增壓式真空預壓施工工藝研究

楊子江，余 江，劉 輝，金亞偉，金亞軍

(1.中鐵六局集團有限公司北京鐵路建設有限公司，北京 100036;2.宜興市鑫泰土工材料有限公司，江蘇宜興 214267)

1 概述

軟黏土強度低、固結時間長，通常需要進行地基處理才能滿足建筑物基礎要求。真空聯合堆載預壓法是將需要加固的土體設置豎向(塑料排水板)和橫向排水裝置(砂墊層)并在上部預堆荷載共同作用下形成的加固體系。由于軟土強度低，上部堆載荷載不能加得過大過快，這導致了工期較緊的一些工程無法及時按合同竣工。同時，通過大量現場經驗證明，在真空預壓抽真空進行到50 d左右時，塑料排水板表層濾膜受到細顆粒淤泥堵塞后其滲透系數大大降低，從而導致排水板通水量下降;同時，橫向排水通道(濾管)表面的小孔及土工布長期浸泡在含水砂墊層之中，易被砂粒堵塞，從而使得橫向排水系統的排水性能降低;地基產生的大變形將影響硬質材料構成的主、支濾管壓縮變形，從而影響管路系統的排水性能;常規式真空預壓的真空度通過真空泵-主管-濾管上小孔-密封膜下-塑料排水板(地基土中)的流程進行傳遞，但開放式系統將造成真空預壓效果大大下降。最后，對于大面積的處理場地而言，必須分段進行密封，密封溝溝底必須挖至不透氣的淤泥層，而對于回填層較厚的場地施工難度很大，從而造成密封溝深度不夠，而場地的真空度不足。為解決這一矛盾，增壓式真空預壓技術應運而生。

2 增壓式真空預壓的工作原理

增壓式真空預壓是在塑料排水板間設置增壓管，待常規真空預壓固結度達40%后，使增壓管開始工作，土體中心增加了正氣壓(壓力為40 N)，使土體中心與排水板的壓力差增加，使真空預壓的加固效果得到了明顯改善。增壓式排水板的結構如圖1所示。增壓式真空預壓是把防淤堵排水板與真空管連接，泥砂粒無法進入，真空直達防淤堵排水板內部，防淤堵排水板濾膜內外產生較大壓差，使軟基中含水量快速排出，再在土體均勻分布增壓管，使土體水分子在壓力作用下定向流動，對軟基進行快速固結，在有限工期內大幅度提高地基強度及固結深度，降低工后沉降，實際效果更佳。同時，采用手形接頭、鋼絲軟管將整個排水系統形成一個封閉的系統，確保預壓期的真空度。增壓式與常規真空預壓的對比見表1，增壓式真空預壓的排水路徑見圖1。

表1 增壓式真空聯合堆載預壓與常規真空聯合堆載的對比

一方面，真空預壓的加固原理在發揮作用;另一方面，設置了增壓管后，增加了增壓段中與膜下水頭的大小，擠迫土中自由水進入塑料排水板，相當于補充了降水預壓的作用。因此，在真空預壓中設置增壓管的工作原理是真空預壓和排水預壓的組合處理辦法。

圖1 增壓式真空聯合堆載排水過程

與常規相比較，主要區別在于增壓管設置過程的不同，待土體固結度達到40%以上后(根據施工經驗約需要50 d時間)開始進行增壓施工。首先利用空壓機及增壓管網系統通過增壓管向有一定固結度的土體中打氣增壓，加速土體中水分進入塑料排水板，此時隨著打氣增壓作業的進行，膜下真空度將會降低，待膜下真空度降低至40 kPa后停止打氣作業;其次在停止打氣增壓作業后，在真空泵抽真空的作用下，膜下真空度會逐漸由40 kPa增加到80 kPa;最后重復按照第一步的方法進行打氣增壓施工。以上施工過程往復進行，起到增壓施工的效果，在打氣增壓過程中，真空泵不停止工作。

3 增壓式真空預壓的施工工藝

增壓式真空聯合堆載主要施工步驟:

平整土地→施工放線定位→塑料排水板施工→增壓管施工→真空系統連接→增壓管連接→密封墻密封溝施工→埋設孔壓測量裝置→覆蓋密封膜→抽真空→抽至真空度≥80 kPa→真空恒載→增壓系統增壓0～40 N壓力→減壓往復進行→堆載→真空固結→停泵終止抽氣→卸載→檢測。

3.1 增壓式真空預壓的設備和材料

增壓式真空預壓固結系統一部分是真空系統，由塑料排水板連接手形接頭，再由手形接頭連接三通，用PVC管連接而成，外部用PVC膜做密封層，使土體內部產生真空，對軟基進行快速固結。第二部分是由增壓系統組成，由塑料排水板按規則圖形分布，中間放置增壓管，增壓管是由微孔可變形的特殊管材組成，外接增壓泵，根據真空出水量調整壓力，使土體產生較大壓差，并且使水定向流到塑料排水板內再由真空快速排出，土體水位快速降至增壓管以下，增壓管深度以上的土體又形成荷載，對下部土體形成堆載預壓，固結影響深度加深，在深層土體產生二次固結現象，在有限的工期內大大提高地基強度，降低工后沉降。

3.2 塑料排水板插打施工

(1)插打塑料排水板的布設

塑料排水板通常按照正六邊形布設。

(2)塑料排水板插打工藝方法

①測量定位:采用全站儀和鋼尺進行排水板打設區域控制角點精確定位，對每個塑料排水板的打設點位置進行施工放樣，并做好標識標記;②插板機就位:根據打設板位標記進行插板機定位;③安裝管靴:將塑料排水板穿過插板機的套管，從套管下端穿出，與專用管靴連接(圖2);④調整垂直度:調整插板機套管的垂直度，滿足相關規范規定的要求;⑤高程控制:在打設套管上設置明顯的深度標記，確保排水板的插入深度;⑥打設、拔管:將插板機套管(連同管靴和塑料排水板)插入地層，當排水板插入到設計深度后，拔出插板機套管，于是排水板被固定于孔底;⑦剪斷排水板:插打排水板完成后，拔出插板機套管并剪斷排水板，塑料排水板超過孔口的長度為深入砂墊層500 mm，預留段及時埋設于砂墊層中;⑧檢查排水板板位、垂直度、打設深度、外露長度等，符合規范要求后方可移機，否則須在鄰近板位處重打;⑨插入塑料排水板后，在孔洞收縮之前，用中粗砂及時回填，防止泥土等雜物掉入孔內。

圖2 排水板與管靴連接示意(單位:mm)

3.3 增壓管施工

(1)增壓管結構

增壓管由若干節依次相連的透水軟管組成，透水軟管由螺旋形彈性支撐架和濾布組成，每節透水軟管的兩頭置有可配接的螺紋接頭，第一節軟管前端上旋接有錐形封頭，最末節軟管后端旋接有法蘭。

材料采用的增壓管長度為8 m，透氣段長6 m，不透氣段長2 m;為保證增壓施工過程中增壓管臨近地表層部分不漏氣，在增壓管后端2 m設置不透氣段。

(2)增壓管布設要求

增壓管布置在6根塑料排水板組成的正六邊形中心，增壓管長度8 m，即如果將增壓管看作塑料排水板，整個區域將與一、二區的排水板布置形式相同(一、二區采用正三角形布置)。具體的布置形式見圖3和圖4。

圖3 增壓管布置

圖4 增壓管布置

(3)增壓管施工方法

增壓管的插打施工按課題組發明的特制裝置進行，插打的基本過程是首先利用本裝置形成的高速高壓水流在地基土體中沖孔，然后利用本裝置的導向、導流作用將增壓管插打進入地基土體中(圖5)。

3.4 手形接頭連接及真空排水管網連接

手形接頭的主要作用是將塑料排水板和橫向的真空排水支管網密封地連接形成一個整體，從而達到高效傳遞真空度的作用。主管采用φ75 mm PVC管，支管采用鋼絲軟管。

圖5 增壓管插打施工

施工中首先清理已插打完成的塑料排水板板頭并將超出規定尺寸的板頭裁剪，隨后安裝手形接頭。接頭安裝后使用木釘槍(413型氣壓式)將手形接頭與塑料排水板連接處用訂書釘密封，隨后用鋼絲軟管將手形接頭連接，再使用木釘槍(氣壓式)將手形接頭與鋼絲軟管連接處用訂書釘密封，如圖6所示。

圖6 塑料排水板、手形接頭及橫向支管網組成一個整體

在管網靠近加固邊線的兩端，每一橫行的支管路接入真空排水主管路，主管路通過出膜裝置與真空泵連接，見圖7和圖8。

圖7 連接成形的主管路

圖8 連接成形的支管路

3.5 增壓管網連接

增壓管網連接方式類似于真空排水管網的連接方式，主要區別在增壓管管體自身帶有1個三通裝置，其中三通一端已與增壓管相連，只需用鋼絲軟管將每一行的增壓管尾部三通中的另外兩端依次相連，組成一整套的增壓系統支管系統;最后在施工區兩邊接入由φ75 mm PVC管組成的主管系統即可;增壓管尾部三通管頭與鋼絲軟管相連時同樣采用人工操作，用木釘槍(413型氣壓式)用釘書釘密封連接。圖9為增壓管管網連接的現場相片。

3.6 管路出膜后與真空、增壓機械連接

增壓主管每隔20 m連接一個出膜管，出膜管采用出膜裝置穿透密封膜后與空壓機連接組成一個完整的增壓系統;同樣真空排水主管每隔20 m連接1個出膜

圖9 增壓管網的連接示意

管，出膜管采用出膜裝置穿透密封膜后與真空泵連接組成1個完整的真空排水系統。出膜管的現場相片如圖10所示。

圖10 出膜裝置示意

在加固區兩側安裝真空泵，真空泵選用功率為7.5 kW的IS型，其抽氣速率≥4 m3/min，每臺泵可控制1 000 m2。安放時注意將真空泵進水口和管路出膜口保持同一平面，保證真空泵能發揮最大功效，如圖11所示。

增壓裝置選用空壓機流量為6.0 m3/min，連接完成后的增壓系統見圖12。主管出膜裝置是指膜下主管與膜外的真空泵或空壓機相連接的一種裝置，該裝置使整個膜內外管路形成一個有機整體，使管路系統連續、通暢，同時保證薄膜不漏氣。

圖11 連接好的真空排水系統

圖12 連接好的增壓系統

3.7 密封體系

密封體系由加固邊界的密封墻構成的四周密封體和由加固區表面覆蓋的密封膜構成表面密封體兩部分組成。

(1)密封墻施工

密封墻采用泥漿攪拌樁，采用攪拌機械以淤泥為材料，按照攪拌樁的施工工藝進行密封墻的施工。每道密封墻共2排樁，樁徑0.5 m，樁長進入原地面以下1～1.5 m，樁長4～5 m，同一排樁之間相互咬合10 cm，第一排樁與第二排樁之間咬合25 cm，形成連續的墻狀結構，起到止水、密封的效果。密封墻的施工見圖13。泥漿含砂率要求≤5%，比重不低于1.35，pH值以7.5～8.5為宜，泥漿膠體率應＞45%。

圖13 密封墻疊加示意(單位:cm)

(2)密封膜施工

密封膜采用2層聚乙稀薄膜，每層膜厚0.12～0.14 mm，其密封膜的指標參數見表2。

表2 密封膜的指標參數

密封膜采用人工鋪設方式，先鋪設1層，然后再鋪設第2層。在鋪設密封膜前需要先在場地上鋪設1層土工布保護密封膜。施工中需要注意的是選擇在晴朗、無風天氣進行施工，施工無間斷，2層膜連續鋪設，以保證2層膜之間能夠密貼。

3.8 真空預壓施工

真空泵系統(將水泵、水箱、閘閥、截止閥、出膜口按要求連接)安裝完畢后，將配電箱與真空泵處漏電開關盒和真空泵的電路接通后，空載調試真空射流泵，當真空射流泵能實現真空度600 mmHg以上后，開始試抽真空。

在膜面上、壓膜溝處仔細檢查有無漏氣處，發現后及時進行修補。如果在抽氣時發生漏氣，孔眼會發出鳴叫聲，可循聲進行徹底檢查。抽真空的初始階段，為防止真空預壓對加固區周圍土體造成瞬間破壞，必須嚴格控制抽真空速率;可先開啟半數真空泵，然后逐漸增加真空泵工作臺數。當真空度達到400 mmHg，經檢查無漏氣現象后，開啟所有的真空泵，將膜下真空度提高到600 mmHg后，開始恒載抽真空。

為保證抽真空的正常進行，需要24 h不間斷地觀察檢查，對真空度表、真空泵的變化也要做好記錄，當發現漏氣，泵損壞等問題要及時維修，保證真空系統、密封系統正常工作。電力供應的連續不斷是保證抽真空裝置連續工作的必要條件，施工前確定電源的供應能力，必要時適當配置一定數量的發電機，以備停電所需。

3.9 增壓施工

待土體固結度達到40%以上后(根據本試驗約需要50 d時間)開始進行增壓施工。首先利用空壓機及增壓管網系統通過增壓管向具有一定固結度的地基土中打氣增壓，加速土體中水分進入塑料排水板;隨著打氣增壓作業的進行，膜下真空度將會降低，待膜下真空度降低至40 kPa后停止打氣作業;在停止打氣增壓作業后，在真空泵抽真空的作用下，膜下真空度會逐漸由40 kPa增加到80 kPa;又重復按照第一步的方法進行打氣增壓施工。以上施工過程往復進行，就能達到增壓施工的效果。在打氣增壓過程中，真空泵不停止工作。

4 處理效果分析

珠海西站為二級三場區段站，車站起止里程DK176+100～DK179+050，面積32萬m。車站設到發線4條(含正線)、預留3條，有效長850 m;綜合貨場1座，設貨物線3條，預留貨物線3條;貨場牽出線1條，有效長850 m。該場地地貌為海相堆積平原區，地形平坦。表層為第四系人工填土、海相沉積的淤泥、淤泥質粉質黏土、粉質黏土等，下伏基巖為燕山期花崗巖。場地分4個區進行，一區、二區為常規真空預壓，三區、四區為增壓式真空預壓。場地的排水板長度均采用22 m，堆載高度為2 m;其中一區、二區排水板采用正三角形布置，間距分別為1.0 m和0.8 m，三區、四區排水板采用正六邊形布置，間距分別是1.0 m和1.2 m，六邊形中心設置8 m深度增壓管。具體參數見表3。

表3 試驗區工程概況對照

圖14為一區(常規真空預壓)和三區(增壓式真空預壓)不同位置的地表沉降隨時間的變化曲線，N1C1和N1C4分別代表一區地表沉降觀測點1和4點，同樣，N3C1和N3C4分別代表三區相同位置地表沉降觀測點1和4點。從圖14可以看出，在增壓管開始工作前，N1C1與N3C1、N1C4與N3C4的沉降差異不大，在此期間N1C4的沉降量甚至比N3C4大;待增壓管開始工作后，一區和三區以上所述2個位置的沉降差異開始增大，尤其表現為增壓管工作3個月(圖上橫坐標為 150 d)后，N1C1的沉降量為1 550.0 mm，而N3C1處的沉降量達1 591.3 mm，相差了41.3 mm;同樣的，同期N1C4與N3C4的沉降量分別為1 505.2 mm和1 585.7 mm，相差達80.5 mm。而N1C1與 N3C1最終的沉降量分別為1 690 mm和1 800 mm，相差達110 mm;而N1C4與N3C4最終的沉降量分別為1 640 mm和1 852 mm，相差達212 mm。

圖14 一區與三區地表沉降變化曲線

表4為對應位置的沉降對比，在2 m深度對應位置，一區和三區沉降量分別為1 322.4 mm和1 629.3 mm，由于增壓管的設置，其沉降量增長了23.2%;同樣的，在4 m的位置，其沉降增長量達22.3%，但在增壓管偏下位置(10 m)深度，2個區的沉降量非常接近，其沉降增長量僅有5.7%，說明增壓管的處理的增長效果只能體現于其長度范圍內，向下延伸的幅度不大。

表4 增壓管處理范圍內沉降對比值

5 結語

結合工程實例，詳細闡述了一種新型軟基處理形式-增壓式真空預壓的施工工藝，并指出了相應的關鍵技術和施工要點，對今后同類的工程有一定的借鑒作用;同時，增壓式真空預壓在預壓期的沉降量明顯大于常規處理方式，而且能節約大量的施工期，也給軟基處理提供一種嶄新的設計理念。

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