水氣分離抽真空技術(shù)在軟土地基處理施工優(yōu)化的研究

◎ 劉云雷 中交廣州航道局有限公司

1.工程概況

1.1 概述

某工程位于廈門(mén)市沿海地區(qū)為吹填造地后軟基處理工程。根據(jù)地勘資料顯示該施工區(qū)域系吹填造地陸域形成地塊，主要結(jié)構(gòu)層為吹填淤泥、淤泥、中砂及粉質(zhì)黏土。淤泥未完成自重固結(jié)，屬欠固結(jié)土，具有天然含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低的特性，屬高壓縮性、低強(qiáng)度軟弱土，工程性能差。為保證地基處理效果，采用水氣分離式真空預(yù)壓施工[1]進(jìn)行軟土地基處理。為確保本工程地基處理施工質(zhì)量和安全，在大面積施工前，選取具有代表性的區(qū)塊開(kāi)展典型試驗(yàn)施工，典型試驗(yàn)區(qū)面積為30320m2。通過(guò)本次典型施工達(dá)到目的如下：①確定水氣分離式抽真空工藝的可相關(guān)施工工藝參數(shù)、單泵處理的最佳面積及達(dá)到設(shè)計(jì)承載力要求的抽真空時(shí)間；②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際優(yōu)化施工參數(shù)，包括泥漿配合比、攪拌提升速率等，通過(guò)抽真空來(lái)驗(yàn)證密封墻的閉氣效果；③根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，驗(yàn)證泥漿攪拌墻施工工藝參數(shù)。

1.2 施工部署

工程依據(jù)從下到上的施工原則，依次完成各道施工工序，先在施工區(qū)進(jìn)行土工墊層（竹笆、編織布、土工格柵）鋪設(shè)，然后回填1.0m厚含泥量小于5%的中粗砂作為排水墊層，待回填完成后打設(shè)排水板同時(shí)開(kāi)始泥漿漿板墻施工，密封墻施工時(shí)采用不同的噴攪工藝進(jìn)行參數(shù)確定，然后依次埋設(shè)濾管、分層鋪設(shè)3層密封膜、安裝水氣分離設(shè)備等施工，設(shè)備安裝完成后開(kāi)始抽真空，最后結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地基沉降、土體固結(jié)度進(jìn)行分析。

2.真空預(yù)壓水氣分離施工工藝

在真空預(yù)壓實(shí)施過(guò)程中需用水氣分離裝置將土體中抽出的水氣混合物分離出來(lái)。抽真空設(shè)備啟動(dòng)后，在水氣分離罐內(nèi)形成真空壓力，真空壓力借助于埋設(shè)在砂墊層內(nèi)的濾管、塑料排水板向地基傳遞，使砂墊層內(nèi)和土體中垂直排水通道內(nèi)形成負(fù)壓，使土體與排水通道、墊層之間形成壓差，在此壓差作用下，將土體中的孔隙水不斷由排水通道排出，通過(guò)排水板、膜下濾管向水氣分離罐內(nèi)聚集，水、氣在罐體內(nèi)自動(dòng)分離，氣體通過(guò)罐體上端排氣口排出，水在罐內(nèi)借助液位感應(yīng)裝置將罐體內(nèi)的水通過(guò)潛水泵將水排到場(chǎng)地中，從而降低孔隙水壓力，增加土體有效應(yīng)力，加速孔隙水排出，使土體產(chǎn)生固結(jié)，強(qiáng)度提高，減少后期沉降，提高地基承載能力。

3.施工優(yōu)化過(guò)程

3.1 泥漿攪拌墻施工

施工設(shè)備采用SJB-II 型攪拌樁機(jī)，主電機(jī)功率55kW，油泵電機(jī)功率15kW，電磁調(diào)速電機(jī)功率18.5kW。攪拌墻采用雙排泥漿攪拌樁，單樁樁徑700mm，樁距500mm，搭接200mm。為了得到最佳的施工參數(shù)，在試驗(yàn)區(qū)北側(cè)攪拌墻分為五種不同的噴攪方式進(jìn)行典型區(qū)段施工，每區(qū)段長(zhǎng)度控制在30m，按照順序依次組織施工，這期間根據(jù)泥漿稠度，適當(dāng)摻入不同比例的膨潤(rùn)土，確保泥漿的比重≥1.35g/cm3。在每一小段完成施工5～7d后，按每1m樁長(zhǎng)為一個(gè)單元進(jìn)行鉆孔取芯，送到實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)樁體透水性，噴攪參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 泥漿攪拌墻施工參數(shù)

3.2 真空預(yù)壓

3.2.1 濾管安裝

濾管采用直徑φ63cm波紋濾管縱向布置，間距不大于6.0m，采用U型連接，管壁上每隔6cm鉆一圈直徑φ5mm花孔，外包一層濾布作為過(guò)濾層，主管采用φ63cm波紋管橫向布置，不做鉆孔及外包濾布處理，布置完成后埋入砂墊層，深度約25cm，出膜處采用四通PVC管和出膜口相連接，垂直伸出膜面約30cm。

3.2.2 埋設(shè)真空度采集測(cè)頭

在鋪設(shè)密封膜前需要在砂墊層中買(mǎi)入真空監(jiān)測(cè)所需的探頭，用以監(jiān)測(cè)抽真空施工產(chǎn)生的真空負(fù)壓。

1）設(shè)備裝置準(zhǔn)備：①工具準(zhǔn)備；②監(jiān)測(cè)探頭準(zhǔn)備；③監(jiān)測(cè)探頭保護(hù)裝置；④埋入式真空預(yù)壓真空度測(cè)量裝置；⑤監(jiān)測(cè)用數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)定時(shí)采集傳輸裝置。

2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)位：根據(jù)方案布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行定位。

3）埋設(shè)真空度采集測(cè)頭：埋設(shè)測(cè)頭時(shí)需注意埋設(shè)深度。為了降低環(huán)境等因素對(duì)監(jiān)測(cè)探頭精度的影響，結(jié)合工程施工中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)監(jiān)測(cè)探頭進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，利用PVC濾管形成一個(gè)容納空間，利用耐腐蝕的固定支架將真空檢測(cè)探頭固定在PVC濾管內(nèi)，濾管兩端用海綿封堵并用土工濾布包裹，以達(dá)到過(guò)濾土顆粒并阻隔土體（水份）中氯離子的目的，確保探頭不受周邊環(huán)境影響可以真實(shí)反映膜下真空度，有助于工程的過(guò)程質(zhì)量控制，并且有效延長(zhǎng)真空監(jiān)測(cè)探頭的使用周期。布置間距按50～70m網(wǎng)絡(luò)布置并埋設(shè)于兩濾管之間的砂層0.25m深處，離加固區(qū)邊界不小于5m。

3.2.3 鋪設(shè)密封膜

水平密封采用3層膜，依次分層展鋪，出膜口留有可收縮富余的密封膜，密封膜展鋪完成后將膜體周邊分層踩入密封墻內(nèi)，踩入深度不小于0.5m。具體如下：

1）先測(cè)定真空預(yù)壓區(qū)實(shí)際形狀、面積，根據(jù)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行定制，需注意的是密封膜的大小要考慮埋入密封墻的部分。

2）選擇無(wú)風(fēng)或風(fēng)力較小的時(shí)段鋪設(shè)密封膜（橫向密封）等密封裝置。

3）鋪設(shè)前應(yīng)清理場(chǎng)地內(nèi)的尖銳物，避免刺破密封膜影響密封效果。

3.2.4 安裝水氣分離設(shè)備

施工選用水氣分離式真空預(yù)壓系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)電機(jī)接口，單機(jī)功率分別為7.5kW和5.5KW，單臺(tái)控制面積按5000m2進(jìn)行布置。罐體進(jìn)水口和出膜口保持同一平面，以保證真空泵能發(fā)揮到最大功效。每臺(tái)水氣分離罐設(shè)置5個(gè)進(jìn)水管，在試抽真空期間，開(kāi)啟4個(gè)進(jìn)水管，預(yù)留一個(gè)備用。

3.2.5 真空預(yù)壓抽氣

設(shè)備和電纜安裝架設(shè)完成后，空載調(diào)試水氣分離設(shè)備，當(dāng)水氣分離罐上真空度達(dá)到96kPa以上，開(kāi)始試抽真空，在抽真空過(guò)程中，通過(guò)止水閥控制進(jìn)入罐體水量，直至膜下真空度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，即泵機(jī)功率與抽真空覆蓋面積匹配。

1）開(kāi)始階段必須嚴(yán)格控制抽真空速率，調(diào)低電接點(diǎn)真空表設(shè)定的上限值，避免真空預(yù)壓對(duì)加固區(qū)周?chē)馏w造成瞬間破壞或形成集中“土柱”效應(yīng)。

2）恒載時(shí)，重新調(diào)節(jié)電接點(diǎn)真空表設(shè)定的上下限值，確保膜下真空度必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3）建立巡查小組，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)真空預(yù)壓施工情況的監(jiān)控。通過(guò)膜下真空度等各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握抽真空作業(yè)施工情況，及時(shí)處理異常點(diǎn)。

異常情況處理：抽真空作業(yè)期間需注意現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)及施工巡查，當(dāng)罐體、膜下等各處真空度開(kāi)始變化后，通過(guò)真空表等監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)抽真空作業(yè)施工動(dòng)態(tài)，出現(xiàn)異常情況需及時(shí)處理，避免影響恒載計(jì)時(shí)，同時(shí)對(duì)施工區(qū)連續(xù)監(jiān)測(cè)并及時(shí)跟蹤記錄。監(jiān)測(cè)主要包括：膜下真空度監(jiān)測(cè)、地表沉降監(jiān)測(cè)、十字板剪切檢測(cè)和載荷板試驗(yàn)檢測(cè)。

卸載：卸載標(biāo)準(zhǔn)通常有滿(mǎn)載預(yù)壓累計(jì)時(shí)間、土體固結(jié)度、沉降速率、預(yù)測(cè)工后沉降等指標(biāo)，待恒載抽真空作業(yè)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求后，及時(shí)進(jìn)行卸載。

4.施工效果分析

4.1 泥漿攪拌墻施工參數(shù)分析

根據(jù)試驗(yàn)段泥漿攪拌墻取芯報(bào)告顯示，成樁完成7d后，樁體基本穩(wěn)定，泥漿攪拌樁滲透系數(shù)為0.698×10-6～0.592×10-5cm/s，符合設(shè)計(jì)要求（<1×10-5cm/s）。可見(jiàn)泥漿攪拌墻的密封性能良好。因此泥漿攪拌樁可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況采取四噴四攪的施工工藝，按照下攪速率1.5m/min、上攪速率1.0m/min控制組織施工，在土質(zhì)密實(shí)區(qū)域，按六噴六攪的工藝組織施工。在泥漿制作取泥區(qū)，根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告顯示泥漿摻入比達(dá)到70%，在確保泥漿比重大于1.35g/cm3的情況下，適當(dāng)了降低了膨潤(rùn)土摻入比例，未影響密封墻的滲透性能。

4.2 地表沉降觀測(cè)成果分析

B6117區(qū)共埋設(shè)20個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（編號(hào)B6117-C1～B6117-C20），B6118區(qū)共埋設(shè)13個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（編號(hào)B6118-C1～B6118-C13），現(xiàn)取代表點(diǎn)對(duì)地表沉降隨膜下真空度變化而產(chǎn)生的影響進(jìn)行對(duì)比分析。軟土地基在砂墊層及自重荷載下產(chǎn)生少量固結(jié)下沉，而后進(jìn)入真空預(yù)壓處理階段（沉降主要發(fā)生在本階段），各測(cè)點(diǎn)沉降速率在真空加載初期相對(duì)較大，沉降速率最大53.9mm/d，滿(mǎn)載后，沉降速率逐漸減小，在滿(mǎn)載預(yù)壓期間，隨著時(shí)間的推移，沉降速率越來(lái)越小，沉降曲線(xiàn)逐漸收斂，各面層沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降情況基本相似。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，截至2019年7月21日各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量為542.7～1457.1mm，最后5d平均沉降速率為0.22～2.08mm/d。2019年7月21日卸載后，各測(cè)點(diǎn)均有不同程度的回彈，回彈量為4.6～26.0mm。

4.3 十字板剪切試驗(yàn)檢測(cè)成果分析

為檢驗(yàn)該軟基處理區(qū)在真空預(yù)壓期間軟土層強(qiáng)度增長(zhǎng)情況，在同一位置，對(duì)真空預(yù)壓加固前、后的軟土層進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)[3]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)成果，該軟基處理區(qū)真空預(yù)壓后軟土層抗剪強(qiáng)度明顯增大，各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)總體上均有一定程度的提高，土體性質(zhì)改善較明顯。各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)成果詳見(jiàn)圖1。

圖1 B6117-S2十字板剪切成果前后對(duì)比圖

4.4 淺層平板載荷檢測(cè)成果分析

試驗(yàn)加荷方式采用分級(jí)維持荷載沉降相對(duì)穩(wěn)定法，加載反力裝置為壓重平臺(tái)反力裝置，加載級(jí)數(shù)為8級(jí)，承載板尺寸為1.5m×1.5m正方形板，反力采用13個(gè)預(yù)制砼塊，每個(gè)約重2.5t，連同鋼梁總重量不少于32.5t，所檢2個(gè)點(diǎn)，最大施加荷載均為120KN/m2,B6117區(qū)最大荷載下沉降量為5.09mm，B6118區(qū)最大荷載下沉降量為5.23mm，地基承載力特征值均為60kpa.P-S曲線(xiàn)詳見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 B6117PS曲線(xiàn)

圖3 B6118PS曲線(xiàn)

5.結(jié)論

（1）泥漿攪拌墻可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況及滲透系數(shù)采取四噴四攪的施工工藝，按照下攪速率1.5m/min、上攪速率1.0m/min控制組織施工，同時(shí)在確保泥漿比重大于1.35g/cm3的情況下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際決定膨潤(rùn)土摻入比例。

（2）水氣分離設(shè)備單臺(tái)控制面積為5000m2時(shí)，膜下真空度維持可在85～87kpa，同時(shí)地基承載力特征值為60kpa。

（3）真空預(yù)壓試抽階段建議從空載至滿(mǎn)載時(shí)間調(diào)整為5～10d。