真空預(yù)壓垂直塑料膜密封墻工藝及其應(yīng)用

左志剛，張 哲，李偉昊，相如昕，崔廣開(kāi)

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300456)

真空預(yù)壓加固軟土地基具有造價(jià)經(jīng)濟(jì)、節(jié)約工期、施工便利等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在沿海工程中得到廣泛應(yīng)用[1-5]。眾多學(xué)者通過(guò)深入的研究，促進(jìn)了真空預(yù)壓工藝的發(fā)展：蔡學(xué)石[6]等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)采用長(zhǎng)短板相結(jié)合的分布方式較單一長(zhǎng)度的排水板處理方式可以更好地處理低滲透性軟黏土。鄧岳保[7]等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)真空預(yù)壓聯(lián)合加熱技術(shù)可以顯著加快淤泥質(zhì)土等超軟土的固結(jié)過(guò)程。董志凌[8]等提出吹填砂性土法可以有效提高真空預(yù)壓處理含有軟弱土夾層的軟土的效果。祝文龍[9]等開(kāi)發(fā)了蓄能式真空預(yù)壓排水系統(tǒng)，解決了真空預(yù)壓高能耗的問(wèn)題。

近年來(lái)，關(guān)于真空預(yù)壓邊界密封方法的改進(jìn)吸引了一批學(xué)者進(jìn)行研究[10-12]，在規(guī)范[13]的基礎(chǔ)上對(duì)真空預(yù)壓的邊界密封方法進(jìn)行了改進(jìn)。規(guī)范[13]提供了在真空預(yù)壓邊界處采用壓膜溝進(jìn)行密封的方法，該方法適用于邊界處透氣土層較淺的工況，當(dāng)透氣土層較厚或軟基深處含有透氣夾層時(shí)，很難開(kāi)挖到不透氣土層，此時(shí)壓膜溝法不再適用。目前工程界應(yīng)用最多的方法是在真空預(yù)壓軟基處理區(qū)域邊界處施打一圈黏土密封墻用于密封[10-12]。黏土密封墻通過(guò)攪拌機(jī)的攪頭在真空預(yù)壓區(qū)域邊界處對(duì)土體進(jìn)行上下切割攪拌，并將事先拌制好的泥漿通過(guò)攪拌機(jī)攪頭附近的泥漿管泵送至攪松的土體內(nèi)進(jìn)行拌合。泥漿與原位土體混合后可以降低土體滲透系數(shù)，將原來(lái)的透氣土體轉(zhuǎn)化為不透氣土體，形成一堵“墻體”，然后將真空預(yù)壓區(qū)上部的密封膜埋入黏土密封墻墻體內(nèi)，使真空預(yù)壓區(qū)域形成密閉環(huán)境。

黏土密封墻雖然可以解決真空預(yù)壓軟基處理區(qū)域邊界處透氣土層較厚或軟基深處含有透氣夾層時(shí)的邊界密封問(wèn)題，但工程實(shí)踐表明該方法存在以下缺點(diǎn)：(1)需事先對(duì)真空預(yù)壓區(qū)域邊界處的土體進(jìn)行取樣做配合比試驗(yàn)，工序較為復(fù)雜。(2)真空負(fù)壓作用下，黏土密封墻中的黏土顆粒將沿土體間孔隙向真空預(yù)壓區(qū)內(nèi)流動(dòng)，致使黏土密封墻黏粒含量下降，嚴(yán)重時(shí)將影響密封效果，可靠性較低。(3)黏土密封墻通常采用往復(fù)式上下攪拌的方法來(lái)拌制“墻體”，施工效率較低，工期較長(zhǎng)。(4)黏土密封墻干燥后，密封膜不易埋入墻體內(nèi)，要求黏土密封墻施工完成一小段，密封膜隨即埋入一小段，對(duì)后續(xù)掩埋密封膜工序銜接要求較高。

基于上述問(wèn)題，提供一種當(dāng)真空預(yù)壓軟基處理區(qū)域邊界處透氣土層較厚或軟基深處含有透氣夾層時(shí)，具有操作簡(jiǎn)單、施工方便、可靠性高、能夠快速在邊界處形成密封條件等優(yōu)點(diǎn)的方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文基于工程實(shí)例，在無(wú)相關(guān)規(guī)范可循、無(wú)類似工程實(shí)例可供參考的情況下，通過(guò)探索將垂直塑料膜密封墻工藝應(yīng)用到該工程的真空預(yù)壓邊界密封措施中。該工藝克服了上述黏土密封墻的諸多缺點(diǎn)，經(jīng)加固后效果檢測(cè)，軟基處理效果理想。

1 工程概況

為滿足港口運(yùn)營(yíng)需要，我國(guó)南方某港口二期工程通過(guò)水力吹填形成陸域面積約12.8萬(wàn)m2，軟基處理后用于建設(shè)散雜貨堆場(chǎng)。吹填區(qū)原位處有約8 m厚度的沉積軟土，吹填厚度9 m，待處理軟土厚度合計(jì)約17 m。

本工程采用了深淺兩次真空預(yù)壓相結(jié)合的方式對(duì)吹填軟土進(jìn)行處理，淺層軟基處理階段通過(guò)直排式真空預(yù)壓方法對(duì)表層4 m土體進(jìn)行了處理，為后續(xù)深層真空預(yù)壓提供了作業(yè)條件。深層軟基處理階段，因本工程軟基處理區(qū)域邊界處透氣土層較厚且軟基深處含有透氣夾層，采用了垂直塑料膜密封墻工藝對(duì)真空預(yù)壓區(qū)外邊界進(jìn)行密封的方法。

吹填區(qū)分為6個(gè)分區(qū)，吹填區(qū)周邊采用垂直塑料膜密封墻進(jìn)行密封，吹填區(qū)內(nèi)各個(gè)小分區(qū)之間采用壓膜溝進(jìn)行密封(圖1)。選取第3分區(qū)進(jìn)行研究，地質(zhì)情況如圖2所示。該分區(qū)由上至下4.65～-3.18 m為淤泥質(zhì)土，-3.18～-4.35 m為粉細(xì)砂夾層，-4.35～-12.35 m為淤泥質(zhì)黏土，下部為粉土。

圖1 真空預(yù)壓平面分區(qū)圖Fig.1 Vacuum preloading plane division

圖2 第3分區(qū)土層分布圖Fig.2 Soil distribution of division 3

淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)黏土力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1，淤泥質(zhì)土含水率33.4%，粘聚力c=6.9 kPa，內(nèi)摩擦角φ=2.0°；淤泥質(zhì)黏土含水率為52.3%，粘聚力c=5.9 kPa，內(nèi)摩擦角φ=1.6°。兩層土含水率較高、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較差，需對(duì)上述兩層土進(jìn)行處理?，F(xiàn)場(chǎng)排水板施工底高程在粉土頂部以上0.5 m，即-11.85 m。因塑料排水板穿過(guò)粉細(xì)砂夾層，將會(huì)對(duì)真空預(yù)壓的密封性產(chǎn)生影響，因此在真空預(yù)壓外邊界處需采取密封措施。

表1 土體力學(xué)指標(biāo)表Tab.1 Index table of soil mechanics

2 垂直塑料膜密封墻工藝

本工程真空預(yù)壓各分區(qū)之間采用壓膜溝進(jìn)行密封，屬常規(guī)工藝，文章不再詳述。真空預(yù)壓外邊界采用垂直塑料膜密封墻進(jìn)行密封，相關(guān)工藝結(jié)合圖3進(jìn)行說(shuō)明。

圖3 垂直塑料膜密封墻結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural drawing of vertical plastic film sealing wall

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用測(cè)量設(shè)備放樣出真空預(yù)壓加固區(qū)邊線，并將其作為垂直塑料膜密封墻的軸線。

(2)采用鋸槽機(jī)沿垂直塑料膜密封墻軸線開(kāi)槽，溝槽寬度為0.2～0.3 m，深度應(yīng)穿過(guò)粉細(xì)砂夾層并進(jìn)入淤泥質(zhì)黏土層頂面高程以下1.0 m，本工程溝槽深度h=4.65 m+4.35 m+1 m=10 m。

(3)備好厚度為0.3～0.4 mm的聚氯乙烯塑料膜，塑料膜寬度取5～10 m，長(zhǎng)度為溝槽深度再加富裕長(zhǎng)度2～3 m，本工程塑料膜長(zhǎng)度取12～13 m。將塑料膜長(zhǎng)度方向的一端套在備好的墜重木桿上，操作過(guò)程中應(yīng)確保塑料膜不發(fā)生破損。

(4)將套有塑料膜的墜重木桿水平緩慢放入已開(kāi)好的溝槽中，直至墜重木桿下放至溝槽底部，在此過(guò)程中塑料膜將隨墜重木桿進(jìn)入溝槽中。下放時(shí)，應(yīng)確保塑料膜緊貼溝槽內(nèi)側(cè)溝壁。下放完成后，塑料膜有2～3 m長(zhǎng)度外露于地表。

(5)按照前述步驟完成整個(gè)真空預(yù)壓外邊界垂直塑料膜的鋪設(shè)，相鄰塑料膜之間搭接0.3 m，用膠水粘合。

(6)向溝槽中填入濕黏土并壓實(shí)。

(7)待真空預(yù)壓區(qū)上部密封膜鋪設(shè)完成后，將塑料膜的地上預(yù)留段與真空預(yù)壓場(chǎng)區(qū)內(nèi)的密封膜用強(qiáng)力膠粘合，粘接寬度不應(yīng)小于1 m，并確保不漏氣。

3 工藝效果

本工程設(shè)計(jì)要求膜下真空度不小于85 kPa，真空抽氣時(shí)間120 d，經(jīng)真空預(yù)壓加固后土體應(yīng)變固結(jié)度不小于85%，地表承載力不小于80 kPa，最后5 d平均沉降速率不大于2 mm/d。經(jīng)加固后效果檢測(cè)，軟基處理效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，文章選取第3分區(qū)進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 膜下真空度

真空抽氣期間膜下真空度均穩(wěn)定在85 kPa以上，說(shuō)明采用的垂直塑料膜密封墻工藝可以確保真空預(yù)壓期間場(chǎng)地的密封性。

3.2 加固效果

3.2.1 沉降和固結(jié)度

本工程打板期間沉降量為1 350 mm，真空預(yù)壓抽氣期間第3分區(qū)沉降曲線如圖4所示。由圖4可知真空抽氣開(kāi)始階段，沉降速率較大，接近20 mm/d，抽氣超過(guò)90 d后，沉降速率顯著減小，最后5 d平均沉降速率約為1.3 mm/d，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的不大于2 mm/d的要求。

圖4 沉降曲線圖Fig.4 Settlement graph

真空預(yù)壓結(jié)束后，土體最終沉降量采用下式[14]進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中：S∞為包含打板期間沉降的最終沉降量；S0為滿載開(kāi)始時(shí)的實(shí)測(cè)沉降量，本文取打板期間沉降量1 350 mm；β為計(jì)算參數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定，計(jì)算示意圖[14]見(jiàn)圖5，圖5中St代表滿載后不同時(shí)刻t的實(shí)測(cè)沉降量。

圖5 β值求解示意圖Fig.5 Sketch of β-value calculation

根據(jù)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)和圖5求得，β=8.193×10-4，根據(jù)式(1)求得第3分區(qū)最終沉降量S∞=2 570.5 mm。

真空預(yù)壓滿120 d卸載時(shí)，地基土的固結(jié)度采用下式進(jìn)行計(jì)算

(2)

式中：U代表固結(jié)度；ST為真空抽氣卸載時(shí)包含打板期間沉降的總沉降量，本文取2 280 mm，其中打板期間沉降1 350 mm，真空抽氣期間沉降930 mm；S∞為包含打板期間沉降的最終沉降量，前述內(nèi)容已經(jīng)求得S∞=2 570.5 mm。

根據(jù)式(2)求出土體固結(jié)度U=88.7%，達(dá)到了固結(jié)度不小于85%的要求。

3.2.2 含水率、抗剪強(qiáng)度

第3分區(qū)加固前后土體含水率和抗剪強(qiáng)度的變化情況見(jiàn)圖6和圖7。由圖6可知，真空預(yù)壓加固后，土體含水率顯著下降，整體均在38%以下。由圖7可知，真空預(yù)壓加固后土體抗剪強(qiáng)度大幅度提高，最小提高近20 kPa，最大提高約30 kPa。

圖6 含水率變化圖 圖7 抗剪強(qiáng)度變化圖Fig.6 Variation of moisture content Fig.7 Variation of shear strength

3.3.3 表層承載力

真空抽氣結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)采用平板載荷試驗(yàn)測(cè)定地表承載力，方形承壓板邊長(zhǎng)b=0.5 m，最大加壓荷載P=160 kPa，試驗(yàn)過(guò)程中承壓板周圍土體未發(fā)生側(cè)向擠出現(xiàn)象，第3分區(qū)平板載荷試驗(yàn)p-s曲線見(jiàn)圖8。圖8可以看出p-s曲線未出現(xiàn)陡降段，整體較為光滑，最大加壓荷載160 kPa下土體累計(jì)沉降值為7.49 mm。根據(jù)規(guī)范[15]，可確定處理后地表承載力特征值不小于0.5倍的最大加壓荷載，即80 kPa，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 平板載荷試驗(yàn)p-s曲線Fig.8 The p-s curve of plate loading test

3.3 工程效益

(1)垂直塑料膜密封墻無(wú)需像黏土密封墻一樣沿真空預(yù)壓軟基處理區(qū)域邊界取土樣進(jìn)行配合比試驗(yàn)來(lái)確定所需泥漿的濃度和拌制泥漿時(shí)黏土的摻入比例，工序較為簡(jiǎn)單。

(2)垂直塑料膜密封墻由滲透系數(shù)很小的黏土和埋入閉氣墻的塑料膜組成，塑料膜與黏土共同作用進(jìn)行密封，效果更加可靠。

(3)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，垂直塑料膜密封墻與黏土密封墻工程費(fèi)用接近，均在100元/m2左右,但垂直塑料膜密封墻無(wú)需像黏土密封墻一樣采用往復(fù)式上下攪拌的方法來(lái)拌制“墻體”，僅需采用較為靈巧的開(kāi)槽機(jī)開(kāi)槽，放入塑料膜后用黏土壓實(shí)即可。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，黏土密封墻的施工效率約為150 m2/d，本文垂直塑料膜密封墻的施工效率約為400 m2/d，相較于黏土密封墻，可以節(jié)省工期。

(4)垂直塑料膜密封墻的塑料膜鋪設(shè)完成后，無(wú)需立即同真空預(yù)壓區(qū)上部的密封膜相粘合。若真空預(yù)壓區(qū)上部密封膜還未鋪設(shè)完成，可先將外露的塑料膜做好掩護(hù)，待密封膜鋪設(shè)完成后再將二者粘合即可。與黏土密封墻相比，垂直塑料膜密封墻對(duì)后續(xù)掩埋密封膜工序銜接要求低。

4 結(jié)論

(1)與黏土密封墻相比，垂直塑料膜密封墻工序簡(jiǎn)單、可靠性好、施工效率高、對(duì)后續(xù)掩埋密封膜工序銜接要求低。

(2)基于本工程實(shí)例，真空預(yù)壓軟基處理區(qū)域邊界處透氣土層較厚或軟基深處含有透氣夾層時(shí)，垂直塑料膜密封墻可用于真空預(yù)壓邊界處的密封，且可以保證真空預(yù)壓軟基處理效果。