真空- 水載聯合預壓法處理軟土地基的應用技術

董 陽

（中鐵十二局集團華南分公司，廣東 中山）

引言

近年來，隨著我國基礎建設工程蓬勃發展和施工技術的迅速提高，在近海軟土地基上進行工程建設越來越多。與水泥攪拌樁、管樁等軟基處理方式相比，真空- 堆載聯合預壓法處理軟土地基有造價低、工后沉降小的優點。目前，國內專家學者加強對真空- 堆載聯合預壓機理研究，如黃俊文[1]，以珠海市近海軟土地基工程實例，對軟土地基的真空- 堆載聯合預壓法的處理效果進行研究，得出了沿海地區應用真空- 堆載聯合預壓法效果更好的結論。然而，在真空- 堆載聯合預壓法處理軟土地基施工過程中，密封膜極易破壞，且需花費大量精力修復。本文以翠亨新區起步區客運港綜合片區配套市政路網建設工程項目為依托，從其加固機理、施工工藝改良及加固效果方面對真空- 水載聯合預壓的工藝進行了詳細描述。

1 加固機理

真空- 水載聯合預壓施工過程中，通過密封墻以及密封膜，隔絕加固區域的土層與大氣的接觸，采用潛水式射流真空泵通過埋設在砂墊層內的水平主管與濾管與打設在土層內的豎向排水板連接，抽走土層內的空氣和水，產生負壓，孔隙水壓力u 隨之降低，同時通過導管將地下水回灌到密封膜上，增加總應力σ，有效應力σ/相應增加：

選土體中任一點做受力分析，如圖1 所示。

圖1 應力分析圖

圖中：P 為排至密封膜上地下水的重量；Q 為回灌到密封膜上地下水自重在土體中的附加應力;σC為土體自重對受力點的應力；u/為抽真空造成的負壓，方向向上。將以上數據代入式（2），可以得到加固土體中任一點的有效應力，表達式如下：

因此，隨著真空泵不斷將地下水回灌到密封膜上，加固區內的地下水不斷減少，孔隙水壓力不斷降低，Q不斷均勻增加，避免了土方堆載分級加載造成的孔隙水壓力回升問題。有效應力σ/隨之一直增大。在此作用下，加固區土體產生固結，產生沉降效果。

試抽真空時，回灌到密封膜上地下水量較少，2022年8 月份，工程所在地遭遇臺風天氣影響，隨之進入一個月的季雨天氣，隨著地下水的不斷回灌，降雨的不斷增多，密封膜上的蓄水高度可達到1.5 m，P 可達到15 kPa 左右，適當調整真空泵的功率可增大u/的大小。真空- 水載聯合預壓法是真空- 堆載聯合預壓法的改良工藝，采用此法一是避免了密封膜破壞，二是解決了常規真空- 堆載聯合預壓法中堆載土方的雨季施工難題，在雨季頻繁的廣東地區顯得尤為優越。

2 施工工藝

中粗砂墊層施工→密封墻施工→排水板施工→密封設備施工→抽真空，見圖2。

圖2 真空- 水載聯合預壓施工階段

2.1 中粗砂墊層施工

場地平整后，使用裝載機將符合設計要求中粗砂運至施工堆料區，分兩層攤鋪中粗砂墊層。施工時，使用推土機進行沿道路中心線攤鋪，個別不平整處，采用人工找平，加固區砂墊層全部施工完畢后，統一采用輕型壓路機靜壓，砂墊層中心線完成面略高于邊線。

2.2 密封墻施工

粘土密封墻為雙排直徑70 cm 的攪拌樁，咬合寬度20 cm。粘土密封墻長度為9 m，寬度為1.2 m，施工工藝采用四攪四噴。粘土密封墻采用粘土、水泥作為拌合材料，粘土摻入量為攪拌土體重量的15%。為保證粘土攪拌樁的氣密性，粘土攪拌樁考慮參入5%的水泥。泥漿比重≥1.3，水土比0.55～0.65，密封墻施工完成后應檢驗合格。

2.3 排水板施工

鋪設第一層中粗砂后施工塑料排水板，采用靜壓式插板機打設塑料排水板，等邊三角形布置，設計間距1 m，長度25 m，排水板頂部進入中粗砂500 mm。然后鋪設濾管、主管、埋設沉降觀測儀器。真空管路的連接應密封，設置止回閥和截門。管間宜采用鋼絲橡膠波紋軟管連接，連接長度應大于10 cm，以適應真空預壓的差異沉降。

2.4 密封設備施工

挖密封溝，溝底寬0.6 m，溝面寬1.2 m，高1.5 m，注意控制密封溝的高度略高于中粗砂墊層，密封溝兼做圍堰?？刂浦鞴苓B接真空泵的施工質量，保證密封效果。鋪設三層密封膜，并在密封膜上、下均采用300 g/m2無紡土工布保護。密封膜采用壓延型聚氯乙烯薄膜，密封膜應松弛鋪設，并預留加固區沉降量，密封膜宜采用整體鋪設，中間無斷層，保證氣密性，施工完成后與密封膜一起壓入密封溝內。

2.5 抽真空

真空泵選用潛水式射流真空泵，電機功率不小于7.5 kW，真空泵應配置真空表、止回閥、閘閥，并接導管將地下水回灌至密封膜上。真空泵空抽時真空壓力必須達到95 kPa 以上，密封膜下不應小于80 kPa。將地下水回灌到密封膜上，一是可以隔絕空氣，增加密封膜的密封效果；二是回填土和密封膜不再直接接觸，避免了密封膜的破壞；三是回灌到密封膜上的地下水是隨著抽真空慢慢增加的，應力增加持續、平緩，避免了回填土分層加載的不良后果，并有效應對廣東地區頻繁的季雨天氣。

3 項目概況及加固區內地層構成

研究項目位于廣東省中山市馬鞍島東南部，軟基處理總面積約31.8 萬平米，為臨海吹填深厚淤泥層地質，本次取一個區段3 萬平米為試驗段，場地加固范圍內地層情況如下：

第一層，填土層（Qml）：紅褐色、黃褐色、灰褐色等雜色，稍濕，松散狀為主，局部為稍密狀，主要成分為黏性土、砂土，局部含約10～30%碎石、石塊。堆填時間較短，多為新近堆填形成，場地部分區域現進行回填。場地均有分布，平均厚度為4.93 m；層底標高-10.25～7.13 m。

第二層，淤泥、粉質黏土（Q4mc）：深灰、灰黑色、灰色，流塑狀，含腐蝕質和少量貝殼碎片，局部夾淤泥質粉砂薄層，有腥臭味；該層場地均有分布，平均厚度為22.44 m，層底標高-36.47～-9.86 m。

第三層，粉細砂、粗砂（Q4al+pl）灰黃色、灰白色、淺灰色、黃褐色，稍密狀為主，局部松散，主要成分為石英顆粒，局部含黏粒較多，層底標高-37.85～-17.58 m。

第四層，砂質黏性土（Qel）：紅褐色、灰白色、黃褐色、灰褐色，由花崗巖風化殘積而成，可塑～硬塑，干強度中等，韌性中等，平均厚度為3.69 m，層底標高-38.99～-17.40 m。

4 加固效果分析

抽真空前，按不同標高在加固區土層埋設孔隙水壓力計，并在地表埋設沉降標。抽真空過程中，實時監測地表沉降、空隙水壓力情況。加固前后進行了十字板剪切試驗、室內土工試驗，對監測數據進行整理、分析如下：

4.1 孔隙水壓力消散監測數據分析

孔隙水壓力消散情況見圖3，抽真空前期孔隙水壓力消散速度較快，但隨著抽真空的持續，孔隙水壓力消散速度逐漸變小。隨著抽真空的持續，孔隙水壓力消散持續增加，淺層土體（埋深10 m 內）的加固效果明顯好于深層土體。同時可以看出，地下22 m 處仍有明顯的孔隙水壓力消散，地下26 m 處孔隙水壓力基本處于穩定。本次排水板打設深度25 m，可以推測出排水板對孔隙水壓力消散的關鍵作用。

圖3 孔隙水壓力消散圖

4.2 地表沉降觀測及固結度分析

抽真空施工過程中，對地表沉降的檢測數據進行整理，見圖4。從圖中可以看出，地表沉降量、地表沉降速率與加載具有相關性和滯后性[2]，采用真空水載法處理軟土地基時，前期地基沉降速率較大，隨著抽真空的持續，以及施工期間不斷的降雨，密封膜上水位不斷上升，有效應力逐漸增加，地表沉降不斷增大，沉降速率在前期一直維持10～15 mm/d。從圖4 可以看出，自2022 年9 月15 日至2022 年10 月5 日，連續20 天，實測沉降均小于2 mm，沉降曲線已趨于平穩，滿足規范要求[3]。將地表沉降量的觀測數據，代入最終沉降量計算公式，公式（4）如下：

圖4 地表沉降觀測曲線

式中，S∞為地表最終沉降量；S1、S2、S3為等時間間隔的沉降量。地表沉降觀測曲線顯現出明顯的雙曲線特性，利用雙曲線法計算固結度，固結度計算公式[4]如下：

式中：Ut為t 時刻土壤固結度，St為t 時刻地表沉降量。將2022 年10 月5 日地表沉降數據代入式（5），計算出土體固結度為91.2 %，滿足設計要求。

4.3 十字板抗剪強度對比

軟基處理前、后對第二土層各選取十個點，在原位（間距不大于1 m）進行十字板剪切試驗。通過對比試驗參數，分析軟基處理前后淤泥質軟土的性狀變化，得出實驗結論，試驗數據見表1。

表1 十字板抗剪強度對比表

經過真空- 水載聯合預壓處理后軟土十字板剪切強度提升了2.18 倍，達到了27.5 KPa。

4.4 土層物理力學性質的變化

真空- 水載聯合預壓前后加固區土層主要物理力學性質指標變化見表2，預壓前后，土體含水率由44.3%下降到31.6%，排水效果良好，但土體整體含水率依然偏高，預壓處理后的土體仍不宜擾動；孔隙比由1.39 降至1.05，降幅達24.46%，土體密實度增強；直剪試驗中凝聚力增強3.4 倍，內摩擦角增大2.52 倍，表明加固區內原本土體物理力學性質有了明顯的改善和提高，基本達到預期效果。

表2 土體主要物理力學指標對比表

5 結論

（1）真空- 水載聯合預壓法處理臨海淤泥質軟土后，實測地表沉降速率連續20 d，平均沉降量小于2 mm/d。預壓后平均固結度為91.2%，加固區域土體物理力學性質指標均有明顯改善，真空- 水載聯合預壓在臨海軟基處理中的應用是成功的。

（2）真空- 水載聯合預壓法避免了常規真空-堆載聯合預壓施工中的密封膜破壞問題，它拓寬了真空預壓的的應用領域，同時獲得了良好的經濟效益，更為適合多雨的廣東地區。但軟基處理中仍有諸多難題，需要土木界的人們繼續努力研究來解決。