真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟土地基的應(yīng)用技術(shù)

董 陽

（中鐵十二局集團華南分公司，廣東 中山）

引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)工程蓬勃發(fā)展和施工技術(shù)的迅速提高，在近海軟土地基上進行工程建設(shè)越來越多。與水泥攪拌樁、管樁等軟基處理方式相比，真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟土地基有造價低、工后沉降小的優(yōu)點。目前，國內(nèi)專家學(xué)者加強對真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓機理研究，如黃俊文[1]，以珠海市近海軟土地基工程實例，對軟土地基的真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法的處理效果進行研究，得出了沿海地區(qū)應(yīng)用真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法效果更好的結(jié)論。然而，在真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟土地基施工過程中，密封膜極易破壞，且需花費大量精力修復(fù)。本文以翠亨新區(qū)起步區(qū)客運港綜合片區(qū)配套市政路網(wǎng)建設(shè)工程項目為依托，從其加固機理、施工工藝改良及加固效果方面對真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓的工藝進行了詳細描述。

1 加固機理

真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓施工過程中，通過密封墻以及密封膜，隔絕加固區(qū)域的土層與大氣的接觸，采用潛水式射流真空泵通過埋設(shè)在砂墊層內(nèi)的水平主管與濾管與打設(shè)在土層內(nèi)的豎向排水板連接，抽走土層內(nèi)的空氣和水，產(chǎn)生負壓，孔隙水壓力u 隨之降低，同時通過導(dǎo)管將地下水回灌到密封膜上，增加總應(yīng)力σ，有效應(yīng)力σ/相應(yīng)增加：

選土體中任一點做受力分析，如圖1 所示。

圖1 應(yīng)力分析圖

圖中：P 為排至密封膜上地下水的重量；Q 為回灌到密封膜上地下水自重在土體中的附加應(yīng)力;σC為土體自重對受力點的應(yīng)力；u/為抽真空造成的負壓，方向向上。將以上數(shù)據(jù)代入式（2），可以得到加固土體中任一點的有效應(yīng)力，表達式如下：

因此，隨著真空泵不斷將地下水回灌到密封膜上，加固區(qū)內(nèi)的地下水不斷減少，孔隙水壓力不斷降低，Q不斷均勻增加，避免了土方堆載分級加載造成的孔隙水壓力回升問題。有效應(yīng)力σ/隨之一直增大。在此作用下，加固區(qū)土體產(chǎn)生固結(jié)，產(chǎn)生沉降效果。

試抽真空時，回灌到密封膜上地下水量較少，2022年8 月份，工程所在地遭遇臺風(fēng)天氣影響，隨之進入一個月的季雨天氣，隨著地下水的不斷回灌，降雨的不斷增多，密封膜上的蓄水高度可達到1.5 m，P 可達到15 kPa 左右，適當調(diào)整真空泵的功率可增大u/的大小。真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓法是真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法的改良工藝，采用此法一是避免了密封膜破壞，二是解決了常規(guī)真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法中堆載土方的雨季施工難題，在雨季頻繁的廣東地區(qū)顯得尤為優(yōu)越。

2 施工工藝

中粗砂墊層施工→密封墻施工→排水板施工→密封設(shè)備施工→抽真空，見圖2。

圖2 真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓施工階段

2.1 中粗砂墊層施工

場地平整后，使用裝載機將符合設(shè)計要求中粗砂運至施工堆料區(qū)，分兩層攤鋪中粗砂墊層。施工時，使用推土機進行沿道路中心線攤鋪，個別不平整處，采用人工找平，加固區(qū)砂墊層全部施工完畢后，統(tǒng)一采用輕型壓路機靜壓，砂墊層中心線完成面略高于邊線。

2.2 密封墻施工

粘土密封墻為雙排直徑70 cm 的攪拌樁，咬合寬度20 cm。粘土密封墻長度為9 m，寬度為1.2 m，施工工藝采用四攪四噴。粘土密封墻采用粘土、水泥作為拌合材料，粘土摻入量為攪拌土體重量的15%。為保證粘土攪拌樁的氣密性，粘土攪拌樁考慮參入5%的水泥。泥漿比重≥1.3，水土比0.55～0.65，密封墻施工完成后應(yīng)檢驗合格。

2.3 排水板施工

鋪設(shè)第一層中粗砂后施工塑料排水板，采用靜壓式插板機打設(shè)塑料排水板，等邊三角形布置，設(shè)計間距1 m，長度25 m，排水板頂部進入中粗砂500 mm。然后鋪設(shè)濾管、主管、埋設(shè)沉降觀測儀器。真空管路的連接應(yīng)密封，設(shè)置止回閥和截門。管間宜采用鋼絲橡膠波紋軟管連接，連接長度應(yīng)大于10 cm，以適應(yīng)真空預(yù)壓的差異沉降。

2.4 密封設(shè)備施工

挖密封溝，溝底寬0.6 m，溝面寬1.2 m，高1.5 m，注意控制密封溝的高度略高于中粗砂墊層，密封溝兼做圍堰?？刂浦鞴苓B接真空泵的施工質(zhì)量，保證密封效果。鋪設(shè)三層密封膜，并在密封膜上、下均采用300 g/m2無紡?fù)凉げ急Ｗo。密封膜采用壓延型聚氯乙烯薄膜，密封膜應(yīng)松弛鋪設(shè)，并預(yù)留加固區(qū)沉降量，密封膜宜采用整體鋪設(shè)，中間無斷層，保證氣密性，施工完成后與密封膜一起壓入密封溝內(nèi)。

2.5 抽真空

真空泵選用潛水式射流真空泵，電機功率不小于7.5 kW，真空泵應(yīng)配置真空表、止回閥、閘閥，并接導(dǎo)管將地下水回灌至密封膜上。真空泵空抽時真空壓力必須達到95 kPa 以上，密封膜下不應(yīng)小于80 kPa。將地下水回灌到密封膜上，一是可以隔絕空氣，增加密封膜的密封效果；二是回填土和密封膜不再直接接觸，避免了密封膜的破壞；三是回灌到密封膜上的地下水是隨著抽真空慢慢增加的，應(yīng)力增加持續(xù)、平緩，避免了回填土分層加載的不良后果，并有效應(yīng)對廣東地區(qū)頻繁的季雨天氣。

3 項目概況及加固區(qū)內(nèi)地層構(gòu)成

研究項目位于廣東省中山市馬鞍島東南部，軟基處理總面積約31.8 萬平米，為臨海吹填深厚淤泥層地質(zhì)，本次取一個區(qū)段3 萬平米為試驗段，場地加固范圍內(nèi)地層情況如下：

第一層，填土層（Qml）：紅褐色、黃褐色、灰褐色等雜色，稍濕，松散狀為主，局部為稍密狀，主要成分為黏性土、砂土，局部含約10～30%碎石、石塊。堆填時間較短，多為新近堆填形成，場地部分區(qū)域現(xiàn)進行回填。場地均有分布，平均厚度為4.93 m；層底標高-10.25～7.13 m。

第二層，淤泥、粉質(zhì)黏土（Q4mc）：深灰、灰黑色、灰色，流塑狀，含腐蝕質(zhì)和少量貝殼碎片，局部夾淤泥質(zhì)粉砂薄層，有腥臭味；該層場地均有分布，平均厚度為22.44 m，層底標高-36.47～-9.86 m。

第三層，粉細砂、粗砂（Q4al+pl）灰黃色、灰白色、淺灰色、黃褐色，稍密狀為主，局部松散，主要成分為石英顆粒，局部含黏粒較多，層底標高-37.85～-17.58 m。

第四層，砂質(zhì)黏性土（Qel）：紅褐色、灰白色、黃褐色、灰褐色，由花崗巖風(fēng)化殘積而成，可塑～硬塑，干強度中等，韌性中等，平均厚度為3.69 m，層底標高-38.99～-17.40 m。

4 加固效果分析

抽真空前，按不同標高在加固區(qū)土層埋設(shè)孔隙水壓力計，并在地表埋設(shè)沉降標。抽真空過程中，實時監(jiān)測地表沉降、空隙水壓力情況。加固前后進行了十字板剪切試驗、室內(nèi)土工試驗，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理、分析如下：

4.1 孔隙水壓力消散監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

孔隙水壓力消散情況見圖3，抽真空前期孔隙水壓力消散速度較快，但隨著抽真空的持續(xù)，孔隙水壓力消散速度逐漸變小。隨著抽真空的持續(xù)，孔隙水壓力消散持續(xù)增加，淺層土體（埋深10 m 內(nèi)）的加固效果明顯好于深層土體。同時可以看出，地下22 m 處仍有明顯的孔隙水壓力消散，地下26 m 處孔隙水壓力基本處于穩(wěn)定。本次排水板打設(shè)深度25 m，可以推測出排水板對孔隙水壓力消散的關(guān)鍵作用。

圖3 孔隙水壓力消散圖

4.2 地表沉降觀測及固結(jié)度分析

抽真空施工過程中，對地表沉降的檢測數(shù)據(jù)進行整理，見圖4。從圖中可以看出，地表沉降量、地表沉降速率與加載具有相關(guān)性和滯后性[2]，采用真空水載法處理軟土地基時，前期地基沉降速率較大，隨著抽真空的持續(xù)，以及施工期間不斷的降雨，密封膜上水位不斷上升，有效應(yīng)力逐漸增加，地表沉降不斷增大，沉降速率在前期一直維持10～15 mm/d。從圖4 可以看出，自2022 年9 月15 日至2022 年10 月5 日，連續(xù)20 天，實測沉降均小于2 mm，沉降曲線已趨于平穩(wěn)，滿足規(guī)范要求[3]。將地表沉降量的觀測數(shù)據(jù)，代入最終沉降量計算公式，公式（4）如下：

圖4 地表沉降觀測曲線

式中，S∞為地表最終沉降量；S1、S2、S3為等時間間隔的沉降量。地表沉降觀測曲線顯現(xiàn)出明顯的雙曲線特性，利用雙曲線法計算固結(jié)度，固結(jié)度計算公式[4]如下：

式中：Ut為t 時刻土壤固結(jié)度，St為t 時刻地表沉降量。將2022 年10 月5 日地表沉降數(shù)據(jù)代入式（5），計算出土體固結(jié)度為91.2 %，滿足設(shè)計要求。

4.3 十字板抗剪強度對比

軟基處理前、后對第二土層各選取十個點，在原位（間距不大于1 m）進行十字板剪切試驗。通過對比試驗參數(shù)，分析軟基處理前后淤泥質(zhì)軟土的性狀變化，得出實驗結(jié)論，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 十字板抗剪強度對比表

經(jīng)過真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓處理后軟土十字板剪切強度提升了2.18 倍，達到了27.5 KPa。

4.4 土層物理力學(xué)性質(zhì)的變化

真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓前后加固區(qū)土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標變化見表2，預(yù)壓前后，土體含水率由44.3%下降到31.6%，排水效果良好，但土體整體含水率依然偏高，預(yù)壓處理后的土體仍不宜擾動；孔隙比由1.39 降至1.05，降幅達24.46%，土體密實度增強；直剪試驗中凝聚力增強3.4 倍，內(nèi)摩擦角增大2.52 倍，表明加固區(qū)內(nèi)原本土體物理力學(xué)性質(zhì)有了明顯的改善和提高，基本達到預(yù)期效果。

表2 土體主要物理力學(xué)指標對比表

5 結(jié)論

（1）真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓法處理臨海淤泥質(zhì)軟土后，實測地表沉降速率連續(xù)20 d，平均沉降量小于2 mm/d。預(yù)壓后平均固結(jié)度為91.2%，加固區(qū)域土體物理力學(xué)性質(zhì)指標均有明顯改善，真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓在臨海軟基處理中的應(yīng)用是成功的。

（2）真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓法避免了常規(guī)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓施工中的密封膜破壞問題，它拓寬了真空預(yù)壓的的應(yīng)用領(lǐng)域，同時獲得了良好的經(jīng)濟效益，更為適合多雨的廣東地區(qū)。但軟基處理中仍有諸多難題，需要土木界的人們繼續(xù)努力研究來解決。