采用加壓真空預(yù)壓技術(shù)加固深厚軟土地基施工工藝

唐 紅，余 江，劉 輝

(中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036)

真空預(yù)壓固結(jié)法是處理軟土地基的有效方法之一，通常是在需要加固的軟土層內(nèi)，設(shè)置砂井或塑料排水板等豎向排水系統(tǒng)，然后在地面鋪設(shè)砂墊層橫向排水層，再在砂墊層頂部覆蓋一層不透氣的密封薄膜，使之與大氣隔絕，通過埋設(shè)于砂層中的吸水管道，用真空裝置進(jìn)行抽氣，將膜內(nèi)空氣排出，在膜的內(nèi)外產(chǎn)生一個(gè)氣壓差-μs，這部分氣壓差即成為作用于地基上的荷載，軟土層隨著等向應(yīng)力 -μs的增加而固結(jié)［1］。對(duì)于飽和土的滲流固結(jié)來說，是土中孔隙水壓力消散、逐漸轉(zhuǎn)移為有效應(yīng)力的過程，孔隙水壓消散越快，土體固結(jié)越快［2］。采用常規(guī)真空預(yù)壓固結(jié)法處理軟土地基，由于抽真空系統(tǒng)的開放性和氣壓在土體中傳遞的減弱，造成孔隙水后期滲流速度慢，土體固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足當(dāng)前鐵路工程建設(shè)工期的需要。在廣珠鐵路珠海西站軟基處理的實(shí)踐中，通過采用手型接頭將抽真空系統(tǒng)連接成一個(gè)封閉系統(tǒng)，并增加一套加壓系統(tǒng)，加快了土體排水固結(jié)速度，縮短了土體固結(jié)時(shí)間，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 加壓真空預(yù)壓法的原理

1.1 加壓真空預(yù)壓系統(tǒng)的組成

加壓真空預(yù)壓系統(tǒng)主要由抽真空系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)組成。抽真空系統(tǒng)由豎向塑料排水板、手型接頭、橫向排水通道、密封體系和抽真空設(shè)備組成。加壓系統(tǒng)由加壓管、橫向管網(wǎng)和空壓機(jī)組成(見圖1)。

1.2 加壓真空預(yù)壓法的原理

圖1 加壓真空預(yù)壓系統(tǒng)示意

根據(jù)固結(jié)理論，黏性土固結(jié)所需時(shí)間與排水距離的平方成正比，土層越厚，固結(jié)延續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)［2］。加壓真空預(yù)壓法依據(jù)這一理論，一方面，充分利用傳統(tǒng)真空預(yù)壓技術(shù)，在地基土內(nèi)部均布多個(gè)塑料排水板，增加土層的排水途徑，縮短排水距離，通過抽真空形成的負(fù)壓加快排水固結(jié)速度，另一方面，在塑料排水板間的土體中均勻插打加壓管，通過對(duì)塑料排水板間土體進(jìn)行加壓，使土體中水分子在正壓作用下向塑料排水板流動(dòng)，從而達(dá)到加快孔隙水滲流速度和土體固結(jié)速度的目的。

2 加壓真空預(yù)壓主要工藝

2.1 工藝流程

場(chǎng)地平整→塑料排水板施工→加壓管施工→手型接頭、真空排水管網(wǎng)連接→加壓管網(wǎng)連接→密封墻施工→鋪設(shè)密封膜→抽真空→抽至真空度≥80 kPa→真空恒載→(滿足開始加壓條件后)加壓系統(tǒng)加壓0～4 kN壓力，使真空度由80 kPa降至40 kPa→停止加壓，使真空度由40 kPa升至80 kPa，并繼續(xù)抽水→繼續(xù)加壓、抽真空，使真空度往復(fù)增減，并繼續(xù)抽水→滿足加固要求后停泵終止抽水→施工完成。

2.2 加壓管施工方法

2.2.1 加壓管結(jié)構(gòu)

加壓管分為透氣段和不透氣段兩部分。不透氣段設(shè)在臨近地面一端，可采用PVC管或塑料管。透氣段設(shè)在遠(yuǎn)離地面一端，由若干節(jié)依次相連的透氣軟管組成。透氣軟管內(nèi)設(shè)有螺旋形彈性支撐架，每節(jié)透氣軟管之間采用螺紋接頭連接。透氣段的設(shè)置長(zhǎng)度可根據(jù)加固深度確定。不透氣段一般設(shè)為2 m。設(shè)置不透氣段的目的是防止加壓施工過程中加壓管臨近地表層部分漏氣。

2.2.2 加壓管布設(shè)

加壓管布置在塑料排水板組成的平面幾何圖形中心(如圖2所示)，其長(zhǎng)度以短于塑料排水板長(zhǎng)度0.5～1.0 m為宜。

圖2 加壓管布置示意

2.2.3 加壓管施工方法

加壓管的插打施工采用特制設(shè)備進(jìn)行。該設(shè)備插打加壓管的基本原理是利用高速高壓水流在地基土體中沖孔，然后利用設(shè)備的導(dǎo)向裝置將加壓管插打入地基土體中。由于高壓水沖擊成孔所形成的孔洞較加壓管管體大，為保證在加壓施工過程中高壓空氣通過空壓機(jī)和加壓管直接進(jìn)入地基土中發(fā)揮加壓作用，而不會(huì)通過加壓管四周的孔洞漏氣，在將加壓管插入地下后，將加壓管周邊的孔洞用土回填，防止孔洞漏氣。

2.3 抽真空施工方法

1)安裝好真空泵系統(tǒng)(將水泵、水箱、閘閥、截止閥、出膜口連接好)，接通電源，空載調(diào)試真空射流泵，當(dāng)真空射流泵上真空度達(dá)到80 kPa時(shí)，試抽真空。

2)為防止真空預(yù)壓對(duì)加固區(qū)周圍土體造成瞬間破壞，在開始階段，必須嚴(yán)格控制抽真空速率，可先開啟半數(shù)真空泵，然后逐漸增加真空泵工作臺(tái)數(shù)。當(dāng)真空度達(dá)到60 kPa，經(jīng)檢查無漏氣現(xiàn)象后，開足所有泵，將膜下真空度提高到80 kPa，并保持恒載抽真空。

3)隨著抽真空的進(jìn)行，地基將發(fā)生連續(xù)變形，需派人24 h進(jìn)行觀察，對(duì)真空度表、沉降、真空泵的變化做好記錄。當(dāng)發(fā)現(xiàn)漏氣、泵損壞等問題時(shí)，要及時(shí)維修，以保證真空泵、密封系統(tǒng)正常工作。

2.4 加壓施工方法

當(dāng)土體固結(jié)度達(dá)到一定程度后，開始進(jìn)行加壓施工。首先利用空壓機(jī)及加壓管網(wǎng)系統(tǒng)向有一定固結(jié)度的土體中打氣加壓，加速土體中孔隙水進(jìn)入塑料排水板。此時(shí)，隨著打氣加壓作業(yè)的進(jìn)行，膜下真空度將會(huì)降低，待膜下真空度降低至40 kPa后，停止打氣加壓作業(yè)。同時(shí)，在真空泵抽真空的作用下，膜下真空度又會(huì)逐漸由40 kPa增加到80 kPa。如此重復(fù)，直到預(yù)壓結(jié)束。在打氣加壓過程中，真空泵不停止工作(見圖3)。

圖3 加壓真空預(yù)壓工作運(yùn)行示意

3 討論

1)采用手型接頭將塑料排水板與橫向排水通道連接起來，組成一個(gè)密閉的真空排水系統(tǒng)，代替常規(guī)真空預(yù)壓采用的開放式真空排水系統(tǒng)，既保證了真空排水系統(tǒng)的暢通，又能使真空直達(dá)塑料排水板內(nèi)部，有利于將軟基土體中孔隙水快速排出。

2)通過增加一套加壓系統(tǒng)，對(duì)塑料排水板間土體進(jìn)行加壓，使土體中孔隙水在正壓力作用下定向流動(dòng)，加快了孔隙水的滲流速度和土體的固結(jié)速度。

3)研制了一套加壓管插管裝置，解決了加壓管插打困難、不易密封的施工難題，并申請(qǐng)了國(guó)家專利(專利受理號(hào):201010273719.4及201020519383.0)。

4 結(jié)語(yǔ)

廣珠鐵路珠海西站地處圍海造塘而成的海塘中，表層為第四系人工填土、海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等。軟土厚度近50 m。其中，流塑狀淤泥層厚為15～18 m，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、承載力低、觸變性等特點(diǎn)。珠海西站采用加壓真空預(yù)壓技術(shù)輔以堆載預(yù)壓進(jìn)行施工，歷時(shí)半年，成功完成了對(duì)廣珠鐵路珠海西站軟土地基的加固處理，解決了海相沉積深厚軟土地區(qū)鐵路站場(chǎng)工后沉降要求高、工期緊的難題，收到了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］李彰明.軟土地基加固的理論、設(shè)計(jì)與施工(第一版)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006:324-329.

［2］陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)(第二版)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1989:82-83.

［3］馮守中.公路軟基處理新技術(shù)(第一版)［M］.北京:人民交通出版社，2008:143-146.