水氣分離無砂法與傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)的研究

董海偉，宋旭龍，王 劼

（華北水利水電工程集團(tuán)有限公司，天津 300170）

近年來為大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，我國沿海地區(qū)大規(guī)模興建港口，開發(fā)海岸線。利用港口建設(shè)開挖港池和航道的疏浚土造陸，既解決了疏浚土的拋納問題，同時(shí)形成新的陸域，為港口提供了倉儲(chǔ)用地，緩解了土地資源緊張問題。天津等沿海城市航道疏浚土顆粒細(xì)，含水率高，強(qiáng)度低，屬淤泥質(zhì)黏土。真空預(yù)壓法是處理此類吹填土成陸的一種有效施工技術(shù)方法。

1 真空預(yù)壓法的發(fā)展

真空預(yù)壓法是疏浚吹填土，快速形成陸域的一種成熟地基加固方法。早在20 世紀(jì)50 年代初由瑞典的杰爾曼（W.kJELLMAN）提出，但直到20 世紀(jì)70年代末期一直未能得到廣泛應(yīng)用。1980 年，交通部第一航務(wù)工程局科研所（天津港灣工程研究所）在天津新港開展現(xiàn)場試驗(yàn)研究，解決了實(shí)用密封薄膜、抽真空裝置及關(guān)鍵施工工藝，并于1982 年成功地應(yīng)用于天津新港軟基加固工程。

2008 年以后，“直排式真空預(yù)壓法加固軟土地基結(jié)構(gòu)”成為在天津地區(qū)使用較多的一種新型真空預(yù)壓加固技術(shù)。抽真空泵采用射流泵，采用砂墊層作為工作墊層，然后打設(shè)排水板，水平通道采用普通濾管，排水板與濾管用塑料繩綁扎固定。由于安裝了濾管水平通道，抽真空效果進(jìn)一步提高。

經(jīng)過多年發(fā)展，如今真空預(yù)壓工藝采用無砂法，排水板采用防淤堵排水板，并且?guī)в锌潭确奖闶┕?，幫助施工人員準(zhǔn)確把握打設(shè)深度，保證施工質(zhì)量。水平通道采用鋼絲軟管，增加環(huán)剛度，確保真空預(yù)壓水平通道暢通。抽真空泵采用效率較高的水氣分離裝置進(jìn)行抽真空作業(yè)。

2 水氣分離無砂法真空預(yù)壓與傳統(tǒng)真空預(yù)壓的工藝區(qū)別

2.1 淺層抽真空新舊工藝對(duì)比

傳統(tǒng)真空預(yù)壓是通過濾管自身帶孔，通過真空泵吸氣，在膜下形成壓力，使土體中的水排出。排水板作為豎向排水通道，土工格柵、土工布、濾管等作為水平排水通道。無砂法真空預(yù)壓是排水板排出的水直接排入鋼絲軟管，效率更高。

淺層抽真空傳統(tǒng)工藝膜下設(shè)計(jì)壓力一般不小于60 kPa，主要是受普通濾管環(huán)剛度約束。新工藝采用鋼絲軟管作為排水通道，強(qiáng)度較大，不容易吸癟，淺層膜下壓力要求不小于80 kPa，膜下壓力增加更有助于抽真空的效果。

2.2 深層抽真空新舊工藝對(duì)比

2.2.1 傳統(tǒng)工藝真空預(yù)壓特點(diǎn)

（1）真空壓力傳遞路徑是：真空裝置—主管—濾管—砂墊層—排水板—加固土體。真空壓力在傳遞過程中受砂墊層、濾管、濾膜的阻尼作用，能量損失很大。要在抽真空一段時(shí)間之后才能在軟土層中產(chǎn)生較高真空度，導(dǎo)致軟土固結(jié)慢，且處理效果不佳。

（2）需要鋪設(shè)排水砂墊層，一般需釆用含泥量小于5%的中粗砂，厚40 cm 左右。近年來，當(dāng)?shù)卣呀勾笠?guī)模采砂，砂源緊缺，價(jià)格昂貴，時(shí)常出現(xiàn)有價(jià)無市局面，而且砂源減少。

2.2.2 新工藝無砂法真空預(yù)壓特點(diǎn)

真空壓力傳遞路徑是：真空裝置—主管—支管—排水板—加固土體。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是消除了真空壓力傳遞過程中水平砂墊層、濾管和濾布對(duì)真空能量的損耗，提高了利用效率，從而縮短了加固時(shí)間，提高了加固效果。另外取消了水平砂墊層，降低了工程造價(jià)。

2.2.3 防淤堵排水板應(yīng)用

防淤堵排水板采用的是整體式排水板，濾布與排水板粘合在一起，防止地表和地下的泥進(jìn)入排水通道發(fā)生淤堵。由于水氣分離裝置抽氣效率較高，地表的泥水和地下土體孔隙水，都通過排水板進(jìn)入鋼絲軟管，再進(jìn)入水氣分離裝置，如果排水板發(fā)生淤堵會(huì)嚴(yán)重影響抽氣質(zhì)量。

2.2.4 水氣分離裝置應(yīng)用

水氣分離抽真空系統(tǒng)的主要構(gòu)成是水氣分離裝置，能將地基中抽出的水和氣分離開來。采用水環(huán)式真空泵專門抽氣，潛水泵等到水位達(dá)到一定高度開始工作抽水，每6 000～7 000 m2布置一個(gè)裝置，效率較高。真空預(yù)壓淺層抽氣設(shè)計(jì)壓力為80 kPa，深層抽氣設(shè)計(jì)壓力為85 kPa。一個(gè)面積為24 000～28 000 m2的區(qū)，只需要布置4臺(tái)水氣分離裝置。由于效率較高，4 臺(tái)裝置同時(shí)啟動(dòng)膜下真空度達(dá)到90 kPa以上，最高可達(dá)96 kPa。

3 無砂法水氣分離真空預(yù)壓與傳統(tǒng)真空預(yù)壓成本對(duì)比

3.1 濾管成本對(duì)比

2 種工藝主管和支管用量基本一樣。按照一個(gè)區(qū)面積27 000 ㎡計(jì)算，淺層需要手型接頭24 640個(gè)，φ25濾管18 068 m，φ50濾管2 000 m；深層需要手型接頭22 260個(gè)，φ25濾管17 394 m，φ50濾管2 000 m?？傆?jì)需要手型接頭46 900 個(gè)，φ25 濾管35 462 m，φ50濾管4 000 m。新工藝比傳統(tǒng)工藝多2.93元/m2，詳見表1。

表1 水平排水通道濾管成本對(duì)比

3.2 電費(fèi)成本對(duì)比

按照一個(gè)區(qū)面積27 000 m2計(jì)算，傳統(tǒng)真空預(yù)壓需要27臺(tái)射流泵。無砂法真空預(yù)壓需要4臺(tái)真空泵和4 臺(tái)潛水泵，其中真空泵每天24 h 工作，潛水泵深、淺層分別按每天10、12 h 計(jì)算，平均工作11h。新工藝比傳統(tǒng)工藝節(jié)省電費(fèi)20.5元/m2，詳見表2。

表2 電費(fèi)成本對(duì)比

3.3 水氣分離裝置和傳統(tǒng)泵及電線電纜的成本對(duì)比

按照一個(gè)區(qū)面積27 000 m2計(jì)算，新工藝泵及電線電纜節(jié)省2.05元/m3，詳見表3。

表3 水氣分離裝置和傳統(tǒng)真空預(yù)壓泵及電纜成本對(duì)比

3.4 砂墊層成本

傳統(tǒng)真空預(yù)壓需要鋪設(shè)40 cm 中粗砂，水氣分離無砂工藝不需要鋪設(shè)墊層。該項(xiàng)綜合成本新工藝比傳統(tǒng)工藝節(jié)省59.62元/m2，詳見表4。

表4 砂墊層成本對(duì)比

4 無砂法真空預(yù)壓和傳統(tǒng)真空預(yù)壓適用的地質(zhì)條件分析

無砂法真空預(yù)壓和傳統(tǒng)真空預(yù)壓，最根本的區(qū)別在于深層。傳統(tǒng)真空預(yù)壓在淺層做完后鋪設(shè)40 cm中粗砂，或者80 cm 粉砂。砂的主要作用是承受樁機(jī)承載力，以便進(jìn)行打板作業(yè)。能否進(jìn)行深層打板，是決定采用無砂法，還是傳統(tǒng)工藝的決定條件。下面對(duì)深層打板樁機(jī)需要的承載力進(jìn)行簡要分析。

4.1 軟基處理常用插板機(jī)

真空預(yù)壓加固主要施工機(jī)械為塑料排水板插板機(jī)。目前軟基處理主要使用鋼軌式插板機(jī)，該機(jī)型比較方便使用，整機(jī)都可拆卸。每個(gè)樁機(jī)自重為14 t左右，壓強(qiáng)通過枕木傳遞到地面，枕木長150 cm、寬20 cm、高15 cm，底面積為0.3 m2。

插板機(jī)4 個(gè)支架鋼輪壓載的鋼軌下需要鋪設(shè)枕木約20 根，插板機(jī)對(duì)地壓力的接觸面積為6 m2，則對(duì)地壓強(qiáng)約為22.86 kPa。

4.2 確定深層打板需要地基強(qiáng)度

根據(jù)以上計(jì)算，靜態(tài)下插板機(jī)需要地基承載力為22 kPa左右，考慮動(dòng)態(tài)工作對(duì)地基承載力影響，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)暫定1.5的安全系數(shù)，故插板機(jī)動(dòng)態(tài)工作下需要地基承載力約為35 kPa。

《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程》（JGJ83 一2011）十字板強(qiáng)度計(jì)算地基承載力推薦公式：

式中：Cu為十字板剪切強(qiáng)度（kPa）。

根據(jù)式（1）反算，十字板剪切強(qiáng)度為10 kPa 左右。所以淺層做完后保證土體十字板剪切強(qiáng)度達(dá)到10 kPa以上，插板機(jī)才具備作業(yè)條件。

無砂法主要適用于淺層卸載后，十字板剪切強(qiáng)度能夠達(dá)到10 kPa 的地基。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，1～2 m 深度以內(nèi)達(dá)到10 kPa，2 m以下至淺層插板深度范圍內(nèi)強(qiáng)度要求可適當(dāng)減小，就能滿足打板機(jī)械工作要求。

4.3 無砂法真空預(yù)壓適合的地質(zhì)

工程地質(zhì)表層土質(zhì)含水率不太大，有一定十字板強(qiáng)度的地基，淺層卸載后承載力很容易達(dá)到10 kPa 以上。根據(jù)《真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程》（JTS 147-2-2009），剛吹填的土質(zhì)或者吹填自然沉降時(shí)間短的土質(zhì)是否適合采用無砂法真空預(yù)壓需通過實(shí)驗(yàn)確定。

對(duì)于加固前含水率較高、十字板強(qiáng)度較低的地質(zhì)，通過加密排水板間距，或者加長淺層抽真空時(shí)間，可以使淺層卸載后表層十字板強(qiáng)度達(dá)到10 kPa要求。

5 新工藝施工中常見的幾個(gè)問題及解決方案

水氣分離無砂法真空預(yù)壓在施工中要注意下面幾個(gè)問題并做好預(yù)防措施。

5.1 鋼絲軟管質(zhì)量

新工藝主管采用φ50鋼絲軟管，在施工中出現(xiàn)局部鋼絲軟管吸癟情況，嚴(yán)重降低真空預(yù)壓效果。建議采取以下2條措施：①加強(qiáng)質(zhì)量控制，主管質(zhì)量規(guī)格應(yīng)大于1 000 g/m，并且每米內(nèi)嵌鋼絲圈數(shù)應(yīng)大于130圈，內(nèi)嵌鋼絲直徑不小于1.4 mm，增加鋼絲軟管環(huán)剛度；②防止施工人員在抽氣的時(shí)候踩踏鋼絲軟管。

5.2 手型接頭安裝質(zhì)量

在施工中，手型接頭安裝容易出現(xiàn)以下2 個(gè)質(zhì)量問題：①手型接頭釘釘時(shí)，不能釘穿排水板，這樣一方面影響手型接頭與排水板的連接效果，另一方面釘外露過長，鋪膜后易刺穿密封膜，導(dǎo)致漏氣，影響真空預(yù)壓效果。施工中要求打釘施工人員，用腳固定排水板后打釘，降低打釘速度，確保釘穿排水板；②手型接頭在打釘過程中出現(xiàn)裂縫，這多是因?yàn)槭中徒宇^材料質(zhì)量存在問題，因此必須嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量。

5.3 密封膜鋪設(shè)質(zhì)量

在傳統(tǒng)有砂工藝中，砂墊層覆蓋在地基表面。表面的尖銳物品、排水板打入不縮孔產(chǎn)生的板孔等，都被覆蓋在砂墊層下，在抽真空過程中不會(huì)對(duì)密封膜造成損壞。無砂法真空預(yù)壓工藝中，這些因素直接暴露出來，易對(duì)密封膜造成損壞，如將密封膜扎破或者因?yàn)榕潘灏蹇撞豢s孔使得密封膜吸破。在密封膜下鋪設(shè)2 層強(qiáng)度較高的編織布，可以防止凸尖的物體刺破密封膜，并且防止板孔在抽真空過程中將密封膜吸破，同時(shí)還能防止在深層抽真空過程中出現(xiàn)地裂現(xiàn)象，確保真空預(yù)壓質(zhì)量。

6 結(jié)論

無砂法真空預(yù)壓加固軟基技術(shù)不使用砂資源，避免了砂石料的亂采亂挖，緩解了交通運(yùn)輸壓力，也避免了給環(huán)境帶來污染，有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，符合環(huán)保要求，社會(huì)效益顯著。

水氣分離裝置的應(yīng)用節(jié)省大量電能和設(shè)施設(shè)備成本。由于電纜及設(shè)備數(shù)量大大減少，部分消除了用電隱患，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。水氣分離加無砂法真空預(yù)壓工藝值得在真空預(yù)壓領(lǐng)域推廣。