無砂法真空預壓關鍵技術簡析

劉祥玉，桂建達

（中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300461））

引 言

海砂、河砂資源過渡開采造成自然資源的破壞，同時也帶來了嚴重的污染，隨著國家對環境保護力度的加大，全國各地相繼出臺了對自然砂源的限制和保護措施，工程建設中砂源供應不足現象日漸突出。傳統真空預壓作為軟土地基處理有效手段沿海工程建設中得到廣泛應用，但隨著砂源供應減少，傳統砂真空預壓工藝法受到很大限制。無砂法真空預壓工藝已經取代傳統真空預壓的趨勢越來越明顯。本文以天津臨港經濟區某地基處理工程為例，對無砂法真空預壓工藝關鍵技術問題進行深入的分析研究。

1 項目概況

本工程位于天津臨港經濟區，渤海23路以東，津晉高速東沿線以南，地基處理面積約66.0萬m2，主要處理吹填造陸淤泥及原地基上部含水率較高，強度較低淤泥及淤泥質粘土等。

在地基處理場地直接鋪設鋼絲軟管作為水平排水通道，分為直徑50 mm主管和直徑25 mm支管。采用塑料排水板作為垂直排水通道，排水板按正方形布置，間距 0.8 m，排水板打設底高程約為-13.5 m，每兩排水板板頭與相鄰鋼絲軟管采用雙向手型接頭連接。

采用一層150 g/m2編織布+三層聚乙烯或聚氯乙烯薄膜，密封膜要求在工廠熱合一次成型。

一期區域在滿足交地標準前提下有效滿載預壓時間不少于120天。

圖1 真空預壓斷面

2 關鍵技術

2.1 計算方法

1）土體強度增長計算

本工程為場地為在原海床面吹填形成，表層為近期吹填土，下部為原海床淤泥及淤泥質土，上述土層含水量高，土體強度低，為高壓縮性土層。真空預壓處理可提高有效軟土地基土體強度。

依據土體強度增長計算理論，同時，根據《水運工程地基設計規范》規定，地基土強度增量的標準值可按下式計算：

式中：Cuk為地基或土層強度增量的標準值（kPa）；Urz為地基或土層的平均固結度；σzk為地基或土層的附加應力平均值標準值（kPa）；φcq為地基或土層的固結快剪內摩擦角標準值（kPa）。

表1 土體固結度及強度增長計算結果

2）地基沉降計算

真空預壓加固后可有效消除場地內欠固結土層沉降，按規范計算結果如表2。

表2 地基沉降計算結果

地基處理后預估沉降量為 1.9 m，現狀場地平均高程約為 3.5 m，處理后預估場地平均高程為1.6 m。

2.2 設計要點

1）排水通道

無砂法真空預壓取消了砂墊層，通過管件直接連接到塑料排水板，但同時膜下真空壓力也直接作用到了排水濾管上，排水板與濾管的連接成為影響真空度傳遞的重要因素，同時，在真空壓力的直接作用下對濾管環剛度要求也就更高。

針對上述問題，設計采用雙向手型接頭將濾管與排水板連接，并用濾布包裹。同時將傳統濾管改為了鋼絲軟管，根據前期淺層真空預處理的試用結果，并經過多次對比研究分析，最終確定鋼絲軟管的技術指標。

表3 25 mm鋼絲軟管指標

表4 50 mm鋼絲軟管指標

豎向排水通道是深層土體在真空預壓過程中孔隙水向外排出的最重要通道，豎向排水通道的優劣直接影響到整個真空預壓處理效果，本次設計采用B型塑料排水板，但同時要求縱向通水量不低于40 cm3/s。

2）密封系統設計

與傳統真空預壓工藝相比，在密封膜下增設了一層編織布，主要是保護上部密封膜。因為沒有砂墊層，排水板打設后容易出現未閉合的樁孔，在真空壓力作用下，僅靠密封膜自身強度容易出現爆膜現象，同時也防止膜下管件在真空壓力下刺破密封膜。

3）抽真空系統設計

本次設計采用了水氣分離式真空預壓設備。新型抽真空設備主要由水氣分離裝置、真空泵站、自動控制裝置等組成的有機組合體。

真空泵站啟動后，在水氣分離罐內形成真空壓力，真空壓力通過膜下管路、塑料排水板向地基傳遞，地基中的水、氣在負壓作用下，通過排水板、膜下濾管向水氣分離罐內富集。水、氣在水氣分離罐內自動分離，氣體通過真空泵站排出，水在罐內達到一定高度后，水氣分離罐內排水裝置自動開啟，將水排到罐外。根據現場實際效果，每個泵站的有效抽真空面積宜控制在5 000 m2左右。

圖2 水氣分離式真空預壓新設備布設工藝斷面

2.3 施工關鍵技術

1）打設塑料排水板

無砂法真空預壓，因為露出塑料排水需直接連接到濾管（水平向排水通道），要求排水板兩端必須剪頭并密封以防淤泥堵塞，以保證板頭干凈無堵塞，必要時要用水清洗。同時要控制好塑料排水板與濾管連接尺度，既保證連接長度滿足要求，又不宜過長，以免形成凹凸點對密封膜造成不利影響。其次打設塑料排水板時要保證間距，必須打設到底，嚴禁有扭結斷裂、撕破濾膜等現象。

2）管路連接

無砂法真空預壓，水平排水通道與豎向排水通道的管路連接采用了雙向手型接頭并用濾布包裹，同時應保證排水板濾膜的完整。同時應將連接部位固定，避免出現尖銳凸起位置，抽真空過程中對密封膜造成破壞。

3）土工布及密封膜鋪設

連接好排水管路后應及時鋪設編織布及密封膜，避免排水板及連接管件濾膜風化、脫落。在鋪設密封膜前應清理場地雜物，尤其是尖銳、塊狀物體，如有管路連接件存在尖銳凸起現象，應通過加鋪土工布、適當埋設等措施進行現場處理。

4）抽真空

真空設備與出膜裝置連接完成后開始抽真空。抽真空應分兩個階段進行，試抽氣階段應嚴格按照設計分級加載要求控真空壓力。同時在正式抽真空期間應對場地進行定期巡視，嚴格巡檢密封系統質量。因為膜下無砂墊層緩沖，膜下可能附著繁殖的海蠣子對密封膜的破壞更加明顯。

3 加固檢測效果分析

3.1 沉降監測

經加固期間現場沉降監測并結合前期不同階段沉降量監測數據匯總，本工程1～6區沉降量與理論計算值接近，7～14沉降量與理論計算值相比偏小。該結果與現場實際地質條件相吻合。

表5 沉降量統計

3.2 孔隙水壓力監測

圖3 各區孔隙水壓力消散情況

根據加固期間現場孔隙水壓力監測數據分析，各區孔壓消散變化曲線基本符合正常規律，個別空壓反彈情況均由現場停泵檢修等現場施工控制引起。孔壓消散變化曲線詳見圖3。

3.3 加固后十字板檢測

加固前后進行了現場十字板檢測，經過真空預壓地基處理后，處理深度內土體強度有了非常明顯的改善，詳見表6。

表6 真空預壓加固前后現場十字板檢測對比

4 與傳統真空預壓對比分析

1）加固荷載對比

與傳統工藝相比，無砂法真空預壓少了上部工作墊層（粉細砂）和中粗砂墊層。因此，所受荷載有所不同，除85 kPa真空負壓外，減少了上部砂墊層荷載。

2）處理工藝對比

以本工程為例，無砂法真空預壓水平向排水通道采用了鋼絲軟管和手型接頭，真空度通過管件連接由抽真空設備直接傳遞到了排水板，傳統的膜下真空度概念有所變化，檢測過程中將壓力表置于排水板下，真空壓力的有效利用率更高。

3）設計要點對比

本次設計通過固結度及沉降計算確定了排水板間距為0.8 m，抽真空時間120天，與傳統方案確定原則基本相同；由于采用了鋼絲軟管與排水板直接連接，鋼絲軟管間距為1.6 m，較之傳統方案更密。

4）施工技術要點對比

與傳統工藝相比，無砂法真空預壓增加了管路連接施工環節，對于板頭及連接部位的保護也要求更高，需要現場加強控制；因為沒有了砂墊層作為緩沖，水平向排水通道管件直接置于密封膜之下，為避免排水板樁孔或膜下硬物對密封膜的破壞，需要嚴格場地排查；與傳統工藝檢測砂墊層中真空度有所不同，無砂法工藝檢測的是排水板板下真空壓力。

5）加固效果對比

根據現場監測數據，真空預壓期間沉降量及孔隙水壓力消散趨勢及規律與傳統工藝基本相同，且與理論計算沉降數值接近。

5 結 語

通過天津臨港經濟區某軟基處理工程設計，為無砂法真空預壓工藝在設計要點、參數確定、施工技術要點等方面積累了大量實際經驗，為在天然砂源無法保障的地區推廣無砂法真空預壓處理工藝工程積累了可靠經驗，也為后續類似工程提供借鑒。