真空聯(lián)合堆載預(yù)壓軟基處理新技術(shù)應(yīng)用

侯 勇，魏建雄，盧永昌

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

引言

在堆載料易獲得的情況下，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法在地基處理中有其獨(dú)特的優(yōu)勢，具有真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的雙重加固效果，在進(jìn)行深厚軟土的地基處理過程中先進(jìn)行真空預(yù)壓處理，待土體強(qiáng)度有所提高后進(jìn)行堆載，該方法具有工期短、造價(jià)低、工后沉降及不均勻沉降小和加固效果好等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為有效的軟基處理方法。唐羿生、尚世佐、于志強(qiáng)、吳躍東、吳念一等在現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對真空聯(lián)合堆載預(yù)壓進(jìn)行了研究[1-4]。肖策等通過直排式真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的現(xiàn)場試驗(yàn)工程，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和檢測資料，分析了該法用于加固軟弱地基的機(jī)理[5]。董志良等根據(jù)現(xiàn)有的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)發(fā)展情況，介紹了其作用機(jī)理、設(shè)計(jì)理論及計(jì)算方法等方面的研究成果，并指出了該法在工程應(yīng)用中存在的問題[6]。郭彪等考慮真空度沿豎井的發(fā)展是深度的函數(shù)，堆載引起的附加應(yīng)力隨時(shí)間和深度變化，此外還考慮了地基的徑豎向滲流以及擾動區(qū)土體水平滲透系數(shù)，推導(dǎo)了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓下豎井地基固結(jié)度的一個較普遍的解析解[7]。

鑒于傳統(tǒng)真空預(yù)壓法或真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法存在耗費(fèi)大量電能和需要使用較厚中粗砂的缺點(diǎn)，為節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境，同時(shí)降低工程造價(jià)，依托天津大學(xué)渤海軟土地基處理技術(shù)聯(lián)合研究院開發(fā)的真空預(yù)壓軟地基處理新技術(shù)，即“新型分離式直連真空預(yù)壓技術(shù)”代替?zhèn)鹘y(tǒng)的射流真空泵技術(shù)對惠州某軟土地基工程進(jìn)行真空預(yù)壓淺層預(yù)處理和真空聯(lián)合堆載預(yù)壓深層處理，并在過程中完善和改進(jìn)該技術(shù)。

新技術(shù)不僅解決了薄砂真空預(yù)壓的問題，而且對抽真空設(shè)備進(jìn)行重大改造，達(dá)到節(jié)省電能60 %以上，綜合降低工程造價(jià)20 %以上，與傳統(tǒng)真空射流泵技術(shù)相比節(jié)省工期約10 %的效果。新技術(shù)的應(yīng)用取得了良好的技術(shù)效果和項(xiàng)目效益，形成了一套精細(xì)化施工和管理方法，實(shí)現(xiàn)了高效、快速、節(jié)能的進(jìn)行軟地基處理的目的，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工管理提供借鑒和參考。

1 新技術(shù)簡介

惠州某軟地基項(xiàng)目吹填疏浚土成陸面積約 30萬 m2，吹填疏浚土為高塑性（IP>25）且有機(jī)質(zhì)含量較高的淤泥質(zhì)土，軟土處理厚度18～23 m，平均厚度約為20 m。采用“新型分離式直連真空預(yù)壓技術(shù)”進(jìn)行軟土地基加固，其中淺層預(yù)處理采用真空預(yù)壓方式，深層處理采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓方式。

與傳統(tǒng)的“射流真空泵”技術(shù)相比較，“高效快速的分離式直連真空預(yù)壓地基處理方法”新技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1）新型防泥蝶形接頭與排水板和排水管路直接連接的“薄砂真空直連技術(shù)”，減少傳統(tǒng)技術(shù)中的排水砂墊層厚度，降低了施工成本的同時(shí)，改變了吹填土內(nèi)水體排出方式，實(shí)現(xiàn)吹填土內(nèi)的水汽被負(fù)壓直接強(qiáng)制抽出，有效減少了真空度的沿程損失，從而提高了真空度的傳遞效率。

2）采用水氣分離裝置和高效節(jié)能真空泵，加速了水體的定向流動，改善了維持真空壓力的途徑，提高了真空效率，節(jié)省了大量電能和配電設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的效果。每套高效真空泵通過6個水汽分離罐，可有效控制軟基處理面積達(dá) 7～8萬m2，相比較單個真空泵可有效控制軟基處理面積僅1 200 m2傳統(tǒng)技術(shù)，設(shè)備數(shù)量大大減少。合理的管路和高效真空泵的布設(shè)，確保膜下真空度的均勻性，避免后期的不均勻沉降。

新技術(shù)加固軟土地基，主要分為淺層預(yù)處理和深層處理兩部分。對于淺層預(yù)處理，方案的實(shí)施主要是為了達(dá)到進(jìn)行深層處理的施工作業(yè)條件，主要施工工藝流程如下：

①對于達(dá)到吹填設(shè)計(jì)高程的吹填土進(jìn)行表面排水；

②鋪設(shè)竹竿和泡沫板形成施工通道；

③基于安全和隔泥考慮，鋪設(shè)一層陸上縫合后，規(guī)格為150 g/m2的編織布；

④鋪設(shè)一層規(guī)格為 350 g/m2的隔泥無紡?fù)凉げ迹?/p>

⑤人工插設(shè)防淤堵塑料排水板（B型板，單根長度約6 m）；

⑥綜合布線：蝶形接頭連接塑料排水板和排水管路（螺紋鋼絲管支管和干管），干管與主管連接，主管末端通過出膜裝置與水氣分離罐連接，然后再與節(jié)能真空系統(tǒng)（集中控制室）形成整體；

⑦鋪設(shè)一層規(guī)格為 350 g/m2的隔泥無紡?fù)凉げ肌佋O(shè)2層聚乙烯（或聚氯乙烯）密封膜；

⑧真空預(yù)壓（時(shí)間約2個月）；

⑨停泵，十字板原位檢測地基承載力。

對于深層處理，方案的實(shí)施主要是為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求的地基處理效果，主要施工工藝流程如下：

①在淺層預(yù)處理完成后的施工作業(yè)面上鋪設(shè)一層規(guī)格為 350 g/m2的無紡?fù)凉げ己腿蛲凉じ駯牛?/p>

②回填厚度為40 cm的土方；

③鋪設(shè)厚度為40 cm的中粗砂墊層；

④塑料排水板打設(shè)（B型板）、密封墻施工；

⑤綜合布線；

⑥壓膜溝施工；

⑦鋪設(shè)3層聚乙烯（或聚氯乙烯）密封膜；

⑧真空聯(lián)合堆載預(yù)壓：抽真空的同時(shí)鋪設(shè)一層規(guī)格為200 g/m2的土工布，然后分級加載；

⑨卸載、檢測、驗(yàn)收。

新技術(shù)通過真空泵所產(chǎn)生的負(fù)壓將土體中的水和氣由豎向排水系統(tǒng)（塑料排水板）經(jīng)水平排水管路（鋼絲軟管）通過濾管直接吸入水氣分離裝置。隨后，水通過潛水泵排出水氣分離裝置外，氣則由真空泵直接排出。水氣分離及系統(tǒng)的自動控制提高了設(shè)備的能效比，從而很大程度地節(jié)省了電能、降低了成本，縮短了工期。

2 施工精細(xì)化控制

在充分總結(jié)并借鑒試驗(yàn)區(qū)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，軟基處理主要從如下三個方面進(jìn)行施工精細(xì)化控制。

2.1 調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，有效控制“拱淤”現(xiàn)象

吹填疏浚土經(jīng)預(yù)處理后，含水量依然很大，整體承載能力較差。試驗(yàn)區(qū)在墊層施工、施打塑料排水板、分級加載等施工過程中均出現(xiàn)了不同程度的疏浚土“拱淤”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)表面高差達(dá) 1.5 m，對排水系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的破壞，直接影響軟基處理質(zhì)量。針對此情況，在征得設(shè)計(jì)、業(yè)主和監(jiān)理等單位同意下，大面積處理區(qū)施工時(shí)采取下列施工質(zhì)量精細(xì)化控制措施：

1）采用自重相對較小，不易陷落，對土體擾動小的鋼軌式插板機(jī)代替履帶式插板機(jī)；

2）延長分級加載前的抽真空時(shí)間：將原設(shè)計(jì)要求的抽真空達(dá)到恒載 15天后開始進(jìn)行分級加載施工，延長至恒載30天；

3）將原設(shè)計(jì)開山土墊層厚度由單級1.0 m調(diào)整為兩級 0.5 m，將原設(shè)計(jì)加載料的前兩級，單層厚度1.5 m調(diào)整為三級，單層厚度1.0 m；

4）采用容量小于3 m3的運(yùn)輸車輛和小型推土機(jī)多點(diǎn)配合代替 20 m3的大容量自卸汽車推填施工。

通過如上控制措施，大面積處理區(qū)最大表面高差不足0.2 m，“拱淤”現(xiàn)象得到了有效控制。

2.2 減小兩側(cè)壓差，嚴(yán)格控制密封墻變形

由于試驗(yàn)區(qū)密封墻外側(cè)沒有進(jìn)行抽真空處理，隨著內(nèi)側(cè)加載壓力的增大，密封墻兩側(cè)的壓差逐漸增大，導(dǎo)致其嚴(yán)重向外變形，外側(cè)的壓膜溝被擠壓合攏。嚴(yán)重時(shí)局部密封墻出現(xiàn)剪切破壞，降低了密封作用，導(dǎo)致其膜下真空度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

軟基處理區(qū)在充分吸取試驗(yàn)區(qū)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)基礎(chǔ)上，采取在密封墻外側(cè)三角區(qū)同步進(jìn)行真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理的措施，此舉不僅大大減小了密封墻兩側(cè)的壓差及沉降差，嚴(yán)格控制密封墻變形在一定范圍內(nèi)，保證了密封墻的密封效果，同時(shí)對密封墻外側(cè)軟土進(jìn)行有效加固也減少了二次處理的費(fèi)用，取得了質(zhì)量、費(fèi)用的雙贏。

2.3 加密管線布置，提高真空度讀數(shù)和均勻性

試驗(yàn)區(qū)參照施工經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行抽真空管線及泵房的布置，滿載后膜下真空度介于70～80 kPa，平均值為 75 kPa，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的85 kPa，呈現(xiàn)一定的不均勻性，最后不得不采取超載的方式對真空度進(jìn)行補(bǔ)償。

軟基處理區(qū)采取了調(diào)整濾管布置間距為原來的一半（即由原來的5 m間距改為2.5 m間距）、增加泵房的數(shù)量使得單個泵房的有效控制區(qū)域小于 7萬 m2等精細(xì)化施工措施，確保了施工質(zhì)量。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，其膜下真空度介于85～87 kPa之間，平均值大于85 kPa，數(shù)值滿足設(shè)計(jì)要求，均勻性良好。

通過積極開展“拱淤”控制、密封墻變形控制以及真空管線加密等方面的施工精細(xì)化管理，地表高差、密封墻變形、膜下真空度偏低且均勻度不佳的情況得到了明顯改善，取得了比較滿意的效果，如圖1所示。

圖1 累積沉降—?dú)v時(shí)曲線對比

從圖 1可知，相同歷時(shí)情況下（150 d＞t＞45 d），軟基處理區(qū)的累積沉降量均大于試驗(yàn)區(qū)，且隨著時(shí)間的推移兩區(qū)的累積沉降差值由 60 mm增大至250 mm。累積沉降差越大，大面積處理區(qū)達(dá)到與試驗(yàn)區(qū)相同地基處理效果（固結(jié)度指標(biāo)）所用時(shí)間就越少，卸載時(shí)間較試驗(yàn)區(qū)提前近40 d。

3 項(xiàng)目實(shí)施效果及效益分析

軟基加固處理結(jié)束后，按照設(shè)計(jì)要求對地基處理效果進(jìn)行檢測，結(jié)果表明：

1）各區(qū)域預(yù)壓后十字板抗剪強(qiáng)度增長幅度較大，地基處理效果較為明顯；

2）預(yù)壓后各層土的錐尖阻力和側(cè)摩阻力均有大幅度提高，靜力觸探結(jié)果表明，各區(qū)域土層地基承載力特征值均滿足設(shè)計(jì)要求；

3）原淤泥層經(jīng)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理后，變?yōu)檎惩粒ň植繛橛倌鄪A層）。預(yù)壓后土的含水量、孔隙比、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)等土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均變??；重度(濕)、剪切強(qiáng)度指標(biāo)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均有所增大，壓縮性降低、強(qiáng)度增加，土質(zhì)改善較明顯。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果確定各區(qū)域土層地基承載力特征值均滿足設(shè)計(jì)要求；

4）根據(jù)載荷板試驗(yàn)結(jié)果，可判定表層回填土地基承載力特征值滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，監(jiān)測和檢測結(jié)果表明，地基固結(jié)度、工后沉降以及地基承載力特征值均滿足設(shè)計(jì)要求，軟基加固處理取得了良好的實(shí)施效果。

1）節(jié)能效益

該項(xiàng)目的節(jié)能排放量約為傳統(tǒng)工藝的 2/3，節(jié)能減排效果顯著，節(jié)能效益良好，有效減少了對環(huán)境的污染，利于環(huán)境保護(hù)，對節(jié)能減排工作起到了積極的推動作用，同時(shí)提高了從業(yè)人員的節(jié)能意識和服務(wù)水平，贏得了政府有關(guān)部門和附近居民的高度認(rèn)可。

2）經(jīng)濟(jì)效益

①直接經(jīng)濟(jì)效益：該新技術(shù)較傳統(tǒng)工藝綜合節(jié)約總造價(jià)約23 %，特別是其中的耗油費(fèi)用較傳統(tǒng)工藝節(jié)約了約1 700萬元，節(jié)約比例高達(dá)2/3（按照預(yù)算，若采用傳統(tǒng)工藝還有費(fèi)用約2 500萬元，采用該技術(shù)后實(shí)際耗油費(fèi)用約 820萬元），創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

②間接經(jīng)濟(jì)效益：該新技術(shù)較傳統(tǒng)工藝綜合縮短工期約1個月，縮短比例約9.1 %，有利于總工期的節(jié)約，可以使項(xiàng)目提前投入生產(chǎn)，提前獲利。

3）社會效益

該項(xiàng)目在惠州某工程上的成功應(yīng)用，得到了參建各方的廣泛認(rèn)可，創(chuàng)造了極大的社會效益，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

①節(jié)能減排，減少環(huán)境污染。該項(xiàng)目得到了環(huán)境監(jiān)測部門等政府有關(guān)部門的認(rèn)可，為國家的“綠色建筑”大計(jì)貢獻(xiàn)自己應(yīng)有的力量，為軟地基處理領(lǐng)域的“科學(xué)發(fā)展”指明了方向。

②高度認(rèn)可，加速行業(yè)推廣。該項(xiàng)目的成功實(shí)施為類似地質(zhì)條件和工藝下的軟地基處理提供了參考和依據(jù)，進(jìn)一步鞏固了我國在真空預(yù)壓地基處理方面的國際領(lǐng)先地位。

③安全可靠，助力企業(yè)發(fā)展。領(lǐng)先的技術(shù)，成功的經(jīng)驗(yàn)，為企業(yè)未來在該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、施工方面奠定了絕對的競爭優(yōu)勢，有利于企業(yè)轉(zhuǎn)型，提高企業(yè)的競爭力；有利于企業(yè)勇于承擔(dān)社會責(zé)任的良好形象的樹立。

表1 傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)效益對比

從表1可以看出，新技術(shù)在耗電量、耗能量、綜合造價(jià)、綜合工期等各項(xiàng)效益指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)，特別是耗電量和耗能量所體現(xiàn)的節(jié)能減排方面效果顯著。新技術(shù)的成功應(yīng)用取得了良好的項(xiàng)目效益。

4 結(jié)論與展望

1）相比較傳統(tǒng)的真空射流泵技術(shù)，新技術(shù)具有高效、快速、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。新技術(shù)在惠州某軟基項(xiàng)目上的成功應(yīng)用，對類似工程的軟地基處理有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值，為以后的軟地基處理項(xiàng)目指明了一條發(fā)展的方向。

2）新技術(shù)處理軟土地基效果好，與傳統(tǒng)的真空射流泵技術(shù)相比，綜合造價(jià)低，工期短，耗能量減少顯著，特別適用于環(huán)保要求高、砂源緊缺的地區(qū)，推廣應(yīng)用價(jià)值高。