真空聯(lián)合堆載預(yù)壓真空泵功率影響對比試驗

陳延猛

(中鐵建港航局集團巖土工程有限公司， 廣東 廣州 511442)

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓真空泵功率影響對比試驗

陳延猛

(中鐵建港航局集團巖土工程有限公司， 廣東 廣州 511442)

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓作為一種能快速、有效改善地基土性質(zhì)的地基處理方式，廣泛應(yīng)用于工程實踐當(dāng)中。然而真空預(yù)壓的加固機理并不十分清楚，實際操作的施工參數(shù)往往依靠經(jīng)驗選取，如真空泵功率大小等。有鑒于此，采用5.5 kW·h與7.5 kW·h的真空泵進行現(xiàn)場對比試驗，并埋設(shè)大量監(jiān)測儀器進行監(jiān)控，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析探討了真空泵功率對真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固效果的影響。結(jié)果表明使用7.5 kW·h功率的真空泵僅能在早期較快傳遞真空度，而超過18天后地層真空度分布與使用5.5 kW·h基本相同。因此，相比于較長的加固時間，沉降量幾乎相等。試驗所揭示的現(xiàn)象與相關(guān)結(jié)論為該處理方式的相關(guān)理論研究與應(yīng)用提供了重要資料與參考。

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓； 真空泵功率； 現(xiàn)場試驗

為了能夠快速、有效改善軟土地基的力學(xué)性質(zhì)，提高地基承載力，真空預(yù)壓加固技術(shù)作為一種新型的地基處理方法于1952年由瑞典人杰爾曼教授(Kjellman W)提出，并大量應(yīng)用于大型建筑場地、機場、港口、碼頭、高速公路等重要工程項目的軟基處理工程。如：美國費城國際機場跑道擴建工程，黃驊港軟基處理[1]，京珠高速公路軟基加固工程[2]等。國內(nèi)用真空預(yù)壓法加固軟土地基面積已超過1500余萬m2。隨著工程經(jīng)驗的積累，巖土工程界近年來還不斷推出了真空預(yù)壓新技術(shù)，如單井抽真空、劈裂真空預(yù)壓、氣囊真空預(yù)壓等[3～6]。真空預(yù)壓法己經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，前人也都在該法加固機理方面作了不少的研究和理論計算工作[7～10]。

對于真空預(yù)壓的某些加固機理并不十分清楚，真空預(yù)壓加固法理論研究進度依然滯后于實際工程經(jīng)驗的發(fā)展。實際工程中如何合理選取具體的施工參數(shù)，往往成為制約真空預(yù)壓法加固效果與加固費用的難題。真空泵功率作為一個重要參數(shù)，其選取還處于經(jīng)驗階段。小功率的真空泵往往不能達到或歷時很長時間才能達到所需的膜下真空度要求。而在長時間的抽排水過程中，功率過大也將直接導(dǎo)致用電量的上升，提高了加固費用。

針對這一參數(shù)，結(jié)合廣東南車軌道交通車輛修造基地軟基處理工程進行了不同功率真空泵加固效果的對比試驗。通過實際的監(jiān)測結(jié)果，對比采用不同參數(shù)時膜下真空度上升到設(shè)計要求所需時間、沉降量與總耗電量，為抽空設(shè)備優(yōu)化提供指導(dǎo)意見，并為參數(shù)影響研究提供基礎(chǔ)資料。

1 場地概述與試驗方案

1.1 場地概述

廣東南車軌道交通車輛修造基地項目選址于廣東省江門市新會區(qū)，占地127.733 ha。工程勘察表明擬建場地在區(qū)域地貌上屬于珠三角沖積平原。地貌單元上為江門水道河流階地，表現(xiàn)為魚塘、稻田、菜地與芭蕉林，自然標(biāo)高為-0.8～2.9 m。地下水埋深較淺，位于地表以下0.5～1.1 m。兩區(qū)淤泥層及其以下土層均處于飽和狀態(tài)。

試驗對比區(qū)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓設(shè)計參數(shù)為：排水板間距為1.1 m，深度以進入砂層0.5 m為準(zhǔn)。以真空預(yù)壓80 kPa作為先期荷載，待真空度維持85 kPa超過7天后，開始填土至設(shè)計標(biāo)高。

抽空設(shè)備參數(shù)對比試驗分別安排在整個場地的22區(qū)和23區(qū)兩個試驗區(qū)進行：22區(qū)面積為148 m×150 m，采用5.5 kW·h真空泵；23區(qū)面積為148 m×160 m，采用7.5 kW·h真空泵。為了方便進行對比試驗，兩個試驗區(qū)采用了相同的布管形式、真空泵數(shù)量(10臺)，并且在真空泵工作時間上也保證了一致。兩個試驗區(qū)的工程地質(zhì)剖面圖見圖1，地層厚度統(tǒng)計如表1。

表1 試驗區(qū)主要地層厚度統(tǒng)計 m

圖1 22區(qū)與23區(qū)工程地質(zhì)剖面/m

從地質(zhì)剖面(圖1)中可以看到，23區(qū)與22區(qū)在地層上最大的差別在于22區(qū)的淤泥與淤泥質(zhì)土層總厚度比23區(qū)大1.7 m，而23區(qū)淤泥質(zhì)土層下還有2.3 m的粘土層，相對于軟土層(淤泥與淤泥質(zhì)土層)總厚度19.5 m而言，兩區(qū)軟土層厚度的差別在10 %以內(nèi)。工程地質(zhì)剖面圖顯示22區(qū)與23區(qū)在地層上的差異性很小。由于排水板均進入中粗砂層0.5 m，粘土層的影響不大。

塑料排水板絕大部分長度均處于滲透性較差的軟土層(淤泥與淤泥質(zhì)土)中，橫向上受到滲透性較差的軟土隔絕。由于真空聯(lián)合堆載預(yù)壓對周邊地下水環(huán)境與沉降具有影響，排水板不能進入透水層深度太深，本場地僅進入中粗砂層0.5 m。中粗砂層的連通性造成兩區(qū)之間的孔隙壓力具有一定的聯(lián)系。然而場地長度較大，22區(qū)、23區(qū)場地各長達150 m和160 m。綜合以上方面，可以認為兩個場地孔隙壓力相互影響有限。這一點將通過真空度監(jiān)測予以證明。

1.2 試驗監(jiān)測方案

取兩區(qū)共同軸線，在軸線上取關(guān)于共同軸線對稱位置埋設(shè)種類與型號相同的監(jiān)測元件且埋設(shè)深度與數(shù)量一致，斷面監(jiān)測元件埋設(shè)情況如圖2所示。

(a) 平面 (b) 剖面 圖2 現(xiàn)場對比試驗區(qū)監(jiān)測元件埋設(shè)平面、剖面/m

1.2.1 表面沉降監(jiān)測

表面沉降監(jiān)測采用自制沉降標(biāo)，每個試驗區(qū)埋設(shè)9點，編號分別為CJ22-1～CJ22-9、CJ23-1～CJ23-9，監(jiān)測頻率為：(1)埋設(shè)后至排水板打設(shè)前，至少監(jiān)測2次，得到穩(wěn)定的初測標(biāo)高；(2)排水板開始打設(shè)至打設(shè)完畢，每2天1次；(3)鋪膜后至抽真空前，重置沉降標(biāo)后需至少觀測2次，得到抽真空前的場地標(biāo)高；(4)抽真空開始后至膜下真空度達到85 kPa，每天1次；(5)膜下真空度穩(wěn)定于85 kPa至填土前，每2天1次。

1.2.2 分層沉降監(jiān)測

分層沉降監(jiān)測采用分層沉降管與磁環(huán)式沉降標(biāo)。分層沉降標(biāo)每區(qū)各設(shè)1組，平面位置位于各區(qū)5號表面沉降標(biāo)附近。分層沉降標(biāo)各自獨立成孔分別埋設(shè)于地表下-5.0、-8.0、-13.0 m處，其埋設(shè)時間為打設(shè)排水板前，監(jiān)測頻率與表面沉降標(biāo)一致。

1.2.3 孔隙水壓力監(jiān)測

孔隙水壓力監(jiān)測采用滲壓式振弦式孔隙水壓力計(JDKYJ-32型)，其量程由埋深處靜水壓力確定?？紫端畨毫τ嬅繀^(qū)各設(shè)1組，分別埋設(shè)于各區(qū)中軸線側(cè)，與第二組深層真空計測頭深度對應(yīng)，用于考察與深層真空度的對應(yīng)關(guān)系。為保證儀器安全，探頭埋設(shè)于排水板打設(shè)后。監(jiān)測頻率與表面沉降標(biāo)一致。

1.2.4 深層真空度監(jiān)測

真空度可直觀反映出真空度傳遞情況，為判定真空泵效率的直接測試手段。真空度采用埋設(shè)真空計(Y-100型)進行監(jiān)測。本試驗真空計埋設(shè)統(tǒng)計見表2，具體埋設(shè)位置見圖2。

表2 真空計測頭編號與埋設(shè)深度統(tǒng)計

真空計埋設(shè)于排水板打設(shè)后，每組探頭的鉆孔位置設(shè)置在三角形排列的3個排水板中央。埋設(shè)完后于上段氣管口處貼標(biāo)簽記錄探頭埋置深度，并用防水膠布纏封管口，保證氣管通暢。膜下真空度達到85 kPa前監(jiān)測頻率為每3小時1次。之后為每2～4天1次。

1.2.5 用電量

開始抽真空時記錄電表讀數(shù)，在膜下真空度達到85 kPa前，讀表頻率為每天1次，當(dāng)膜下真空度穩(wěn)定于85 kPa后，在真空泵工作臺數(shù)不變情況下，讀表頻率可適當(dāng)降低。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2012年1月2日15:30開始抽真空，同時開始監(jiān)測工作，截止2012年3月23日，共監(jiān)測81天。此前22區(qū)排水板施工期為10天，期間表面沉降累計均值為53.7 mm；23區(qū)排水板施工期為6天，期間表面沉降累計均值為50.8 mm。開始抽真空頭2天，為防止真空膜急劇受拉破壞，兩區(qū)開泵數(shù)均為8臺，第3天開始兩區(qū)開泵數(shù)均保持為10臺，最大程度上保證了兩試驗場地條件相同。

2.1 表面沉降

圖3、4為兩區(qū)表面沉降隨時間變化圖，兩區(qū)域的表面沉降曲線大小與曲線形態(tài)基本一致。在真空加載開始后的31天內(nèi)，采用較大功率真空泵的23區(qū)表面沉降量略大于22區(qū)。而當(dāng)加載超過31天時，采用小功率真空泵的22區(qū)沉降量反而略超過了23區(qū)。

圖3 22區(qū)表面沉降-荷載-時間

圖4 23區(qū)表面沉降-荷載-時間

2.2 分層沉降

對各區(qū)分層沉降標(biāo)的數(shù)據(jù)進行處理，得到各土層在真空預(yù)壓80天時的壓縮量，見表3?？梢?，采用小功率真空泵的22區(qū)主要淤泥與淤泥質(zhì)土層壓縮量大于同期23區(qū)軟層壓縮量。主要的差別體現(xiàn)在8～13 m這一層當(dāng)中，差值達到了77 mm。22區(qū)采用了低功率真空泵，而23區(qū)采用高功率真空泵。在相同條件下，23區(qū)應(yīng)大于或等于22區(qū)沉降，而事實的監(jiān)測結(jié)果正好相反。由于下臥層和上層沉降均正常，因此測量誤差的可能性不大，其主要原因是由于22區(qū)淤泥與淤泥質(zhì)土層總厚度略大于23區(qū)造成的。同時也可以看到，不同功率的真空泵在22區(qū)和23區(qū)的加固效果上差別并不大。

表3 分層壓縮量統(tǒng)計(真空預(yù)壓80天) mm

2.3 孔隙水壓力與真空度

孔隙水壓力的變化規(guī)律與真空度的變化規(guī)律是一致的，這是由兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系所決定的。當(dāng)真空度傳遞至某一深度時，孔隙水壓力也相對減小，甚至轉(zhuǎn)為負值?？紫端畨毫ζ鸬搅伺c真空度相互驗證的作用。限于篇幅，僅對測量密度更大的真空度數(shù)據(jù)進行分析。

通過對22區(qū)、23區(qū)三個斷面下同一深度下的真空度監(jiān)測，分別繪制出了兩個分區(qū)同一深度下隨時間變化的真空豎向傳遞監(jiān)測曲線，如圖5所示。

圖5 22區(qū)和23區(qū)真空豎向傳遞監(jiān)測曲線對比

分別對比22區(qū)和23區(qū)的真空度分布數(shù)據(jù)可見：(1)23區(qū)大功率真空泵在加載的早期可在地表處快速達到較高真空度。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明真空預(yù)壓3天后7.5 kW·h真空泵可在地下1.0 m(含0.3～0.5 m砂墊層)深處產(chǎn)生50 kPa真空度，而同時期5.5 kW·h真空泵于同深度處只能產(chǎn)生30 kPa真空度，但兩種真空泵真空度傳遞深度相當(dāng)，約為7.0 m；(2)加載6天后，兩區(qū)同深度處真空度均有增加，22-2斷面和22-3斷面真空度傳遞深度甚至超過23區(qū)；(3)真空加載18～30天，22區(qū)的大部分真空度數(shù)據(jù)開始達到和超過23區(qū)的真空度，尤其是較深處的真空度數(shù)據(jù)增長較快。從最終的真空度數(shù)值來看，采用小功率真空泵的22區(qū)真空度與采用大功率真空泵的23區(qū)真空度數(shù)值大小基本相等，有的深度真空度甚至超過23區(qū)。這樣的結(jié)果顯然只是地層的差別造成的。由圖5揭示出：不同功率真空泵的差別在于真空上升時間，在達到設(shè)計最大真空度后，不同功率真空泵均能滿足維持真空度的要求。而大部分沉降發(fā)生在真空度上升到設(shè)計真空度之后，因此造成22區(qū)與23區(qū)沉降量相近，甚至22區(qū)略大，仍是合理的。結(jié)果同時反映了在該地層條件下，7.5 kW·h真空泵的工作效率不及5.5 kW·h真空泵。

兩種不同功率真空泵在監(jiān)測前期達到設(shè)計真空度所需時間的差異從一定程度上也證明了兩個場地孔壓不存在明顯的連通性。

2.4 用電量

用電量方面，7.5 kW·h真空泵用電量大于5.5 kW·h真空泵，見圖6，其中兩條直線代表按照實際開泵時間和功率計算的用電量，斜率較高的代表高功率真空泵，斜率較低的代表低功率真空泵。22區(qū)與23區(qū)在抽真空的頭1個月(30天)，后者比前者多耗電12%，約5000 kW·h。抽真空監(jiān)測期80 天內(nèi)，采用7.5 kW·h真空泵約多耗電量13000 kW·h。加固時間越長，耗電量越高。如按照本場地平均抽排加固期180天計算，則加固每平方米場地多耗電1.32kW·h。

圖6 22區(qū)和23區(qū)用電量對比

3 結(jié) 論

抽真空后的前一個月內(nèi)，22區(qū)與23區(qū)分別開動數(shù)目相等的5.5 kW·h和7.5 kW·h真空泵用于真空加載。綜合考慮用電量、兩區(qū)沉降量方面可發(fā)現(xiàn)，23區(qū)在用電量明顯高于22區(qū)的前提下，于真空加載早期的前18天，在真空膜下淺層土體中產(chǎn)生的負壓(真空度)均明顯高于后者，表面沉降也略大于后者；加載18～30天后，22區(qū)的大部分真空度數(shù)據(jù)開始達到和超過23區(qū)的真空度；最終的真空度數(shù)值基本一致，總沉降量也趨于一致甚至超過23區(qū)。不同功率的真空泵的差別在于真空上升時間，不同功率真空泵均能滿足維持真空度的要求。而大部分沉降發(fā)生在真空度上升到設(shè)計真空度之后，因此造成22區(qū)與23區(qū)沉降量相近，甚至22區(qū)略大，仍是合理的。

總體來看，真空泵功率大小僅影響初期真空度的提升。從地基的真空度與地基總沉降量的角度分析，結(jié)果反映在試驗場區(qū)的地層條件下，7.5 kW·h真空泵的工作效率不及5.5 kW·h真空泵。采用5.5 kW·h也能夠滿足要求。今后，仍需要在理論的指導(dǎo)下，建立起真空泵功率大小的選擇依據(jù)。

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Comparison Experiments on Impact of Pump Power of Vacuum Preloading Method

CHENYan-meng

(China Railway Construction Harbor Bureau Group of Geotechnical Engineering Co Ltd,Guangzhou 511442, China)

Vacuum preloading method is widely used in the ground improvement projects. It can improve the strength of the ground rapidly and efficiently. However, the reinforcement mechanism is not very clear to us. Some construction parameters of this method are chosen by experience without evaluating the actual influence, such as the power of vacuum pump. In order to find the impacts of the power of the vacuum pump, 5.5kW·h and 7.5 kW·h vacuum pumTP were used separately in two experiment fields. A lot of sensors and instruments, such as settlement plates, pore water sensors, vacuum sensors, were used to monitor during the preloading process. It was shown that bigger power pump (7.5 kW·h) can only transmit the vacuum in the early days during the preloading. The distribution of vacuum became the same with the field using 7.5 kW·h pumTP after 18 days. The settlements were almost the same using different pumTP with the same working time. The data and the results obtained from the experiments provide an important reference to this kind of method.

vacuum preloading method; power of the vacuum pump; field experiment

2014-06-07

2014-10-09

陳延猛(1981-)，男，湖北松滋人，工程師，碩士，研究方向為軟土地基加固技術(shù)(Email: 654492750@qq.com)

TU472.3+3

A

2095-0985(2014)04-0033-05