軟土地基增壓式真空預壓快速固結法施工技術*

蘇培奇,郭軍強,張季超,張 巖,王亞輝

(1.廣東省基礎工程集團有限公司,廣東 廣州 510620; 2.廣州大學土木工程學院,廣東 廣州 510006)

0 引言

真空預壓技術在軟土處理中得到廣泛應用,但其使用過程中也存在一些問題,包括施工過程中抽真空一段時間后排水幾乎失效、砂墊層成本高等。真空預壓工藝采用砂墊層作為水平排水通道和袋裝砂井或排水帶作為豎向排水通道、分散式射流真空泵作為抽真空設備,該工藝已不滿足目前節(jié)能、環(huán)保和高效的要求。基于此,研究了一種軟土地基增壓式真空預壓快速固結法施工技術。

1 軟土地基快速固結法的技術原理

軟土地基快速固結法是在綜合了現(xiàn)有的增壓式真空預壓技術、直排式真空預壓和水氣分離技術等基礎上形成的一項組合技術[1-6]。

1.1 反復增壓提高滲透系數

傳統(tǒng)式真空預壓、直排式真空預壓在排水固結過程中,由于土體顆粒還是存在明顯的散體結構,細小顆粒隨滲流的水堆積在排水通道附近,形成“土柱”,這些土柱滲透系數更小,導致排水效果明顯下降,宏觀表現(xiàn)為即使不斷地抽真空,通過排水板的排水量也必然減少。為了更好地解決這個問題,出現(xiàn)了增壓式真空預壓技術,滲透系數很小的淤泥層通過反復多次增壓處理,破壞土柱和已部分固結的淤泥層部分結構形成較好的排水通道。

在真空預壓過程中出現(xiàn)排水量明顯下降后,使用注氣增壓工藝,利用氣壓差(1～4個大氣壓)影響從地面至增壓管(增壓管長約5 m)底部以下2～3 m內的軟土,形成由增壓管至排水板的連通性良好的空間網狀排水通道,極大地增大了該范圍土層的固結系數,達到快速固結的目的。

施工過程中根據實際情況主動附加的增壓式處理軟土,可以使固結系數增加10倍以上,這是軟土快速排水固結模型的重要計算參數,也是對該技術化繁為簡的整體表現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)減阻確保節(jié)能增效

選用沿途阻力系數較小的真空配套管道、水氣分離設備和集中抽真空等減阻節(jié)能增效措施[7],可以助推軟土快速固結。

1)采用φ25PVC螺旋鋼絲軟管支管和φ50PVC螺旋鋼絲主管取代傳統(tǒng)工藝的砂墊層及濾管,主支管均設于膜下,具有一定的柔度和剛度,1個大氣壓作用下變形較小,另外其柔度可以適應平整度不好的場地,方便施工,其沿程損失大幅減少,確保遠端也能達到80 kPa以上的真空度。

2)采用的防淤堵排水板為整體式排水板,由于采用剛度較大、不易彎折的材料且光潔度較高,其沿程損失相比于袋裝砂井也較小,約為2 kPa。

3)采用集中式抽真空取代分散式的射流真空泵,其中經過水氣分離罐分離后的空氣通過φ75PVC抽真空主管(該管基本是傳送空氣的,水氣分離之后,水就近落在水氣分離罐下面),水氣分離罐與水環(huán)式真空泵相連,通過膜上棧橋式連接,采用彎道少、直徑稍大、內表面光潔度較高的材料可以大幅降低真空度的損失(見圖1)。

圖1 集中抽真空示意Fig.1 Centralized vacuum schematic

1.3 合理選材增強密封性能

通過合理選用土工布、密封膜和壓膜溝及特殊部位的施工控制措施,提高真空預壓體系的密封性能,這些措施為快速固結提供可靠保障。

1)土工布、密封膜的合理選用

排水板插入完成后,地表存在以下障礙物:①針刺狀硬物、樹根、尖銳石塊等;②局部曲面較大的土塊、凹陷地段;③PVC鋼絲軟管難免發(fā)生交叉出現(xiàn)局部堆疊的現(xiàn)象,形成一個較小的高差。如果按一般的平整度標準,采用砂墊層調平,按現(xiàn)行規(guī)范要求,傳統(tǒng)工藝砂墊層上鋪3層密封膜(上層膜易受環(huán)境影響,中層膜最安全、作用最大,下層膜易刺破),但會耗費大量的人力。

由于本工藝立足快速固結的目標,真空作業(yè)約2個月,可以省掉砂墊層,根據現(xiàn)場特點,密封膜有一定的適應變形能力。采用較厚實的編織土工布與短纖針刺土工布,外加2層聚氯乙烯密封膜,可以適用于局部高差不大于25 cm的施工現(xiàn)場;整幅密封膜可以加快施工進度,減少接口。

當膜下的真空壓力穩(wěn)定在80 kPa以上后,再往膜表面進行覆水,可以起到密封、加載、膜保護和方便快速發(fā)現(xiàn)膜細微漏氣點的作用。

2)壓膜溝及特殊部位施工控制

壓膜溝為待處理范圍外一定范圍內開挖的溝槽,槽底深入不透氣層≥0.5 m,并把組合式密封膜延伸至坑外,之后覆水處理(見圖2)。

圖2 密封溝處理細節(jié)Fig.2 Details of seal ditch treatment

把接頭、管道等盡量藏在密封膜下,減少出膜接頭數量,主要利用水氣分離罐下部作為真空主管的集中連接部位,水氣分離罐與膜下真空管關系如圖3所示,此步驟為特殊部位控制的關鍵。

圖3 水氣分離罐與管線關系Fig.3 Relationship between water and gas separation tank and pipeline

其他裝置包括膜下真空度監(jiān)測儀、地下水監(jiān)測等有關儀器設備,采用出膜裝置,減少對密封膜開孔的影響,出膜裝置主要采用法蘭連接。

2 工程應用

2.1 工程概況

以汕尾高新區(qū)紅草園區(qū)配套基礎設施文體中心項目為例,該項目軟基處理面積為27 109 m2。巖土分布情況:①素填土 以黏性土、砂土為主,含少量碎石等,局部填石塊徑較大,堆填時間約3年,欠壓實,層厚1.80～7.30 m。②淤泥 灰黑色,流塑,具高壓縮性,以黏粒、粉粒為主,海積成因,層厚2.70～10.20 m,本項目相關土層力學性能指標如表1所示。

表1 壓縮層巖土力學參數Table 1 Geotechnical mechanical parameters of compression layer

工程要求十字板強度平均值>25 kPa,地基承載力特征值≥80 kPa,20年工后沉降<200 mm。

2.2 施工工藝流程

場地塑料排水板點位整體呈正方形布置,其間距為0.8 m,打設深度為12 m,增壓管以2.4 m間距正方形布置在相鄰塑料排水板旁邊,插打埋深4 m。增壓式真空預壓施工工藝流程如圖4所示。

2.3 主要操作要點

1)整體式塑料排水板打設

塑料排水板打設與傳統(tǒng)工藝類似,主要考慮本工程場地有1層含石塊的填土,需要局部先引孔作業(yè),然后再正常打設整體式排水板。

2)增壓管埋設

增壓管(板帶)以2.4 m間距正方形布置在相鄰排水板旁邊,增壓管長5 m,埋深1 m,即增壓管打設深度為4 m,增壓管與增壓系統(tǒng)直接連接均通過水氣分流罐相連至膜下。經過引孔后,該工藝采用人工方式插入。

3)基槽開挖

壓膜深度應進入不透水層至少50 cm,壓膜溝開挖根據現(xiàn)場實際情況而定,開挖過程中注意軟土溝槽的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測。

水氣分離罐的溝槽開挖與設計罐體的大小有關,主要考慮該部位土體回填要做好夯實,避免罐體運轉后振動過大影響連接管的氣密性。

4)鋪設真空管

排水板施工結束后,用四通手型接頭將2根排水板連接在一起,依次將所有排水板連接好,然后用φ25 PVC鋼絲軟管按照設計圖紙將四通手型接頭連接在一起作為真空支管,每條真空支管通過專用小四通匯集到真空主管,真空主管在適當位置設置φ50的正三通分別與相應的真空射流泵連接,最終組成真空系統(tǒng)(主管采用φ50 PVC鋼絲軟管,支管采用φ25 PVC鋼絲軟管)。

根據現(xiàn)場場地情況布設水氣分離裝置,每只水氣分離裝置控制面積約6 000 m2。在布設水氣分離裝置的同時埋設膜下監(jiān)測測頭,真空測頭布設在真空支管內,按場地形狀均勻布置,約5 000 m2布置1個點。

增壓式真空預壓處理的各區(qū)主管布設間距不宜大于25 m,真空主管通過水氣分離罐與機械真空泵連接,出膜位置連接必須牢固,密封可靠安全,連接好后,開啟真空泵測試連接部位是否有漏氣現(xiàn)象。

5)鋪設土工布、密封膜

施打排水板前,盡量把針刺狀硬物、樹根、尖銳石塊等易刺破密封膜的雜物清理掉,然后對場地進行整平,要求場地小范圍局部高差控制在25 cm以內,能提供一個平滑的過渡曲面,最大限度地防止密封膜的突變、刺破或過度拉伸破壞。

先鋪設1層編織土工布和1層無紡土工布(鋪設方法同編織布),再鋪設密封膜,密封膜采用2層聚氯乙烯薄膜。密封膜單層厚度為0.12～0.16 mm,共鋪設2層,采用聚乙烯或聚氯乙烯薄膜,分單層壓入壓膜溝溝底50 cm以上。密封膜要求在工廠一次熱合成型,施工采用多人快速施工。

在加工密封膜時,膜的大小應考慮埋入壓膜溝部分,并根據實際情況預留足夠的地基不均勻沉降變形富余量,防止密封膜拉裂。鋪膜過程中,隨鋪隨用砂袋進行壓膜,防止起風將鋪好的膜卷走或撕裂,在鋪膜完成的同時安裝少量的抽真空泵將膜吸住。壓膜深度應進入不透水層至少50 cm,壓膜溝開挖寬2 m,深度按實際情況考慮,超過一定深度按深基坑要求實施,后用黏土填壓或覆水密封。

6)集中式抽真空

采用水環(huán)式真空泵機組,每套機組包含2臺水環(huán)式真空泵,一開一備用,單機功率55 kW,單機抽真空壓力不小于95 kPa。開始抽真空時應控制抽真空速率,可預先開啟約半數的水氣分離罐,然后逐步增加水氣分離罐的工作臺數,檢查有無漏氣現(xiàn)象,并進行修補工作。

本工程有一定厚度的填土,對抽真空的瞬時破壞有限制作用,但為了安全起見,采用緩慢升高真空度的加載方式(期間順便檢查抽真空系統(tǒng)的氣密性),使真空度緩慢上升,直至80 kPa。

恒壓抽真空階段,連接排水閥的自動止回閥會始終處于關閉狀態(tài),水氣分離罐里面的真空度就會比較高,借助集水口把真空度傳入真空管系統(tǒng)里面。在排出土體中的水和氣體的時候,可以使用排水板將其從真空系統(tǒng)集中到水氣分離罐里面,最終將其全部排出。

抽真空過程中,應隨時觀測記錄真空泵及管內的真空度,如出現(xiàn)真空度降低的情況,要及時查明原因,并進行處理。

7)間歇式增壓作業(yè)

抽真空至80 kPa以上,連續(xù)抽真空至出水量明顯減少或周平均沉降量減小至60 mm,開始降水增壓施工。

降水增壓采用間歇式,施工時氣壓控制在1～4個大氣壓(具體根據場地實際情況進行調整,可以分兩個步驟進行,首先連通大氣,如果排水正常可以不用開啟空壓機增壓,氣壓隨著排水量減少而加大,過程做好數據分析,以此反饋真空預壓的設計與施工),待真空度減小10 kPa時停止增壓,再次維持抽真空至80 kPa以上至出水量減少時,再次增壓施工。一般24 h增壓施工1次,每次2 h,增壓施工往復循環(huán)15次左右,周平均沉降量降至35 mm以下可以停止增壓施工。

8)卸載

通過監(jiān)測結果,達到設計卸載要求可停泵卸載,真空預壓卸載標準:按實測沉降曲線計算的固結度≥90%;連續(xù)5天地表實測沉降速率<2 mm/d。

3 軟基處理監(jiān)測

本工程由于軟土層厚度不一,各觀測點數據存在一定程度的離散,但也反過來證明其處理效果與淤泥層厚度關聯(lián)度高,最終處理結果均能達到設計要求。

3.1 施工過程主要監(jiān)測成果

1)插板至鋪膜期間沉降量為0.1～0.18 m,抽真空與增壓式聯(lián)合抽真空期間,觀測的沉降在0.44～1.069 m,各孔總的地表沉降在0.605～1.169 m。

2)水位沉降各孔累積沉降幅度在2.469～4.649 m。

3.2 完工后檢測成果

在完工后10天,對增壓式真空預壓處理效果進行平板荷載和十字板剪切試驗,指標達到設計要求(見表2,3)。

表2 平板荷載試驗結果Table 2 Results of plate load test

表3 十字板剪切試驗結果Table 3 Results of vane shear test

4 效益分析

4.1 經濟效益

相對于傳統(tǒng)式真空預壓,增壓式真空預壓快速固結技術所涉及的工藝具有一定的直接經濟效益,以本項目為例進行經濟效益分析[8],如表4所示。

表4 技術經濟效益分析Table 4 Technical and economic benefits analysis

從表4可知,增壓式真空預壓快速固結技術相對于傳統(tǒng)式真空預壓技術在節(jié)省了2個月工期的基礎上,節(jié)約了140.7萬元總費用,經濟效益良好。

4.2 社會效益

經過增壓式真空預壓快速固結處理,可以快速插入樁基礎施工,保證樁的摩阻力有效提高及基本消除欠固結軟土的負摩阻力,從工期、造價和提高工程可靠性方面考慮,該技術有明顯優(yōu)勢,具有良好的社會效益。

5 結語

1)增壓式真空預壓快速固結技術經過國內專家學者的多角度探索,相關技術有了一定的發(fā)展,配套工藝、設備和材料可為該技術提供有力保證。

2)本工程實例嚴格按照快速固結法的內在規(guī)律進行施工,總體施工工期縮短2個月。

3)對比傳統(tǒng)真空預壓工藝的高能耗、高成本和施工質量難以控制等缺點,真空預壓快速固結法對增壓范圍的軟土有主動控制的能力,結合節(jié)能增效及可靠的密封措施,使該工藝在大面積較厚軟土的處理中有較好的推廣應用前景。