淺談真空預壓法在加固軟土地基中的應用

摘 要：根據(jù)天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)緯二路工程中，介紹了真空預壓法在加固軟土地基施工中的應用，同時對真空預壓效果進行了分析，對其加固機理進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：真空預壓 軟土 加固 應用 分析

中圖分類號：U41 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0034-03

真空預壓法是利用抽真空來加固軟土地基的一種地基加固方法，屬于排水固結(jié)法。最早是由瑞典皇家地質(zhì)學院杰爾曼 （w.Kjellman）教授于1952年提出的。該技術(shù)于20世紀80年代之后在我國取得了長足的發(fā)展和應用，目前已成為加固軟土地基的一個行之有效的、常規(guī)實用的方法，在沿海地區(qū)應用較為廣泛。

1 工程概況

天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)位于濱海大道東側(cè)，臨港工業(yè)區(qū)三期以南填海區(qū)域。緯二路位于產(chǎn)業(yè)區(qū)北部，西起濱海大道，東至臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)規(guī)劃的三經(jīng)路，起點K0+012.804，終點K1+276.707，全長1263.903 m。其中采用真空預壓方法加固的地基處理面積為79031.925 m2。

2 真空預壓法簡介

真空預壓法處理地基，首先在新吹填泥面上回填素土作為工作墊層，再將袋裝砂井或塑料排水板打入土體，作為垂直排水通道；其次在素土工作墊層上面鋪筑20 cm左右厚的砂墊層，作為水平排水通道；然后，將不透氣的薄膜鋪設在需要加固的軟土地基表面的砂墊層上，薄膜四周埋入土中，借助埋設于砂墊層中的管道，將薄膜下土體中的空氣抽出，使其形成相對負壓，從而在塑料排水板和周圍土體之間形成壓力差，使土體中的孔隙水注入塑料排水板被排出，從而使土體達到固結(jié)。真空預壓系統(tǒng)由抽真空系統(tǒng)、排水排氣系統(tǒng)和密封系統(tǒng)三部分所組成，排水系統(tǒng)主要改變地基原有的排水邊界條件和傳遞真空壓力，增加孔隙水排出的路徑，縮短排水距離，減少加固時間。根據(jù)本工程要求，膜下真空度保持在在650 mmHg以上（相當于85 kPa）作為設計壓差。

3 真空預壓加固軟基施工控制

3.1 主要施工工序

平整場地→工作墊層鋪筑→打設塑料排水板（含沖孔）→鋪砂墊層→鋪設濾管、安裝射流泵→挖壓膜溝、鋪密封膜→設置地表沉降桿、安裝觀測儀器→連接真空設備、試抽氣→真空滿載預壓（真空預壓斷面示意如圖1）。

3.2 平整場地

施工前先對場地進行整平，作為真空預壓法的第一步工序，根據(jù)以往的工程實踐經(jīng)驗，真空預壓場地在抽真空加固以后，一般呈鍋底形狀，即中間沉降量大，四周沉0B8RK3EmSwgWvvqsLqgROcA61ZvjZHVfhy1n4VPdvDs=降量小。因此，在平整場地時，基本上應做到中間略高，四周稍低。

3.3 鋪筑工作墊層（一層荊笆+一層土工布+回填30 cm素土）

在原吹填泥面上鋪一層優(yōu)質(zhì)荊笆。荊笆鋪設時采用鉛絲綁扎牢固，間距不大于40 cm，層間采用錯縫搭接，搭接寬度為20 cm，提高荊笆的承載能力。

在荊笆上鋪設300 g/m2聚酯長絲紡粘針刺土工布。土工布采用人工連續(xù)縫制，確保不開縫，現(xiàn)場縫合搭接寬度不小于100 mm。

在原地面上鋪設一層荊笆及一層土工布后填筑素土，鋪設素土工作墊層邊界為真空預壓邊界外擴5.0 m。填土前，將基土上的洞穴或基底表面上的樹根，垃圾等雜物處理完畢，清除干凈。每層素土整平后用壓路機進行碾壓，碾壓時先慢后快。且保證上部砂墊層不下漏，地表平整度±50 mm，且壓實度達到設計要求，以便打板機械在上行走。

3.4 打設塑料排水板（采用輕型門架式打設機如圖2）

打設設塑料排水板施工工序：排水板檢驗、進場→排水板樁位測量→插板機進場調(diào)試→插板機移機定位→裝排水板樁靴→下插樁管至設計標高→上拔樁管至其下端離地100 cm→切割排水板→回填排水板樁孔、裝樁靴→移至下一排水板樁位在塑料排水板的打設過程中的注意點如下。

（1）塑料排水板的規(guī)格、質(zhì)量和排水性能等指標，必須符合塑料排水板技術(shù)參數(shù)與設計要求，檢查和驗收合格后，才能投入使用。

（2）嚴格控制塑料排水板樁靴位置的準確度和板的垂直度。施打作業(yè)時，板機的樁靴落地定位由插板機操作員在控制室內(nèi)控制，其誤差控制在±50 mm范圍內(nèi)；其次根據(jù)安裝在插板機上的金屬活動垂針和刻度盤，控制樁管下插時的垂直度，偏差不得大于±1.5%。

（3）塑料排水板濾膜在轉(zhuǎn)盤和打設過程中應避免損壞；防止淤泥進入帶芯堵塞輸水孔，影響塑料帶的排水效果。

（4）塑料排水板與樁尖連接要牢固，避免提管時脫開，將塑料帶拔出。

（5）樁尖平端與導管靴配合要適當，避免錯縫，防止淤泥在打設過程中進入導管，增大對塑料帶的阻力，甚至將塑料帶拔出。

（6）嚴格控制塑料排水帶間距和深度，上拔樁管時，注意仔細觀察排水板有沒有回帶現(xiàn)象，若回帶長度超過50 cm，則在板位旁45 cm處補打一根。

（7）切割排水板時由于打板時尚未鋪設砂墊層，考慮砂墊層的厚度后，剪斷時的外露長度為1.2 m，排水板施工過程中，派專人做好施工原始記錄，以備抽查。

（8）塑料排水板搭設驗收合格后，及時用粉砂仔細填滿打設時在板周圍形成的孔洞，清理加固區(qū)雜物和打設板過程中回帶上來的淤泥，以便更好地形成排水通道。

3.5 鋪砂墊層

在砂性土工作墊層上鋪筑200 mm厚的中粗砂墊層作為水平排水通道，其主要作用是作為土體內(nèi)部塑料排水板（豎向排水系統(tǒng)）和濾管與主管（水平排水系統(tǒng)）的中介層，一方面真空度通過砂墊層向塑料排水板或淤泥中傳遞；另一方面軟土中的地下水通過塑料排水板先到達砂墊層，然后通過砂墊層流向濾管與主管，經(jīng)真空泵排出。

3.6 鋪設濾管、安裝射流泵

濾管與主管組成地下水的水平排水體系，鋪設是否合理，將直接影響真空預壓的成敗。

濾管采用管徑63 mm的軟式透水管，采取工廠化集中生產(chǎn)，管體打孔并外包透水濾布后，成卷運至施工工地使用。

3.6.1 連接排水板與濾管

濾管間距縱、橫向呈框格形布置于之前挖好深約25～30 cm的濾管溝中，且位于兩側(cè)排水板的中間。再將濾管擺設并連接好，接頭處用鐵絲綁扎牢固。為確保濾管上的濾膜不被破損，出膜處采用無縫鍍鋅鋼管和接頭相連接，出膜面約30 cm。由于直排式真空預壓法利用每根排水板均與濾管相連的方式形成水平向排水信道，相鄰的兩排排水板與一條濾管直接相連，埋于砂墊層中間，距砂墊層頂面與底面的距離均應大于5 cm。濾管周圍必須用砂填實，嚴謹架空漏填。濾管埋設完畢后應整平砂面，清除石塊、瓦礫等雜物。

3.6.2 埋設真空管路和膜下測頭

真空測頭布置在兩條濾管中間位置，按時間要求排布，真空細管另一端從密封膜引出，制成喇叭口和真空表相連接，以直觀反映膜下真空度。

3.6.3 安裝射流泵

將出膜彎管一端與濾管連接好并鋪設密封膜后；另一端與射流泵連接。射流泵的功率應不小于7.5 kW，揚程不小于26.0 m；安裝后的射流泵應能形成不小于0.096 MPa的真空壓力，射流泵的開啟功率為100%。

3.7 密封膜的鋪設

（1）密封溝采用挖掘機開挖。挖至不透水層頂面以下500 mm，保證徹底切斷透水層。壓膜溝外觀表面平整光滑直順，無高低起伏現(xiàn)象。挖溝時如溝內(nèi)有塑料排水板，則排水板不能剪斷，應沿溝邊向上與鄰近的濾管相連接。

（2）密封膜選用抗老化性能好、韌性大、抗穿刺能力強的材料，本工程密封膜采用聚乙烯或聚氯乙烯薄膜，密封膜在工廠熱合一次成型。熱合時宜用雙熱和線平搭接，搭接長度大于15 cm。若現(xiàn)場搭接，搭接寬度不小于2 m。加工后的密封膜面積不得小于設計面積，每邊長度要大于加固區(qū)相應邊4 m。

（3）鋪設密封膜前認真清理、整平砂墊層，揀出貝殼及帶尖角石子等可能刺破密封膜的雜物。鋪膜時必須統(tǒng)一指揮，參加人員必須穿軟底鞋，選無風天氣，并在一天內(nèi)鋪完；四周埋入密封溝內(nèi)，深入溝底20 cm，然后用粘土填筑密封溝。在鋪膜過程中，要及時地每隔10 m放一砂袋，壓住密封膜。

3.8 修筑蓄水圍埝

在抽真空過程中，加固區(qū)內(nèi)必須覆水30～40 cm深，以保證膜的密封，因此在鋪膜完成后，在加固區(qū)四周要填筑覆水圍埝，覆水圍埝可以同填密封溝一起完成。壓膜溝回填面應低于膜面1.0～1.5 m，以便抽真空過程中抽出水的存放，起到保持壓膜溝內(nèi)濕潤，加強密封效果的作用，在壓膜溝內(nèi)側(cè)人工修筑高1.2 m、上寬0.5 m下寬1.0 m的止水粘土圍堰，以便在抽真空過程中抽出的地下水排向加固區(qū)，形成1.0 m左右的蓄水，作為補充荷載。

3.9 設置地表沉降桿、安裝觀測儀器

密封膜鋪好后，將地表沉降標施放于膜上，沉降標采用600×600×5 mm鋼板與40×40×3150 mm角鋼焊接成，角鋼內(nèi)噴防銹漆，外噴黑白漆制成雙面標尺，標線刻畫清晰，用砂袋壓住底板，防止大風刮倒。布設完后在抽氣前要測初讀數(shù)，并做好記錄。

3.10 真空抽氣

3.10.1 試抽氣（如圖3）

在覆水前，進行試抽真空。調(diào)整各種儀器的初讀數(shù)，進行開泵抽氣，同時檢查每臺泵的運轉(zhuǎn)情況及薄膜的密封情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

本工程的真空泵分三次開啟，每批間隔為5～7 d。

試抽真空階段，膜下真空壓力應達到0.06～0.085 MPa，若低于此值屬于不正常，應立即查找原因，在膜面上和密封溝處仔細檢查有無漏氣處，漏氣孔眼會發(fā)出鳴叫聲，循聲徹底檢查，一旦發(fā)現(xiàn)漏氣后及時補好。從試抽氣開始，即應進行真空壓力、沉降量等參數(shù)觀測。

3.10.2 正式抽氣

①監(jiān)理工程師驗收合格72 h后，進行覆水轉(zhuǎn)入正常抽氣，一直持續(xù)90 d，此階段是真空預壓加固地基的主要階段。

②覆水厚度為30～40 cm。覆水后，膜下真空壓力要保持穩(wěn)定在650 mmHg以上。

③在抽氣過程中，維持泵的正常運轉(zhuǎn)，射流箱內(nèi)循環(huán)水要不斷補充。

④真空壓力值觀測每4 h一次，發(fā)現(xiàn)真空壓力有下降現(xiàn)象，立即查找原因，及時處理。

⑤抽真空時保持膜內(nèi)真空度650 mmHg以上，如發(fā)現(xiàn)密封出現(xiàn)問題，應及時查找原因并進行處理。

3.11 真空預壓卸載標準

按實測沉降曲線推算的固結(jié)度>85%；連續(xù)5天實測沉降速率不大于2.0 mm/d即可終止預壓。拆除設備，并進行壓膜溝換填。

3.12 真空預壓加固效果分析

真空預壓工程的成敗主要取決于加固效果的好壞，要檢驗加固效果必須在施工過程中對加固區(qū)域進行實時的監(jiān)測，真空預壓監(jiān)測包括：表層沉降監(jiān)測、分層沉降監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測等。

3.12.1 表層沉降監(jiān)測

根據(jù)實測沉降推算的固結(jié)度是檢驗加固效果和確定是否卸載的最主要的指標，卸載時各區(qū)（塊）的平均固結(jié)度不能低于設計要求。（表1）

3.12.2 孔隙水壓力監(jiān)測

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4中E1區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，在抽真空的初期，孔壓下降到一穩(wěn)定值，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。（表2）

從以上觀測結(jié)果反映：固結(jié)度>85%；連續(xù)5天實測沉降速率小于2.0 mm/d，其它的各項指標也反映出真空預壓加固后的土體有較大幅度的改良。這些數(shù)據(jù)證明了真空預壓對于吹填造陸區(qū)的加固效果是明顯的。

4 改進措施

（1）工程實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，在連接排水板與濾管的過程中，每一根排水板都與濾管相連在工程中的效果反而不好，由于排水板分布密集且外露長度較多，全部綁扎會將濾管堵塞，影響抽氣效果。因此本工程中將30%排水板與濾管相連，既節(jié)省了工期，又保證了抽氣的效果。

（2）本工程原設計采用三層聚氯乙烯密封膜，實際工程中，由于底層密封膜直接與砂墊層接觸，容易受到雜物的摩擦，而塑膠布除了防滲效果好、抗老化、抗化學腐蝕性能之外，還具有極好的抗撕裂，抗穿刺能力，防滲透效果好。經(jīng)業(yè)主批準，第一層采用塑膠布代替密封膜，其上再鋪兩層密封膜。

5 真空預壓加固機理總結(jié)

通過真空預壓的工程實踐，對其加固機理進行總結(jié)：真空預壓法加固軟土地基時，對地基施加的不是實際重物，而是把大氣作為一種荷載。抽氣前，薄膜內(nèi)外受大氣壓力作用，土體孔隙中以及地下水面以上的氣體都處于大氣壓力狀態(tài)，抽氣后，薄膜內(nèi)砂墊層中氣體首先被抽出，而薄膜外仍然保持大氣壓力狀態(tài)，薄膜內(nèi)外就形成一個壓力差，使薄膜緊貼于砂墊層上，砂墊層中形成的真空度通過垂直排水通道逐漸向下延伸，同時真空度又由垂直排水通道向其四周的土體傳遞與擴散，引起土中孔隙水壓力降低，形成負的超靜孔隙水壓力，從而使土體中的氣和水由土體向垂直排水通道的滲流，最后由垂直排水通道匯至地表砂墊層中被泵抽出，隨著水氣的排出，超靜孔隙水壓力不斷消散，土體有效應力不斷增加，使得土體強度得到提高。

6 結(jié)語

本文對緯二路真空預壓施工工藝的應用進行了詳細的論述，對真空預壓的效果進行了分析；并提出了本工程施工中的改進措施，不僅確保了工程質(zhì)量，又加快了進度，同時對真空預壓的加固機理進行了總結(jié)。采用真空預壓法具有成本低、效果好、工期短的特點，是加固軟土地基行之有效的方法之一。

參考文獻

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