深基坑軟土地層真空降水施工技術(shù)

摘要：在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展下，城市建筑、野外路橋建設(shè)工程發(fā)展較為迅速，而在軟土地質(zhì)條件下進(jìn)行的深基坑施工常由于軟土含水量較大產(chǎn)生的地基土固結(jié)不實(shí)導(dǎo)致的地基失穩(wěn)的狀況，特別對(duì)于一些高層建筑和地下建設(shè)設(shè)施，其施工中的深基坑在較大水分存在的條件下常會(huì)造成基礎(chǔ)施工的質(zhì)量安全問題。真空降水是應(yīng)對(duì)軟土地質(zhì)基礎(chǔ)施工質(zhì)量較差的施工技術(shù)，在當(dāng)前的深基坑軟土地層的施工中發(fā)揮了良好的效果。

關(guān)鍵詞：深基坑；軟土地；真空降水施工；質(zhì)量安全

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加之我國農(nóng)耕地的緊張使得我國城市膨脹發(fā)展越來越從以往的橫向擴(kuò)張發(fā)展轉(zhuǎn)而向縱向發(fā)展，因此城市建筑建設(shè)逐漸向高層轉(zhuǎn)變，而與此同時(shí)，為了完善城市功能，以地鐵、停車場(chǎng)、地下商場(chǎng)等為代表的地下建筑也逐漸增多，這都給具體的城市建筑基礎(chǔ)施工作業(yè)提出了更高的要求，也給現(xiàn)有的施工技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。特別在軟土地層進(jìn)行的深基坑地基施工，在軟土含水量較大的前提下進(jìn)行的施工會(huì)受到土層中水分的影響導(dǎo)致地基土固結(jié)不實(shí)而引起工程質(zhì)量問題。

一、深基坑軟土地施工的難點(diǎn)

軟土是以灰色為主要外觀、天然孔隙比大于或等于1，含水量大于液限的細(xì)粒土。其土層一般層狀分布，且分布較復(fù)雜，由于軟土土粒較細(xì)且孔隙比較大，導(dǎo)致其天然含水量較高、壓縮性較高、靈敏度高，但抗剪應(yīng)力能力差、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時(shí)間長、擾動(dòng)性大、透水性較差，因此在該工程地質(zhì)條件下進(jìn)行的大型建構(gòu)筑物施工，由于受到地質(zhì)條件影響，使得其建構(gòu)筑物在高等級(jí)地震或地殼運(yùn)動(dòng)及在長時(shí)間的氣候侵蝕下很容易造成結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性變差，出現(xiàn)地基塌陷、承重墻體傾斜的現(xiàn)象，極為不利于建構(gòu)筑物的日常使用，極大地縮短了建構(gòu)筑物的使用壽命。特別對(duì)于高層建筑和地下建筑，在大型建構(gòu)筑物的壓力下，其地基失穩(wěn)的狀況會(huì)得到進(jìn)一步的放大，極為不利于建構(gòu)筑物的整體受力平衡，極大地影響了建構(gòu)筑物的實(shí)際使用壽命。因此，在對(duì)深基坑軟土地基進(jìn)行施工作業(yè)過程中，需要特別注意對(duì)軟土地層中的水分處理，以達(dá)到土層的固化程度，保證地基的力學(xué)穩(wěn)定性。

二、真空降水施工技術(shù)

真空降水施工技術(shù)是針對(duì)軟土地層含水量較大影響建筑地基施工質(zhì)量的施工工藝，它在最早于1952年在美國麻省理工大學(xué)召開的加固土?xí)h上由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院杰爾曼教授提出，于上世紀(jì)六十年代引進(jìn)我國，目前在我國各地軟土基礎(chǔ)施工中多有應(yīng)用，且改進(jìn)后的真空降水施工技術(shù)與預(yù)壓法、深層攪拌法、換填法、強(qiáng)夯法等聯(lián)合使用，進(jìn)一步提高了軟土地層基礎(chǔ)施工的質(zhì)量可靠性。

真空降水技術(shù)是利用真空泵抽取形成的地下土層真空度以及降水后形成的土層水力梯度共同作用下導(dǎo)致的孔隙水，由排水通道流向地表排水層的深層軟土固化施工技術(shù)。土體固結(jié)沉降形成密實(shí)的土層，達(dá)到軟土固化的目的，從而提高其結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性，提高地基基礎(chǔ)施工的工程質(zhì)量。

在我國各地進(jìn)行的軟土施工過程中，發(fā)現(xiàn)真空降水技術(shù)無法完全達(dá)到軟土水分的抽取以及土層的固化等基礎(chǔ)施工要求，因此常跟其他施工工藝聯(lián)合使用，在長期的研究與探索中，發(fā)展出了真空降水預(yù)壓法等施工工藝。目前野外路橋施工以及城市非大型建筑施工對(duì)軟土層處理時(shí)使用的塑料排水板預(yù)壓法就是典型的真空降水預(yù)壓法。

塑料排水板預(yù)壓法是軟土地基深層處理的一種施工技術(shù)，主要技術(shù)要點(diǎn)是在軟土地基中采用垂直設(shè)置塑料排水板以形成一個(gè)或多個(gè)排水柱體，由此增大工程地質(zhì)土層的透水性，縮短地基空隙水的排出距離，加速預(yù)壓過程中軟土地基的固結(jié)過程，從而使得地基固結(jié)程度增高，建構(gòu)筑物地基沉降量降低。該法廣泛用于軟土地質(zhì)條件下的公路施工、非大型建構(gòu)筑物建設(shè)施工中。尤其在高速公路軟土地基施工中應(yīng)用最為廣泛。如圖1所示為塑料排水板施工示意圖。

圖1 塑料排水板施工示意圖

塑料排水板預(yù)壓法的主要施工流程為：

a.施工作業(yè)面準(zhǔn)備，清除表層土、淤泥、雜物等；部分地區(qū)進(jìn)行的施工作業(yè)隊(duì)表層淤泥土的清理較不注意，施工方面認(rèn)為真空降水預(yù)壓法可以將淤泥水分同樣抽取出來，實(shí)現(xiàn)自深層到表層的長距離沉降和固化，這種考慮在理論上是可以的，但在實(shí)際操作中會(huì)由于真空度的過高導(dǎo)致真空泵的功耗過高，而且在表層淤泥等雜物的影響下，土層中壓差降低，使得深層軟土水分抽取相對(duì)效果較差；

b.鋪設(shè)砂礫墊層，一般敷設(shè)約50CM厚的砂礫墊層，且敷設(shè)的砂礫透水性較好，能夠及時(shí)將塑料排水板排出的水滲透出來，從而達(dá)到地基及時(shí)排水的目的；

c.穩(wěn)壓；

d.安設(shè)塑料排水板；

e.砂礫墊層整平、穩(wěn)壓；

f.地基填筑；

g.預(yù)壓。

這種軟土地基施工工藝主要利用不積水材料構(gòu)建排水通道，從而提高工程土層的透水性，保證地基結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性。在高速公路等建設(shè)項(xiàng)目中應(yīng)用較為廣泛，但由于塑料板的抗壓能力較差，在大型高層建筑軟土地基施工時(shí)該法具有一定的局限性。

具體應(yīng)用到軟土地基施工時(shí)，塑料排水板預(yù)壓法在工程施工中存在著一定量的水平位移，這使得土層地基施工時(shí)會(huì)在水平位移的作用下造成沉降固結(jié)后的土層與實(shí)際施工需求存在一定的偏差，而且其施工作業(yè)會(huì)對(duì)具有結(jié)構(gòu)性的正常固結(jié)土體產(chǎn)生很大的擾動(dòng)，引起土體強(qiáng)度的降低，這就使得在使用該施工工藝之前需要對(duì)土層的影響作出預(yù)先性分析與計(jì)算，并編制科學(xué)充分的施工控制主要要點(diǎn)技術(shù)方案。

三、真空降水施工過程控制要點(diǎn)

（一）降水量的涌出計(jì)算

考量到不同軟土地質(zhì)條件的基礎(chǔ)施工，其采用真空降水施工技術(shù)進(jìn)行的降水作業(yè)由于土層中含水量的不同，其所需要的降水井的數(shù)量與規(guī)格也各不相同，因此在進(jìn)行施工作業(yè)的方案設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)降水量的涌出進(jìn)行條件計(jì)算。具體計(jì)算過程中需要考量的參數(shù)有施工勘察期與降水施工前分別進(jìn)行一次自然水位的測(cè)量，并在降水施工時(shí)對(duì)降水井內(nèi)的自然水位進(jìn)行測(cè)量；根據(jù)軟土層的含濕量以及實(shí)際工程施工涉及的土方量進(jìn)行水量的計(jì)算。以此作為降水井設(shè)計(jì)與降水預(yù)埋管的埋設(shè)基礎(chǔ)依據(jù)。

（二）預(yù)埋降水管

預(yù)埋降水管作業(yè)是真空降水施工作業(yè)的關(guān)鍵前提，降水管預(yù)埋位置是通過對(duì)深基坑設(shè)計(jì)以及實(shí)際工程受力載荷計(jì)算根據(jù)軟土地層性質(zhì)計(jì)算而來的。但對(duì)于軟土地層，特別是細(xì)沙、超細(xì)粉土層，容易在鉆孔過程中，地下水重力和水壓的共同作用下使得套管內(nèi)涌水量較大且大量的泥沙夾帶使得預(yù)埋降水管無法插入，即便插入后，在細(xì)沙填充的作用下，預(yù)埋降水管隨套管一起被拔出，從而產(chǎn)生無法埋設(shè)預(yù)埋管的施工問題。因此，在進(jìn)行預(yù)埋管的安設(shè)時(shí)，需要設(shè)計(jì)預(yù)埋管與套管同進(jìn)措施。同時(shí)為了避免套管與預(yù)埋降水管同時(shí)被拔出的狀況可以選擇在鉆頭前端安裝跟管止沙裝置，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭牽引預(yù)埋降水管鉆進(jìn)，鉆具不被泥沙填堵，鉆孔用水鉆頭流出口不被堵塞等目的。

在預(yù)埋降水管就位之后，為了避免拔出鉆具時(shí)外鉆具的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的預(yù)埋件隨動(dòng)，使得其與地下巖層磨損加劇出現(xiàn)破損等狀況，可以預(yù)先在球式回彈逆止密封推頂器前端安裝防旋轉(zhuǎn)裝置，保證推進(jìn)以及拔出過程中預(yù)埋降水管的旋轉(zhuǎn)與巖層的摩擦。

（三）降水作業(yè)的監(jiān)測(cè)

在降水作業(yè)時(shí)，需要對(duì)真空泵的壓力以及功耗強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)應(yīng)該定期檢測(cè)降水井內(nèi)水位的位置，在達(dá)到設(shè)計(jì)降水深度后，需要對(duì)其進(jìn)行持續(xù)的觀測(cè)，在水位穩(wěn)定且出水量大幅減少的狀況下可以認(rèn)為降水基本完畢，需要對(duì)其進(jìn)行后續(xù)持續(xù)幾天的監(jiān)測(cè)和降水作業(yè)。

（四）降水作業(yè)中的節(jié)能

由于降水作業(yè)需要真空泵持續(xù)的提供足夠的真空度以在地層形成巨大的壓差，因此其功耗相對(duì)較高，而對(duì)于真空泵而言，過高的能耗以及負(fù)載極為不利于真空泵的穩(wěn)定運(yùn)行，因此可以采用改進(jìn)后的射流真空泵來進(jìn)行替代，以提高真空效率降低功耗。

（五）降水作業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

對(duì)降水作業(yè)過程中的土層進(jìn)行監(jiān)測(cè)是整個(gè)降水作業(yè)能否滿足實(shí)際施工需求的重要技術(shù)措施。具體需要觀測(cè)的項(xiàng)目主要有以下幾個(gè)方面。

a.表層沉降觀測(cè)

在降水作業(yè)中形成的由于水位下降、土層固化沉降而產(chǎn)生的地面土層沉降是降水作業(yè)實(shí)現(xiàn)功能的重要表征，而對(duì)于出水量較大但表層沉降量相對(duì)較小的施工狀況，需要對(duì)其進(jìn)行異常狀況的分析與檢測(cè)，以防止降水作業(yè)的能耗浪費(fèi)以及施工質(zhì)量問題。而且在表層沉降監(jiān)測(cè)中，也要注意是否會(huì)產(chǎn)生大量的土層塌陷，并對(duì)實(shí)際出現(xiàn)的塌陷是否由于土層固結(jié)沉降而作出分析和判斷。

b.孔隙水壓力

施工過程中隨著降水作業(yè)的進(jìn)行孔隙水壓力會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，特別對(duì)比降水作業(yè)開始時(shí)與結(jié)束前，因此孔隙水壓力可以作為降水作業(yè)是否滿足實(shí)際施工需要的一個(gè)重要標(biāo)志，而對(duì)于孔隙水壓力的不規(guī)則變化如異常波動(dòng)應(yīng)該進(jìn)行及時(shí)的分析與判斷，以避免真空設(shè)備的負(fù)荷。

c.鉆土取樣土工試驗(yàn)

對(duì)于降水作業(yè)來講，其施工質(zhì)量的好壞的直接表現(xiàn)就是軟土土層沉降固化強(qiáng)度，而對(duì)作業(yè)場(chǎng)土層進(jìn)行隨機(jī)的鉆土取樣試驗(yàn)，重點(diǎn)檢測(cè)土層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與含水量，從而對(duì)降水作業(yè)效果進(jìn)行直觀評(píng)價(jià)。

四、真空降水施工技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)

真空降水作業(yè)雖然能夠極大地降低軟土土層中的含水量、提高土層固化程度從而增加土層的強(qiáng)度，提高其受力穩(wěn)定性，但在實(shí)際施工中卻常出現(xiàn)功耗過高、施工復(fù)雜、降水作業(yè)周期過長、受自然因素影響等不良狀況，極大地降低了真空降水施工作業(yè)的效率以及施工方的效益，因此在未來的深基坑軟土地層施工過程中，單一的真空降水施工技術(shù)是不足以滿足實(shí)際施工需求的，這就需要在施工的過程中聯(lián)合其他軟土地層施工處理工藝如換填法、強(qiáng)夯法等降低施工成本，同時(shí)提高施工效率。而研究并使用高真空降水技術(shù)也是未來軟土土層施工的一個(gè)發(fā)展方向，但該工藝的發(fā)展更多的需要相應(yīng)地機(jī)械設(shè)備的發(fā)展作為基礎(chǔ)。

結(jié)語

真空降水施工技術(shù)應(yīng)用于深基坑軟土地施工方面在降低土層含水量、提高地層固化強(qiáng)度、保證地基施工受力穩(wěn)定性方面具有著良好的應(yīng)用效果，目前在我國各地進(jìn)行的軟土施工處理作業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用并根據(jù)實(shí)際工程施工需要研究并發(fā)展了諸多的施工工藝，但其應(yīng)用到具體施工作業(yè)中產(chǎn)生的諸如能耗過高、作業(yè)周期較長且施工復(fù)雜等問題依然需要進(jìn)行大量的研究與實(shí)踐來進(jìn)行解決。

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