軟土地基增壓式真空預(yù)壓快速固結(jié)法施工技術(shù)*

蘇培奇,郭軍強(qiáng),張季超,張 巖,王亞輝

(1.廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510620; 2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

0 引言

真空預(yù)壓技術(shù)在軟土處理中得到廣泛應(yīng)用,但其使用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題,包括施工過(guò)程中抽真空一段時(shí)間后排水幾乎失效、砂墊層成本高等。真空預(yù)壓工藝采用砂墊層作為水平排水通道和袋裝砂井或排水帶作為豎向排水通道、分散式射流真空泵作為抽真空設(shè)備,該工藝已不滿足目前節(jié)能、環(huán)保和高效的要求?；诖?研究了一種軟土地基增壓式真空預(yù)壓快速固結(jié)法施工技術(shù)。

1 軟土地基快速固結(jié)法的技術(shù)原理

軟土地基快速固結(jié)法是在綜合了現(xiàn)有的增壓式真空預(yù)壓技術(shù)、直排式真空預(yù)壓和水氣分離技術(shù)等基礎(chǔ)上形成的一項(xiàng)組合技術(shù)[1-6]。

1.1 反復(fù)增壓提高滲透系數(shù)

傳統(tǒng)式真空預(yù)壓、直排式真空預(yù)壓在排水固結(jié)過(guò)程中,由于土體顆粒還是存在明顯的散體結(jié)構(gòu),細(xì)小顆粒隨滲流的水堆積在排水通道附近,形成“土柱”,這些土柱滲透系數(shù)更小,導(dǎo)致排水效果明顯下降,宏觀表現(xiàn)為即使不斷地抽真空,通過(guò)排水板的排水量也必然減少。為了更好地解決這個(gè)問(wèn)題,出現(xiàn)了增壓式真空預(yù)壓技術(shù),滲透系數(shù)很小的淤泥層通過(guò)反復(fù)多次增壓處理,破壞土柱和已部分固結(jié)的淤泥層部分結(jié)構(gòu)形成較好的排水通道。

在真空預(yù)壓過(guò)程中出現(xiàn)排水量明顯下降后,使用注氣增壓工藝,利用氣壓差(1～4個(gè)大氣壓)影響從地面至增壓管(增壓管長(zhǎng)約5 m)底部以下2～3 m內(nèi)的軟土,形成由增壓管至排水板的連通性良好的空間網(wǎng)狀排水通道,極大地增大了該范圍土層的固結(jié)系數(shù),達(dá)到快速固結(jié)的目的。

施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況主動(dòng)附加的增壓式處理軟土,可以使固結(jié)系數(shù)增加10倍以上,這是軟土快速排水固結(jié)模型的重要計(jì)算參數(shù),也是對(duì)該技術(shù)化繁為簡(jiǎn)的整體表現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)減阻確保節(jié)能增效

選用沿途阻力系數(shù)較小的真空配套管道、水氣分離設(shè)備和集中抽真空等減阻節(jié)能增效措施[7],可以助推軟土快速固結(jié)。

1)采用φ25PVC螺旋鋼絲軟管支管和φ50PVC螺旋鋼絲主管取代傳統(tǒng)工藝的砂墊層及濾管,主支管均設(shè)于膜下,具有一定的柔度和剛度,1個(gè)大氣壓作用下變形較小,另外其柔度可以適應(yīng)平整度不好的場(chǎng)地,方便施工,其沿程損失大幅減少,確保遠(yuǎn)端也能達(dá)到80 kPa以上的真空度。

2)采用的防淤堵排水板為整體式排水板,由于采用剛度較大、不易彎折的材料且光潔度較高,其沿程損失相比于袋裝砂井也較小,約為2 kPa。

3)采用集中式抽真空取代分散式的射流真空泵,其中經(jīng)過(guò)水氣分離罐分離后的空氣通過(guò)φ75PVC抽真空主管(該管基本是傳送空氣的,水氣分離之后,水就近落在水氣分離罐下面),水氣分離罐與水環(huán)式真空泵相連,通過(guò)膜上棧橋式連接,采用彎道少、直徑稍大、內(nèi)表面光潔度較高的材料可以大幅降低真空度的損失(見(jiàn)圖1)。

圖1 集中抽真空示意Fig.1 Centralized vacuum schematic

1.3 合理選材增強(qiáng)密封性能

通過(guò)合理選用土工布、密封膜和壓膜溝及特殊部位的施工控制措施,提高真空預(yù)壓體系的密封性能,這些措施為快速固結(jié)提供可靠保障。

1)土工布、密封膜的合理選用

排水板插入完成后,地表存在以下障礙物:①針刺狀硬物、樹(shù)根、尖銳石塊等;②局部曲面較大的土塊、凹陷地段;③PVC鋼絲軟管難免發(fā)生交叉出現(xiàn)局部堆疊的現(xiàn)象,形成一個(gè)較小的高差。如果按一般的平整度標(biāo)準(zhǔn),采用砂墊層調(diào)平,按現(xiàn)行規(guī)范要求,傳統(tǒng)工藝砂墊層上鋪3層密封膜(上層膜易受環(huán)境影響,中層膜最安全、作用最大,下層膜易刺破),但會(huì)耗費(fèi)大量的人力。

由于本工藝立足快速固結(jié)的目標(biāo),真空作業(yè)約2個(gè)月,可以省掉砂墊層,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn),密封膜有一定的適應(yīng)變形能力。采用較厚實(shí)的編織土工布與短纖針刺土工布,外加2層聚氯乙烯密封膜,可以適用于局部高差不大于25 cm的施工現(xiàn)場(chǎng);整幅密封膜可以加快施工進(jìn)度,減少接口。

當(dāng)膜下的真空壓力穩(wěn)定在80 kPa以上后,再往膜表面進(jìn)行覆水,可以起到密封、加載、膜保護(hù)和方便快速發(fā)現(xiàn)膜細(xì)微漏氣點(diǎn)的作用。

2)壓膜溝及特殊部位施工控制

壓膜溝為待處理范圍外一定范圍內(nèi)開(kāi)挖的溝槽,槽底深入不透氣層≥0.5 m,并把組合式密封膜延伸至坑外,之后覆水處理(見(jiàn)圖2)。

圖2 密封溝處理細(xì)節(jié)Fig.2 Details of seal ditch treatment

把接頭、管道等盡量藏在密封膜下,減少出膜接頭數(shù)量,主要利用水氣分離罐下部作為真空主管的集中連接部位,水氣分離罐與膜下真空管關(guān)系如圖3所示,此步驟為特殊部位控制的關(guān)鍵。

圖3 水氣分離罐與管線關(guān)系Fig.3 Relationship between water and gas separation tank and pipeline

其他裝置包括膜下真空度監(jiān)測(cè)儀、地下水監(jiān)測(cè)等有關(guān)儀器設(shè)備,采用出膜裝置,減少對(duì)密封膜開(kāi)孔的影響,出膜裝置主要采用法蘭連接。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

以汕尾高新區(qū)紅草園區(qū)配套基礎(chǔ)設(shè)施文體中心項(xiàng)目為例,該項(xiàng)目軟基處理面積為27 109 m2。巖土分布情況:①素填土 以黏性土、砂土為主,含少量碎石等,局部填石塊徑較大,堆填時(shí)間約3年,欠壓實(shí),層厚1.80～7.30 m。②淤泥 灰黑色,流塑,具高壓縮性,以黏粒、粉粒為主,海積成因,層厚2.70～10.20 m,本項(xiàng)目相關(guān)土層力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 壓縮層巖土力學(xué)參數(shù)Table 1 Geotechnical mechanical parameters of compression layer

工程要求十字板強(qiáng)度平均值>25 kPa,地基承載力特征值≥80 kPa,20年工后沉降<200 mm。

2.2 施工工藝流程

場(chǎng)地塑料排水板點(diǎn)位整體呈正方形布置,其間距為0.8 m,打設(shè)深度為12 m,增壓管以2.4 m間距正方形布置在相鄰塑料排水板旁邊,插打埋深4 m。增壓式真空預(yù)壓施工工藝流程如圖4所示。

2.3 主要操作要點(diǎn)

1)整體式塑料排水板打設(shè)

塑料排水板打設(shè)與傳統(tǒng)工藝類似,主要考慮本工程場(chǎng)地有1層含石塊的填土,需要局部先引孔作業(yè),然后再正常打設(shè)整體式排水板。

2)增壓管埋設(shè)

增壓管(板帶)以2.4 m間距正方形布置在相鄰排水板旁邊,增壓管長(zhǎng)5 m,埋深1 m,即增壓管打設(shè)深度為4 m,增壓管與增壓系統(tǒng)直接連接均通過(guò)水氣分流罐相連至膜下。經(jīng)過(guò)引孔后,該工藝采用人工方式插入。

3)基槽開(kāi)挖

壓膜深度應(yīng)進(jìn)入不透水層至少50 cm,壓膜溝開(kāi)挖根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定,開(kāi)挖過(guò)程中注意軟土溝槽的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

水氣分離罐的溝槽開(kāi)挖與設(shè)計(jì)罐體的大小有關(guān),主要考慮該部位土體回填要做好夯實(shí),避免罐體運(yùn)轉(zhuǎn)后振動(dòng)過(guò)大影響連接管的氣密性。

4)鋪設(shè)真空管

排水板施工結(jié)束后,用四通手型接頭將2根排水板連接在一起,依次將所有排水板連接好,然后用φ25 PVC鋼絲軟管按照設(shè)計(jì)圖紙將四通手型接頭連接在一起作為真空支管,每條真空支管通過(guò)專用小四通匯集到真空主管,真空主管在適當(dāng)位置設(shè)置φ50的正三通分別與相應(yīng)的真空射流泵連接,最終組成真空系統(tǒng)(主管采用φ50 PVC鋼絲軟管,支管采用φ25 PVC鋼絲軟管)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地情況布設(shè)水氣分離裝置,每只水氣分離裝置控制面積約6 000 m2。在布設(shè)水氣分離裝置的同時(shí)埋設(shè)膜下監(jiān)測(cè)測(cè)頭,真空測(cè)頭布設(shè)在真空支管內(nèi),按場(chǎng)地形狀均勻布置,約5 000 m2布置1個(gè)點(diǎn)。

增壓式真空預(yù)壓處理的各區(qū)主管布設(shè)間距不宜大于25 m,真空主管通過(guò)水氣分離罐與機(jī)械真空泵連接,出膜位置連接必須牢固,密封可靠安全,連接好后,開(kāi)啟真空泵測(cè)試連接部位是否有漏氣現(xiàn)象。

5)鋪設(shè)土工布、密封膜

施打排水板前,盡量把針刺狀硬物、樹(shù)根、尖銳石塊等易刺破密封膜的雜物清理掉,然后對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行整平,要求場(chǎng)地小范圍局部高差控制在25 cm以內(nèi),能提供一個(gè)平滑的過(guò)渡曲面,最大限度地防止密封膜的突變、刺破或過(guò)度拉伸破壞。

先鋪設(shè)1層編織土工布和1層無(wú)紡?fù)凉げ?鋪設(shè)方法同編織布),再鋪設(shè)密封膜,密封膜采用2層聚氯乙烯薄膜。密封膜單層厚度為0.12～0.16 mm,共鋪設(shè)2層,采用聚乙烯或聚氯乙烯薄膜,分單層壓入壓膜溝溝底50 cm以上。密封膜要求在工廠一次熱合成型,施工采用多人快速施工。

在加工密封膜時(shí),膜的大小應(yīng)考慮埋入壓膜溝部分,并根據(jù)實(shí)際情況預(yù)留足夠的地基不均勻沉降變形富余量,防止密封膜拉裂。鋪膜過(guò)程中,隨鋪隨用砂袋進(jìn)行壓膜,防止起風(fēng)將鋪好的膜卷走或撕裂,在鋪膜完成的同時(shí)安裝少量的抽真空泵將膜吸住。壓膜深度應(yīng)進(jìn)入不透水層至少50 cm,壓膜溝開(kāi)挖寬2 m,深度按實(shí)際情況考慮,超過(guò)一定深度按深基坑要求實(shí)施,后用黏土填壓或覆水密封。

6)集中式抽真空

采用水環(huán)式真空泵機(jī)組,每套機(jī)組包含2臺(tái)水環(huán)式真空泵,一開(kāi)一備用,單機(jī)功率55 kW,單機(jī)抽真空壓力不小于95 kPa。開(kāi)始抽真空時(shí)應(yīng)控制抽真空速率,可預(yù)先開(kāi)啟約半數(shù)的水氣分離罐,然后逐步增加水氣分離罐的工作臺(tái)數(shù),檢查有無(wú)漏氣現(xiàn)象,并進(jìn)行修補(bǔ)工作。

本工程有一定厚度的填土,對(duì)抽真空的瞬時(shí)破壞有限制作用,但為了安全起見(jiàn),采用緩慢升高真空度的加載方式(期間順便檢查抽真空系統(tǒng)的氣密性),使真空度緩慢上升,直至80 kPa。

恒壓抽真空階段,連接排水閥的自動(dòng)止回閥會(huì)始終處于關(guān)閉狀態(tài),水氣分離罐里面的真空度就會(huì)比較高,借助集水口把真空度傳入真空管系統(tǒng)里面。在排出土體中的水和氣體的時(shí)候,可以使用排水板將其從真空系統(tǒng)集中到水氣分離罐里面,最終將其全部排出。

抽真空過(guò)程中,應(yīng)隨時(shí)觀測(cè)記錄真空泵及管內(nèi)的真空度,如出現(xiàn)真空度降低的情況,要及時(shí)查明原因,并進(jìn)行處理。

7)間歇式增壓作業(yè)

抽真空至80 kPa以上,連續(xù)抽真空至出水量明顯減少或周平均沉降量減小至60 mm,開(kāi)始降水增壓施工。

降水增壓采用間歇式,施工時(shí)氣壓控制在1～4個(gè)大氣壓(具體根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,可以分兩個(gè)步驟進(jìn)行,首先連通大氣,如果排水正?？梢圆挥瞄_(kāi)啟空壓機(jī)增壓,氣壓隨著排水量減少而加大,過(guò)程做好數(shù)據(jù)分析,以此反饋真空預(yù)壓的設(shè)計(jì)與施工),待真空度減小10 kPa時(shí)停止增壓,再次維持抽真空至80 kPa以上至出水量減少時(shí),再次增壓施工。一般24 h增壓施工1次,每次2 h,增壓施工往復(fù)循環(huán)15次左右,周平均沉降量降至35 mm以下可以停止增壓施工。

8)卸載

通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果,達(dá)到設(shè)計(jì)卸載要求可停泵卸載,真空預(yù)壓卸載標(biāo)準(zhǔn):按實(shí)測(cè)沉降曲線計(jì)算的固結(jié)度≥90%;連續(xù)5天地表實(shí)測(cè)沉降速率<2 mm/d。

3 軟基處理監(jiān)測(cè)

本工程由于軟土層厚度不一,各觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)存在一定程度的離散,但也反過(guò)來(lái)證明其處理效果與淤泥層厚度關(guān)聯(lián)度高,最終處理結(jié)果均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1 施工過(guò)程主要監(jiān)測(cè)成果

1)插板至鋪膜期間沉降量為0.1～0.18 m,抽真空與增壓式聯(lián)合抽真空期間,觀測(cè)的沉降在0.44～1.069 m,各孔總的地表沉降在0.605～1.169 m。

2)水位沉降各孔累積沉降幅度在2.469～4.649 m。

3.2 完工后檢測(cè)成果

在完工后10天,對(duì)增壓式真空預(yù)壓處理效果進(jìn)行平板荷載和十字板剪切試驗(yàn),指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)表2,3)。

表2 平板荷載試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of plate load test

表3 十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of vane shear test

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

相對(duì)于傳統(tǒng)式真空預(yù)壓,增壓式真空預(yù)壓快速固結(jié)技術(shù)所涉及的工藝具有一定的直接經(jīng)濟(jì)效益,以本項(xiàng)目為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析[8],如表4所示。

表4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析Table 4 Technical and economic benefits analysis

從表4可知,增壓式真空預(yù)壓快速固結(jié)技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)式真空預(yù)壓技術(shù)在節(jié)省了2個(gè)月工期的基礎(chǔ)上,節(jié)約了140.7萬(wàn)元總費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)效益良好。

4.2 社會(huì)效益

經(jīng)過(guò)增壓式真空預(yù)壓快速固結(jié)處理,可以快速插入樁基礎(chǔ)施工,保證樁的摩阻力有效提高及基本消除欠固結(jié)軟土的負(fù)摩阻力,從工期、造價(jià)和提高工程可靠性方面考慮,該技術(shù)有明顯優(yōu)勢(shì),具有良好的社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

1)增壓式真空預(yù)壓快速固結(jié)技術(shù)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)專家學(xué)者的多角度探索,相關(guān)技術(shù)有了一定的發(fā)展,配套工藝、設(shè)備和材料可為該技術(shù)提供有力保證。

2)本工程實(shí)例嚴(yán)格按照快速固結(jié)法的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行施工,總體施工工期縮短2個(gè)月。

3)對(duì)比傳統(tǒng)真空預(yù)壓工藝的高能耗、高成本和施工質(zhì)量難以控制等缺點(diǎn),真空預(yù)壓快速固結(jié)法對(duì)增壓范圍的軟土有主動(dòng)控制的能力,結(jié)合節(jié)能增效及可靠的密封措施,使該工藝在大面積較厚軟土的處理中有較好的推廣應(yīng)用前景。