新型增壓防堵真空預壓地基處理試驗研究

北京鐵路局 北京 100860

某項目位于天津市濱海新區臨海部位，項目所處場區為圍海造地吹填土區域，回填區域淺海的淤泥是吹填土的主要材料來源，其顆粒較細、水含量高、土體空隙大、強度和承載力極低，并且具有很強的流變性，必須進行地基處理，使其工程性能達到要求[1-4]。

吹填土地基加固處理的常用方法為真空預壓，經過真空預壓處理后的地基承載力大幅提高，具有較好的經濟性。但該項目這種土質造成該段區域吹填完成后，采用普通真空預壓技術需要較長時間的泌水和固結。增壓防堵真空預壓法作為一項新型技術，是在常規真空預壓的基礎上發展出來的，具有真空利用率較常規方法高、節省原材料、降低工程造價、對周邊環境影響較小等優點，由于該方法尚未在天津地區大面積推廣使用，因此需要開展相應的試驗研究確定其工藝參數，為加快施工提供理論基礎。

1 新型增壓防堵真空預壓原理

真空預壓施工的原理主要是利用壓差進行地基加固，即利用一層密封膜使得大氣與土體達到隔絕狀態，進而利用真空泵對軟土進行抽真空，使地基砂墊層和排水板的孔隙水壓力迅速下降為負壓，對大氣產生壓差，利用大氣壓差施加到土體表層的壓力作為預壓荷載，從而使土體固結（圖1）。

而新型增壓防堵真空預壓是在對目標軟土地基進行真空預壓的施工過程中，通過在軟土地基中增設特殊微孔增壓管，利用增壓泵對地基軟土實施水平方向增壓，使軟土地基土體中的水分子沿增壓方向產生定向流動，從而使土體加速固結，繼而土體上層部分對下層部分產生堆載效應，相當于真空聯合堆載的處理效果（圖2）。

圖1 常規真空預壓加固斷面示意

圖2 新型增壓防堵真空預壓加固斷面示意

增壓真空預壓固結系統在地基加固過程中，由真空系統和增壓系統相互作用，通過壓力差將軟土地基土體中的孔隙水排出，提高地基承載力。增壓真空預壓地基加固一方面是真空預壓在發揮作用，另一方面，由于增壓系統的設置，在增壓管附近土體與排水板的水頭增大，擠迫地基土中的自由水進入排水板，加強了降水預壓的作用。因此，在真空預壓基礎上設置增壓管加固地基的原理是利用真空預壓和排水預壓的組合，達到地基加固效果[5-8]。

增壓防堵相對于常規真空預壓，取消了水平砂墊層，并用手形接頭將排水板和鋼絲軟管連接，組成水平排水系統，并且采用防淤堵無紡布濾膜整體式排水板代替普通塑料排水板，同時增加了表層增壓系統，防止了管道堵塞。

2 試驗方案設計

普通真空預壓與增壓防堵真空預壓試驗對比的地點選在現場DK13+470～DK13+680段進行，試驗段分2個小區，每個小區2 800 m2。試驗段表層為沖填土、淤泥質黏土、粉土、粉質黏土。

其中1區采用增壓防堵真空預壓，預壓范圍70 m×40 m；塑料排水板深度為15 m，間距1 m，呈六邊形布置；增壓管深度為4 m，間距1.73 m，呈三角形布置。2區采用常規真空預壓，預壓范圍70 m×40 m；塑料排水板深度為15 m，間距1 m，呈六邊形布置。

根據試驗設計要求，真空預壓前后及預壓過程中將嚴格按照設計監測頻率進行，其監測項目有：地表沉降觀測、深層分層沉降觀測、孔隙水壓力觀測、水位觀測、膜下真空度觀測及加固前后現場鉆孔取樣、室內土工試驗、現場十字板剪切試驗。

試驗監測頻率按照設計要求如下：膜下真空壓力為2～4 h觀測1次；孔隙水壓力、地表沉降在加載前10 d每1 d觀測1次，10 d以后每2～4 d觀測1次；其余監測項目在加載前10 d每1～2 d觀測1次，10 d以后每3～5 d觀測1次；加固前后現場鉆孔取樣及十字板剪切試驗在每個試驗區各做1次。

增壓防堵真空預壓在膜下真空壓力達到80 kPa且出水量明顯減少時，啟動增壓系統，采用間歇式增壓，間隔2 d增壓1次，連續增壓半個月。

3 工程試驗過程

3.1 施工工藝

測量放線→預壓前鋪設土工織物或土工格柵→填素土→插設增壓管及塑料排水板→通過手形接頭及三通組建真空系統→增壓管通過三通組建增壓系統→布置密封溝→鋪設PVC真空膜、土工織物及無紡布→抽真空、增壓→堆載→卸載

3.2 操作要點

1）測量放線。本工程在施工前嚴格按照設計單位提供的導線點和水準點進行導線和水準的復測工作，施工放樣時選擇的控制點即為在復測時布設的加密點。放樣點用全站儀進行測設，并做好標記。具體包括塑料排水板控制點、增壓防堵真空預壓區邊界點、土工織物鋪設范圍以及素土填筑范圍，并用白石灰灑出邊線。

2）預壓前鋪設土工織物或土工格柵。測量完畢后應及時鋪設土工織物或土工格柵，其邊線即為增壓防堵真空預壓邊線，土工格柵之間采用扎帶固定，然后用扎帶扎緊。

3）插設塑料排水板。由于塑料排水板容易在打設過程中受到其他物體的剮蹭，故在施工過程中應盡量小心。禁止將已連接完成的排水板放置于水中及淤泥上，防止塑料排水板受到污染。

4）通過手形接頭及三通組建真空系統。在組建真空系統時，應用手形接頭、三通、排水板及真空管覆蓋密封膜等共同作用形成真空系統。增壓管應放置在防淤堵排水板中間。在鋪設主、支真空管及手形接頭時，首先將手形接頭與排水板連接，然后鋪設主、支真空管，主管和支管采用變徑三通、四通連接，最后將支管及手形接頭連接后開啟真空泵，檢驗是否有漏氣現象產生。

5）增壓系統施工。選用增壓管時為了保證土體水分子在壓力作用下能夠定向流動，故應選擇能均勻分布壓力、具有特殊過濾層且具有收縮能力的水平井微孔透水增壓管。增壓管應放置于排列成正六邊形的防淤堵排水板中間位置，管頭與三通連接后共同組成增壓系統。

6）布設密封溝。密封溝在開挖前應預先確定開挖的邊界，并應沿加固區邊界進行開挖。其開挖深度應以能夠切斷透水層為宜，邊坡應平滑且無其他雜物存在，為了避免真空膜的破損，回填材料應選用純黏土且分層夯實。

7）鋪設真空膜。真空膜應采用熱合法加工，為了保證能與加固區很好地銜接，形成一個整體，其形狀要與加固區一致，并在運輸前注意成品保護，確保運輸過程中真空膜的安全完整。鋪設密封膜前需將基層處理平整，避免真空膜被硬物破壞。鋪設時施工作業人員應穿軟底鞋，從上風向鋪向下風向，加固區四周應留設一定的預留量。

8）安裝真空泵及增壓泵。安裝真空泵及增壓泵應在鋪膜前進行，在出膜彎管與真空主管、增壓主管連接好后及時放置下壓盤及下橡膠墊圈，鋪膜后在觸摸彎管口把膜剪開，及時放好上壓板及上橡膠墊圈，并在其間用黃油涂抹均勻，在確認橡膠墊圈與膜間無異物后及時上緊最后2個螺母。

9）抽真空、增壓。覆水前檢查每臺射流泵是否正常運轉、薄膜密封是否良好，并與真空試抽同時進行，如發現問題必須及時進行處理。試抽真空正常時間宜為7～10 d，膜下真空正常壓力值應達到0.06～0.08 MPa，如有問題立即處理。抽真空及膜下真空壓力值在正常狀態時應能穩定在0.08 MPa。

4 過程監測和檢測

4.1 地面沉降監測

按照設計及規范要求必須在處理軟土的相應地段設置沉降監測參照物，參照物由觀測標志及沉降板組成，沉降板可采用尺寸為600 mm×600 mm×9 mm的鋼板，沉降標志由立桿（即沉降桿，可采用φ50 mm鋼管）、4塊鋼肋板及1根鋼套管組成，沉降標志部件必須在沉降板上焊接牢固。

為了監測結果的準確，觀測標志立桿應隨填土高度變化，觀測標志立桿的每段接管長度可設置為500 mm左右，為了使鋼管接長后不致因地面擾動而影響監測，要求鋼管接長時必須咬緊（可用鋼管套絲機對鋼管進行套絲后連接）。除此之外還應設置明顯的標志及標語等，以防在施工過程中發生碰撞，影響監測結果的準確性。

4.2 土體水平位移監測（豎向測斜管）

按照設計要求本工程需要對深層土體進行水平位移的監測，監測前可采用鉆機對深層土體進行導孔的埋設，鉆機鉆頭的前端以及后端等特殊的部位，必須采用2道環形硬質合金鋼進行圍焊焊接，且每道至少4個。考慮到要在鉆桿的兩側面設置垂直度儀對水平位移進行監測，故必須在靠近整平孔點的地表場地進行鉆機及鉆桿的定位及固定。鉆機在成孔過程中應在水平和垂直2個方面同時保證成孔的垂直度，垂直度的最小值可設置為1%。為防止土體坍塌，在終孔后應快速拔出鉆桿并用已準備好的底部已經封死的測斜管進行埋設。監測方法為向測斜管內充水拼裝到設計長度下沉、回填并及時沖管，最后管口要及時加蓋并固定牢固。監測時，可采用測斜儀對水平位移進行測試，讀數的頻次嚴格按照設計要求執行。

4.3 孔隙水壓力監測

在確定埋設地點后用鉆機進行鉆孔，達到設計要求的深度后方可將孔隙水壓力計放入孔內，每個孔隙水壓力計間距最小值可設置為1 000 mm，為確保監測結果的準確性，必須采取措施防止水壓連通，應在相鄰2個孔隙水壓力計間設置隔斷，并在監測時采用頻率接收儀。

4.4 深層沉降監測

在確定的地點采用鉆機進行鉆孔并埋設導孔，達到設計要求的深度后，按照先埋設波紋管、后插入導管的順序壓至孔底。波紋管的底部要進行封堵并確保堵死，波紋管及導管的外露長度分別為150～200 mm及300～500 mm，并且波紋管應采用可靠措施進行固定牢固。在監測過程中，導管應隨填土而接長并采取可靠的保護措施[9-11]。

4.5 原位測試和室內土工試驗

在地基加固前及地基預壓結束并確保穩定后，分別對相應的土體進行靜力觸探、物理力學性能及十字板剪切等3項試驗。試驗斷面可根據工程及地質的不同而變化。

5 增壓防堵真空預壓加固試驗結果分析

5.1 土體沉降觀測

根據觀測結果，真空預壓期間加固區實測分層沉降為1 104～1 172 mm，考慮插板期間沉降后，地基土在施工期間的總沉降為1 384～1 452 mm。卸載時，根據實測分層沉降資料推算地基土平均固結度為90.4%～93.8%，卸載時沉降速率小于2.0 mm/d，滿足設計卸載要求。此外，采用增壓真空預壓技術的1區較采用普通真空預壓技術的2區總的沉降和綜合固結度高（圖3）。

圖3 地基沉降情況對比

5.2 孔隙水壓力觀測

打設塑料排水板后，在真空預壓區中心點附近埋設1組孔隙水測頭，埋設位置在排水板所圍區域的中心位置，埋設深度為設計要求深度?？紫端畨毫y頭用以監測真空預壓施工期間土體內部孔隙水壓力消散情況。根據觀測結果分析可知，鋪膜前地基內孔隙水壓力大于測頭位置的靜水壓力，地基內存在一定程度的超靜水壓力，地基土處于欠固結狀態。這一情況與地基土的應力歷史基本吻合，而真空預壓過程中孔隙水壓力消散明顯，土體發生固結（圖4）。

圖4 增壓真空預壓孔隙水壓力與時間變化過程曲線

5.3 靜力觸探試驗分析

根據加固前后靜力觸探結果對比分析可知，主要加固土層土體的側摩阻力及端摩阻力均有一定程度提高。表明采用新型真空預壓技術對提高地基承載力的效果明顯（圖5）。

5.4 水位觀測分析

在預壓期間，地基中的孔隙水會在荷載作用下通過排水通道排出地基土體，造成軟土地基中的水位下降。在試驗區外側埋設水位管，對加固區外的地下水變化情況進行觀測。觀測結果表明：在真空預壓過程中，加固區外水位隨著預壓的進行而越來越低，在預壓期間加固區外的地下水位發生了明顯的下降，幅度范圍在1.51～1.98 m之間。并通過對地基加固后不同深度土體含水量的測量，表明采用增壓真空預壓技術較常規真空預壓可更有效地降低土體的含水量（圖6）。

圖5 加固前后比貫入阻力

圖6 加固后含水量對比

5.5 十字板剪切結果分析

經過觀測得出十字板剪切數據，并對加固前后的數據進行分析，表明新型真空預壓處理大大提高了各層土體的抗剪強度，包括淤泥層、黏土層、粉質黏土層等。十字板抗剪強度增長較大，加固前的數據為1.1～34.2 kPa，加固后的數據為12.0～47.8 kPa。

通過實驗數據對比分析可知，加固區域土體的物理性能指標發生了較大改變，大大提高了加固土層的抗剪力學強度。因此，采用新型真空預壓處理比普通真空預壓處理效果較為明顯（圖7）。

圖7 試驗區十字板強度

6 結語

根據以上1區和2區的監測結果分析，新型增壓防堵真空預壓技術與普通真空預壓比較，主要有以下明顯的優點：

1）經過2種方法真空預壓處理，地基均發生了較大規模的沉降，采用新型真空預壓處理后，地表總沉降值大幅增加（1區比2區總沉降量增加68 mm），因此大大減少了上部結構或構筑物加載后的工后沉降值。

2）根據預壓期間實測分層沉降資料，卸載時推算地基土的綜合固結度為90.4%～93.8%，卸載前沉降速率均小于2 mm/d，新型真空預壓土體綜合固結度明顯增加（綜合固結度由2區的90.4%增加至1區的93.8%）。

3）由于采用增壓后淤泥質土層含水率降低較快，因此土體地下水水位下降幅度較大（水位下降幅度1區平均為1.92 m，2區平均為1.73 m）。

4）取消了普通真空預壓需要的砂墊層，對施工工藝進行了改進，加快了地基加固實施進度，創造了較好的經濟效益。

5）從十字板剪切實驗和靜力初探實驗結果分析，加固區域土層的抗剪強度和地基承載力均有所提高，而采用新型增壓防堵真空預壓技術的效果更為明顯。