一種涵閘軟基加固技術(shù)

景宏彬，陳國龍，王紅洲，鄧友生，景宏君，孔祥東，崔福平

(1.陜西省水務(wù)集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710068；2.陜西省漢中公路管理局， 陜西 漢中 723000；3.陜西省安康公路管理局漢濱公路管理段， 陜西 安康 725000；4.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；5.陜西省交口抽渭管理局， 陜西 渭南 714000； 6.中鐵一局集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710000)

在土木工程軟基處理過程中，采用何種加固方法，首先要分析研究軟基類型，然后確定采用合適的方法。涵閘等水利工程與公路軟基加固等不同之處在于：① 前者需卸除堆土荷載來進(jìn)行后續(xù)工序，有可能出現(xiàn)地基回彈現(xiàn)象，而后者為加固結(jié)束后不卸除堆載，地基回彈現(xiàn)象不會出現(xiàn)；② 前者要求加固區(qū)域內(nèi)沉降均一，為均勻沉降，而后者加固后沉降趨勢為凹曲線型，即加固區(qū)域中間沉降值較大，邊緣沉降值較小，即呈現(xiàn)不均勻沉降。正是由于涵閘工程地基的特殊要求，目前已經(jīng)采用的典型方法有：如張華[1]衍應(yīng)用松木樁加固涵閘工程淤泥軟土地基；宋平原等[2]采用土工織物加固處理萬泉河涵閘軟基；薛峰等[3]分析了高壓旋噴樁及高噴連續(xù)墻在加固水庫壩體與涵閘地基上的應(yīng)用，并探討設(shè)計中的相關(guān)技術(shù)問題；劉繼偉等[4]采用水泥土攪拌法加固處理涵閘軟土地基；左梓芳等[5]應(yīng)用水泥粉噴樁加固涵閘基礎(chǔ)工程，論述在實際應(yīng)用中影響水泥粉噴樁質(zhì)量的因素以及質(zhì)量控制的方法；王吉水等[6]以北江大堤樂排河水閘采用鉆孔灌注樁施工為例，介紹涵閘軟基鉆孔灌注樁的施工方法和施工中值得注意的一些問題；也有采用土壤固化劑，壓密樁，但報道較少。

真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理涵閘工程軟基應(yīng)用較少，王強(qiáng)等[7]和吳躍東等[8]分別研究了該方法在淮河入海水道涵閘軟基處理工程中的應(yīng)用，均認(rèn)為加固效果明顯、加固深度大、有效減少了工后沉降等優(yōu)點，但該方法的后續(xù)研究應(yīng)用也未見報道，因此運營期的加固效果如何也是未知。由于水利工程與其他行業(yè)不同的特點，質(zhì)量要求不同，所采用的工程處治方法也不盡相同。該方法所具有的明顯減少工后沉降、穩(wěn)定的填筑過程和顯著縮短工期等特點，是否適合在水利工程中大面積推廣，還需進(jìn)一步研究探索。本文從真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固機(jī)理、加固方法和施工應(yīng)用方面入手，結(jié)合陜西省某電站涵閘軟基加固工程，系統(tǒng)研究該方法在水利工程涵閘軟基加固中的適用性，為進(jìn)一步大面積推廣應(yīng)用該方法提供詳細(xì)資料。

1 加固機(jī)理

瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院杰爾曼教授(Professor w. kjellman)1952年最早提出真空預(yù)壓法，其視加固區(qū)域為一個密封體，真空泵為負(fù)壓源將需加固土體中孔隙水和孔隙氣抽出，達(dá)到土體固結(jié)、地基承載力提高的目的。堆載法較簡單也較常用，即在加固區(qū)域上部進(jìn)行堆載，達(dá)到地下水位降低、土體固結(jié)的目的。一般真空預(yù)壓法所產(chǎn)生荷載效果有限(一般80 kPa左右，相當(dāng)于4 m～5 m填土荷載)，需與堆載法聯(lián)合應(yīng)用，才能達(dá)到理想效果[9]。即真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法由真空負(fù)壓和堆載正壓使軟基土體中孔隙水壓力產(chǎn)生壓力差，通過排水系統(tǒng)將水向外排出，達(dá)到土體固結(jié)變形目的。軟基土體在真空負(fù)壓作用下發(fā)生收縮變形，與堆載引起的土體擠出變形相抵消，加固區(qū)不易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，可極大提高加荷速率，縮短工期。相對于加固土體而言，不論是真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓，還是真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法，都為加固土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷重組的過程。真空預(yù)壓條件下，真空壓力是直接作用在加固土體中孔隙流體上，然后間接作用于土顆粒上；而堆載預(yù)壓力是直接作用于土骨架上而引起孔壓變化并發(fā)生固結(jié)，兩者的作用步驟相反，雖然最終結(jié)果接近，但直接作用的堆載預(yù)壓略優(yōu)于真空預(yù)壓；真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓兼具真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓優(yōu)點，軸向變形大于真空預(yù)壓，加固效果優(yōu)于堆載預(yù)壓，總體加固效果更好[10]。

2 應(yīng)用研究

2.1 工程概況

陜西省某電站涵閘工程位于渭北平原廢渭河沖積平原區(qū)，土質(zhì)主要以松散沉積物為主，全部為軟基加固區(qū)，總面積達(dá)8 150 m2，現(xiàn)場鉆孔勘測地層分布自上而下為：淤泥質(zhì)土層—低塑性粉質(zhì)黏土—砂混黏土，表1可以看出，每層土含水率高，均超過35%；十字板剪切強(qiáng)度低，介于18 kPa～23 kPa之間；中間層厚度較大，達(dá)12.2 m。對于該涵閘工程而言，中間低塑性粉質(zhì)黏土層厚度大，剪切強(qiáng)度較小，地基承載力較低，工程性質(zhì)較差，為控制涵閘基礎(chǔ)變形和穩(wěn)定的關(guān)鍵層。為了保證工期，短時間內(nèi)達(dá)到加固軟基目的，施工中采用打設(shè)塑料排水板，作為豎向排水通道的真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓加固方案。

表1 軟基加固區(qū)地基土層基本參數(shù)

2.2 施工技術(shù)方案

首先進(jìn)行加固區(qū)場地清表、平整，壓實達(dá)到規(guī)定要求，同時開挖壓膜溝，順序鋪筑土工布和密封濾膜，在其10 m范圍內(nèi)，回填30 cm厚砂墊層壓實，以防漏氣；軟基區(qū)打設(shè)塑料排水板，軟基頂層和排水板頂部高程相同；其次，軟基頂層上按矩形排列方式，均距布置鋪設(shè)PVC硬質(zhì)排水濾管后，鋪筑40 cm砂礫墊層作為橫向排水體，要求濾管埋深20 cm；第三，采用抽真空裝置抽吸膜下和軟基中水氣，在負(fù)壓80 kPa狀態(tài)下運行100 d，即可達(dá)到預(yù)期目的；第五，隨時觀測加固區(qū)地表面沉降、分層沉降和孔隙水壓力等指標(biāo)，掌握軟基沉降變化規(guī)律和加固效果，圖1為塑料排水板平面示意圖，圖2為流程工藝。

圖1塑料排水板平面示意

2.3 現(xiàn)場觀測結(jié)果分析

施工現(xiàn)場分別采用分層沉降儀、真空表和孔隙水壓力計，進(jìn)行加固區(qū)軟基表面沉降、分層沉降、孔隙水壓力等指標(biāo)的跟蹤監(jiān)測。各種檢測儀器具有如下功能和特點：

(1) 分層沉降儀。一般由探頭、磁鐵環(huán)、數(shù)值指示器和探頭護(hù)管等組成。安裝順序為：待測土體鉆孔→磁鐵環(huán)埋置所測層位→孔中注入砂漿→填實護(hù)管與孔壁之間空隙。其測試原理為：將磁鐵環(huán)埋置于待測土體所測部位，當(dāng)待測位置土體產(chǎn)生形變時，該位置土體和磁鐵環(huán)會產(chǎn)生同步的回彈或下沉，此時外部指示器顯示所測應(yīng)變值，即為磁鐵環(huán)位移值(回彈值)。

圖2流程工藝圖

(2) 真空表。其表征值為真空度，即所測空間氣體的稀薄程度，一般用“真空度高”(“好”)和“真空度低”(“差”)表示。真空表所測結(jié)果為總壓力，包括氣體和蒸汽的壓力，其與被測氣體種類、成分及其性質(zhì)無關(guān)，使用時應(yīng)注意測量范圍、使用溫度、垂直安裝、避免震動和碰撞等問題，以確保測量精度。

(3) 孔隙水壓力計。即滲壓計，一般埋置于所測位置，用于測定孔隙間水壓力。本文在施工前預(yù)先將其埋設(shè)于所測軟基不同深度，測定施工前后和施工過程中孔隙水壓力變化。 孔隙水壓力對地基危害較大，施工前一般可采用插入塑料排水板法減壓。

2.3.1 地基表面沉降

由固結(jié)沉降相關(guān)理論知識可知，由打設(shè)塑料排水板產(chǎn)生的沉降量和真空—堆載聯(lián)合產(chǎn)生的沉降量組成地基表面總沉降。由圖3地基表面沉降與時間關(guān)系曲線可以看出，軟基加固區(qū)中心沉降量最大，沉降值為1.99 m；而沉降量最小區(qū)域位于軟基加固區(qū)邊緣(即距中心30 m處)，沉降量為1.22 m，即沉降量分布呈現(xiàn)“凹盆”趨勢，表明該方法具有顯著預(yù)壓效果。同時，也可以看出，沉降值較大所對應(yīng)為抽真空初期，曲線變化趨勢較陡，至沉降穩(wěn)定逐漸趨于平緩，可以表明該方法加固軟基效果好，土體固結(jié)變化相對穩(wěn)定。

2.3.2 分層沉降

圖4為軟基加固區(qū)中心點內(nèi)部區(qū)域的分層沉降曲線，與圖3相比可知，各層沉降曲線變化趨勢與地表面沉降曲線趨勢相同，尤其在深度大于10 m以上區(qū)域，加固效果好。

圖3 地表面沉降-時間曲線

圖4分層沉降-時間曲線

2.3.3 孔隙水壓力

孔隙水壓力能直接掌握土體固結(jié)狀態(tài)，根據(jù)其變化規(guī)律可以知道軟基土體強(qiáng)度增長規(guī)律。由軟基加固中心區(qū)不同深度孔隙水壓力變化曲線(見圖5)可以看出，隨著時間的增長，加固區(qū)不同深度土體孔隙水壓力值，在真空預(yù)壓過程中變化趨勢與土體固結(jié)規(guī)律相同，大小與聯(lián)合堆載荷載值呈正相關(guān)增長趨勢，而后逐漸趨于平穩(wěn)。

圖5孔隙水壓力-時間曲線

2.3.4 地基承載力

表2為軟基加固區(qū)加固前與加固后承載力試驗結(jié)果。由表2可以看出，與加固前相比，加固后土體地基承載力提高約57%～85%，抗剪強(qiáng)度提高約148%～173%。從加固區(qū)縱深角度分析，上層土地基承載力變化明顯大于下層土，相比而言，低塑性粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度提高效果優(yōu)于其他土層土質(zhì)。

2.4 施工質(zhì)量保障措施

要獲得較好的加固效果，必須從加固所需原材料、施工工藝等方面把關(guān)。本次涵閘軟基加固工程采取如下相應(yīng)保障措施。

表2 加固前后承載力和抗剪強(qiáng)度試驗值

2.4.1 排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)主要為塑料排水板，加固過程中要求：(1) 塑料排水板外觀質(zhì)量和各項性能指標(biāo)，應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)設(shè)計要求或規(guī)范，確保性能合格、質(zhì)量可靠；(2) 塑料排水板施工時，打設(shè)間距、深度和垂直度應(yīng)滿足設(shè)計要求，尤其確保樁管垂直度偏差不大于±1.5%；(3) 塑料排水板打設(shè)過程中不能出現(xiàn)斷帶、扭結(jié)以及撕破濾布現(xiàn)象，并將高出砂礫墊層部分剪斷或彎于砂礫墊層中(不小于30 cm)。

2.4.2 真空濾管

因軟基加固場地條件有限，要求：(1) 濾管材料采用PVC硬質(zhì)管(其上有孔，主濾管直徑Φ90 mm，壁厚2.6 mm，支濾管直徑Φ50 mm，壁厚2.3 mm)，按設(shè)計要求布置為矩形排列式(間距1.2 m，局部間距1.1 m，梅花形布置)，并牢固連接，確保能適應(yīng)地基不均勻沉降變化，在徑向真空壓力下不變形；(2) 選用與排水砂礫墊層滲透系數(shù)相當(dāng)?shù)臒o紡?fù)凉げ紴V膜包于濾管外，防止孔眼堵塞和反濾；(3) 濾管埋設(shè)深度需≥20 cm，且盡量埋置于砂礫墊層中部，確保濾水孔排水通暢。

2.4.3 真空密封膜

真空密封膜材料及施工要求：(1) 膜的密封性和韌性要好；(2) 膜的抗老化能力和抗穿透能力要強(qiáng)；(3) 需使用工廠一次熱合成型的專用土工膜；(4) 需在砂礫墊層上鋪覆一層土工布(規(guī)格為300 g/m2)，用來保護(hù)真空密封膜；(5) 按先后順序鋪設(shè)三層密封膜；(6) 鋪設(shè)過程中及時清理膜上殘留砂礫顆粒，隨時檢查密封膜完整性，及時用專用膠粘補(bǔ)破損和漏洞；(7) 密封膜上鋪覆一層土工布(現(xiàn)場縫制，規(guī)格同前)，在其上再鋪50 cm砂礫墊層，以緩沖后續(xù)施工對密封膜的影響，最后按設(shè)計要求用靜壓法壓實素土至規(guī)定標(biāo)高。

2.4.4 壓膜溝

壓膜溝施工技術(shù)要求如下：(1) 按設(shè)計要求開挖壓膜溝，深度≥1.5 m，人工用鐵锨修整壓膜溝壁至光滑、無凸刺效果；(2) 人工將真空密封膜順溝壁壓入，并人工分層回填踩實黏素土至設(shè)計高程，及時覆水于壓膜溝內(nèi)，確保真空膜周邊達(dá)到密封效果。

2.4.5 真空泵及射流箱

(1) 嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行真空預(yù)壓；(2) 采用射流真空泵進(jìn)行空氣抽吸，要求空抽真空吸力須達(dá)到90 kPa以上，且密封膜下真空度應(yīng)穩(wěn)定在80 kPa以上；(3) 采取適當(dāng)措施密封處理好止回閥等各接頭，確保設(shè)備正常運行，達(dá)到預(yù)期加固效果。

2.4.6 施工動態(tài)監(jiān)測

按照設(shè)計要求，安置好各種監(jiān)測儀器，及時進(jìn)行加固區(qū)地基表面沉降、分層沉降等動態(tài)監(jiān)測，確保涵閘加固工程施工達(dá)到預(yù)期效果。

2.5 施工技術(shù)難點

本次真空堆載聯(lián)合預(yù)壓加固涵閘軟基施工工期緊、難度大，為了確保能達(dá)到預(yù)期加固效果，在施工過程中主要解決了以下兩方面技術(shù)難點：

(1) 塑料排水板導(dǎo)管靴口的質(zhì)量控制。一般在打插塑料排水板過程中較易出現(xiàn)回帶現(xiàn)象，本文主要采取了如下措施：① 選擇有經(jīng)驗的施工隊伍進(jìn)行打插；② 管靴按設(shè)計要求施工壓住排水板頭，由水泵往管靴內(nèi)注水增加管靴內(nèi)壓力，達(dá)到防止回帶，克服導(dǎo)管口進(jìn)泥現(xiàn)象。

(2) 真空射流裝置的技術(shù)改進(jìn)。大多數(shù)真空堆載預(yù)壓法加固時采用離心泵式真空射流裝置進(jìn)行抽水，本文經(jīng)過反復(fù)比較試驗，確定改造為潛水泵式真空射流裝置，并采用防水絕緣型密封電纜、將真空泵與射流箱安裝在一起的技術(shù)改進(jìn)方案，這樣既有效縮短抽水途徑，又極大地提高雨季和多水區(qū)域的施工工作效率。

2.6 經(jīng)濟(jì)效益分析

表3為本文方法與其他典型方法工期費用對比，可以發(fā)現(xiàn)，真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓加固涵閘軟基施工工期最短，盡管超載預(yù)壓單價最低，但其施工工期較其長約3倍，即長約10個月，若考慮節(jié)約工期所帶來的收益，采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)超過超載預(yù)壓法，而且根據(jù)現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)，該方法具有簡易快速、過程管控和質(zhì)量監(jiān)督簡單等顯著特點。

表3 不同加固方法工期費用對比

3 結(jié) 論

(1) 真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟基的方法，具有施工方便，加固效果顯著的特點。在加固過程中，真空預(yù)壓可產(chǎn)生負(fù)壓，使被加固土體產(chǎn)生向內(nèi)收縮變形，抵消因外部堆載引起的向外擠出變形，加固土體在較短時間內(nèi)固結(jié)，地基較難出現(xiàn)因填土速率快而產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故堆載速度可不受限制，能使地基至少提前半年達(dá)到穩(wěn)定，相比其他方法而言大大縮短了工期，工程進(jìn)度加快、工程造價降低作用非常顯著。

(2) 從經(jīng)濟(jì)角度考慮，真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓工程費用較一般超載預(yù)壓偏高，但可提前近10個月工期，相比也較為經(jīng)濟(jì)；再與CFG樁等軟基處理方案相比，盡管工期相差不大，但其費用仍顯著降低。

(3) 因深淤土地基邊界條件較為復(fù)雜，計算工況與實際工況有偏差，故采用該法進(jìn)行軟基處理時應(yīng)考慮：① 計劃工期要充足；② 要較大的施工作業(yè)場地，尤其堆土?xí)r還要考慮土源；③ 防止卸載后地基回彈，卸載后應(yīng)及時澆筑墊層、底板，較短時間內(nèi)加上荷載，防止回彈后二次沉降；④ 排水板頭設(shè)計應(yīng)考慮封堵問題，若不進(jìn)行封堵，地下水仍會沿排水板上溯，會影響已加固地基；⑤ 因加固區(qū)內(nèi)地下土層快速固結(jié)沉降，在加固區(qū)與非加固區(qū)結(jié)合部位容易產(chǎn)生不規(guī)則裂縫，故設(shè)計應(yīng)考慮周圍裂縫的處理措施；⑥ 采用該法加固水利工程涵閘軟基，應(yīng)根據(jù)涵閘工程的特點，在主體工程施工結(jié)束后，分級加載回填土，避免沉降過快，沉降量過大，地基出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。

(4) 真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法由于其施工中的過程管理和質(zhì)量監(jiān)測簡單易行，故可以大力推廣。