真空堆載聯(lián)合預(yù)壓在浙江舟山武港碼頭工程的應(yīng)用

蔡 弘 雷麒麟

（武鋼建工集團(tuán) 湖北 武漢：430080）

近年來，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展，各地興建了很多港口、高速公路以及物流堆場(chǎng)。這些工程（特別是在沿江、沿海地區(qū)）經(jīng)常遇到的主要問題是如何有效的處理軟土地基。軟土地基的特點(diǎn)是含水率很高，孔隙比大，壓縮性高，強(qiáng)度低，透水性差。堆載預(yù)壓法地基固結(jié)速度慢，復(fù)合地基法（深層攪拌樁、粉噴樁、CFG樁等）造價(jià)高，質(zhì)量不易控制。真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法作為排水固結(jié)法的一種，技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、工期較短，在眾多地基處理技術(shù)中已經(jīng)凸顯出其明顯的優(yōu)點(diǎn)，受到廣大工程技術(shù)人員的青睞。本文結(jié)合浙江舟山武港碼頭工程地基處理的工程實(shí)踐，對(duì)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓在港口碼頭軟基處理中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

1 工程概述

浙江舟山武港場(chǎng)地主要工程建設(shè)項(xiàng)目包括礦石堆場(chǎng)和輔建區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)近礦石堆場(chǎng)區(qū)域和輔建區(qū)設(shè)計(jì)都為真空堆載聯(lián)合預(yù)壓，共分為6個(gè)區(qū)域，礦石堆場(chǎng)區(qū)域分為真空堆載聯(lián)合預(yù)壓1、2、3、4區(qū)，在真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上堆載高度為8.5m（153kPa）土石方，預(yù)壓時(shí)間為180天，輔建區(qū)分為真空回填預(yù)壓區(qū)域1區(qū)、2區(qū)，為真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上堆載高度為3m（45kPa）土石方，預(yù)壓時(shí)間為100天。

2 加固機(jī)理

2.1 堆載預(yù)壓的加固機(jī)理

堆載預(yù)壓法以土料、塊石等作為荷載，對(duì)被加固的軟土地基進(jìn)行預(yù)壓。為了縮短加固時(shí)間，加快固結(jié)過程，在地基中打設(shè)一定深度的塑料排水板，軟基在堆載荷載作用下，產(chǎn)生正的超靜水壓力。經(jīng)過一段時(shí)間，超靜水壓力逐漸消散，土中有效應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，地基得以固結(jié)，產(chǎn)生垂直變形，同時(shí)強(qiáng)度也得到提高。

2.2 真空預(yù)壓的加固機(jī)理

用真空預(yù)壓加固軟土地基時(shí)，在需要加固的地基上先鋪設(shè)砂墊層，然后打設(shè)塑料排水板，通過安裝抽真空設(shè)備和密封膜在加固土體中形成一個(gè)負(fù)超靜水壓力，使土體中的孔隙水從排水通道不斷排出，土中孔隙水壓力逐漸減小，有效應(yīng)力逐漸增加，地基逐漸固結(jié)。

堆載預(yù)壓與真空堆載兩者都屬于排水固結(jié)法，真空堆載聯(lián)合預(yù)壓是真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的結(jié)合，是先在軟基打設(shè)塑料排水板或袋裝砂井作為豎向排水體，并在軟基上鋪設(shè)砂墊層作為水平向排水體，通過真空壓力（負(fù)壓）和堆載（正壓），使土體中的孔隙水壓力產(chǎn)生不平衡水壓力，孔隙水在這種不平衡力的作用下通過豎向排水體逐漸排出，從而使土體產(chǎn)生固結(jié)變形。

真空堆載聯(lián)合預(yù)壓在真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上增大總應(yīng)力，增加軟土中的孔隙水壓力，從而加大軟土與塑料排水板的孔隙水壓力差，既增加了加固深度，又減少了工后沉降，提高了排水固結(jié)的速度。

3 真空堆載預(yù)壓施工工藝

（1）排除加固區(qū)內(nèi)積水，在泥面鋪設(shè)兩層土工格柵和一層土工布。輕型設(shè)備分層鋪設(shè)山皮土至標(biāo)高＋1.0m且厚度不小于1m。山皮土中碎石含量不大于50%，最大粒徑不大于8cm，確保排水板順利可以穿過該土層。鋪設(shè)排水砂墊層500mm，且頂面標(biāo)高不小于＋1.5m，允許施工偏差＋50mm；并測(cè)量砂墊層頂面標(biāo)高；

（2）打設(shè)塑料排水板。排水板正方形布置，間距1.2m。埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器，鋪設(shè)濾管；安裝射流泵，挖密封溝和鋪密封膜并探摸壓膜溝所在位置下部是否存在透氣土層，并根據(jù)情況采取必要的密封措施。密封溝要挖至不透氣（水）土層頂面以下500mm，最淺不小于1500mm，鋪密封膜后用粘土回填密封溝。開挖密封溝時(shí)，溝內(nèi)排水板不剪斷，應(yīng)沿溝邊向上插入到砂墊層中至少200mm長(zhǎng)；

（3）設(shè)置地面沉降標(biāo)，測(cè)量真空預(yù)壓前的砂墊層頂面標(biāo)高，連接抽真空設(shè)備，試抽氣、檢查、正式抽氣。試抽氣時(shí)真空泵分批開啟，每批開啟1／3，間隔3－5天，穩(wěn)定后全部開啟真空泵；

（4）聯(lián)合堆載。真空預(yù)壓真空度達(dá)到80kPa穩(wěn)定后10天可進(jìn)行聯(lián)合堆載施工?；靥钔梁投演d次序如下：前5－10天首先在膜上鋪設(shè)一層土工布，鋪設(shè)40cm厚砂，然后小型設(shè)備堆載60cm，然后可用輕型機(jī)械分層施加剩余堆載料，分層厚度不大于0.5m，在填筑過程中壓實(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)高度要求后停止加載（見圖1）；

圖1 真空堆載聯(lián)合預(yù)壓加載計(jì)劃圖

（5）卸載和效果檢驗(yàn)。真空堆載聯(lián)合預(yù)壓停泵卸載的標(biāo)準(zhǔn)：①實(shí)測(cè)地面沉降速率連續(xù)5天平均沉降量不大于2.0mm／d；②按實(shí)測(cè)沉降曲線推算的固結(jié)度達(dá)到90%，停止抽氣，卸載，進(jìn)行滿夯處理，然后進(jìn)行加固后的效果。真空回填預(yù)壓區(qū)域（見圖2）停泵卸載的標(biāo)準(zhǔn)：①實(shí)測(cè)地面沉降速率連續(xù)5d平均沉降量不大于2.0mm／d；②按實(shí)測(cè)沉降曲線推算的固結(jié)度達(dá)到85%，停泵卸，然后進(jìn)行加固后的效果。

圖2 真空回填預(yù)壓加載計(jì)劃圖

4 監(jiān)測(cè)和檢測(cè)結(jié)果分析

4.1 地表沉降

通過對(duì)場(chǎng)地內(nèi)六個(gè)區(qū)布設(shè)的共98個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析表明：沉降量大小主要與軟土層淤泥質(zhì)粘土厚度有關(guān)。淤泥質(zhì)粘土厚度為3m－22m不等變化幅度大，軟基監(jiān)測(cè)期間場(chǎng)地的最大沉降量為1.54m，位于真空堆載聯(lián)合預(yù)壓2區(qū)；地基的沉降速率逐漸減小，地基處在收斂中。在真空預(yù)壓未外加荷載時(shí)，沉降速率大，日均沉降量最大達(dá)5.4cm／d，位于真空堆載聯(lián)合預(yù)壓3區(qū)，其他區(qū)域也表層沉降標(biāo)沉降速率平均為3.9cm／d。根據(jù)孔隙水壓力和加載計(jì)劃圖加載后，每一級(jí)堆載都伴隨著沉降加速，達(dá)到5mm／d～1.9mm／d，加載完成沉降速率逐漸變緩，沉降量為1mm／d～7mm／d，而且沉降與上部荷載有關(guān)，真空堆載聯(lián)合預(yù)壓1、2、3、4區(qū)沉降量明顯大于真空回填預(yù)壓1、2區(qū)；根據(jù)變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)卸載標(biāo)準(zhǔn)（連續(xù)5天平均每天沉降量不大于2mm），同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)沉降曲線推算的固結(jié)度：真空回填預(yù)壓1、2區(qū)大于85%，真空堆載聯(lián)合預(yù)壓1、2、3、4區(qū)大于90%，因此可判定場(chǎng)地基土變形已經(jīng)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段，達(dá)到卸載要求。卸載時(shí)的具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

利用表面沉降推算固結(jié)度，首先需要推算最終表面沉降量。目前最終表面沉降量可以通過實(shí)測(cè)表面沉降曲線的推算來確定，采用了雙曲線計(jì)算方法推算最終表面沉降量，實(shí)測(cè)表面沉降曲線可以用雙曲線函數(shù)近似代替，所以可以利用雙曲線方程計(jì)算最終表面沉降量，雙曲線計(jì)算方法公式如下：

表1 場(chǎng)地地表沉降統(tǒng)計(jì)表

式中：S∞為地表最終沉降量（mm）；S1、S2、S3為實(shí)測(cè)沉降曲線上等同時(shí)間隔時(shí)間下的實(shí)測(cè)沉降量（mm）；

然后利用表面沉降對(duì)固結(jié)度進(jìn)行推算，利用表面沉降量推算固結(jié)度是地基表面某點(diǎn)實(shí)測(cè)沉降量與最終沉降量的比值，就是該時(shí)刻土體的固結(jié)度，固結(jié)度計(jì)算公式如下：

式中：St為t時(shí)間的沉降量（mm）；S∞為利用雙曲線法推算的地表最終沉降量（mm）；Ut為用實(shí)測(cè)沉降量表示的對(duì)應(yīng)t時(shí)刻的固結(jié)度（%）。

以真空堆載聯(lián)合預(yù)壓2區(qū)B2－11監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，B2－11監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1、S2、S3依次選取t1、t2、t3取4月18日、5月8日、5月28日的沉降量為St1為1.332m、St2為1.446m、St3為1.511m則：

4.2 地基土分層沉降

通過分層沉降的觀測(cè)，可以了解地基不同層位的分層沉降量（見表2）。根據(jù)分層沉降變化規(guī)律，進(jìn)一步分析深層土的加固效果和加固影響。深度場(chǎng)地6個(gè)區(qū)共6個(gè)分層，每層3m的沉降監(jiān)測(cè)孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：由于地基土層的差別而使各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降不盡相同，總的規(guī)律是淺部沉降量大，深部沉降量小，符合土體深層沉降規(guī)律。而且對(duì)比真空回填預(yù)壓1、2區(qū)A1F、A2F與真空堆載聯(lián)合預(yù)壓1、2、3、4區(qū)B1F、B2F、B3F（破壞）、B4F分層表層各深度累計(jì)沉降與上部荷載、淤泥質(zhì)粘土厚度有很大關(guān)系、上部荷載越大，下部土層處理的越好。

表2 分層表層各深度累計(jì)沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.3 地表水平位移

地表水平位移共設(shè)8組邊樁，每組4個(gè)。其最終水平位移在－98mm～－17mm之間，整體規(guī)律為：在抽真空的過程中，地表水平位移向堆場(chǎng)內(nèi)側(cè)不斷收縮至最大，向內(nèi)位移最大為5mm／d，在堆載進(jìn)行后，堆場(chǎng)地表位移又開始慢慢轉(zhuǎn)為向外側(cè)擠出，至達(dá)到場(chǎng)外測(cè)位移的最大值。地表水平位移表面對(duì)處理區(qū)域周邊的土體、建筑影響很大。在加載過程中，一般地表水平位移向外擠出位移最大為3mm／d，最小為1mm／d；

4.4 地基土深層水平位移

場(chǎng)地6個(gè)區(qū)共設(shè)9個(gè)深層水平位移，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)表明：上部水平位移較下部大，根據(jù)軟土層厚度不同，位移影響深度主要在地表以下12m內(nèi)；深層水平位移隨時(shí)間變化趨勢(shì)同分層沉降隨時(shí)間變化的規(guī)律近似，抽真空初期先向場(chǎng)地內(nèi)側(cè)收縮，堆載后向外側(cè)擠出。

4.5 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

孔隙水壓力觀測(cè)是了解地基土體固結(jié)狀態(tài)最直接的手段。各區(qū)孔隙水壓力觀測(cè)結(jié)果表明：地基孔隙水壓力的增長(zhǎng)與消散規(guī)律反映了軟基的排水固結(jié)特性及有效應(yīng)力變化規(guī)律。孔隙水壓力在不同深度變化趨勢(shì)比較一致；抽真空初期，孔隙水壓力下降較快，真空后期趨于穩(wěn)定，隨著堆載進(jìn)行孔隙水壓開始上升，并隨著堆載停止趨于穩(wěn)定。

4.6 十字板加固效果檢驗(yàn)與分析

通過前后各區(qū)加固前后對(duì)照孔抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)料場(chǎng)經(jīng)過真空堆載聯(lián)合預(yù)壓后的地基土的巖土工程性能得到了提高。而且真空堆載聯(lián)合預(yù)壓1、2、3、4區(qū)域平均抗剪強(qiáng)度明顯高于真空回填1、2區(qū)加固后平均抗剪強(qiáng)度，說明加固效果與加載荷載有直接關(guān)系，詳見表3。

表3 預(yù)壓前后軟土層十字板抗剪強(qiáng)度對(duì)比表

4.7 土質(zhì)加固效果檢驗(yàn)與分析

通過前后各區(qū)預(yù)壓前后對(duì)照孔各深度土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的對(duì)比（見表4），可以發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地經(jīng)過真空堆載預(yù)壓后的地基土的巖土工程性能特別是軟土的工程性能得到了提高。這表明軟土地基繼續(xù)經(jīng)過真空堆載處理后，地基土排水固結(jié)情況良好，固結(jié)程度得到很大提高，對(duì)比臨近的真空回填預(yù)壓1區(qū)和真空堆載聯(lián)合預(yù)壓4區(qū)，真空堆載聯(lián)合預(yù)壓4區(qū)天然含水量、孔隙比、壓縮模量改善幅度都大于真空回填預(yù)壓1區(qū)，說明真空堆載聯(lián)合預(yù)壓4區(qū)由于加載荷載、預(yù)壓時(shí)間大于真空回填預(yù)壓1區(qū)，處理效果更好。

5 影響施工質(zhì)量的主要因素

5.1 真空度的影響因素

在真空堆載聯(lián)合預(yù)壓中，真空度的空間分布及真空度傳遞情況直接影響加固效果。真空度的傳遞過程為：射流泵——膜下濾管、砂墊層——塑料排水板——加固土體。

影響膜下真空度的因素有射流泵性能、射流泵數(shù)量、泵后連接的管路、膜下砂墊層滲透性及濾管布置、淺層密封性能等。提高膜下真空度的途徑：提高射流泵自身形成真空的能力，加強(qiáng)泵與膜之間管路的暢通性及密封性，降低管路中水、氣運(yùn)動(dòng)阻力；選擇滲透性強(qiáng)的中粗砂作墊層，均勻合理地布置濾管，使濾管轉(zhuǎn)角采用三通、四通連接；選密封性能好的薄膜，一般鋪設(shè)三層；對(duì)加固區(qū)周圍表層土做密封處理，如加靜水溝、防水帷幕等，以防加固過程中周圍表層土體開裂漏氣現(xiàn)象。

表4 預(yù)壓前后土質(zhì)加固效果對(duì)比

影響土體中的真空度的因素有膜下和塑料排水板體中真空度、土體的孔隙比、飽和度、滲透性和土層分布狀況、地質(zhì)條件、深層密封措施等。地基中有無強(qiáng)透水層對(duì)真空度影響很大，若有則必需采取深層密封措施。提高土體中真空度的途徑：本工程塑料排水板采用D型非再生料芯板，并能夠進(jìn)行電子導(dǎo)線測(cè)深的排水板，有效地控制了塑料排水板的打設(shè)深度，排水板耐久性不小于5年，確保了塑料排水板透水透氣的通暢性；隔斷地基中強(qiáng)透水層與外界的聯(lián)系，減少區(qū)外因素對(duì)區(qū)內(nèi)真空度的影響；證抽真空能量。

5.2 密封膜鋪設(shè)與保護(hù)

密封膜在真空堆載聯(lián)合預(yù)壓加固過程中起關(guān)鍵作用，在鋪設(shè)和保護(hù)時(shí)都很重要。密封膜采用聚乙烯薄膜，按現(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓區(qū)域尺寸在工廠熱合一次成型，并考慮埋入密封溝的部分，留有足夠大的余地；鋪密封膜前，確保塑料排水板板頭埋入砂墊層內(nèi)；為保證密封效果，密封膜鋪三層。鋪設(shè)時(shí)，膜不宜拉的太緊，中間尺寸預(yù)留密封膜，每邊比圖紙尺寸要放出3－5m，鋪設(shè)時(shí)自一邊開始，三層一道依次順序同時(shí)由近及遠(yuǎn)進(jìn)行鋪設(shè)，膜埋入密封溝時(shí)，不要被石塊、草根戳破等戳破，注意其完整性。

鋪設(shè)好后進(jìn)行抽氣后進(jìn)行地毯式巡查，等真空度穩(wěn)定在85kPa以上并穩(wěn)定10天后進(jìn)行無紡?fù)凉げ间佋O(shè)，無紡?fù)凉げ际┕ね戤吅筮M(jìn)行保護(hù)墊層施工，厚約400mm。本工程保護(hù)墊層采用吹砂法施工，由吹砂船主管道600mm，在管頭用12個(gè)150mm軟支管進(jìn)行減壓分流，確保保護(hù)層400mm的厚度，并減少了鋪設(shè)保護(hù)墊層時(shí)對(duì)密封膜的破壞，利用壓膜溝進(jìn)行排水，吹填砂排水后固結(jié)，裝卸車和裝載機(jī)可以自由行走，對(duì)密封膜有效的進(jìn)行了保護(hù)。

5.3 加載速率的控制

現(xiàn)場(chǎng)堆載料加載按堆載中心點(diǎn)地表沉降每天不超過20mm，邊樁水平位移每天不超過5mm，孔隙水壓力計(jì)均滿足△u／△p＜0.5的標(biāo)準(zhǔn)等指標(biāo)進(jìn)行控制加載速度，分層厚度不大于0.5m并參照加載計(jì)劃圖進(jìn)行施工。完成每一級(jí)荷載后，應(yīng)等孔隙水壓力平穩(wěn)后再進(jìn)行下一級(jí)的荷載，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)禁堆載加載速率過大，一次性加載厚度過高及土體的不均勻性，會(huì)造成土體的失穩(wěn)，固結(jié)土體的破壞。

在未達(dá)到填土極限高度前可以不控制加載速率，可以預(yù)見趕工期的做法對(duì)工后沉降是十分不利的；緩慢加載，土體的壓縮作用進(jìn)行緩慢，對(duì)土體結(jié)構(gòu)破壞小，不會(huì)產(chǎn)生大的觸變擾動(dòng)，而壓縮過程中地基土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又可以部分得到恢復(fù)，有利于土體固結(jié)和土體強(qiáng)度的增加。

6 結(jié)束語

（1）真空堆載聯(lián)合預(yù)壓施工工藝基本成熟，但還有待于進(jìn)一步該進(jìn)，提出砂墊層與濾管的改進(jìn)、采用變真空能量法、無密封膜真空堆載聯(lián)合預(yù)壓、復(fù)合土工膜等改進(jìn)措施；

（2）真空堆載聯(lián)合預(yù)壓處理后的場(chǎng)地地基承載力受加載荷載影響較大，大面積堆載料堆載過高后，堆載料可采用梯形堆載法，保證土體和堆載邊坡的穩(wěn)定性；

（3）真空堆載聯(lián)合預(yù)壓處理軟土地基時(shí)，水平位移是向內(nèi)的，這一方面有利于處理軟基的整體穩(wěn)定，另一方面可能會(huì)引起周圍地表面的開裂影響到已建的建筑物和構(gòu)筑物，需采取一定的措施加以防護(hù)；

（4）真空堆載聯(lián)合預(yù)壓對(duì)場(chǎng)地較小、堆載料匱乏的地區(qū)不經(jīng)濟(jì)適用。

［1］地基處理手冊(cè)編寫委員會(huì).地基處理手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］婁炎.真空排水預(yù)壓法加固軟基技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2001.