真空預壓泵體節能裝置研究與現場試驗

單志浩，李勇

（上海交通建設總承包有限公司，上海 200136）

真空預壓法作為軟基處理最重要的一種方法，具有處理時間短、見效快、經濟、質量可控等特點，在港口、機場、道路等工程中得到廣泛應用[1]。

傳統真空預壓法施工期間，由于整個抽真空期間保持射流泵始終維持固定功率運轉，用電量大，成本消耗高；另一方面由于射流泵是依靠液體質點間的相互撞擊來傳遞能量的，在運轉過程中會產生大量的水力損失[2]，造成射流泵抽真空效率較低。為此研究了真空預壓泵體節能裝置，旨在保證真空預壓加固地基效果的同時，大幅度節約用電量。

1 工作原理

利用水環式真空泵以及水氣分離罐體等設備實現水氣分離，并利用水環式真空泵抽真空效率高、射流泵可以在負壓條件下抽水的特點，發揮各自優點，實現節能（見圖1）。

圖1 工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle

具體過程是，利用水環式真空泵改變水氣分離罐內的氣體容量形成負壓，通過可控的負壓調節使水氣分離罐控制的加固區域形成穩定的負壓差，利用負壓差將需加固土體內的水、氣混合物排入水氣分離罐中，利用水氣分離罐的高度將水和氣自然分離，形成氣體在上，水在下，最后氣體從連接水氣分離罐上部接口的真空泵的排氣口中排出，水從連接水氣分離罐下部接口的射流泵中排出[3]，這樣即可以達到土體固結的目的，又可以提高抽真空效率，減少用電量，降低真空預壓整體施工成本。

2 試驗概況及目的

試驗在天津臨港經濟區蛟龍重工項目用地真空預壓工程9區、10區中各選取約5 000 m2為試驗區，命名為9-2區、10-2區，試驗時間為2013年11—12月以及2014年1—10月。

試驗目的一是將大型真空預壓水氣分離節能裝置小型化，降低該套裝置的造價成本，提高其適用性，并在試驗過程中不斷進行調試、改善，直到可以正常穩定抽真空。二是詳細記錄調試、改善期間各項監測數據，如罐體內部壓力、區內壓力、分層沉降、孔隙水消散等，并不斷解決試驗過程中遇到的各種問題。三是檢測10-2區地基處理效果是否達到設計交地要求，并與采用射流泵進行抽真空的區域進行對比，證明該套裝置的有效性與節能性。

3 試驗結果及相關測試

3.1 試驗結果

試驗主要分為兩個階段，先后試驗了四代真空預壓泵體節能裝置模型，其中，第一階段是在9-2區進行第一代和第二代模型試驗工作，主要是裝置的加工、組裝、調試、維修等；第二階段是在10-2區進行第三代和第四代模型試驗工作，主要是吸取之前兩代試驗模型的經驗教訓，裝置正常穩定使用后進行沉降、孔隙水壓力等監測，為地基處理效果、節能效果收集各項數據。

1）第一代模型試驗結果

電磁閥以及有機玻璃罐體無法承受水環式真空泵抽真空形成的巨大壓力，電磁閥在試驗開始瞬間即被破壞，有機玻璃罐體在試驗開始后第2 d被破壞，試驗無法繼續，試驗失敗。

2）第二代模型試驗結果

裝置正常運轉1周左右即出現頻繁跳閘現象，經上海益化泵廠檢修結果是電機部分受潮導致短路，該公司無法解決水環式真空泵浸水問題，試驗無法繼續，試驗失敗。

3）第三代模型試驗結果

射流泵和水環泵的出水量均較大，水氣分離罐內部真空度只有80 kPa，區內膜下真空度也較低，在正常抽真空1周左右也出現了頻繁跳閘現象，經檢修是葉輪上部的箍筋損壞掉落，導致葉輪卡殼無法轉動，使水環泵無法正常開啟，試驗失敗。

4）第四代模型試驗結果

經改進后的水環式真空泵以及水氣分離罐體基本實現了水氣分離，罐體真空度可以達到85~86 kPa，區內膜下真空度可以達到72 kPa，抽真空效果較第三代試驗模型有所提高，試驗一直持續至最終卸載（圖2），試驗基本成功。

圖2第四代試驗模型照片Fig.2 Photosof thefourth generation test model

3.2 相關測試

在第四代模型正常抽真空期間，針對水環式真空泵以及射流泵開展了以下測試。

1）水環式真空泵極限真空度：在密封比較理想的狀態下，該套裝置能達到的極限壓力值為95~96 kPa，滿足規范標準要求。

2） 真空度傳遞損耗：根據測試數據繪制的10-2區真空度傳遞損耗曲線見圖3，說明水環式真空泵產生的真空度在傳遞過程中，某區域的實際真空度與水氣分離罐體的距離存在直接關系，距離罐體越遠的區域，真空度損耗越大，因此建議實際施工中，劃分區域盡量是正方形，以發揮該套裝置最大效率。

圖3 真空度傳遞損耗曲線圖Fig.3 Vacuum transfer losscurve diagram

3）射流泵與水環式真空泵抽真空對比：從連續記錄的S4區內壓力讀數可以看出（見表1），1臺水環式真空泵抽真空效率要高于采用4臺射流泵抽真空效率，證明水環式真空泵的節能性。

表1 壓力表讀數具體數值表Table 1 Specific numerical table of pressure gauge

圖4 十字板剪切試驗結果Fig.4 Vane shear test results

4 加固效果對比及后續工作重點

4.1 加固效果對比

蛟龍重工真空預壓工程的監測、檢測單位為天津港灣工程質量檢測中心有限公司并出具相應檢測報告[4-5]。本次10-2區設置在10區范圍內，土體性質與10區最為接近，故本次加固效果與10區采用傳統真空預壓法進行對比。

1）十字板剪切試驗對比

加固前后現場十字板剪切試驗結果如圖4所示，可以看出各加固土層的抗剪強度均有所提高。10-2區主要加固土層十字板抗剪強度由加固前4.4~33.3 kPa增加到加固后28.9~40.2 kPa，增加幅度為121%~650%。主要加固土層十字板抗剪強度由加固前5.0~45.8 kPa增加到加固后24.5~54.6 kPa，增加幅度為120%~490%，加固效果與10-2區基本相同。

2） 土性變化對比

通過加固前后室內試驗結果可以看出，10-2區預壓加固后各加固區的土體孔隙比變小，含水率降低約10%~13%，而濕密度和抗剪強度均有所提高。10區含水率降低約16%~17%，與10-2區基本相同。

3）推算綜合固結度

10-2區平均總沉降量為1 474 mm，沉降盤按實測沉降曲線推算的固結度均不小于90%，且連續5 d各沉降盤實測沉降速率均不大于2.5 mm/d，滿足設計卸載要求。10區平均總沉降量為1 670 mm，大于10-2區平均總沉降量，主要原因是10-2區處于施工區域最北側，且其北側區域已完成真空預壓施工，地質條件與10區相比較好，但最終推算的綜合固結度與10-2區基本相同。

通過10-2區以及10區的各項數據對比，可以得出采用真空預壓泵體節能裝置區域與采用傳統射流泵區域的地基處理效果基本相同。

4.2 節能效果對比

10-2區于2014年4月7日完成密封膜鋪設并開始試抽真空，于2014年4月16日開始正式計時抽真空，2014年8月8日卸載，其中試抽真空9 d，正式計時抽真空115 d。本次節能效果主要對比抽真空期間產生的費用，具體指完成密封膜鋪設及抽真空設備安裝之后產生的費用。

1）采用傳統射流泵

按照設計要求1 000 m2布設1臺射流泵，10-2區約5 000 m2，需布設5臺，試抽真空期間，分3批次開啟，每批次只開啟1/3，當壓力達到設計要求的85 kPa后，開始正式計時抽真空，5臺射流泵全部開啟。所需費用主要包括射流泵設備費用、電纜線費用、電費、試驗區維護費用以及支架等零星費用。

2）采用真空預壓泵體節能設備

受到加工、調試、修理水環式真空泵等因素影響，10-2區在整個抽真空期間沒有完全連續使用真空預壓泵體節能裝置，所需費用主要包括水環泵設備費用、電纜線費用、電費、試驗區維護費用以及支架等零星費用。

3） 效能對比表

效能對比見表2，可以看出，與傳統射流泵抽真空相比，本次10-2區采用真空預壓泵體節能裝置節約成本4.98元/m2，降低深層抽真空期間成本約16%。施工中為了保證10-2區可以順利交地，在水環式真空泵進行加工、調試以及維修期間，均采用射流泵代替其進行抽真空，如整個抽真空過程均使用真空預壓泵體節能裝置，還有降低成本的空間。如后續可以大規模推廣使用真空預壓泵體節能裝置，在生產制造設備費用方面也有降低成本的空間。

表2 效能對比表Table2 Effectivenesscomparison table

4.3 改進、升級方向

1）節能化、自動化。由于射流泵抽水效率不高，可考慮采用潛水泵替換射流泵進行抽水；引入水位感應儀和自動控制系統等儀器，達到省電節能、降低人工成本的目的。

2）集成化、一體化。目前多家單位均在研究大型、零散類型的設備，從差異化角度，考慮將此套裝置向集成化、一體化方向發展。

5 結語

本次真空預壓泵體節能裝置在天津臨港地區的試驗研究基本達到預期效果。一方面，采用此套裝置進行抽真空的區域達到了設計要求，順利卸載交地；另外一方面，在經歷四代試驗模型后，對水氣分離原理有了更加深刻的認識，也為該套裝置后續改進、升級指引了方向。