真空預壓技術在淤泥質土層中應用

　一、工程概況
 某市政道路軟基處理試驗段工程，位于珠海市保稅 區(qū)內，試驗段分為兩段，一段用于強夯試驗，另一段用于 真空預壓試驗，以互相對比參照;兩段相距約200米。工 程工期為135天。其試驗數(shù)據(jù)將作為保稅區(qū)規(guī)范推廣使 用。
　二、地質情況
　　從地質資料的67、66、60、59、51號鉆孔質料顯示， 試驗段的地層情況是： 第一層：人工填土。厚度6～10m，褐黃、褐紅色，由 粘性土及少量碎石組成，部分地段上部為吹填沙，結構 松散。第二層：淤泥，厚度3～10m，灰黑色，含貝殼碎屑 及少量粗礫沙流塑狀態(tài)。第三層：粘土，厚度8～12米， 褐黃褐紅色，不均勻含少量粗礫沙，大部分質純，斷面滑 細膩，呈濕，可塑-硬塑狀態(tài)。第四層：淤泥質粘土，厚度 2～4m，灰黑、灰色，局部含朽木碎屑及少量中細砂，呈很 濕-飽和，軟塑-可塑狀態(tài)。第五層：粉質粘土，厚度 1～20m不等，褐黃灰白色，系花崗巖風化而成原巖，結 構清晰殘留石英及長石顆粒30%左右，屬砂質粘性土， 呈濕-稍濕，硬塑-堅硬狀態(tài)。第六層：強風化花崗巖。 第七層：中風化花崗巖。第八層：微風化花崗巖。
　三、施工要點
　　1、水平向分布濾管埋設
 采用條形排列方法埋設，水平分布濾管主要作用 是，在抽真空過程中使真空度在整個加固區(qū)分布均勻。 濾水管埋深，根據(jù)排水墊層厚度，設在水平排水墊層中 部，但應防止尖利物露出砂面刺穿密封膜。濾水管，可根 據(jù)材料來源選用鋼管或塑料管材。要求濾水管在預壓過 程中能適應地基的變形差，能承受足夠的徑向壓力，而 不出現(xiàn)徑向變形。濾水孔，一般采用8～10mm，間距5cm， 三角形排列。為確保濾水管的濾水效果，應采取擴大濾 水面的措施，一般在濾水管上繞3mm鉛絲，圈距5cm，外 包尼龍窗紗布一層。濾水層是防止水平排水墊層砂料進 入濾水管的一項措施，一般采用棕皮或其他也孔隙小、 滲透性好的材料，如編織布或土工聚合物等。不論選用 何種材料做為濾水層，都要確保其滲透系數(shù)與排水墊層 的滲透系數(shù)相當。
　　2、密封膜施工 密封膜的施工是真空預壓加固法成敗的關鍵問題 之一，要科學的，嚴格地按要求進行。密封膜材料，要求 密封性好，抗老化能力強，韌性好，抗穿剌能力強。根據(jù) 經(jīng)驗，采用材料來源充足的密封性聚氯乙烯薄膜即可， 如能采用抗才能化、抗穿剌能力強的線性聚乙烯等專用 薄膜更好。密封膜的熱合與粘結，熱合時以平搭接，兩條 熱合縫為好，一般搭接1.5～2cm。同時在熱合應根據(jù)封 膜材料、厚度，選擇合適的熱合溫度，使熱合縫粘結牢而 不熔。密封膜的鋪設，由于密封膜系大面積施工，一般預 壓面積在500～5000㎡，加工成這樣大面積，有可能出 現(xiàn)局部熱合不好，搭接不夠等問題，影響膜的密封性，再 者，膜在陽光直接的連續(xù)照射下，抗老化性能還存在一 定問題，為確保在真空預壓全過程的密封性，一般采用 2～3層膜，按選后順序同時鋪設。 在確保膜本身密封性條件下，膜的四周密封，也是 關鍵的一環(huán)，在四周密封施工中，要掌握好兩個環(huán)節(jié);一 是膜四周密封處，膜與軟土接觸要有足夠的長度，保證 有足夠長的滲徑，因此在鋪膜時，可采用挖溝折鋪方法， 其二是膜周邊密封處應有一定的壓力，保證膜與軟土緊 密接觸，使膜周邊有良好的氣密性，壓邊材料以粘土和 亞粘土為宜，在對膜增壓的同時，也起到氣密覆蓋作用。 膜周邊密封輔助措施。由于被加固的軟土地基，多數(shù)為 不勻土，有的加固范圍內，還存在透水性較好的夾層，盡 管在膜周邊采取了上述措施，但仍在加固范圍內存在不 密封因素，應采取必要的輔助密封措施，如：封閉式板樁 墻;封閉式板樁墻加溝內復水;圍埝內復水等，以膜上全 面覆蓋水較好，既保證了整個加固區(qū)的密封性又能減緩 膜的老化作用?！?nbsp; 四、設備要求
　　真空設備效率直接影響預壓效果，由于真空預壓的特點，要求真空設備具備真空效率高，能適應連續(xù)運轉， 重量輕，結構簡單，便于維修等?！　　　?nbsp; 1、真空泵 根據(jù)國內外工程實踐，可采用普通真空泵或射流真 空泵。根據(jù)我國具體情況和實踐經(jīng)驗，以采用射流真空 泵為宜。 在應用射流真空泵時，要隨時注意泵的運轉情況及 其真空度，當泵的真空度小于93kPa時，應進行檢查和 維修，在一般情況下，主要檢查離心泵射水量是否充足。 射流真空泵的設置，可根據(jù)加固面積大小、真空泵 效率及工程檢驗確定。為確保真空泵預壓按額定要求連 續(xù)預壓，以每個加固區(qū)設置兩臺泵為宜，值到加固面積 的要求。加固區(qū)內，所有射流真空泵是否同步運轉視預 壓過程而定。一般在預壓初期，因排水量大，射流真空泵 同時運轉，在預壓中后期，在保證膜內最高真空度的前 提下，可停一部份泵并采取各泵交替運轉的方法。
　　2、真空管路加固區(qū)與射流真空泵間連接的管路，它不僅向膜內 傳遞真空壓力，而且是排水的主要通道。因此，要求真空 管路應具有滿足總排水量需要的過水斷面;能承受徑向 壓力;真空管路間的各連接點需嚴格進行密封處理，以 保證真空度在管內不受損失，并使排水暢通。 由于射流真空泵的結構特點，射流真空泵經(jīng)管路進 入薄膜內，形成連接密封，但系敞開系統(tǒng)，真空泵工作 時，膜內真空度很高，一旦由于各種原因，射流真空泵全 部停止工作，膜內真空度隨之全部卸除，這將直接影響 地基加固效果，并延長預壓時間，為避免膜內真空度在 停泵后很快降低，在真空管路中應設置止回閥和截門， 當預報停泵時間超過24小時，則應關閉截門。所用止回 閥及截門都應符合密封要求。
　五、真空預壓操作步驟
　　1、按照工藝要求，將射流真空泵，真空管，出膜口按 密封要求連接好;連接泵、真空管及膜內真空壓力傳感 器，并測記初讀數(shù)。
　　2、射流箱處接好進水管，并在箱內注滿水。
　　3、在加固范圍內按要求設置沉降觀測點。
　　4、開動離心泵進行真空抽氣，膜內真空壓力逐漸提 高，由于被加固的土層，在預壓初期排水量較大，真空度 提高較慢，隨著土層排水固結程度的提高，膜內真空度 逐漸穩(wěn)定在73kPa以上，這個過程隨著土質和固結程度 不同，一般需要1～5天時間。當達到預定真空度以后， 為節(jié)約能源，可采用自動控制，間隔抽真空措施。 在抽真空過程中，由于土體中氣體排出，體積增大， 使射流箱內循環(huán)水減少，由于射流摩擦使水溫升高，水 的密度發(fā)生變化，直接影響射流真空泵的效果，所以應 采取連續(xù)補水措施，在抽真空過程中保持水箱滿、溫度 正常。
　　5、在抽真空過程中要求觀測泵、真空管、膜內及土 體各深度的真空度、土層的深層沉降、地表總沉降、土層 沿深度的側向位移、孔隙水壓力等的變化。
　　6、當真空預壓達到預定技術要求后停止抽真空，并 測讀以上觀測項目的變化，檢驗和評價預壓效果。
　六、質量控制措施　　
　　1、真空分布管的距離要適當，使真空度分布均勻， 濾膜滲透系數(shù)不小于10-2cm/s。　　
　　2、泵及膜內真空度應達到96kPa和73kPa以上的 技術要求?！　?br /> 　　3、地表總沉降規(guī)律，應符合一般堆載預壓時的沉降 規(guī)律，如發(fā)現(xiàn)異常，應及時采取措施，以免影響最終加固 效果?！　?br /> 　　4、抽真空主、支濾管均勻布網(wǎng)。支濾管間間距確定 為4.5m左右。在預壓區(qū)邊側的支濾管離該處密封溝內 側邊線距離為1.0m左右?！　?br /> 　　5、抽真空主管選用(90PVC管，支濾管選用(60PVC 管。支濾管四周打有(6～8的濾水孔，濾水孔縱向間距 約10cm。支濾管用無紡土工布濾膜(其滲透系數(shù)不小于 10-2cm/s)完全包裹?！　?br /> 　　6、抽真空主管與支濾管間用變徑四通或變徑三通 連接，同管徑主管或支濾管間用鋼絲吸水膠管連接，其 接頭處至少用鐵絲綁扎兩道?！　?br /> 　　7、在埋設抽真空主管與支濾管前，先在加固區(qū)內砂 墊層中，按布管位置先挖寬約15cm、深30cm的埋管溝。 埋管溝底應整平。埋設主管和支濾管后，將回填埋管溝 的砂料拍實?！　?br /> 　　8、密封溝靠真空預壓一側的邊坡，要用挖土機結合 人工修整平順，不允許存在局部突出的硬塊，以免抽真 空時頂破撕裂密封膜?！　?br /> 　　9、密封膜選用兩層0.1mm厚用吹塑法生產的聚氯 乙烯薄膜。　　
　　10、鋪設密封薄膜前，須將露出砂墊層的排水板頭埋 入砂墊層中，撿除砂墊層表面的尖棱石子及貝殼等雜 物，人工整平砂墊層。　　
　　11、鋪設密封膜時，先鋪第一層密封膜。檢查發(fā)現(xiàn)并 用聚氯乙烯膠水修補膜體表面的小漏洞后，試抽真空， 再次檢查發(fā)現(xiàn)并修補膜體漏洞后，才鋪設第二層密封 膜。
　　12、密封膜的邊緣埋入密封溝底淤泥中，其上至少覆 蓋0.3m厚淤泥?！　　?3、在密封溝外測，修筑高出密封膜面至少0.4m、頂 寬0.3m的土圍堰，將真空預壓加固區(qū)圍護起來。在圍堰 內注水，使整個加固區(qū)表面保持0.2～0.3m厚的水膜， 以加強真空密封效果。　　
　　14、真空預壓加固區(qū)按每500㎡左右的加固面積配 備一套真空泵系統(tǒng)，與其射流泵配套的電機功率為 7.5kw，泵的真空度應達到98kPa以上?！　?br /> 　　15、選用合格真空表監(jiān)測真空度。　
　　16、正常抽真空期間，配備人員24小時在現(xiàn)場值班， 保證電機及抽真空系統(tǒng)正常工作。
　　17、現(xiàn)場值班人員須經(jīng)常觀察并記錄真空度變化情 況(2～4小時記錄一次)。 　
　　18、關停真空泵進行檢修時，須立即關閉球閥，防止 水箱中存水被抽干而造成真空泄漏，影響真空預壓效 果?！?br /> 　　19、在正常抽真空期間，采取有效措施，確保加固區(qū) 內膜下真空度穩(wěn)定在73kPa以上。
　　20、如果抽真空后膜下真空度長期達不到73kPa，要 采取必要的技術措施。只有在真空預壓膜下真空度達到 73kPa以上，連續(xù)預壓達3個月后，或軟土地基的固結 度滿足設計要求時才允許停機卸荷。
　七、具體實施　　
　　鋪設沙墊層及施打塑料排水板
　　1、施打塑料排水板樁，間距為1m，真空預壓區(qū)域塑 料排水樁數(shù)為2255根;要求塑料排水板樁打至淤泥層， 復鋪沙層，塑料排水板樁外露部分20cm埋在復鋪砂墊 層內20～30cm?！?br /> 　　2、塑料排水板施工根據(jù)項目部提供的有關基線，測 量出各樁位的定點，并與監(jiān)理工程師與業(yè)主代表進行基 線與樁位的復核、簽證工作，樁位確定指揮樁機進入施 工地點。　
　　3、塑料排水板插板機采用日本株式會社產，型號 為：PC200型液壓勾機，經(jīng)自行改造而成，其性能與同型 號勾機相同。 工作原理：PC200型勾機配合自行設計之20米左 右長龍門架，門龍架兩邊由液壓傳遞鏈條工作時開動液 壓泵將導管沉入土內即可(排水板由管內穿出與樁尖連 接即可)。　　
　　4、施工工藝 ①塑料排水板排水原理 塑料排水板是將帶狀塑料排水板用插板樁機將其 插入軟弱土層中，組成垂直排水體系，砂墊層為水平排 水體系，然后在砂墊層表面進行真空預壓。塑料排水板 由芯和濾膜組成，土層中的滲流水通過濾膜滲入到芯板 的溝槽內，并通過溝槽從排水墊層中排出，從而可加速 軟土地基的沉降過程，使地基得到壓密。 塑料排水板樁施工工序：(調整樁機的位置→調整 樁架的垂直度→將塑料排水板通過導管從管靴穿出→ 與樁尖連接貼緊管靴并對準樁位→開動插板樁機上的 液壓泵將塑料排水板插入土中→插板到標高后撥出套 其作用量：①卡住壓力計，使之在放入過程中不打 轉;②保持鈷桿和儀器的緊密接觸;③傳導鈷桿壓力，將 儀器控頭壓入預定深度?！　?br /> 　　5、孔隙水壓力計的埋設 工程中孔隙水壓力計測頭布置如施工工藝圖示。每 個試驗段各有九組，每組三個測點，形狀為邊長800mm 的正三角形，鉆孔直徑150mm，深度分別為4m,8m和 12m。 埋設孔隙水壓計：先將測頭在水中裝配完整，整理 儀器接線，初測孔隙水壓計讀數(shù)，用鐵絲穿過頭尾部預 留孔洞，根據(jù)所需埋設深度測量鐵絲長度，作好標記，待 鉆孔鉆好，帶鉆頭桿換為帶“放入器”鉆桿，將測頭放入 鉆孔中“，放入器”縫隙卡住鐵絲，下鉆桿同時拉緊鐵絲， 緩慢下落鉆桿，待到達孔底，視情況決定是否將測頭壓 入一段深度。截斷鐵絲，封孔。須注意的是，測頭埋入過 程必須保持浸泡在水中。 鉆孔深度及封孔：孔隙水壓力計埋入地后必須與外 界限大氣隔離，因此，測頭埋入后必須封孔。 較軟的土中，可采用將測頭壓入較長深度的辦法， 加強密封效果。作法是不將鉆孔鉆到所需深度，而是預 留孔1～2米，測頭放入孔底后，用鉆桿將儀器再下壓入 所需深度。用鉆出土回填即可。 較硬的土中，為避免測頭損傷，則應鉆孔鉆到所需 深度稍短，壓緊封孔即可。 封存孔所用土應為鉆孔時取出的土。工程采用鉆出 土封孔，時間是在放入測頭后半小時后之內，用竹竿搗 實，儀器運作正常，表明埋入過程及封孔符合要求。 由于鉆孔直徑小，土層軟，極易塌孔，因此鉆孔完備 畢后應立即埋沒測頭，另外鉆孔時應注意造漿以維護孔 壁。 儀器放入后應再測讀頻率，連續(xù)數(shù)日，每日三次，待 讀數(shù)穩(wěn)定后即可作為該測點初始頻率f。　　
　　6、真空預壓階段 對選定的試驗場地，采用先開挖并鋪設0.3m厚的 中粗砂墊層，待插完SPB-Ⅱ型排水板、鋪設0.5m厚中 粗砂墊層、埋完排水板頭并平整場地后，再對其實施真 空預壓加固的軟基處理?！　?br /> 　　7、真空預壓的技術處理措施 在完成鋪設砂墊層、插設塑料排水板后，即進入真空預壓施工階段，真空預壓的技術處理措施如下：
 　　(1)施工準備 在開始真空預壓施工前，其前道工序(砂墊層、塑料 排水板和砂面整平施工)應通過驗收，同時約10～30㎡ 的工地值班室和倉庫、可供30KW用量的外電接線站點 搭建設完畢。 配電方式為電纜分路饋送，即設置多回路配電箱 (箱內一泵一回路，每一回路供電端及用電端分別設 25A三相漏電空氣開關)，用截面積為4m㎡的五芯橡皮 銅芯軟電纜沿圍堰送電至各用電點，而所有的控制箱均 考慮雨天防水。
　　(2)測量放線：明確標出距插排水板外邊線1m遠處 為真空預壓密封溝的內坡頂線，其圍成的范圍即為真空 預壓區(qū)域。
　　(3)安排真空預壓用的設備、材料進場.　　
　　(4)挖密封溝：為保證真空預壓密封效果，密封溝盡 量挖深。密封溝施工采用液壓反鏟結合人工開挖，在鋪 設密封膜后，密封溝用淤泥或粘土回填。　　(5)埋設吸水管：吸水管分為主(干)管和支濾管。主 管為(90mmPVC管，支濾管為(60mmPVC管。主管和支濾管 間采用變徑三通、四通連接，同管徑的對接采用鋼絲吸 水膠管連接。全部吸水管均須埋入砂層中，并通過出膜 器及吸水管與真空泵連接?！　?br /> 　　(6)鋪設密封膜：在完成上述兩項工作后，應有盡有 先揀除砂墊層表面的尖棱小石子、尖銳貝殼及其他雜 物，并人工細平砂墊層表面。待埋設完真空表測頭及其 它觀測儀器后，用人工將二層聚氯乙烯薄膜(已在工廠 用熱粘法粘接好并運到現(xiàn)場)，分層鋪放覆蓋整個真空 預壓試驗區(qū)。注意在加固快四周，密封膜應留有足夠的 超寬余量(3～5m)。然后將膜體周邊埋入密封溝內，用淤 泥、粘土回填密封溝并壓實，再向上筑密封水圍堰。　　
　　(7)出膜連接與真空泵系統(tǒng)安裝 真空主管道通過出膜器及吸水膠管與真空泵連接。 出膜器的連接必須牢固，密封可靠。 本次選用的真空泵為廣州市工保技術咨詢服務有 限公司自行研制改進的真空泵系統(tǒng)。本真空預壓試驗區(qū) 我們確定配備3臺真空泵，能充分滿足本次真空預壓的 技術要求。　　
　　(8)抽真空及真空維持 當上述工作完成后，即可開始抽真空及抽充密封水 膜。抽真空以后，膜下真空度會持續(xù)上升。當膜下真空度 達到并穩(wěn)定在73KPa以上時，進入真空預壓正常預壓階 段。待抽真空達73kPa正常預壓1個月后，即可開始鋪 設一層80gde過濾土工布和堆填2m厚填土的施工，注 意堆填土施工時應小心謹慎，不得破壞真空薄膜。 在抽真空過程中，若膜體表面出現(xiàn)一些漏氣小孔 洞，有可能使局部膜下真空度出現(xiàn)下降，應仔細檢查發(fā) 現(xiàn)并及時修補。 若在抽真空開始以后，膜下真空度在預期內達不到 73kPa，則需采取相應的技術措施加以處理。如可起用備 用出膜器加泵，加大抽真空能力，或仔細檢查、修補密封 溝等，從而確保真空預壓能達到設計的效果。　　
　　(9)真空預壓卸荷驗收：當真空預壓加固單元塊在膜 下真空度達73kPa的條件下連續(xù)抽真空3個月，或滿足 設計要求的固結度時，即可以停機卸荷，交工驗收。　　
　　(10)施工機械設備及材料：本真空預壓工程投入的主 要施工機械設備和材料　　
　　(11)設備安裝施工工藝
　?、貾VC管的布置尺寸　　
　?、诮宇^連接工藝： 同管徑的連接用Ф90(或Ф60)的鋼絲吸膠管對 接; 不同管徑的連接用變徑兩通、三通、四通連接; 波紋管每段長50cm左右，接頭處用鐵絲綁扎兩道。
　　③聚氯乙烯膜的鋪設： 選擇無風的天氣鋪設，以免被大風吹損; 鋪膜前應沿加固邊排放砂袋，備用來壓住鋪后的膜 邊; 鋪膜時先沿加區(qū)一邊擺放好薄膜，留出加固區(qū)兩邊 的超寬余量(3～5m)然后理出膜的一端，將其緩慢展開， 當進風較大時，可低拉薄膜，使其渦砂面前進，鋪好膜后 用砂袋壓其周邊。
　?、苌淞鞅玫陌苍O：先在各接口纏繞幾道薄膜，用波 紋管對接，綁扎牢固。
　?、菡婵毡淼穆裨O：埋設應均勻布置，其上應有15cm 左右的砂覆蓋?！　　　?12)結果觀測:　　
　　①沉降四及位移柱 本工程采用真空預壓和強夯處理軟土地基以對比 處理效果，沉降數(shù)據(jù)和水平移數(shù)據(jù)一個反映地基緊密程 度一個反映施工影響范圍，都是必要的研究參考依據(jù).工程中沉降樁及位移的布置如圖5示?！　?br /> 　?、诳紫端畨毫y試及計算: 由GKD孔隙水壓力計測得的數(shù)值為頻率值，須經(jīng)轉 換得到孔隙水壓力值。 孔隙水壓力計的工作原理是一根張拉并固定于承 壓薄膜中心處與柜架間的鋼弦，其自振頻率f與鋼弦應 力σ的關系為： f=1/2L(σ/ρ)1/2(式1) 式中： L—鋼弦的有效長度 ρ—鋼弦的材料密度 由式1的推出作用于承壓薄膜上的孔隙水壓力與 頻率的關系為： μ=k(f02-f2)(式2) 式中： μ—孔隙水壓力(KPa) k—標定系數(shù)(KPa/H2) fo—零點壓力時的鋼弦自振頻率 f—某一壓力下的自振頻率 通過鋼弦測微儀或數(shù)字頻率計測出fo和f即可由 式2求出相應的孔隙水壓力值?！　?br /> 　　(12)結果分析 本試驗段總沉降量為97cm,正常預壓時真空度保 持在90Kpac以上，真空預壓效果明顯，此方法適用于覆 蓋層較厚的淤泥質土層，如遇在人工填土中有強透水砂 層的情況，影響膜下真空度的形成和傳遞，建議在真空 預壓的周邊做雙排Φ600攪拌海淤泥密封樁，以封堵該 強透水層。