真空堆載聯合預壓在浙江舟山武港碼頭工程的應用

蔡 弘 雷麒麟

（武鋼建工集團 湖北 武漢：430080）

近年來，為了適應經濟和社會的飛速發展，各地興建了很多港口、高速公路以及物流堆場。這些工程（特別是在沿江、沿海地區）經常遇到的主要問題是如何有效的處理軟土地基。軟土地基的特點是含水率很高，孔隙比大，壓縮性高，強度低，透水性差。堆載預壓法地基固結速度慢，復合地基法（深層攪拌樁、粉噴樁、CFG樁等）造價高，質量不易控制。真空堆載聯合預壓法作為排水固結法的一種，技術可靠、經濟合理、工期較短，在眾多地基處理技術中已經凸顯出其明顯的優點，受到廣大工程技術人員的青睞。本文結合浙江舟山武港碼頭工程地基處理的工程實踐，對真空聯合堆載預壓在港口碼頭軟基處理中的應用進行了介紹。

1 工程概述

浙江舟山武港場地主要工程建設項目包括礦石堆場和輔建區。現場近礦石堆場區域和輔建區設計都為真空堆載聯合預壓，共分為6個區域，礦石堆場區域分為真空堆載聯合預壓1、2、3、4區，在真空預壓的基礎上堆載高度為8.5m（153kPa）土石方，預壓時間為180天，輔建區分為真空回填預壓區域1區、2區，為真空預壓的基礎上堆載高度為3m（45kPa）土石方，預壓時間為100天。

2 加固機理

2.1 堆載預壓的加固機理

堆載預壓法以土料、塊石等作為荷載，對被加固的軟土地基進行預壓。為了縮短加固時間，加快固結過程，在地基中打設一定深度的塑料排水板，軟基在堆載荷載作用下，產生正的超靜水壓力。經過一段時間，超靜水壓力逐漸消散，土中有效應力不斷增長，地基得以固結，產生垂直變形，同時強度也得到提高。

2.2 真空預壓的加固機理

用真空預壓加固軟土地基時，在需要加固的地基上先鋪設砂墊層，然后打設塑料排水板，通過安裝抽真空設備和密封膜在加固土體中形成一個負超靜水壓力，使土體中的孔隙水從排水通道不斷排出，土中孔隙水壓力逐漸減小，有效應力逐漸增加，地基逐漸固結。

堆載預壓與真空堆載兩者都屬于排水固結法，真空堆載聯合預壓是真空預壓和堆載預壓的結合，是先在軟基打設塑料排水板或袋裝砂井作為豎向排水體，并在軟基上鋪設砂墊層作為水平向排水體，通過真空壓力（負壓）和堆載（正壓），使土體中的孔隙水壓力產生不平衡水壓力，孔隙水在這種不平衡力的作用下通過豎向排水體逐漸排出，從而使土體產生固結變形。

真空堆載聯合預壓在真空預壓的基礎上增大總應力，增加軟土中的孔隙水壓力，從而加大軟土與塑料排水板的孔隙水壓力差，既增加了加固深度，又減少了工后沉降，提高了排水固結的速度。

3 真空堆載預壓施工工藝

（1）排除加固區內積水，在泥面鋪設兩層土工格柵和一層土工布。輕型設備分層鋪設山皮土至標高＋1.0m且厚度不小于1m。山皮土中碎石含量不大于50%，最大粒徑不大于8cm，確保排水板順利可以穿過該土層。鋪設排水砂墊層500mm，且頂面標高不小于＋1.5m，允許施工偏差＋50mm；并測量砂墊層頂面標高；

（2）打設塑料排水板。排水板正方形布置，間距1.2m。埋設監測儀器，鋪設濾管；安裝射流泵，挖密封溝和鋪密封膜并探摸壓膜溝所在位置下部是否存在透氣土層，并根據情況采取必要的密封措施。密封溝要挖至不透氣（水）土層頂面以下500mm，最淺不小于1500mm，鋪密封膜后用粘土回填密封溝。開挖密封溝時，溝內排水板不剪斷，應沿溝邊向上插入到砂墊層中至少200mm長；

（3）設置地面沉降標，測量真空預壓前的砂墊層頂面標高，連接抽真空設備，試抽氣、檢查、正式抽氣。試抽氣時真空泵分批開啟，每批開啟1／3，間隔3－5天，穩定后全部開啟真空泵；

（4）聯合堆載。真空預壓真空度達到80kPa穩定后10天可進行聯合堆載施工。回填土和堆載次序如下：前5－10天首先在膜上鋪設一層土工布，鋪設40cm厚砂，然后小型設備堆載60cm，然后可用輕型機械分層施加剩余堆載料，分層厚度不大于0.5m，在填筑過程中壓實，達到設計高度要求后停止加載（見圖1）；

圖1 真空堆載聯合預壓加載計劃圖

（5）卸載和效果檢驗。真空堆載聯合預壓停泵卸載的標準：①實測地面沉降速率連續5天平均沉降量不大于2.0mm／d；②按實測沉降曲線推算的固結度達到90%，停止抽氣，卸載，進行滿夯處理，然后進行加固后的效果。真空回填預壓區域（見圖2）停泵卸載的標準：①實測地面沉降速率連續5d平均沉降量不大于2.0mm／d；②按實測沉降曲線推算的固結度達到85%，停泵卸，然后進行加固后的效果。

圖2 真空回填預壓加載計劃圖

4 監測和檢測結果分析

4.1 地表沉降

通過對場地內六個區布設的共98個地表沉降監測點的監測數據數據分析表明：沉降量大小主要與軟土層淤泥質粘土厚度有關。淤泥質粘土厚度為3m－22m不等變化幅度大，軟基監測期間場地的最大沉降量為1.54m，位于真空堆載聯合預壓2區；地基的沉降速率逐漸減小，地基處在收斂中。在真空預壓未外加荷載時，沉降速率大，日均沉降量最大達5.4cm／d，位于真空堆載聯合預壓3區，其他區域也表層沉降標沉降速率平均為3.9cm／d。根據孔隙水壓力和加載計劃圖加載后，每一級堆載都伴隨著沉降加速，達到5mm／d～1.9mm／d，加載完成沉降速率逐漸變緩，沉降量為1mm／d～7mm／d，而且沉降與上部荷載有關，真空堆載聯合預壓1、2、3、4區沉降量明顯大于真空回填預壓1、2區；根據變形監測設計卸載標準（連續5天平均每天沉降量不大于2mm），同時根據實測沉降曲線推算的固結度：真空回填預壓1、2區大于85%，真空堆載聯合預壓1、2、3、4區大于90%，因此可判定場地基土變形已經進入相對穩定階段，達到卸載要求。卸載時的具體統計數據見表1。

利用表面沉降推算固結度，首先需要推算最終表面沉降量。目前最終表面沉降量可以通過實測表面沉降曲線的推算來確定，采用了雙曲線計算方法推算最終表面沉降量，實測表面沉降曲線可以用雙曲線函數近似代替，所以可以利用雙曲線方程計算最終表面沉降量，雙曲線計算方法公式如下：

表1 場地地表沉降統計表

式中：S∞為地表最終沉降量（mm）；S1、S2、S3為實測沉降曲線上等同時間隔時間下的實測沉降量（mm）；

然后利用表面沉降對固結度進行推算，利用表面沉降量推算固結度是地基表面某點實測沉降量與最終沉降量的比值，就是該時刻土體的固結度，固結度計算公式如下：

式中：St為t時間的沉降量（mm）；S∞為利用雙曲線法推算的地表最終沉降量（mm）；Ut為用實測沉降量表示的對應t時刻的固結度（%）。

以真空堆載聯合預壓2區B2－11監測點為例，B2－11監測點S1、S2、S3依次選取t1、t2、t3取4月18日、5月8日、5月28日的沉降量為St1為1.332m、St2為1.446m、St3為1.511m則：

4.2 地基土分層沉降

通過分層沉降的觀測，可以了解地基不同層位的分層沉降量（見表2）。根據分層沉降變化規律，進一步分析深層土的加固效果和加固影響。深度場地6個區共6個分層，每層3m的沉降監測孔的監測數據表明：由于地基土層的差別而使各監測點沉降不盡相同，總的規律是淺部沉降量大，深部沉降量小，符合土體深層沉降規律。而且對比真空回填預壓1、2區A1F、A2F與真空堆載聯合預壓1、2、3、4區B1F、B2F、B3F（破壞）、B4F分層表層各深度累計沉降與上部荷載、淤泥質粘土厚度有很大關系、上部荷載越大，下部土層處理的越好。

表2 分層表層各深度累計沉降統計結果

4.3 地表水平位移

地表水平位移共設8組邊樁，每組4個。其最終水平位移在－98mm～－17mm之間，整體規律為：在抽真空的過程中，地表水平位移向堆場內側不斷收縮至最大，向內位移最大為5mm／d，在堆載進行后，堆場地表位移又開始慢慢轉為向外側擠出，至達到場外測位移的最大值。地表水平位移表面對處理區域周邊的土體、建筑影響很大。在加載過程中，一般地表水平位移向外擠出位移最大為3mm／d，最小為1mm／d；

4.4 地基土深層水平位移

場地6個區共設9個深層水平位移，監測點的觀測表明：上部水平位移較下部大，根據軟土層厚度不同，位移影響深度主要在地表以下12m內；深層水平位移隨時間變化趨勢同分層沉降隨時間變化的規律近似，抽真空初期先向場地內側收縮，堆載后向外側擠出。

4.5 孔隙水壓力監測

孔隙水壓力觀測是了解地基土體固結狀態最直接的手段。各區孔隙水壓力觀測結果表明：地基孔隙水壓力的增長與消散規律反映了軟基的排水固結特性及有效應力變化規律。孔隙水壓力在不同深度變化趨勢比較一致；抽真空初期，孔隙水壓力下降較快，真空后期趨于穩定，隨著堆載進行孔隙水壓開始上升，并隨著堆載停止趨于穩定。

4.6 十字板加固效果檢驗與分析

通過前后各區加固前后對照孔抗剪強度指標的對比，可以發現料場經過真空堆載聯合預壓后的地基土的巖土工程性能得到了提高。而且真空堆載聯合預壓1、2、3、4區域平均抗剪強度明顯高于真空回填1、2區加固后平均抗剪強度，說明加固效果與加載荷載有直接關系，詳見表3。

表3 預壓前后軟土層十字板抗剪強度對比表

4.7 土質加固效果檢驗與分析

通過前后各區預壓前后對照孔各深度土層主要物理力學性質指標的對比（見表4），可以發現場地經過真空堆載預壓后的地基土的巖土工程性能特別是軟土的工程性能得到了提高。這表明軟土地基繼續經過真空堆載處理后，地基土排水固結情況良好，固結程度得到很大提高，對比臨近的真空回填預壓1區和真空堆載聯合預壓4區，真空堆載聯合預壓4區天然含水量、孔隙比、壓縮模量改善幅度都大于真空回填預壓1區，說明真空堆載聯合預壓4區由于加載荷載、預壓時間大于真空回填預壓1區，處理效果更好。

5 影響施工質量的主要因素

5.1 真空度的影響因素

在真空堆載聯合預壓中，真空度的空間分布及真空度傳遞情況直接影響加固效果。真空度的傳遞過程為：射流泵——膜下濾管、砂墊層——塑料排水板——加固土體。

影響膜下真空度的因素有射流泵性能、射流泵數量、泵后連接的管路、膜下砂墊層滲透性及濾管布置、淺層密封性能等。提高膜下真空度的途徑：提高射流泵自身形成真空的能力，加強泵與膜之間管路的暢通性及密封性，降低管路中水、氣運動阻力；選擇滲透性強的中粗砂作墊層，均勻合理地布置濾管，使濾管轉角采用三通、四通連接；選密封性能好的薄膜，一般鋪設三層；對加固區周圍表層土做密封處理，如加靜水溝、防水帷幕等，以防加固過程中周圍表層土體開裂漏氣現象。

表4 預壓前后土質加固效果對比

影響土體中的真空度的因素有膜下和塑料排水板體中真空度、土體的孔隙比、飽和度、滲透性和土層分布狀況、地質條件、深層密封措施等。地基中有無強透水層對真空度影響很大，若有則必需采取深層密封措施。提高土體中真空度的途徑：本工程塑料排水板采用D型非再生料芯板，并能夠進行電子導線測深的排水板，有效地控制了塑料排水板的打設深度，排水板耐久性不小于5年，確保了塑料排水板透水透氣的通暢性；隔斷地基中強透水層與外界的聯系，減少區外因素對區內真空度的影響；證抽真空能量。

5.2 密封膜鋪設與保護

密封膜在真空堆載聯合預壓加固過程中起關鍵作用，在鋪設和保護時都很重要。密封膜采用聚乙烯薄膜，按現場預壓區域尺寸在工廠熱合一次成型，并考慮埋入密封溝的部分，留有足夠大的余地；鋪密封膜前，確保塑料排水板板頭埋入砂墊層內；為保證密封效果，密封膜鋪三層。鋪設時，膜不宜拉的太緊，中間尺寸預留密封膜，每邊比圖紙尺寸要放出3－5m，鋪設時自一邊開始，三層一道依次順序同時由近及遠進行鋪設，膜埋入密封溝時，不要被石塊、草根戳破等戳破，注意其完整性。

鋪設好后進行抽氣后進行地毯式巡查，等真空度穩定在85kPa以上并穩定10天后進行無紡土工布鋪設，無紡土工布施工完畢后進行保護墊層施工，厚約400mm。本工程保護墊層采用吹砂法施工，由吹砂船主管道600mm，在管頭用12個150mm軟支管進行減壓分流，確保保護層400mm的厚度，并減少了鋪設保護墊層時對密封膜的破壞，利用壓膜溝進行排水，吹填砂排水后固結，裝卸車和裝載機可以自由行走，對密封膜有效的進行了保護。

5.3 加載速率的控制

現場堆載料加載按堆載中心點地表沉降每天不超過20mm，邊樁水平位移每天不超過5mm，孔隙水壓力計均滿足△u／△p＜0.5的標準等指標進行控制加載速度，分層厚度不大于0.5m并參照加載計劃圖進行施工。完成每一級荷載后，應等孔隙水壓力平穩后再進行下一級的荷載，現場嚴禁堆載加載速率過大，一次性加載厚度過高及土體的不均勻性，會造成土體的失穩，固結土體的破壞。

在未達到填土極限高度前可以不控制加載速率，可以預見趕工期的做法對工后沉降是十分不利的；緩慢加載，土體的壓縮作用進行緩慢，對土體結構破壞小，不會產生大的觸變擾動，而壓縮過程中地基土體結構強度又可以部分得到恢復，有利于土體固結和土體強度的增加。

6 結束語

（1）真空堆載聯合預壓施工工藝基本成熟，但還有待于進一步該進，提出砂墊層與濾管的改進、采用變真空能量法、無密封膜真空堆載聯合預壓、復合土工膜等改進措施；

（2）真空堆載聯合預壓處理后的場地地基承載力受加載荷載影響較大，大面積堆載料堆載過高后，堆載料可采用梯形堆載法，保證土體和堆載邊坡的穩定性；

（3）真空堆載聯合預壓處理軟土地基時，水平位移是向內的，這一方面有利于處理軟基的整體穩定，另一方面可能會引起周圍地表面的開裂影響到已建的建筑物和構筑物，需采取一定的措施加以防護；

（4）真空堆載聯合預壓對場地較小、堆載料匱乏的地區不經濟適用。

［1］地基處理手冊編寫委員會.地基處理手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［2］婁炎.真空排水預壓法加固軟基技術［M］.北京：人民交通出版社，2001.