真空預(yù)壓法在軟基處理中的研究及應(yīng)用

張艷芬，莫海軍

(1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院建工學(xué)院，廣東珠海519090;2.澳門龍昌建筑工程有限公司)

1952年，瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院杰爾曼教授(W.Kjellman)首次提出了真空預(yù)壓加固法，隨后美國、日本、蘇聯(lián)、法國等的探索和研究，在機理研究、設(shè)計理論、施工工藝等方面都得到了較大的發(fā)展。我國從20世紀(jì)80年代開始，對真空預(yù)壓加固軟土地基施工工藝和設(shè)計方法等方面也做了大量研究，并在工程應(yīng)用中得到很大的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于高速公路、港口、機場、堤壩邊坡等工程的地基處理中，加固效果明顯并取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益［1，2］。本文通過澳門國際機場二期工程南停機坪地基加固工程的實際應(yīng)用，對真空預(yù)壓法主要工法進(jìn)行了研究分析。

1 真空預(yù)壓法的原理

真空預(yù)壓加固軟土地基，是排水固結(jié)法的一種類型，其作用原理為地基在真空負(fù)壓作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙體積慢慢縮小，地基發(fā)生固結(jié)變形，同時，有效應(yīng)力逐漸提高，地基強度逐漸增長。真空預(yù)壓法由排水系統(tǒng)和抽真空裝置組成，排水系統(tǒng)由砂井或塑料排水板等豎向排水體組成，其目的是增加土層的排水途徑并縮短排水距離，減少軟土固結(jié)所需的時間;抽真空裝置由射流泵抽氣實現(xiàn):在需要加固的軟基表面覆蓋沙土并鋪設(shè)不透氣的薄膜，借助射流泵和埋設(shè)在砂墊層中的管道，將膜下土體間的空氣抽出形成真空，使土體排水而壓密［2］。

2 工程概況及地基處理方案選擇

澳門國際機場二期工程南停機坪地基處理面積為62 500 m2，主要為八至十年前的海灘回填區(qū)。經(jīng)現(xiàn)場鉆孔勘測，其地質(zhì)構(gòu)成大致為:第一層為人工吹填砂層，厚度5.5～8.0 m，為松散～中密細(xì)中砂層，上部覆蓋砂質(zhì)粘土夾碎石，SPT值(標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗)為7～26;第二層為海相沉積的淤泥，厚度7.5～13.5 m，軟塑飽和狀態(tài)，局部卵石層及砂的透鏡，厚度5.0～17.5 m，SPT值為2～5;第三層為粘土和砂質(zhì)粘土層，厚度6～16.5 m，硬～堅硬狀，SPT值為5～18;第四層為中砂和粘土質(zhì)砂層，中密，呈不連續(xù)分布，厚度3.0～12.0 m，SPT值為16～28;以下為花崗巖風(fēng)化殘積層，埋藏深度40～60 m不等。

設(shè)計要求預(yù)壓加固后土壤平均固結(jié)度不低于95%，設(shè)計荷載下沉降量的95%以上在地基處理施工中完成，根據(jù)沉降計算該場地土最終沉降量約2.5～3.0 m左右。

澳門地區(qū)填海區(qū)工程地基處理慣例采用堆載預(yù)壓法，但在本工程中，若采用堆載預(yù)壓，堆載高度至少5～8 m，將影響現(xiàn)有機場的飛行安全，并且工期較長。故改用塑料排水板+真空預(yù)壓法處理該工程地基，主要參數(shù)要求:膜下真空度不小于80 kPa，彎沉盆直徑不小于100 m，盆底彎沉降量不大于25 mm，預(yù)計抽真空工期60 d。

3 真空預(yù)壓地基處理施工工藝

工程地質(zhì)勘測顯示，本工程淤泥層上部覆蓋透水層，須設(shè)置止水帷幕將預(yù)壓處理區(qū)進(jìn)行分區(qū)處理;根據(jù)場地地形特點，預(yù)壓處理區(qū)劃分為三個區(qū)域，面積分別為15 995 m2、25 110 m2、21 606 m2，施工區(qū)域劃分見圖 1。

圖1 施工區(qū)域劃分及密封墻平面布置

為縮短工期，三個區(qū)域?qū)嵭辛魉鳂I(yè)，各個分區(qū)內(nèi)施工順序為:塑料排水板施工→密封體施工→抽真空預(yù)壓施工→施工監(jiān)測(貫穿始終)。各個施工過程在某一區(qū)域內(nèi)橫斷面布置如圖2。

3.1 塑料排水板施工

塑料排水板采用SPB－C型，按1.3 m間距布置，濾膜連接采用膠粘式，因工程場地軟土層上覆蓋砂層或卵石礫石層，須進(jìn)行引孔才能保證排水板順利施打。引孔直徑15 cm，深度6～8 m，并在引孔施工完成3 h內(nèi)完成塑料排水板施打。塑料排水板施打深度根據(jù)各區(qū)域地質(zhì)分層分布情況確定，控制埋深不超過25 m，以防穿透下部砂層透水漏氣，影響抽真空效果。

圖2 真空預(yù)壓橫斷面

3.2 密封體施工

3.2.1 密封墻

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，本工程場地分布有吹填砂土層、卵石及礫石層，臨海一側(cè)有8 m厚的拋石堤，塊石區(qū)孔隙率為40%，真空預(yù)壓施工之前需進(jìn)行密封處理，達(dá)到止水止氣效果。本工程采用靜壓注漿樁防滲帷幕法對透氣層進(jìn)行密封處理，這種方法是通過鉆孔向土中加壓注入一定水灰比的漿液，漿液在周圍土體中通過滲透、填充、壓密擴展，在注漿孔周圍形成方向各異、厚薄不一的片狀、條狀、團(tuán)塊狀漿脈，隨其凝結(jié)硬化，形成不規(guī)則的樁體，起到密封效果。本工程采用雙排靜壓注漿樁施工，兩排樁搭接形成密封墻:臨海一側(cè)為一排水泥漿樁(臨海)和一排泥漿樁，其余各側(cè)為雙排泥漿樁。靜壓注漿開孔直徑89 mm，成樁直徑2 m，樁距1.8 m，兩排樁排距0.5 m，形成深度8 m、厚度2.5 m的密封墻，平面布置見圖3。

圖3 靜壓注漿樁搭接示意

注漿孔鉆孔至淤泥層內(nèi)1 m，孔位誤差不超過2 cm。注漿管采用2#焊接銹化鋼管，塊石層深度范圍內(nèi)交叉或螺旋十字鉆Φ8通孔，管頭高出地面0.2 m作為注漿聯(lián)結(jié)接頭。注漿采用高壓注漿泵，注漿壓力0.2～0.6 MPa，直至達(dá)到終止注漿條件。注漿自下而上，先內(nèi)排再外排。泥漿液水灰比1∶0.4～1∶0.45，水泥漿液水灰比1∶0.05，另摻水玻璃作為速凝劑，含量為水泥重量的3%。

3.2.2 密封溝

密封墻頂部設(shè)置密封溝，溝深1.2 m，溝底寬度1.5 m，在開挖的密封墻體上灌注厚度0.2 m的新鮮泥漿，在密封膜鋪設(shè)完成后，回填1.0 m厚新鮮泥漿至地表。為保證密封效果，密封溝及密封墻滲透系數(shù)要求小于1×10－6。

3.3 抽真空預(yù)壓施工

3.3.1 排水通道

在真空負(fù)壓作用下，地基深層軟土孔隙水通過排水板集中至膜下砂墊層中，在砂墊層中埋設(shè)濾管，通過出膜裝置連接射流泵將水排至密封膜外。濾管采用UPVC管，每隔5～8 cm鉆Φ6的小孔制成花管，花管外纏繞尼龍繩再包一層無紡?fù)凉げ几敉痢V管垂直羽狀布置，支濾管直徑60 mm，布設(shè)間距6.5 m，主濾管直徑90 mm。為防止沉降造成濾管折斷，管間連接用鋼絲螺紋橡膠軟管套接，套接長度不小于10 cm并用鉛絲綁扎牢固，鉛絲接頭應(yīng)朝下埋入砂層以防刺破密封膜。濾管埋置于砂墊層內(nèi)，須預(yù)先在砂墊層開挖濾管溝，溝深約30 cm，濾管埋好后用中粗砂填平。

3.3.2 密封膜鋪設(shè)

密封膜采用二層聚乙烯薄膜，厚度0.12～0.14 mm，橫向抗拉強度大于16.5 MPa，斷裂伸長率大于220%，在條件允許的情況下可根據(jù)預(yù)壓區(qū)實際長度每邊各加5 m，由工廠熱合一次成型。由于澳門地區(qū)勞務(wù)限制，工程每預(yù)壓區(qū)分三塊密封膜布置，待三塊膜鋪好后進(jìn)行現(xiàn)場熱合或用膠水黏合密封，膜接頭長度不小于2 m。密封膜鋪設(shè)速度應(yīng)盡量快速，膜面應(yīng)平整無皺褶。

在密封溝外圍修筑0.5 m高止水圍堰，在抽真空過程中抽出的地下水排向加固區(qū)，形成30～40 cm的水膜并作為補充荷載，覆水深度要求水膜能將外露密封膜全部覆蓋。

3.3.3 抽真空施工

設(shè)計要求膜下真空度達(dá)到80 kPa柱，按800 m2面積安置一套抽真空裝置布置。真空泵水平放置于加固區(qū)上，進(jìn)水口和出膜口保持同一平面高度，提高真空泵功效。

密封系統(tǒng)及抽真空裝置施工完成后先進(jìn)行試抽，如發(fā)現(xiàn)異常須對密封膜全面檢查，及時修補薄膜破漏處。為防止真空預(yù)壓對加固區(qū)周圍土體造成瞬間破壞，須嚴(yán)格控制抽真空速率，可先開啟半數(shù)真空泵并逐漸增加，當(dāng)真空度達(dá)到55～60 kPa，經(jīng)檢查無漏氣現(xiàn)象后開始膜面蓄水并開足所有真空泵，將膜下真空度提高到大于85 kPa。當(dāng)連續(xù)10 d觀測的沉降速率小于2 mm/d，或按實測沉降曲線推算的固結(jié)度滿足要求時，可停止抽真空結(jié)束預(yù)壓。

4 施工監(jiān)測及試驗

為監(jiān)控施工質(zhì)量、評價加固效果以及控制卸載標(biāo)準(zhǔn)，真空預(yù)壓加固處理須進(jìn)行監(jiān)測，包括表層沉降監(jiān)測、邊界水平位移監(jiān)測、膜下真空度監(jiān)測、孔隙水壓監(jiān)測等。監(jiān)測觀測點布設(shè)須考慮如下原則:盡量布設(shè)在排水板間距的中心，尤其強度測試點應(yīng)避開排水板位置;各測點宜對稱布設(shè)并靠近各分區(qū)軸線;水平位移監(jiān)測一般布置在吹填砂土坡腳。

地表沉降監(jiān)測按每2 000 m2布置一個監(jiān)測點，采用水準(zhǔn)儀器測量，初期每天觀測一次，穩(wěn)壓滿15 d后可2～3 d觀測一次，如遇特殊情況應(yīng)隨時增加觀測密度。另外工程設(shè)置了4個分層沉降計以監(jiān)測預(yù)壓過程中不同深度處的沉降，在淤泥層每3 m深度記錄讀數(shù)。

地表水平位移監(jiān)測采用邊樁觀測，沿加固區(qū)邊界每50 m間距布設(shè)，用全站儀測量。初期每天觀測一次，滿一個月后每3 d觀測一次。另布設(shè)6個傾斜管，埋深23～28 m進(jìn)入堅硬土層，觀測抽真空過程中不同深度處的水平位移。

5 遇到的問題及處理

在抽真空施工過程中，加固區(qū)域Z2出現(xiàn)了一條長5.5 m、寬5 cm左右的不規(guī)則裂縫，根據(jù)工程經(jīng)驗，此類裂縫是膜下土體不均勻沉降造成的，主要原因為地質(zhì)結(jié)構(gòu)不均、塑料排水板施打深度不足或排水板質(zhì)量存在問題等。裂縫出現(xiàn)后，沿裂縫的長度方向鋪設(shè)了三層寬度為3 m的塑料膜，膜上修筑寬2.5 m、高2 m的沙袋圍埝，通過沙袋圍埝的重力加快裂縫處地基下沉，一周后檢查裂縫已自動愈合。

Z3區(qū)域抽真空過程中，真空度有下降趨勢，密封系統(tǒng)存在漏氣現(xiàn)象。全面檢查真空膜完整性，未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，初步推斷為密封溝壓膜出現(xiàn)質(zhì)量問題。經(jīng)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)臨海一側(cè)有一段密封溝壓膜土體明顯向內(nèi)側(cè)移，長度達(dá)15 m，溝底與密封墻頂出現(xiàn)水平裂縫。通過向裂縫內(nèi)注入新鮮泥漿封堵，真空度穩(wěn)定性明顯提高。

6 結(jié)束語

真空預(yù)壓排水法在澳門地區(qū)首次應(yīng)用，實施效果良好。在施工工藝及關(guān)鍵工序方面積累了一定的經(jīng)驗，并在施工過程中收集了地基土變形、強度增長及孔隙水壓力分布等方面的大量數(shù)據(jù)，為本地區(qū)后續(xù)的填海工程地基處理提供了有效的參考借鑒。真空預(yù)壓法作為一種快速有效、造價節(jié)省的軟基處理方法值得進(jìn)一步研究推廣。

［1］朱建才，溫曉貴，龔曉南.真空預(yù)壓加固軟基施工工藝及其改進(jìn)［J］.地基處理，2005，16(2):28 －32

［2］葉柏榮.綜述真空預(yù)壓法在我國的發(fā)展［J］.地基處理，2000，11(3):49－57