真空聯合堆載預壓軟基處理新技術應用

侯 勇，魏建雄，盧永昌

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引言

在堆載料易獲得的情況下，真空聯合堆載預壓法在地基處理中有其獨特的優勢，具有真空預壓和堆載預壓的雙重加固效果，在進行深厚軟土的地基處理過程中先進行真空預壓處理，待土體強度有所提高后進行堆載，該方法具有工期短、造價低、工后沉降及不均勻沉降小和加固效果好等優點，是一種較為有效的軟基處理方法。唐羿生、尚世佐、于志強、吳躍東、吳念一等在現場試驗的基礎上，對真空聯合堆載預壓進行了研究[1-4]。肖策等通過直排式真空聯合堆載預壓的現場試驗工程，結合現場監測和檢測資料，分析了該法用于加固軟弱地基的機理[5]。董志良等根據現有的真空聯合堆載預壓技術發展情況，介紹了其作用機理、設計理論及計算方法等方面的研究成果，并指出了該法在工程應用中存在的問題[6]。郭彪等考慮真空度沿豎井的發展是深度的函數，堆載引起的附加應力隨時間和深度變化，此外還考慮了地基的徑豎向滲流以及擾動區土體水平滲透系數，推導了真空聯合堆載預壓下豎井地基固結度的一個較普遍的解析解[7]。

鑒于傳統真空預壓法或真空聯合堆載預壓法存在耗費大量電能和需要使用較厚中粗砂的缺點，為節約資源和保護環境，同時降低工程造價，依托天津大學渤海軟土地基處理技術聯合研究院開發的真空預壓軟地基處理新技術，即“新型分離式直連真空預壓技術”代替傳統的射流真空泵技術對惠州某軟土地基工程進行真空預壓淺層預處理和真空聯合堆載預壓深層處理，并在過程中完善和改進該技術。

新技術不僅解決了薄砂真空預壓的問題，而且對抽真空設備進行重大改造，達到節省電能60 %以上，綜合降低工程造價20 %以上，與傳統真空射流泵技術相比節省工期約10 %的效果。新技術的應用取得了良好的技術效果和項目效益，形成了一套精細化施工和管理方法，實現了高效、快速、節能的進行軟地基處理的目的，為類似工程的設計和施工管理提供借鑒和參考。

1 新技術簡介

惠州某軟地基項目吹填疏浚土成陸面積約 30萬 m2，吹填疏浚土為高塑性（IP>25）且有機質含量較高的淤泥質土，軟土處理厚度18～23 m，平均厚度約為20 m。采用“新型分離式直連真空預壓技術”進行軟土地基加固，其中淺層預處理采用真空預壓方式，深層處理采用真空聯合堆載預壓方式。

與傳統的“射流真空泵”技術相比較，“高效快速的分離式直連真空預壓地基處理方法”新技術創新點主要體現在以下兩個方面：

1）新型防泥蝶形接頭與排水板和排水管路直接連接的“薄砂真空直連技術”，減少傳統技術中的排水砂墊層厚度，降低了施工成本的同時，改變了吹填土內水體排出方式，實現吹填土內的水汽被負壓直接強制抽出，有效減少了真空度的沿程損失，從而提高了真空度的傳遞效率。

2）采用水氣分離裝置和高效節能真空泵，加速了水體的定向流動，改善了維持真空壓力的途徑，提高了真空效率，節省了大量電能和配電設施，實現了節能減排的效果。每套高效真空泵通過6個水汽分離罐，可有效控制軟基處理面積達 7～8萬m2，相比較單個真空泵可有效控制軟基處理面積僅1 200 m2傳統技術，設備數量大大減少。合理的管路和高效真空泵的布設，確保膜下真空度的均勻性，避免后期的不均勻沉降。

新技術加固軟土地基，主要分為淺層預處理和深層處理兩部分。對于淺層預處理，方案的實施主要是為了達到進行深層處理的施工作業條件，主要施工工藝流程如下：

①對于達到吹填設計高程的吹填土進行表面排水；

②鋪設竹竿和泡沫板形成施工通道；

③基于安全和隔泥考慮，鋪設一層陸上縫合后，規格為150 g/m2的編織布；

④鋪設一層規格為 350 g/m2的隔泥無紡土工布；

⑤人工插設防淤堵塑料排水板（B型板，單根長度約6 m）；

⑥綜合布線：蝶形接頭連接塑料排水板和排水管路（螺紋鋼絲管支管和干管），干管與主管連接，主管末端通過出膜裝置與水氣分離罐連接，然后再與節能真空系統（集中控制室）形成整體；

⑦鋪設一層規格為 350 g/m2的隔泥無紡土工布、鋪設2層聚乙烯（或聚氯乙烯）密封膜；

⑧真空預壓（時間約2個月）；

⑨停泵，十字板原位檢測地基承載力。

對于深層處理，方案的實施主要是為了達到設計要求的地基處理效果，主要施工工藝流程如下：

①在淺層預處理完成后的施工作業面上鋪設一層規格為 350 g/m2的無紡土工布和三向土工格柵；

②回填厚度為40 cm的土方；

③鋪設厚度為40 cm的中粗砂墊層；

④塑料排水板打設（B型板）、密封墻施工；

⑤綜合布線；

⑥壓膜溝施工；

⑦鋪設3層聚乙烯（或聚氯乙烯）密封膜；

⑧真空聯合堆載預壓：抽真空的同時鋪設一層規格為200 g/m2的土工布，然后分級加載；

⑨卸載、檢測、驗收。

新技術通過真空泵所產生的負壓將土體中的水和氣由豎向排水系統（塑料排水板）經水平排水管路（鋼絲軟管）通過濾管直接吸入水氣分離裝置。隨后，水通過潛水泵排出水氣分離裝置外，氣則由真空泵直接排出。水氣分離及系統的自動控制提高了設備的能效比，從而很大程度地節省了電能、降低了成本，縮短了工期。

2 施工精細化控制

在充分總結并借鑒試驗區經驗的基礎上，軟基處理主要從如下三個方面進行施工精細化控制。

2.1 調整設計參數，有效控制“拱淤”現象

吹填疏浚土經預處理后，含水量依然很大，整體承載能力較差。試驗區在墊層施工、施打塑料排水板、分級加載等施工過程中均出現了不同程度的疏浚土“拱淤”現象，嚴重時表面高差達 1.5 m，對排水系統產生了一定的破壞，直接影響軟基處理質量。針對此情況，在征得設計、業主和監理等單位同意下，大面積處理區施工時采取下列施工質量精細化控制措施：

1）采用自重相對較小，不易陷落，對土體擾動小的鋼軌式插板機代替履帶式插板機；

2）延長分級加載前的抽真空時間：將原設計要求的抽真空達到恒載 15天后開始進行分級加載施工，延長至恒載30天；

3）將原設計開山土墊層厚度由單級1.0 m調整為兩級 0.5 m，將原設計加載料的前兩級，單層厚度1.5 m調整為三級，單層厚度1.0 m；

4）采用容量小于3 m3的運輸車輛和小型推土機多點配合代替 20 m3的大容量自卸汽車推填施工。

通過如上控制措施，大面積處理區最大表面高差不足0.2 m，“拱淤”現象得到了有效控制。

2.2 減小兩側壓差，嚴格控制密封墻變形

由于試驗區密封墻外側沒有進行抽真空處理，隨著內側加載壓力的增大，密封墻兩側的壓差逐漸增大，導致其嚴重向外變形，外側的壓膜溝被擠壓合攏。嚴重時局部密封墻出現剪切破壞，降低了密封作用，導致其膜下真空度達不到設計要求。

軟基處理區在充分吸取試驗區的經驗教訓基礎上，采取在密封墻外側三角區同步進行真空聯合堆載預壓處理的措施，此舉不僅大大減小了密封墻兩側的壓差及沉降差，嚴格控制密封墻變形在一定范圍內，保證了密封墻的密封效果，同時對密封墻外側軟土進行有效加固也減少了二次處理的費用，取得了質量、費用的雙贏。

2.3 加密管線布置，提高真空度讀數和均勻性

試驗區參照施工經驗及相關規范的要求進行抽真空管線及泵房的布置，滿載后膜下真空度介于70～80 kPa，平均值為 75 kPa，達不到設計要求的85 kPa，呈現一定的不均勻性，最后不得不采取超載的方式對真空度進行補償。

軟基處理區采取了調整濾管布置間距為原來的一半（即由原來的5 m間距改為2.5 m間距）、增加泵房的數量使得單個泵房的有效控制區域小于 7萬 m2等精細化施工措施，確保了施工質量。監測數據顯示，其膜下真空度介于85～87 kPa之間，平均值大于85 kPa，數值滿足設計要求，均勻性良好。

通過積極開展“拱淤”控制、密封墻變形控制以及真空管線加密等方面的施工精細化管理，地表高差、密封墻變形、膜下真空度偏低且均勻度不佳的情況得到了明顯改善，取得了比較滿意的效果，如圖1所示。

圖1 累積沉降—歷時曲線對比

從圖 1可知，相同歷時情況下（150 d＞t＞45 d），軟基處理區的累積沉降量均大于試驗區，且隨著時間的推移兩區的累積沉降差值由 60 mm增大至250 mm。累積沉降差越大，大面積處理區達到與試驗區相同地基處理效果（固結度指標）所用時間就越少，卸載時間較試驗區提前近40 d。

3 項目實施效果及效益分析

軟基加固處理結束后，按照設計要求對地基處理效果進行檢測，結果表明：

1）各區域預壓后十字板抗剪強度增長幅度較大，地基處理效果較為明顯；

2）預壓后各層土的錐尖阻力和側摩阻力均有大幅度提高，靜力觸探結果表明，各區域土層地基承載力特征值均滿足設計要求；

3）原淤泥層經真空聯合堆載預壓處理后，變為粘土（局部為淤泥夾層）。預壓后土的含水量、孔隙比、液性指數、壓縮系數等土層物理力學性質指標均變小；重度(濕)、剪切強度指標、無側限抗壓強度土層物理力學性質指標均有所增大，壓縮性降低、強度增加，土質改善較明顯。根據室內土工試驗結果確定各區域土層地基承載力特征值均滿足設計要求；

4）根據載荷板試驗結果，可判定表層回填土地基承載力特征值滿足設計要求。

綜上所述，監測和檢測結果表明，地基固結度、工后沉降以及地基承載力特征值均滿足設計要求，軟基加固處理取得了良好的實施效果。

1）節能效益

該項目的節能排放量約為傳統工藝的 2/3，節能減排效果顯著，節能效益良好，有效減少了對環境的污染，利于環境保護，對節能減排工作起到了積極的推動作用，同時提高了從業人員的節能意識和服務水平，贏得了政府有關部門和附近居民的高度認可。

2）經濟效益

①直接經濟效益：該新技術較傳統工藝綜合節約總造價約23 %，特別是其中的耗油費用較傳統工藝節約了約1 700萬元，節約比例高達2/3（按照預算，若采用傳統工藝還有費用約2 500萬元，采用該技術后實際耗油費用約 820萬元），創造了良好的經濟效果。

②間接經濟效益：該新技術較傳統工藝綜合縮短工期約1個月，縮短比例約9.1 %，有利于總工期的節約，可以使項目提前投入生產，提前獲利。

3）社會效益

該項目在惠州某工程上的成功應用，得到了參建各方的廣泛認可，創造了極大的社會效益，主要體現在如下幾個方面：

①節能減排，減少環境污染。該項目得到了環境監測部門等政府有關部門的認可，為國家的“綠色建筑”大計貢獻自己應有的力量，為軟地基處理領域的“科學發展”指明了方向。

②高度認可，加速行業推廣。該項目的成功實施為類似地質條件和工藝下的軟地基處理提供了參考和依據，進一步鞏固了我國在真空預壓地基處理方面的國際領先地位。

③安全可靠，助力企業發展。領先的技術，成功的經驗，為企業未來在該領域的設計、施工方面奠定了絕對的競爭優勢，有利于企業轉型，提高企業的競爭力；有利于企業勇于承擔社會責任的良好形象的樹立。

表1 傳統技術與新技術效益對比

從表1可以看出，新技術在耗電量、耗能量、綜合造價、綜合工期等各項效益指標上均優于傳統技術，特別是耗電量和耗能量所體現的節能減排方面效果顯著。新技術的成功應用取得了良好的項目效益。

4 結論與展望

1）相比較傳統的真空射流泵技術，新技術具有高效、快速、節能的優點。新技術在惠州某軟基項目上的成功應用，對類似工程的軟地基處理有一定的指導意義和參考價值，為以后的軟地基處理項目指明了一條發展的方向。

2）新技術處理軟土地基效果好，與傳統的真空射流泵技術相比，綜合造價低，工期短，耗能量減少顯著，特別適用于環保要求高、砂源緊缺的地區，推廣應用價值高。