與抗沖刷能力差，力學(xué)強(qiáng)度低且孔隙比大，壓縮性高、透水性處于微透水狀態(tài)；⑤吹填土：力學(xué)性能和抗沖刷能力一般，微透水。因此，場地內(nèi)土質(zhì)具有強(qiáng)度低、孔隙比高和壓縮性強(qiáng)等特征，因此為典型的軟弱土地基。

通常情況下，為滿足工程建設(shè)需要經(jīng)初步地基處理和吹填后的場地仍需進(jìn)行二次處理。在水利工程軟基處理中真空預(yù)壓法較常規(guī)的注漿、強(qiáng)夯法、堆載預(yù)壓法等技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，然而軟基處理中單一的真空預(yù)壓法存在工后沉降較大、處理工期長等問題，往往無法達(dá)到工程建設(shè)要求。所以，為提高大面積超軟地基的承載力有必要研發(fā)一種新的地基加固技術(shù)。文章對初次地基處理后的吹填土利用真空預(yù)壓聯(lián)合注漿法進(jìn)行二次處理，通過分析加固效果、施工工期，可為軟土地基大面積處理及該工法的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐[2-4]。

2 真空預(yù)壓聯(lián)合注漿試驗(yàn)

試驗(yàn)中將傳統(tǒng)的塑料排水板以豎向高真空可注漿排水濾管替代作為豎向排水通道，采用外層包土工膜的塑料材質(zhì)波紋濾管具有能夠承受較高外壓負(fù)載的特性，濾管的下端與預(yù)樁靴連接而上端采用鋼絲骨架滲水軟管，底部為土工布密封。豎向高壓真空可注漿排水濾管，見圖1。在真空預(yù)壓時(shí)形成了豎向排水濾管、支管和水平排水主管的大通道連接方式，沿土體深度能夠有效降低真空度的衰減。預(yù)留在土中的豎向排水濾管在真空卸載后不僅可作為排水排氣管，從鄰近未注漿管中快速排出注漿過程中土體內(nèi)的孔隙水和氣，而且可作為注漿管減少二次成孔成本。2次注漿后的豎向高真空可注漿排水濾管，通過對水泥砂漿柱的加固能夠與水泥土形成復(fù)合地基并降低工后沉降，另外工后場地的排水通道在注漿后被封堵，可顯著提升場地的承載力性能[5]。

圖1 豎向高壓真空可注漿排水濾管

2.1 試驗(yàn)步驟

1)步驟1：為滿足打板機(jī)進(jìn)場施工將場地平整，并鋪設(shè)砂墊層約0.5m后。然后將豎向排水濾管利用打板機(jī)下沉就位，采用φ63波紋濾管替代傳統(tǒng)的塑料排水板作為豎向排水通道，間距為1m×1m，管長15m。

2)步驟2：采用三通連接豎向排水濾管、水平排水支管與主管，并布設(shè)真空管路系統(tǒng)，在砂墊層中埋入水平真空管路，然后采用φ53的波紋濾管作為主、次管，其間距分別為15m、1m，環(huán)剛度≥15kPa。

3)步驟3：在外圍設(shè)置黏土密封墻的同時(shí)鋪設(shè)段纖維針刺土工布，密封墻采用φ600、樁長8m、搭接長度100mm、樁中心間距600mm的雙排黏土攪拌樁，黏土泥漿比重1.51。

4)步驟4：布設(shè)2臺真空泵和真空膜，真空泵連接于排水主管的一端。真空度在試抽7d后達(dá)到80kPa，然后進(jìn)行加水預(yù)壓。水平真空系統(tǒng)在卸載后拆除，并將豎向排水濾管注漿。

5)步驟5：第1次注漿的注漿壓力設(shè)定為1-2MPa，純泥漿材料的水灰比為1∶0.5，以3被的豎向排水管體積為單孔注漿。第2次注漿的注漿壓力設(shè)定為2-5MPa，水泥砂漿的水灰比為1∶3，以1.5倍的豎向排水管體積為單孔注漿量。

2.2 設(shè)計(jì)要求

為便于大面積軟基處理需要優(yōu)化施工參數(shù)，本次試驗(yàn)地基處理的深度要求達(dá)到15m，承載力特征值在80kPa以上，加固后可以與水泥土形成復(fù)合地基，從而降低工后沉降。

2.3 監(jiān)測項(xiàng)目

為了更好的指導(dǎo)施工可通過布設(shè)一系列的監(jiān)測儀器，在場地試驗(yàn)區(qū)檢驗(yàn)試驗(yàn)效果[6]。預(yù)埋的監(jiān)測儀器主要有1個(gè)孔壓力計(jì)、4塊沉降板，同時(shí)在現(xiàn)場做淺層平板載荷和靜力觸探試驗(yàn)，對加固前后的土體取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 膜下真空度

由于真空泵的抽真空效果能夠通過膜下真空度來直觀的反映，因此真空度的量測在預(yù)壓監(jiān)測過程中十分重要，自第5d開始記錄抽真空后的儀表讀數(shù)。隨時(shí)間的變化膜下真空度的變化特征，見圖2。真空度由于初期薄膜漏氣呈一定的下降趨勢，后經(jīng)補(bǔ)膜處理逐漸恢復(fù)正常。從圖2可知，在抽真空初期膜下真空度增長迅速，真空泵正常工作10d后達(dá)到81kPa，真空度由于試驗(yàn)區(qū)停電有所降低，但穩(wěn)定后整體處于約92kPa。

圖2 隨時(shí)間的推移真空度的變化特征

3.2 地表沉降

地表沉降試驗(yàn)中共設(shè)置4個(gè)測點(diǎn)，各沉降板的變化曲線基本相同，隨時(shí)間的變化平均沉降的變化規(guī)律，見圖3。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，沉降速度在抽真空初期的最大值為45mm/d，整個(gè)場地存在較快的土體固結(jié)過程，真空壓力與固結(jié)沉降之間存在密切的關(guān)系，地表沉降速度在前期真空度快速上升過程時(shí)較大，隨著抽真空時(shí)間的延長其沉降速度也有所減緩。每天的沉降量在抽真空80d后控制在2mm以內(nèi)，沉降量最終值達(dá)到395mm。

圖3 隨時(shí)程變化的平均沉降曲線

3.3 孔隙水壓力

在軟土地基加固處理過程中利用真空預(yù)壓法的總應(yīng)力應(yīng)保持不變，通過抽真空排水不斷減少孔隙水壓力，從而逐漸提高土體中的有效應(yīng)力和土體的強(qiáng)度[7-9]。土體固結(jié)程度的好壞可通過孔隙水壓力變化來描述，沿深度分布的3、6、9m處測點(diǎn)內(nèi)的孔壓差，隨時(shí)間變化的孔壓消散變化曲線，見圖4。根據(jù)圖4變化特征可知：孔隙水壓力在不同深度處存在一定的降低；初始孔壓由于受真空度的影響消散較快，隨后逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；沿深度方向真空度不斷衰減，使得深層孔壓消散值相對于淺層較小，在3、6、9m深度處的最終孔壓分別下降至-51kPa、-42kPa和-38kPa。

圖4 隨時(shí)間變化的孔壓消散變化曲線

4 效果分析

4.1 室內(nèi)土工試驗(yàn)

室內(nèi)土工試驗(yàn)所用土樣來源于加固前后的場地同一位置，為獲取土樣物理力學(xué)參數(shù)還需要做一系列的測試試驗(yàn)。地基處加固前后的物理力學(xué)參數(shù)值，見表1。根據(jù)表1可知：處理前后的土樣物理力學(xué)參數(shù)均發(fā)生一定的改變，如加固前、后的含水率分別為60.2%和39.1%，呈一定的下降趨勢；孔隙比在加固前后分別為1.50、1.12，有所下降，快剪指標(biāo)在地基土加固后提升了1.5倍，而壓縮系數(shù)下降了約46%。

4.2 平板荷載試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)應(yīng)選擇現(xiàn)場具有代表性的位置，承壓方形鋼板尺寸為1m×1m，分級等量加載表面涂層。樁頂沉降量在每級加載后間隔15、15、10、10、10min后各測讀1次，之后沉降量每隔30min讀取1次，當(dāng)沉降量連續(xù)2h<0.1mm時(shí)認(rèn)為處于穩(wěn)定，然后進(jìn)行下一級荷載的加壓。沉降量隨承載力的變化關(guān)系，見圖5。從圖5可知：曲線在平板下沉11.05mm時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，在該條件下平板荷載試驗(yàn)獲取的承載力特征值為120kPa。

表1 地基處加固前后的物理力學(xué)參數(shù)值

圖5 沉降量與承載力關(guān)系曲線

4.3 靜力觸探試驗(yàn)

試驗(yàn)點(diǎn)選擇在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，地基土處理后的強(qiáng)度指標(biāo)值采用LMC-D310靜探微機(jī)自動(dòng)記錄，雙橋探頭的試驗(yàn)參數(shù)為15cm。地基土經(jīng)歷觸探試驗(yàn)值，見表2。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場具體情況，對土體地基承載力與錐尖阻力之間的關(guān)系利用文獻(xiàn)資料中的經(jīng)驗(yàn)公式確定。淤泥質(zhì)土的錐尖阻力qc與地基承載力fk之間的關(guān)系表達(dá)式為fk=0.115qc+40，然后將現(xiàn)場土層相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果qc=360kPa輸入關(guān)系式，由此可得到地基承載力fk值為81.5kPa，通過換算處理后的以下土層承載力均在80kPa以上。由此表明，軟土地基承載力經(jīng)過加固處理后得到明顯的提升，承載力滿足工程建設(shè)要求。

表2 地基土經(jīng)歷觸探試驗(yàn)值

5 結(jié) 論

文章對初次地基處理后的吹填土利用真空預(yù)壓聯(lián)合注漿法進(jìn)行二次處理，通過分析加固效果、施工工期，為軟土地基大面積處理和該工法的應(yīng)用提供技術(shù)支撐，為提高大面積超軟地基的承載力提供一種新的地基加固技術(shù)，得出的主要結(jié)論如下：

1)土體的直剪指標(biāo)、壓縮模量、孔隙比減少、含水率等經(jīng)真空預(yù)壓聯(lián)合注漿技術(shù)處理后均有所增大，通過加固處理形成的復(fù)合地基，場地承載力在不同土層內(nèi)均達(dá)到80kPa，加固效果明顯能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求。

2)試驗(yàn)表明，對大面積軟弱地基土利用真空預(yù)壓聯(lián)合注漿法所用工期較短，較傳統(tǒng)的真空預(yù)壓法該項(xiàng)技術(shù)預(yù)壓周期為100d，預(yù)壓穩(wěn)定時(shí)間減少了25%以上，具有顯著的縮短工期的效應(yīng)。

3)采用真空預(yù)壓聯(lián)合灌漿法必須在施工過程中做好地表處理、嚴(yán)格控制預(yù)壓氣密性以及真空管路系統(tǒng)的布設(shè)等工作，由于影響該技術(shù)施工質(zhì)量的因素較多且工藝技術(shù)復(fù)雜，注漿過程中應(yīng)在水泥漿初凝前完成同一孔內(nèi)的二次注漿。在工程實(shí)踐中該技術(shù)的施工工藝仍需進(jìn)一步完善。