水利工程軟土地基處理中真空預壓聯合注漿法的應用研究

王任飛

(錦州市新禹水利工程有限公司，遼寧 北鎮 121300)

1 工程概況

流塑狀的粉土或淤泥質土為水利工程中最常見的軟弱土，此類土具有壓縮性高、強度低等特點，易受到振動或水體的影響而產生軟化現象，特別是在具有較高等級和建設質量標準的水利樞紐工程中，由于存在軟弱夾層使得工程的潛在風險較大[1]。

遼寧省某水利工程試驗場地總面積1500m2，寬30m、長50m，場地內地勢較為平坦，吹填后初次地基處理。根據室內土工試驗、靜力觸探測試及現場鉆取土檢測結果，自下而上可將勘察深度內的土層分為5種類型，即：①淤泥質黏土：此類土為該工程的主要土質類型，土體防滲性和整體質量一般；②淤泥質(粉質)黏土：此類土體的工程性質和抗沖刷能力一般，透水性處于微-弱水平；③粉砂夾淤泥質粉質黏土：工程性質和抗沖刷能力較差，透水性處于微透水水平，且力學強度較低；④淤泥質粉質黏土：土質的工程性質與抗沖刷能力差，力學強度低且孔隙比大，壓縮性高、透水性處于微透水狀態；⑤吹填土：力學性能和抗沖刷能力一般，微透水。因此，場地內土質具有強度低、孔隙比高和壓縮性強等特征，因此為典型的軟弱土地基。

通常情況下，為滿足工程建設需要經初步地基處理和吹填后的場地仍需進行二次處理。在水利工程軟基處理中真空預壓法較常規的注漿、強夯法、堆載預壓法等技術應用更為廣泛，然而軟基處理中單一的真空預壓法存在工后沉降較大、處理工期長等問題，往往無法達到工程建設要求。所以，為提高大面積超軟地基的承載力有必要研發一種新的地基加固技術。文章對初次地基處理后的吹填土利用真空預壓聯合注漿法進行二次處理，通過分析加固效果、施工工期，可為軟土地基大面積處理及該工法的推廣應用提供技術支撐[2-4]。

2 真空預壓聯合注漿試驗

試驗中將傳統的塑料排水板以豎向高真空可注漿排水濾管替代作為豎向排水通道，采用外層包土工膜的塑料材質波紋濾管具有能夠承受較高外壓負載的特性，濾管的下端與預樁靴連接而上端采用鋼絲骨架滲水軟管，底部為土工布密封。豎向高壓真空可注漿排水濾管，見圖1。在真空預壓時形成了豎向排水濾管、支管和水平排水主管的大通道連接方式，沿土體深度能夠有效降低真空度的衰減。預留在土中的豎向排水濾管在真空卸載后不僅可作為排水排氣管，從鄰近未注漿管中快速排出注漿過程中土體內的孔隙水和氣，而且可作為注漿管減少二次成孔成本。2次注漿后的豎向高真空可注漿排水濾管，通過對水泥砂漿柱的加固能夠與水泥土形成復合地基并降低工后沉降，另外工后場地的排水通道在注漿后被封堵，可顯著提升場地的承載力性能[5]。

圖1 豎向高壓真空可注漿排水濾管

2.1 試驗步驟

1)步驟1：為滿足打板機進場施工將場地平整，并鋪設砂墊層約0.5m后。然后將豎向排水濾管利用打板機下沉就位，采用φ63波紋濾管替代傳統的塑料排水板作為豎向排水通道，間距為1m×1m，管長15m。

2)步驟2：采用三通連接豎向排水濾管、水平排水支管與主管，并布設真空管路系統，在砂墊層中埋入水平真空管路，然后采用φ53的波紋濾管作為主、次管，其間距分別為15m、1m，環剛度≥15kPa。

3)步驟3：在外圍設置黏土密封墻的同時鋪設段纖維針刺土工布，密封墻采用φ600、樁長8m、搭接長度100mm、樁中心間距600mm的雙排黏土攪拌樁，黏土泥漿比重1.51。

4)步驟4：布設2臺真空泵和真空膜，真空泵連接于排水主管的一端。真空度在試抽7d后達到80kPa，然后進行加水預壓。水平真空系統在卸載后拆除，并將豎向排水濾管注漿。

5)步驟5：第1次注漿的注漿壓力設定為1-2MPa，純泥漿材料的水灰比為1∶0.5，以3被的豎向排水管體積為單孔注漿。第2次注漿的注漿壓力設定為2-5MPa，水泥砂漿的水灰比為1∶3，以1.5倍的豎向排水管體積為單孔注漿量。

2.2 設計要求

為便于大面積軟基處理需要優化施工參數，本次試驗地基處理的深度要求達到15m，承載力特征值在80kPa以上，加固后可以與水泥土形成復合地基，從而降低工后沉降。

2.3 監測項目

為了更好的指導施工可通過布設一系列的監測儀器，在場地試驗區檢驗試驗效果[6]。預埋的監測儀器主要有1個孔壓力計、4塊沉降板，同時在現場做淺層平板載荷和靜力觸探試驗，對加固前后的土體取樣進行室內土工試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 膜下真空度

由于真空泵的抽真空效果能夠通過膜下真空度來直觀的反映，因此真空度的量測在預壓監測過程中十分重要，自第5d開始記錄抽真空后的儀表讀數。隨時間的變化膜下真空度的變化特征，見圖2。真空度由于初期薄膜漏氣呈一定的下降趨勢，后經補膜處理逐漸恢復正常。從圖2可知，在抽真空初期膜下真空度增長迅速，真空泵正常工作10d后達到81kPa，真空度由于試驗區停電有所降低，但穩定后整體處于約92kPa。

圖2 隨時間的推移真空度的變化特征

3.2 地表沉降

地表沉降試驗中共設置4個測點，各沉降板的變化曲線基本相同，隨時間的變化平均沉降的變化規律，見圖3。從圖3可以發現，沉降速度在抽真空初期的最大值為45mm/d，整個場地存在較快的土體固結過程，真空壓力與固結沉降之間存在密切的關系，地表沉降速度在前期真空度快速上升過程時較大，隨著抽真空時間的延長其沉降速度也有所減緩。每天的沉降量在抽真空80d后控制在2mm以內，沉降量最終值達到395mm。

圖3 隨時程變化的平均沉降曲線

3.3 孔隙水壓力

在軟土地基加固處理過程中利用真空預壓法的總應力應保持不變，通過抽真空排水不斷減少孔隙水壓力，從而逐漸提高土體中的有效應力和土體的強度[7-9]。土體固結程度的好壞可通過孔隙水壓力變化來描述，沿深度分布的3、6、9m處測點內的孔壓差，隨時間變化的孔壓消散變化曲線，見圖4。根據圖4變化特征可知：孔隙水壓力在不同深度處存在一定的降低；初始孔壓由于受真空度的影響消散較快，隨后逐漸達到穩定狀態；沿深度方向真空度不斷衰減，使得深層孔壓消散值相對于淺層較小，在3、6、9m深度處的最終孔壓分別下降至-51kPa、-42kPa和-38kPa。

圖4 隨時間變化的孔壓消散變化曲線

4 效果分析

4.1 室內土工試驗

室內土工試驗所用土樣來源于加固前后的場地同一位置，為獲取土樣物理力學參數還需要做一系列的測試試驗。地基處加固前后的物理力學參數值，見表1。根據表1可知：處理前后的土樣物理力學參數均發生一定的改變，如加固前、后的含水率分別為60.2%和39.1%，呈一定的下降趨勢；孔隙比在加固前后分別為1.50、1.12，有所下降，快剪指標在地基土加固后提升了1.5倍，而壓縮系數下降了約46%。

4.2 平板荷載試驗

平板載荷試驗應選擇現場具有代表性的位置，承壓方形鋼板尺寸為1m×1m，分級等量加載表面涂層。樁頂沉降量在每級加載后間隔15、15、10、10、10min后各測讀1次，之后沉降量每隔30min讀取1次，當沉降量連續2h<0.1mm時認為處于穩定，然后進行下一級荷載的加壓。沉降量隨承載力的變化關系，見圖5。從圖5可知：曲線在平板下沉11.05mm時出現拐點，在該條件下平板荷載試驗獲取的承載力特征值為120kPa。

表1 地基處加固前后的物理力學參數值

圖5 沉降量與承載力關系曲線

4.3 靜力觸探試驗

試驗點選擇在試驗區內，地基土處理后的強度指標值采用LMC-D310靜探微機自動記錄，雙橋探頭的試驗參數為15cm。地基土經歷觸探試驗值，見表2。結合工程實踐經驗和現場具體情況，對土體地基承載力與錐尖阻力之間的關系利用文獻資料中的經驗公式確定。淤泥質土的錐尖阻力qc與地基承載力fk之間的關系表達式為fk=0.115qc+40，然后將現場土層相關數據監測結果qc=360kPa輸入關系式，由此可得到地基承載力fk值為81.5kPa，通過換算處理后的以下土層承載力均在80kPa以上。由此表明，軟土地基承載力經過加固處理后得到明顯的提升，承載力滿足工程建設要求。

表2 地基土經歷觸探試驗值

5 結 論

文章對初次地基處理后的吹填土利用真空預壓聯合注漿法進行二次處理，通過分析加固效果、施工工期，為軟土地基大面積處理和該工法的應用提供技術支撐，為提高大面積超軟地基的承載力提供一種新的地基加固技術，得出的主要結論如下：

1)土體的直剪指標、壓縮模量、孔隙比減少、含水率等經真空預壓聯合注漿技術處理后均有所增大，通過加固處理形成的復合地基，場地承載力在不同土層內均達到80kPa，加固效果明顯能夠滿足工程設計要求。

2)試驗表明，對大面積軟弱地基土利用真空預壓聯合注漿法所用工期較短，較傳統的真空預壓法該項技術預壓周期為100d，預壓穩定時間減少了25%以上，具有顯著的縮短工期的效應。

3)采用真空預壓聯合灌漿法必須在施工過程中做好地表處理、嚴格控制預壓氣密性以及真空管路系統的布設等工作，由于影響該技術施工質量的因素較多且工藝技術復雜，注漿過程中應在水泥漿初凝前完成同一孔內的二次注漿。在工程實踐中該技術的施工工藝仍需進一步完善。