真空預壓技術在天津港軟基處理中的應用

王洪余

天津港是建造在淤泥質海岸上的人工港口。該地區的地質結構是海相和陸相交錯形成的,該地區壓縮性高、含水量大、天然抗剪強度低的軟土層(淤泥、淤泥質黏土、淤泥質亞黏土等)厚度一般在20 m左右,個別地區達25 m,因而,如何處理軟基對港口建設的發展有著十分重要的作用。近年來,隨著天津港圍海造陸和圍埝工程的興起,塑料排水板結合真空預壓加固軟基技術在港口工程中得到了廣泛應用,此方法具有造價低、工期短、節省土方、加固效果有保證的優點。因此,特別是對地面設計荷載比較高的港口工程具有堆載預壓和其他加固方法無法比擬的優勢。

1 施工工藝及方法

1.1 挖密封溝

密封溝就是在加固區四周挖一定深度的溝槽用于埋設密封膜,深度一般以進入不透水層頂面以下1 m為宜。密封溝工作量雖不大,但它直接關系到密封效果的好壞,因此要認真、細致、嚴格地去做好這一工作。密封溝施工采用液壓反鏟、人工配合開挖,在鋪設密封膜以后,用淤泥或黏土回填密實。

1.2 埋設管路及膜下測頭

真空濾管采用φ76 mm硬質透水管(硬聚氯乙烯或聚丙烯管),壁厚2.9 mm,打孔加工后包土工織物濾水管層,并捆扎結實,濾水層應只透水汽不透砂。對于真空濾管采用膠管連接的,膠管套入濾管長約100 mm,并用鉛絲綁扎,綁扎要緊,同時綁扎鉛絲結頭嚴禁朝上,以免扎破濾膜。濾管相交叉處采用二通、三通或四通連接。在加固區的中間部位,管與管之間用四通管連接,旁邊管用三通管連接,四個角管與管之間用二通管連接,為防止有較大的不均勻沉降,二通、三通、四通與濾管之間以及濾管與濾管之間采用橡膠波紋管連接,膠管套入濾管長約10 cm。濾管接好后埋入砂中20 cm左右,埋好后再用砂覆蓋好,覆蓋密實度與砂層一樣。膜下真空度測頭分別布置在角點和加固區中心,角點膜下真空度測頭距加固區邊線5 m,與真空濾管的距離不小于3 m,嚴禁真空度測頭與濾管直接連接。

1.3 鋪設密封膜、出膜

在上述工作完成后,應先撿除砂墊層表面雜物,并人工細平砂墊層。待埋完真空表測頭及其他觀測儀器后,人工鋪設密封膜。密封膜采用三層聚乙烯或聚氯乙烯薄膜,密封膜質量必須符合設計要求,密封膜要求在工廠熱合一次成型,若現場粘結,搭接寬度不得小于2 m。真空膜分層鋪放在整個真空預壓區域,注意四周加固,密封膜應留有足夠的超寬余量(3 m～5 m),然后將膜體周邊埋入密封溝內,用淤泥、黏土回填密封溝并壓實。鋪密封膜是本工程的關鍵工序,質量好壞直接影響加固效果,防止密封膜的損壞。出膜:濾管出膜端采用出膜器予以處理。真空主管通過出膜器及吸水管與真空泵連接,出膜器的連接必須牢固,密封可靠。出膜器采用φ5 cm無縫鋼管制成,伸出膜外30 cm,出膜口留有可伸縮扎緊的富余膜,所有的膜操作人員必須穿軟底鞋或光腳進行操作。

1.4 安裝射流泵、安放地表沉降標

1)本工程射流泵采用3BA-9型,額定功率為7.5 k W,能形成不小于0.096 k Pa的真空壓力。2)安裝時按射流泵布設圖進行,必須保證位置準確,連接處要密封,安裝后進行調試,檢查質量,做好抽氣準備。3)沉降標底板放置在密封膜之上,隨沉降的發展,沉降標隨之下沉,用水準儀定期觀測,埋設完畢后,立即測量桿頂初始高程。4)接通抽真空設備。

1.5 抽真空及真空維持

1)試抽氣。調整各種儀器的初讀數,進行開泵抽氣,檢查膜上是否有漏洞,如有,要采取措施修補好,修補好后,可向膜上覆水,抽真空,膜下真空度達到650 mmHg(85 k Pa)。2)正式抽氣。要求膜下真空度大于650 mmHg(85 k Pa),恒載72 h后開始正式計時。真空滿載計時后,確保達到設計要求的開泵率。真空預壓滿載抽氣時間90 d。3)抽氣過程。在抽氣過程中,要維持射流泵的正常運轉,射流箱內循環水要不斷補充,水泵、電機要定期維修保養,并各有一定數量的備用水泵、電機。4)真空恒載后。抽氣過程中保證設計真空壓力,確保達到設計要求的開泵率。5)排水。真空預壓過程中,采取集中、有序的排水方式,避免對周圍其他工程施工區域造成負面影響,保持現場環境的井然有序。6)恒載階段的沉降觀測。真空恒載后,依據高程控制網在施工中應及時做好現場的沉降觀測工作,要求施工前期每隔1 d測讀一次,施工后期每3 d測讀一次,泵上及膜下真空度每4 h測讀一次,并做好記錄。7)施工記錄。每天按要求時間對真空度予以記錄,對于設備運轉情況,供電情況及其他與真空預壓有關的施工情況均要進行嚴格詳細記錄。

1.6 真空預壓卸荷驗收

當真空預壓加固區在膜下真空度達85 kPa的條件下連續抽真空3個月,或已經滿足設計要求的固結度時,即可以停機卸荷,交工驗收。

2 真空預壓加固效果分析

2.1 分層沉降分析

圖1是天津港滾裝碼頭堆場加固工程2區真空預壓的分層沉降曲線,可以較客觀地反映出真空預壓的沉降趨勢。

根據分層沉降的監測數據,各加固區沉降量為892 mm～1 334 mm,卸載時根據分層沉降推算的固結度為90.0%～91.1%,且卸載時各加固區連續10 d實測地表平均沉降速率不大于2.0 mm/d,滿足設計要求。

2.2 孔隙水壓力分析

在抽真空過程中,由于真空度向下傳遞,引起土體孔隙水壓力降低,從圖2中2區的監測數據可以看出,真空預壓過程中孔隙水壓力向深度方向傳遞明顯,孔隙水壓力消散情況良好。

2.3 其他監測及結論

1)根據施工單位提供的地表沉降數據進行分析可知,地基在施工過程中發生了較大的沉降,實測地表總沉降在1 165 mm～2 288 mm之間,且連續10 d的沉降速率不大于2.0 mm/d,滿足設計要求。2)根據實測分層沉降的監測結果,真空預壓期間土體的總壓縮量為892 mm～1 334 mm,卸載時利用分層沉降推算的地基綜合固結度為90.0%～91.1%,且連續10 d的沉降速率不大于2.0 mm/d,滿足設計要求。3)根據孔隙水壓力的監測結果,加固過程中地基充分排水固結,卸載時根據孔隙水壓力消散情況推算的地基綜合固結度為85.7%～90.4%。4)根據加固前后的取土試驗結果進行對比分析可知,加固過程中地基土的物理力學指標均得到了有效改善,主要加固土層土性指標改善明顯,起到了較好的加固效果。5)通過加固前后現場十字板剪切試驗可以看出,各加固土層的抗剪強度均有較大的提高,主要加固土層的十字板抗剪強度增長十分顯著。

3 結語

根據以上分析,真空預壓對于大面積深厚軟基的處理具有工期短、造價低、施工簡便、效果好的優勢。在將真空預壓應用到港區大面積軟基加固中時,對于真空預壓的分塊、吹填泥面的處理、加固區的密封、真空度恒載及地基中砂性土的分析等是技術處理的關鍵,根據實際情況增加覆水深度將使真空預壓取得更大的成效。

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