水氣分離無砂法與傳統真空預壓技術的研究

董海偉，宋旭龍，王 劼

（華北水利水電工程集團有限公司，天津 300170）

近年來為大力發展海洋經濟，我國沿海地區大規模興建港口，開發海岸線。利用港口建設開挖港池和航道的疏浚土造陸，既解決了疏浚土的拋納問題，同時形成新的陸域，為港口提供了倉儲用地，緩解了土地資源緊張問題。天津等沿海城市航道疏浚土顆粒細，含水率高，強度低，屬淤泥質黏土。真空預壓法是處理此類吹填土成陸的一種有效施工技術方法。

1 真空預壓法的發展

真空預壓法是疏浚吹填土，快速形成陸域的一種成熟地基加固方法。早在20 世紀50 年代初由瑞典的杰爾曼（W.kJELLMAN）提出，但直到20 世紀70年代末期一直未能得到廣泛應用。1980 年，交通部第一航務工程局科研所（天津港灣工程研究所）在天津新港開展現場試驗研究，解決了實用密封薄膜、抽真空裝置及關鍵施工工藝，并于1982 年成功地應用于天津新港軟基加固工程。

2008 年以后，“直排式真空預壓法加固軟土地基結構”成為在天津地區使用較多的一種新型真空預壓加固技術。抽真空泵采用射流泵，采用砂墊層作為工作墊層，然后打設排水板，水平通道采用普通濾管，排水板與濾管用塑料繩綁扎固定。由于安裝了濾管水平通道，抽真空效果進一步提高。

經過多年發展，如今真空預壓工藝采用無砂法，排水板采用防淤堵排水板，并且帶有刻度方便施工，幫助施工人員準確把握打設深度，保證施工質量。水平通道采用鋼絲軟管，增加環剛度，確保真空預壓水平通道暢通。抽真空泵采用效率較高的水氣分離裝置進行抽真空作業。

2 水氣分離無砂法真空預壓與傳統真空預壓的工藝區別

2.1 淺層抽真空新舊工藝對比

傳統真空預壓是通過濾管自身帶孔，通過真空泵吸氣，在膜下形成壓力，使土體中的水排出。排水板作為豎向排水通道，土工格柵、土工布、濾管等作為水平排水通道。無砂法真空預壓是排水板排出的水直接排入鋼絲軟管，效率更高。

淺層抽真空傳統工藝膜下設計壓力一般不小于60 kPa，主要是受普通濾管環剛度約束。新工藝采用鋼絲軟管作為排水通道，強度較大，不容易吸癟，淺層膜下壓力要求不小于80 kPa，膜下壓力增加更有助于抽真空的效果。

2.2 深層抽真空新舊工藝對比

2.2.1 傳統工藝真空預壓特點

（1）真空壓力傳遞路徑是：真空裝置—主管—濾管—砂墊層—排水板—加固土體。真空壓力在傳遞過程中受砂墊層、濾管、濾膜的阻尼作用，能量損失很大。要在抽真空一段時間之后才能在軟土層中產生較高真空度，導致軟土固結慢，且處理效果不佳。

（2）需要鋪設排水砂墊層，一般需釆用含泥量小于5%的中粗砂，厚40 cm 左右。近年來，當地政府已禁止大規模采砂，砂源緊缺，價格昂貴，時常出現有價無市局面，而且砂源減少。

2.2.2 新工藝無砂法真空預壓特點

真空壓力傳遞路徑是：真空裝置—主管—支管—排水板—加固土體。其關鍵環節是消除了真空壓力傳遞過程中水平砂墊層、濾管和濾布對真空能量的損耗，提高了利用效率，從而縮短了加固時間，提高了加固效果。另外取消了水平砂墊層，降低了工程造價。

2.2.3 防淤堵排水板應用

防淤堵排水板采用的是整體式排水板，濾布與排水板粘合在一起，防止地表和地下的泥進入排水通道發生淤堵。由于水氣分離裝置抽氣效率較高，地表的泥水和地下土體孔隙水，都通過排水板進入鋼絲軟管，再進入水氣分離裝置，如果排水板發生淤堵會嚴重影響抽氣質量。

2.2.4 水氣分離裝置應用

水氣分離抽真空系統的主要構成是水氣分離裝置，能將地基中抽出的水和氣分離開來。采用水環式真空泵專門抽氣，潛水泵等到水位達到一定高度開始工作抽水，每6 000～7 000 m2布置一個裝置，效率較高。真空預壓淺層抽氣設計壓力為80 kPa，深層抽氣設計壓力為85 kPa。一個面積為24 000～28 000 m2的區，只需要布置4臺水氣分離裝置。由于效率較高，4 臺裝置同時啟動膜下真空度達到90 kPa以上，最高可達96 kPa。

3 無砂法水氣分離真空預壓與傳統真空預壓成本對比

3.1 濾管成本對比

2 種工藝主管和支管用量基本一樣。按照一個區面積27 000 ㎡計算，淺層需要手型接頭24 640個，φ25濾管18 068 m，φ50濾管2 000 m；深層需要手型接頭22 260個，φ25濾管17 394 m，φ50濾管2 000 m。總計需要手型接頭46 900 個，φ25 濾管35 462 m，φ50濾管4 000 m。新工藝比傳統工藝多2.93元/m2，詳見表1。

表1 水平排水通道濾管成本對比

3.2 電費成本對比

按照一個區面積27 000 m2計算，傳統真空預壓需要27臺射流泵。無砂法真空預壓需要4臺真空泵和4 臺潛水泵，其中真空泵每天24 h 工作，潛水泵深、淺層分別按每天10、12 h 計算，平均工作11h。新工藝比傳統工藝節省電費20.5元/m2，詳見表2。

表2 電費成本對比

3.3 水氣分離裝置和傳統泵及電線電纜的成本對比

按照一個區面積27 000 m2計算，新工藝泵及電線電纜節省2.05元/m3，詳見表3。

表3 水氣分離裝置和傳統真空預壓泵及電纜成本對比

3.4 砂墊層成本

傳統真空預壓需要鋪設40 cm 中粗砂，水氣分離無砂工藝不需要鋪設墊層。該項綜合成本新工藝比傳統工藝節省59.62元/m2，詳見表4。

表4 砂墊層成本對比

4 無砂法真空預壓和傳統真空預壓適用的地質條件分析

無砂法真空預壓和傳統真空預壓，最根本的區別在于深層。傳統真空預壓在淺層做完后鋪設40 cm中粗砂，或者80 cm 粉砂。砂的主要作用是承受樁機承載力，以便進行打板作業。能否進行深層打板，是決定采用無砂法，還是傳統工藝的決定條件。下面對深層打板樁機需要的承載力進行簡要分析。

4.1 軟基處理常用插板機

真空預壓加固主要施工機械為塑料排水板插板機。目前軟基處理主要使用鋼軌式插板機，該機型比較方便使用，整機都可拆卸。每個樁機自重為14 t左右，壓強通過枕木傳遞到地面，枕木長150 cm、寬20 cm、高15 cm，底面積為0.3 m2。

插板機4 個支架鋼輪壓載的鋼軌下需要鋪設枕木約20 根，插板機對地壓力的接觸面積為6 m2，則對地壓強約為22.86 kPa。

4.2 確定深層打板需要地基強度

根據以上計算，靜態下插板機需要地基承載力為22 kPa左右，考慮動態工作對地基承載力影響，根據施工經驗暫定1.5的安全系數，故插板機動態工作下需要地基承載力約為35 kPa。

《軟土地區巖土工程勘察規程》（JGJ83 一2011）十字板強度計算地基承載力推薦公式：

式中：Cu為十字板剪切強度（kPa）。

根據式（1）反算，十字板剪切強度為10 kPa 左右。所以淺層做完后保證土體十字板剪切強度達到10 kPa以上，插板機才具備作業條件。

無砂法主要適用于淺層卸載后，十字板剪切強度能夠達到10 kPa 的地基。根據經驗，1～2 m 深度以內達到10 kPa，2 m以下至淺層插板深度范圍內強度要求可適當減小，就能滿足打板機械工作要求。

4.3 無砂法真空預壓適合的地質

工程地質表層土質含水率不太大，有一定十字板強度的地基，淺層卸載后承載力很容易達到10 kPa 以上。根據《真空預壓加固軟土地基技術規程》（JTS 147-2-2009），剛吹填的土質或者吹填自然沉降時間短的土質是否適合采用無砂法真空預壓需通過實驗確定。

對于加固前含水率較高、十字板強度較低的地質，通過加密排水板間距，或者加長淺層抽真空時間，可以使淺層卸載后表層十字板強度達到10 kPa要求。

5 新工藝施工中常見的幾個問題及解決方案

水氣分離無砂法真空預壓在施工中要注意下面幾個問題并做好預防措施。

5.1 鋼絲軟管質量

新工藝主管采用φ50鋼絲軟管，在施工中出現局部鋼絲軟管吸癟情況，嚴重降低真空預壓效果。建議采取以下2條措施：①加強質量控制，主管質量規格應大于1 000 g/m，并且每米內嵌鋼絲圈數應大于130圈，內嵌鋼絲直徑不小于1.4 mm，增加鋼絲軟管環剛度；②防止施工人員在抽氣的時候踩踏鋼絲軟管。

5.2 手型接頭安裝質量

在施工中，手型接頭安裝容易出現以下2 個質量問題：①手型接頭釘釘時，不能釘穿排水板，這樣一方面影響手型接頭與排水板的連接效果，另一方面釘外露過長，鋪膜后易刺穿密封膜，導致漏氣，影響真空預壓效果。施工中要求打釘施工人員，用腳固定排水板后打釘，降低打釘速度，確保釘穿排水板；②手型接頭在打釘過程中出現裂縫，這多是因為手型接頭材料質量存在問題，因此必須嚴格控制原材料質量。

5.3 密封膜鋪設質量

在傳統有砂工藝中，砂墊層覆蓋在地基表面。表面的尖銳物品、排水板打入不縮孔產生的板孔等，都被覆蓋在砂墊層下，在抽真空過程中不會對密封膜造成損壞。無砂法真空預壓工藝中，這些因素直接暴露出來，易對密封膜造成損壞，如將密封膜扎破或者因為排水板板孔不縮孔使得密封膜吸破。在密封膜下鋪設2 層強度較高的編織布，可以防止凸尖的物體刺破密封膜，并且防止板孔在抽真空過程中將密封膜吸破，同時還能防止在深層抽真空過程中出現地裂現象，確保真空預壓質量。

6 結論

無砂法真空預壓加固軟基技術不使用砂資源，避免了砂石料的亂采亂挖，緩解了交通運輸壓力，也避免了給環境帶來污染，有效保護了生態環境，符合環保要求，社會效益顯著。

水氣分離裝置的應用節省大量電能和設施設備成本。由于電纜及設備數量大大減少，部分消除了用電隱患，產生了巨大的經濟效益。水氣分離加無砂法真空預壓工藝值得在真空預壓領域推廣。