水氣分離抽真空技術在軟土地基處理施工優化的研究

◎ 劉云雷 中交廣州航道局有限公司

1.工程概況

1.1 概述

某工程位于廈門市沿海地區為吹填造地后軟基處理工程。根據地勘資料顯示該施工區域系吹填造地陸域形成地塊，主要結構層為吹填淤泥、淤泥、中砂及粉質黏土。淤泥未完成自重固結，屬欠固結土，具有天然含水量高、孔隙比大、強度低的特性，屬高壓縮性、低強度軟弱土，工程性能差。為保證地基處理效果，采用水氣分離式真空預壓施工[1]進行軟土地基處理。為確保本工程地基處理施工質量和安全，在大面積施工前，選取具有代表性的區塊開展典型試驗施工，典型試驗區面積為30320m2。通過本次典型施工達到目的如下：①確定水氣分離式抽真空工藝的可相關施工工藝參數、單泵處理的最佳面積及達到設計承載力要求的抽真空時間；②根據現場實際優化施工參數，包括泥漿配合比、攪拌提升速率等，通過抽真空來驗證密封墻的閉氣效果；③根據現場實際情況，驗證泥漿攪拌墻施工工藝參數。

1.2 施工部署

工程依據從下到上的施工原則，依次完成各道施工工序，先在施工區進行土工墊層（竹笆、編織布、土工格柵）鋪設，然后回填1.0m厚含泥量小于5%的中粗砂作為排水墊層，待回填完成后打設排水板同時開始泥漿漿板墻施工，密封墻施工時采用不同的噴攪工藝進行參數確定，然后依次埋設濾管、分層鋪設3層密封膜、安裝水氣分離設備等施工，設備安裝完成后開始抽真空，最后結合監測數據對地基沉降、土體固結度進行分析。

2.真空預壓水氣分離施工工藝

在真空預壓實施過程中需用水氣分離裝置將土體中抽出的水氣混合物分離出來。抽真空設備啟動后，在水氣分離罐內形成真空壓力，真空壓力借助于埋設在砂墊層內的濾管、塑料排水板向地基傳遞，使砂墊層內和土體中垂直排水通道內形成負壓，使土體與排水通道、墊層之間形成壓差，在此壓差作用下，將土體中的孔隙水不斷由排水通道排出，通過排水板、膜下濾管向水氣分離罐內聚集，水、氣在罐體內自動分離，氣體通過罐體上端排氣口排出，水在罐內借助液位感應裝置將罐體內的水通過潛水泵將水排到場地中，從而降低孔隙水壓力，增加土體有效應力，加速孔隙水排出，使土體產生固結，強度提高，減少后期沉降，提高地基承載能力。

3.施工優化過程

3.1 泥漿攪拌墻施工

施工設備采用SJB-II 型攪拌樁機，主電機功率55kW，油泵電機功率15kW，電磁調速電機功率18.5kW。攪拌墻采用雙排泥漿攪拌樁，單樁樁徑700mm，樁距500mm，搭接200mm。為了得到最佳的施工參數，在試驗區北側攪拌墻分為五種不同的噴攪方式進行典型區段施工，每區段長度控制在30m，按照順序依次組織施工，這期間根據泥漿稠度，適當摻入不同比例的膨潤土，確保泥漿的比重≥1.35g/cm3。在每一小段完成施工5～7d后，按每1m樁長為一個單元進行鉆孔取芯，送到實驗室檢測樁體透水性，噴攪參數詳見表1。

表1 泥漿攪拌墻施工參數

3.2 真空預壓

3.2.1 濾管安裝

濾管采用直徑φ63cm波紋濾管縱向布置，間距不大于6.0m，采用U型連接，管壁上每隔6cm鉆一圈直徑φ5mm花孔，外包一層濾布作為過濾層，主管采用φ63cm波紋管橫向布置，不做鉆孔及外包濾布處理，布置完成后埋入砂墊層，深度約25cm，出膜處采用四通PVC管和出膜口相連接，垂直伸出膜面約30cm。

3.2.2 埋設真空度采集測頭

在鋪設密封膜前需要在砂墊層中買入真空監測所需的探頭，用以監測抽真空施工產生的真空負壓。

1）設備裝置準備：①工具準備；②監測探頭準備；③監測探頭保護裝置；④埋入式真空預壓真空度測量裝置；⑤監測用數據無線定時采集傳輸裝置。

2）監測點位：根據方案布設的監測點位進行定位。

3）埋設真空度采集測頭：埋設測頭時需注意埋設深度。為了降低環境等因素對監測探頭精度的影響，結合工程施工中發現的問題，對監測探頭進行改進優化，利用PVC濾管形成一個容納空間，利用耐腐蝕的固定支架將真空檢測探頭固定在PVC濾管內，濾管兩端用海綿封堵并用土工濾布包裹，以達到過濾土顆粒并阻隔土體（水份）中氯離子的目的，確保探頭不受周邊環境影響可以真實反映膜下真空度，有助于工程的過程質量控制，并且有效延長真空監測探頭的使用周期。布置間距按50～70m網絡布置并埋設于兩濾管之間的砂層0.25m深處，離加固區邊界不小于5m。

3.2.3 鋪設密封膜

水平密封采用3層膜，依次分層展鋪，出膜口留有可收縮富余的密封膜，密封膜展鋪完成后將膜體周邊分層踩入密封墻內，踩入深度不小于0.5m。具體如下：

1）先測定真空預壓區實際形狀、面積，根據測定結果進行定制，需注意的是密封膜的大小要考慮埋入密封墻的部分。

2）選擇無風或風力較小的時段鋪設密封膜（橫向密封）等密封裝置。

3）鋪設前應清理場地內的尖銳物，避免刺破密封膜影響密封效果。

3.2.4 安裝水氣分離設備

施工選用水氣分離式真空預壓系統[2]，該系統設置兩個電機接口，單機功率分別為7.5kW和5.5KW，單臺控制面積按5000m2進行布置。罐體進水口和出膜口保持同一平面，以保證真空泵能發揮到最大功效。每臺水氣分離罐設置5個進水管，在試抽真空期間，開啟4個進水管，預留一個備用。

3.2.5 真空預壓抽氣

設備和電纜安裝架設完成后，空載調試水氣分離設備，當水氣分離罐上真空度達到96kPa以上，開始試抽真空，在抽真空過程中，通過止水閥控制進入罐體水量，直至膜下真空度達到設計要求，即泵機功率與抽真空覆蓋面積匹配。

1）開始階段必須嚴格控制抽真空速率，調低電接點真空表設定的上限值，避免真空預壓對加固區周圍土體造成瞬間破壞或形成集中“土柱”效應。

2）恒載時，重新調節電接點真空表設定的上下限值，確保膜下真空度必須達到設計要求。

3）建立巡查小組，負責現場真空預壓施工情況的監控。通過膜下真空度等各項監測數據，實時掌握抽真空作業施工情況，及時處理異常點。

異常情況處理：抽真空作業期間需注意現場設備維護及施工巡查，當罐體、膜下等各處真空度開始變化后，通過真空表等監測設備監測現場抽真空作業施工動態，出現異常情況需及時處理，避免影響恒載計時，同時對施工區連續監測并及時跟蹤記錄。監測主要包括：膜下真空度監測、地表沉降監測、十字板剪切檢測和載荷板試驗檢測。

卸載：卸載標準通常有滿載預壓累計時間、土體固結度、沉降速率、預測工后沉降等指標，待恒載抽真空作業滿足設計指標要求后，及時進行卸載。

4.施工效果分析

4.1 泥漿攪拌墻施工參數分析

根據試驗段泥漿攪拌墻取芯報告顯示，成樁完成7d后，樁體基本穩定，泥漿攪拌樁滲透系數為0.698×10-6～0.592×10-5cm/s，符合設計要求（<1×10-5cm/s）。可見泥漿攪拌墻的密封性能良好。因此泥漿攪拌樁可結合現場地質情況采取四噴四攪的施工工藝，按照下攪速率1.5m/min、上攪速率1.0m/min控制組織施工，在土質密實區域，按六噴六攪的工藝組織施工。在泥漿制作取泥區，根據試驗報告顯示泥漿摻入比達到70%，在確保泥漿比重大于1.35g/cm3的情況下，適當了降低了膨潤土摻入比例，未影響密封墻的滲透性能。

4.2 地表沉降觀測成果分析

B6117區共埋設20個地表沉降監測點（編號B6117-C1～B6117-C20），B6118區共埋設13個地表沉降監測點（編號B6118-C1～B6118-C13），現取代表點對地表沉降隨膜下真空度變化而產生的影響進行對比分析。軟土地基在砂墊層及自重荷載下產生少量固結下沉，而后進入真空預壓處理階段（沉降主要發生在本階段），各測點沉降速率在真空加載初期相對較大，沉降速率最大53.9mm/d，滿載后，沉降速率逐漸減小，在滿載預壓期間，隨著時間的推移，沉降速率越來越小，沉降曲線逐漸收斂，各面層沉降觀測點的沉降情況基本相似。根據觀測結果，截至2019年7月21日各測點累計沉降量為542.7～1457.1mm，最后5d平均沉降速率為0.22～2.08mm/d。2019年7月21日卸載后，各測點均有不同程度的回彈，回彈量為4.6～26.0mm。

4.3 十字板剪切試驗檢測成果分析

為檢驗該軟基處理區在真空預壓期間軟土層強度增長情況，在同一位置，對真空預壓加固前、后的軟土層進行十字板剪切試驗[3]，根據現場十字板剪切試驗成果，該軟基處理區真空預壓后軟土層抗剪強度明顯增大，各項物理力學指標總體上均有一定程度的提高，土體性質改善較明顯。各測點試驗成果詳見圖1。

圖1 B6117-S2十字板剪切成果前后對比圖

4.4 淺層平板載荷檢測成果分析

試驗加荷方式采用分級維持荷載沉降相對穩定法，加載反力裝置為壓重平臺反力裝置，加載級數為8級，承載板尺寸為1.5m×1.5m正方形板，反力采用13個預制砼塊，每個約重2.5t，連同鋼梁總重量不少于32.5t，所檢2個點，最大施加荷載均為120KN/m2,B6117區最大荷載下沉降量為5.09mm，B6118區最大荷載下沉降量為5.23mm，地基承載力特征值均為60kpa.P-S曲線詳見圖2、圖3。

圖2 B6117PS曲線

圖3 B6118PS曲線

5.結論

（1）泥漿攪拌墻可結合現場地質情況及滲透系數采取四噴四攪的施工工藝，按照下攪速率1.5m/min、上攪速率1.0m/min控制組織施工，同時在確保泥漿比重大于1.35g/cm3的情況下，結合現場實際決定膨潤土摻入比例。

（2）水氣分離設備單臺控制面積為5000m2時，膜下真空度維持可在85～87kpa，同時地基承載力特征值為60kpa。

（3）真空預壓試抽階段建議從空載至滿載時間調整為5～10d。