簡析真空預壓聯合堆載加固地基施工工藝

陳潮濠，黃世彬

（中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510330）

引 言

碼頭建設中，經常遇到軟弱土層地基，此種地基物理力學的強度、穩定性以及滲透性方面都比較差，必須經過加固處理才能滿足建筑物對地基土的要求。近年來地基處理技術迅猛發展，涌現出真空預壓法、真空預壓聯合堆載法、水泥深層攪拌樁法、振沖法、置換法等多種有效地基加固處理方法，本文以珠海港洪灣港區二期工程第一階段工程施工項目為例，對真空預壓聯合堆載加固地基的施工工藝進行探討。

1 工程概況

珠海港洪灣港區二期工程（第一階段）位于珠海港洪灣港區東部。本工程中軟基處理面積40 492 m2，分 A、B兩個區進行，A區真空預壓處理面積為19 984 m2，B區真空預壓處理面積為20 508 m2，A區真空預壓要等水泥攪拌樁 28天齡期到達后才能進行，B區真空預壓則不受水泥攪拌樁影響。

本工程地處珠江河口西岸，珠江三角洲南緣，為洪灣涌口與馬溜水道的交界附近。地貌上隸屬三角洲灘地，沉積物以海相、海陸相交為主，斷裂構造對珠江三角洲形成和發展起著控制作用。主要斷裂系統有NW、NE、和EW走向三組，這三組斷裂多屬正斷層，它控制整個三角洲的外部輪廓，而且還控制著河道的延伸方向、古海岸線和白堊紀——第四紀沉積物的展布，河流流向與斷裂組方向基本一致。

根據地質勘察報告揭示現場的地層和各地層的物理力學性質，主要分為4層：

①1素填土：灰黃色，飽和，可塑，以粉質粘土和粘土為主。N=8.3擊。

①2填石：肉紅色，灰白色，褐黃色，以中風化閃長巖塊石為主，巖芯呈柱狀，塊狀。

①3細砂：灰色，飽和，松散。ac=34.0°，am=27.0°，N=5.6擊。

②1淤泥：灰色，飽和，流塑，滑膩，含少量粉細砂、貝殼碎片和腐殖質，局部薄層粉細砂或細砂斑。

②2淤泥質土：灰色，飽和，流塑～軟塑。含少量腐殖質。

圖1 真空預壓區域示意

2 施工方案的選定

淺部地層強度較差，淤泥及淤泥質土層較厚，其承載力小，不能滿足上部荷載的要求，在長期地面荷載作用下被壓縮變形，產生地基沉降，特別是地基不均引起的不均勻沉降問題更加突出，將會直接影響到使用功能。為了解決地基承載力的不足和可能產生變形過大的問題。根據地質情況，經過比較采用了相對合理、經濟的方案—真空預壓聯合堆載進行地基處理。

3 真空預壓聯合堆載法施工工藝

真空預壓施工的原理是將軟基處理區域作為一個密封體，通過真空泵負壓源將土體中的孔隙水和空氣抽排出加固體，提高地基承載力。

真空預壓法加固地基最主要的是兩大系統：排水系統和加壓系統。二者缺一不可，相輔相成，如果加壓系統，孔隙中的水沒有壓力差，水不會自然排出，短時間內地基得不到加固；如果沒有排水系統只施加固結壓力，不增加孔隙水排出的通道，不縮短土層的排水距離。也不能在預壓期間達到了預期的效果，土的強度不能在短時間內提高。緊挨一期碼頭處的水泥攪拌樁必須先施工完成，28天后才可以對A區進行抽真空處理，避免抽真空過程中，由于壓力導致土體的移動產生對一期碼頭樁基的破壞。

3.1 場地整平

施工前對預加固場地先進行場地整平，測量原始地面高程，并按100 m2設立標志竹竿控制高程，用紅油漆在砂墊層面頂面高程處（4.6 m）做好標記。

本工程真空預壓法加固地基排水系統由水平排水和豎向排水組成。水平排水采用鋪設砂墊層，而豎向排水采用插設塑料排水板。

3.2 砂墊層的鋪設

水平向排水采用鋪設60 cm中粗砂的砂墊層。選用含泥量不大于 5 %，滲透系數不小于 5×10-3cm/s的中粗砂，要保證水平向排水暢通。

3.3 塑料排水板施工流

豎向排水采用插設塑料排水板。選用C型原生塑料排水板，正方形布置、間距為1.0 m。

1）塑料排水板插設深度的探摸

由于地質勘察單位不可能每個區域都布置那么多，那么密的鉆探孔。導致個別區域地質變化沒有被發現。因此，在塑料排水板插設前必須加密進行探摸，來確定塑料排水板的插設深度，這是插設排水板施工的一個非常重要的環節，能夠避免軟基處理不到位，而產生工程質量隱患。地質變淺也會引導施工發生錯誤，因插設排水板還沒有到達設計深度，想盡一切辦法進行插設，直接影響施工進度及機械設備的損壞。

本工程經過了加密進行探模，探模結果基本與地勘資料相符，有10 086 m2屬于超深插設塑料排水板，其中插深深度超過34.6 m有6 655 m2，如圖2中陰影部分為超深插設區。

圖2 塑料排水板插深超30 m范圍示意

2）塑料排水板插設機械的選用

目前，在建筑市場上塑料排水板插板機導架一般為28 m。而本工程所需的塑料排水板插板機導架必須有35 m才能滿足塑料排水板的插設深度。因此只能對導架28 m液壓式插板機進行改造，給施工增添了不少的難度。

主要是針對塑料排水板插板機導架、套管進行加高處理。液壓電動機不需增大，因導架本身的重量再加高7 m導架、套管的自重都已經滿足需求。在每段導架的連接處必須對螺絲進行加固、更換處理并增加角板焊接牢固，加強了導架的整體性。避免在移動過程中，由于導架過長產生扭力過大，而產生破壞。打設用的套管其斷面是扁形，其強度及剛度要滿足打設深度和地基強度的要求，尺寸盡量小，以減少對土質的擾動。

3）塑料排水板插設的順序安排

塑料排水板施工在砂墊層提供工作面后開始進行，在施工過程中，先完成真空預壓區周邊的排水板施工，以便提供密封攪拌墻工作面，然后才在場地內大面積插設塑料排水板。有效的避免了交叉工序相互影響。

在施工過程中，局部區域在1 m位置處，遇到較厚又密實的砂層，插板機根本無法穿過該砂層插設塑料排水板。經過大家研究決定，采用6 m引孔桿的引孔機先進行引孔，再由插板機進行插設塑料排水板。

在引孔施工中，必須要配專人指揮，確保引孔的垂直度，引孔機引完孔馬上進行插設塑料排水板，避免發生塌孔。

5）由于插設深度較深，且淤泥層較厚容易出現回帶現象，在樁尖處塑料排水板位置設置插板鞘，插板鞘是采用長12 cm，寬4 cm，厚0.5 mm的鐵皮做成的插板鞘，較為實用又經濟。有效的避免了在插設過程中回帶的現象。

6）樁尖與套管要配套，避免淤泥進入套管。一經發現，必須及時清除，以免塑料排水板與套管壁間的摩擦力增大以致帶出塑料板。

7）插板機施打排水板時，嚴格控制垂直度，保證插板機樁管在插板時與地面垂直，偏差不大于1.5 %。

8）為確保塑料排水板施打深度，在插板機塔架上應設有明顯的進尺標記。

9）剪斷塑料排水板時，板頭預留30 cm埋至砂墊層中，確保排水通暢。

“可是，這不……公平。”寬肩膀的誠實派女孩莫莉喊道。我能從她的聲音中聽出憤怒，可看到的卻是一個戰戰兢兢的她。“如果早知道這樣……”

10）每根排水板插設完畢后外露的排水板不得遭污染，排水板驗收前組織人手清理排水板以及周圍的淤泥、雜物。以免污染了砂墊層，增加砂的含泥量。

3.4 粘土密封墻施工

粘土密封墻施工工序有鉆探、確定打設深度、放樣、制漿、對位、打樁等，密封墻施工是緊接著排水板的一道工序，排水板在施工完邊界部分后即可施工粘土墻。

1）深度探摸：按平面上每30 m一個孔的布置原則，布置鉆孔超前探摸。

2）淤泥攪拌樁施工：泥漿池供漿到攪拌樁機，進行攪拌施工，四噴四攪到指定深度，施工時攪拌頭下攪速度1.2 m/min，上攪速度0.8 m/min。要求施工4噴4攪以上。

3）泥漿摻入比要求不小于35 %，并摻入5 %的膨潤土；滲透系數不大于1×10-6cm/s，在泥漿池旁邊應配置一泥漿比重計，以便在現場及時檢測泥漿質量。

3.5 真空預壓聯合堆載施工

真空預壓法加固地基第二系統就是加壓系統。加壓系統可以采用真空預壓施工工藝，也可以采用堆載預壓施工工藝，而本工程兩種工藝都采用，也就是真空預壓聯合堆載施工工藝。

1）濾管的制作與埋設

濾管可以采用鋼管或塑料排水管，主要能適當地基變形和承受徑向能力的要求。

本工程從經濟上的考濾，采用uPVC塑料管。在濾管上打濾水孔，三角形布列，孔徑為8 mm，孔距為5 cm。主干管選用通徑為76 mm的uPVC塑料管，壁厚δ=3.5～4.0 mm，要求能承受400 kPa的壓力，單根長度一般為4～6 m。濾管可用通徑為50 mm的uPVC塑料管，壁厚≥1.2 mm，濾管布置間距不大于 6.5 m。鋪設濾管時可以根據現場實際情況對二通、三通、和四通的數量和形狀做適當調整，但確保濾管排水通暢。外包一層質量為90 g/m2的無紡土工布作為過濾層，要求無紡土工布滲透系數K＞5×10-3cm/s，只透水氣不透砂；包裹濾管的無紡布應無破損，包扎嚴密。在管路位置開挖濾管溝，溝深約30 cm，再一邊挖溝一邊埋管入溝，入溝深度25 cm，并用中、粗砂填平。

2）真空測頭的埋設

真空管在埋入砂墊層之前，主管及其它監測儀器的出膜裝置的開口部分暫時用布包好，防止砂子進入管內。

真空測頭埋設于具有代表性的兩濾管之間，置于真空濾管之間砂層0.25 m深處，并離開加固邊界不小于5 m。真空細管另一端從密封膜引出，制成喇叭口和真空表相連接，以直觀反映膜下真空度。按1 000 m2一個測點進行均勻布置。

3）鋪設土工布、密封膜

真空管路鋪設完成后，進行土工布鋪設。本工程所用土工布為200 g/m2的短纖針刺無紡土工布。

為了保證更好的形成密封體，本工程密封膜采用三層厚度為0.16 mm的聚氯乙烯薄膜，要求在工廠熱合一次成型。按區域先后順序分層鋪設，每層膜鋪完成后技術管理人員檢查膜是否完好，發現有破裂處，及時用清水清洗干凈，再用膠水貼膜補好。為確保密封效果，將密封膜踩入密封溝中，先踩第一層膜，踩入深度不小于1 m，踩完第一層膜后開始踩第二層膜、第三層膜。

4）安裝真空泵

本工程選用的抽真空裝置為IS型真空泵系統，真空射流泵要求額定功率不小于7.5 kW，且能形成不小于 0.096 MPa的真空壓力滿足真空預壓的要求。按照1 000 m2布置一臺真空泵，沿著周圍均勻布置40臺真空泵，配備4臺真空泵維修代換。

5）真空預壓抽氣

安裝好真空泵系統（將水泵、水箱、閘閥、截止閥、出膜口連接好），將自變壓器→真空泵處漏電開關盒→真空泵的電路接通后，空載調試真空射流泵，當真空射流泵上真空度達到0.098 MPa以上，先進行試抽真空。在膜面上、密封溝處仔細檢查有無漏氣情況，發現后及時補好。如果在試抽過程聽到有“嗡、嗡”的聲音，必定有漏氣的地方。有時聲音不會很大，因此必須整個區域的密封膜和密封溝詳細檢查，發現破裂處及時進行修補。

技術管理人員逐臺檢查真空泵系統連接處，要保證在關閉閘閥的情況下，泵上真空度能達0.098 MPa，以確保真空泵系統發揮最佳功效，以減少功效等方面不必要的損失。

當膜下真空度提高到 85 kPa后，開始恒載計時。抽真空維護期間，每天現場值班人員按要求時間，對真空度予以記錄，并對設備運轉情況、供電情況及其他真空預壓施工情況均要進行詳細記錄。

6）真空聯合堆載預壓施工工藝要點

堆載必須按照要求進行分層施工并采取妥善保護密封膜的措施進行施工。保護好密封膜是一道非常關鍵的工序，也是整套工藝的重中之重。應慎重考濾堆載施工的施工工藝及方法，保證密封膜不受損壞，進行精細化管理。

膜下真空度確保在85 kPa以上，所有的真空泵24小時運行不得停泵（包括以后），在抽真空15天后，在真空密封膜上面鋪設一層200 g/m2的無紡土工布。為了避免陸上運輸車輛在上面跑動，破壞了密封膜，采用水運船舶運輸在真空膜上面吹填50 cm厚中、細砂。在吹填時，不僅要做好排水措施，把水排除干凈也是此工序的重點，因為細砂含有水時是沒有硬度，在填土過程中堆載料難免摻入了較大石塊等尖硬物料，隨著堆載施工車輛跑走而引起塊石沉至砂層底，扎壞了密封膜。還要多移動吹砂管頭以控制厚度為50 cm，吹填完畢后人工采用砂鏟進行細平。

7）堆載料的轉換

堆載區加載施工設計要求如下：為了確保邊坡穩定，第一層為中細砂和石粉，中細砂厚度為0.5 m，石粉厚度為0.6 m，第二層層為石粉1.5 m，第三層為石粉 1.5 m，堆載料回填應比較均勻地進行，減少對排水層的不均勻擠壓，以免破壞排水層的連續性，特別注意堆載過程中對密封膜的保護，堆載邊坡采用 1：2。

開始，因為本工程在設計階段附近存放大量的石粉，綜合考濾以石粉作為堆載料，節省施工成本。到本工程進入堆載期，由于石粉短缺，在荷載不變的情況下，又將石粉變更為回填土。于是根據總荷載不變，知道土與石粉的密度及填石粉的高度就能推算出填土的高度。

石粉的密度17 kg/m3，計算土的密度推算公式如下：

ρ土×H土=ρ石粉×H石粉

H土=ρ石粉×H石粉/ρ土

式中：

ρ土為土的密度（kg/m3），計算至0.01；

H土為填土的高度（m），計算至0.01；

ρ石粉為石粉的密度（kg/m3），計算至0.01；

H石粉為填石粉的高度（m），計算至0.01。

求密度公式：

ρ=m/v

式中：

ρ為密度（kg/m3），計算至0.01；

m為重量（kg），計算至0.01；

v為體積（m3），計算至0.01。

按照以上的公式可以推出填土的高度。

8）堆、卸載施工

堆載和卸載的施工順序：合理安排好堆載和卸載的施工順序，是關鍵的環節。因本工程淤泥層較厚，如果沒有合理安排堆載和卸載的施工順序會直接導致臨時護岸坍塌或出現嚴重的位移，后果都是不堪設想，會造成嚴重的經濟損失。出于這方面的考慮，在堆載前先安排好施工順序：由北往西，由南往東分層堆載。同樣在卸載前也按照已安排好的施工順序：由西往北，南往東分層卸載，詳見圖一。按計劃好的施工順序進行施工，由測量人員放樣出堆載的邊線和厚度控制標志，土由自卸汽車運輸至施工現場，施工員根據堆載厚度控制標志指揮車輛傾倒，并指揮推土機配合平整、碾壓。堆載嚴格按照分層和設計要求的分級加荷速率和分級加載時間間隔控制分級堆載。

9）加載速率控制

在堆載過程，必須進行分層堆載并以荷載控制為主進行施工，控制好加載速率也是關鍵的環節。

a.地表沉降速率≤30 mm/d，當加固區邊界處表層沉降標或邊樁沉降超過40 mm/d時，須做出警戒；

b.水平位移（測斜和邊樁）：位移速率≤5 mm/d；

c.孔隙水壓力：∑△U／∑△P≤0.5～0.6。

同時，要做好工程的監測工作，在加載過程和卸載時間應根據監測結果進行調整。有異常情況發生，馬上停止施工查清原因，采取有效的措施后再施工。避免或減少出現坍塌和位移的現象。

10）工程的監測

本工程委托勘察單位對軟基處理過程進行監測，監測工作如下：表層沉降監測、深層位移監測（測斜管）、地下水位監測、孔隙水壓力監測、分層沉降監測、十字板剪切試驗、加固后鉆孔取樣及土工實驗、載荷板試驗等八大部分監測內容工作。

4 監測結果

珠海港洪灣港區二期工程（第一階段）采用真空預壓聯合堆載加固地基施工工藝，處理后經過監測、檢測結果表明如下：

1）后期沉降盤的沉降速率較小，連續10天沉降速率均小于2 mm/d；

2）A區已發生的沉降量為1 093～2 180 mm。雙曲線法推算最終平均沉降量約1 786 mm，地基平均固結度為96.4 %，與設計推算的累計沉降量較吻合，說明該區固結度已滿足設計要求；

3）B區已發生的沉降量為1 531～2 227 mm。雙曲線法推算最終平均沉降量約2123 mm，地基平均固結度為96.26 %，與設計推算的累計沉降量較吻合，說明該區固結度已滿足設計要求；

4）加固前后十字板強度、加固前后土工試驗數據對比顯示，地基加固后抗剪切強度明顯提高，土體物理力學指標明顯改善。

5 結 語

珠海港洪灣港區二期工程（第一階段）采用真空預壓聯合堆載法進行軟基加固處理，施工過程中未出現異常情況，工程處于安全可控狀態，后期各監測指標已趨于穩定，軟基處理效果良好。

針對本工程地質的特點，相對于水泥深層攪拌法、擠實砂樁法、換填法、堆載預壓法、真空預壓法等加固地基處理方法，真空預壓聯合堆載法有以下優越性：

1）真空預壓聯合堆載法由于抽真空發生向內收縮變形，堆載的自重可以增加荷載而不會產生土體擠壓破壞；另外，抽真空可以代替相應的荷重，而降低填土的高度，減少堆載的總土量，從而減少了土源的開采，有利于環境的保護。大大減少了機械開采、運輸地排污氣。

2）真空預壓聯合堆載法可以在預期的時間內達到加固處理效果，縮短了施工工期。

3）真空預壓聯合堆載法比換填法、水泥深層攪拌法、擠實砂樁法更為經濟。

根據真空預壓聯合堆載加固地基的施工實踐，施工過程中要掌握如下幾個關鍵要點：

1）做好水平排水（砂墊層）及豎向排水（塑料排水板），保證排水通暢。

2）密封墻及密封膜確保不瀉氣，形成一個密封體并采取一系列真空膜保護措施。

3）所有真空泵必須24小時不斷的抽真空并配備足夠的抽空泵以便維修更換。

4）勤于檢查膜下真空度，發現未達到要求及時檢找原因采取補救措施。

5）根據現場的實際情況，計劃、安排好堆載和卸載的施工順序。

6）堆載必須分層堆載并以加載速率控制為主。

7）做好監測工作，發現異常情況及時停止施工，查清原因后或采取措施再進行施工。