真空预压法在软基处理中的研究及应用

2011-02-02张艳芬莫海军

四川建筑 2011年3期

张艳芬，莫海军

(1.广东科学技术职业学院建工学院，广东珠海519090;2.澳门龙昌建筑工程有限公司)

1952年，瑞典皇家地质学院杰尔曼教授(W.Kjellman)首次提出了真空预压加固法，随后美国、日本、苏联、法国等的探索和研究，在机理研究、设计理论、施工工艺等方面都得到了较大的发展。我国从20世纪80年代开始，对真空预压加固软土地基施工工艺和设计方法等方面也做了大量研究，并在工程应用中得到很大的发展，已广泛应用于高速公路、港口、机场、堤坝边坡等工程的地基处理中，加固效果明显并取得了巨大的经济效益和社会效益［1，2］。本文通过澳门国际机场二期工程南停机坪地基加固工程的实际应用，对真空预压法主要工法进行了研究分析。

1 真空预压法的原理

真空预压加固软土地基，是排水固结法的一种类型，其作用原理为地基在真空负压作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙体积慢慢缩小，地基发生固结变形，同时，有效应力逐渐提高，地基强度逐渐增长。真空预压法由排水系统和抽真空装置组成，排水系统由砂井或塑料排水板等竖向排水体组成，其目的是增加土层的排水途径并缩短排水距离，减少软土固结所需的时间;抽真空装置由射流泵抽气实现:在需要加固的软基表面覆盖沙土并铺设不透气的薄膜，借助射流泵和埋设在砂垫层中的管道，将膜下土体间的空气抽出形成真空，使土体排水而压密［2］。

2 工程概况及地基处理方案选择

澳门国际机场二期工程南停机坪地基处理面积为62 500 m2，主要为八至十年前的海滩回填区。经现场钻孔勘测，其地质构成大致为:第一层为人工吹填砂层，厚度5.5～8.0 m，为松散～中密细中砂层，上部覆盖砂质粘土夹碎石，SPT值(标准贯入试验)为7～26;第二层为海相沉积的淤泥，厚度7.5～13.5 m，软塑饱和状态，局部卵石层及砂的透镜，厚度5.0～17.5 m，SPT值为2～5;第三层为粘土和砂质粘土层，厚度6～16.5 m，硬～坚硬状，SPT值为5～18;第四层为中砂和粘土质砂层，中密，呈不连续分布，厚度3.0～12.0 m，SPT值为16～28;以下为花岗岩风化残积层，埋藏深度40～60 m不等。

设计要求预压加固后土壤平均固结度不低于95%，设计荷载下沉降量的95%以上在地基处理施工中完成，根据沉降计算该场地土最终沉降量约2.5～3.0 m左右。

澳门地区填海区工程地基处理惯例采用堆载预压法，但在本工程中，若采用堆载预压，堆载高度至少5～8 m，将影响现有机场的飞行安全，并且工期较长。故改用塑料排水板+真空预压法处理该工程地基，主要参数要求:膜下真空度不小于80 kPa，弯沉盆直径不小于100 m，盆底弯沉降量不大于25 mm，预计抽真空工期60 d。

3 真空预压地基处理施工工艺

工程地质勘测显示，本工程淤泥层上部覆盖透水层，须设置止水帷幕将预压处理区进行分区处理;根据场地地形特点，预压处理区划分为三个区域，面积分别为15 995 m2、25 110 m2、21 606 m2，施工区域划分见图 1。

图1 施工区域划分及密封墙平面布置

为缩短工期，三个区域实行流水作业，各个分区内施工顺序为:塑料排水板施工→密封体施工→抽真空预压施工→施工监测(贯穿始终)。各个施工过程在某一区域内横断面布置如图2。

3.1 塑料排水板施工

塑料排水板采用SPB－C型，按1.3 m间距布置，滤膜连接采用胶粘式，因工程场地软土层上覆盖砂层或卵石砾石层，须进行引孔才能保证排水板顺利施打。引孔直径15 cm，深度6～8 m，并在引孔施工完成3 h内完成塑料排水板施打。塑料排水板施打深度根据各区域地质分层分布情况确定，控制埋深不超过25 m，以防穿透下部砂层透水漏气，影响抽真空效果。

图2 真空预压横断面

3.2 密封体施工

3.2.1 密封墙

根据地质勘察资料，本工程场地分布有吹填砂土层、卵石及砾石层，临海一侧有8 m厚的抛石堤，块石区孔隙率为40%，真空预压施工之前需进行密封处理，达到止水止气效果。本工程采用静压注浆桩防渗帷幕法对透气层进行密封处理，这种方法是通过钻孔向土中加压注入一定水灰比的浆液，浆液在周围土体中通过渗透、填充、压密扩展，在注浆孔周围形成方向各异、厚薄不一的片状、条状、团块状浆脉，随其凝结硬化，形成不规则的桩体，起到密封效果。本工程采用双排静压注浆桩施工，两排桩搭接形成密封墙:临海一侧为一排水泥浆桩(临海)和一排泥浆桩，其余各侧为双排泥浆桩。静压注浆开孔直径89 mm，成桩直径2 m，桩距1.8 m，两排桩排距0.5 m，形成深度8 m、厚度2.5 m的密封墙，平面布置见图3。

图3 静压注浆桩搭接示意

注浆孔钻孔至淤泥层内1 m，孔位误差不超过2 cm。注浆管采用2#焊接锈化钢管，块石层深度范围内交叉或螺旋十字钻Φ8通孔，管头高出地面0.2 m作为注浆联结接头。注浆采用高压注浆泵，注浆压力0.2～0.6 MPa，直至达到终止注浆条件。注浆自下而上，先内排再外排。泥浆液水灰比1∶0.4～1∶0.45，水泥浆液水灰比1∶0.05，另掺水玻璃作为速凝剂，含量为水泥重量的3%。

3.2.2 密封沟

密封墙顶部设置密封沟，沟深1.2 m，沟底宽度1.5 m，在开挖的密封墙体上灌注厚度0.2 m的新鲜泥浆，在密封膜铺设完成后，回填1.0 m厚新鲜泥浆至地表。为保证密封效果，密封沟及密封墙渗透系数要求小于1×10－6。

3.3 抽真空预压施工

3.3.1 排水通道

在真空负压作用下，地基深层软土孔隙水通过排水板集中至膜下砂垫层中，在砂垫层中埋设滤管，通过出膜装置连接射流泵将水排至密封膜外。滤管采用UPVC管，每隔5～8 cm钻Φ6的小孔制成花管，花管外缠绕尼龙绳再包一层无纺土工布隔土。滤管垂直羽状布置，支滤管直径60 mm，布设间距6.5 m，主滤管直径90 mm。为防止沉降造成滤管折断，管间连接用钢丝螺纹橡胶软管套接，套接长度不小于10 cm并用铅丝绑扎牢固，铅丝接头应朝下埋入砂层以防刺破密封膜。滤管埋置于砂垫层内，须预先在砂垫层开挖滤管沟，沟深约30 cm，滤管埋好后用中粗砂填平。

3.3.2 密封膜铺设

密封膜采用二层聚乙烯薄膜，厚度0.12～0.14 mm，横向抗拉强度大于16.5 MPa，断裂伸长率大于220%，在条件允许的情况下可根据预压区实际长度每边各加5 m，由工厂热合一次成型。由于澳门地区劳务限制，工程每预压区分三块密封膜布置，待三块膜铺好后进行现场热合或用胶水黏合密封，膜接头长度不小于2 m。密封膜铺设速度应尽量快速，膜面应平整无皱褶。

在密封沟外围修筑0.5 m高止水围堰，在抽真空过程中抽出的地下水排向加固区，形成30～40 cm的水膜并作为补充荷载，覆水深度要求水膜能将外露密封膜全部覆盖。

3.3.3 抽真空施工

设计要求膜下真空度达到80 kPa柱，按800 m2面积安置一套抽真空装置布置。真空泵水平放置于加固区上，进水口和出膜口保持同一平面高度，提高真空泵功效。

密封系统及抽真空装置施工完成后先进行试抽，如发现异常须对密封膜全面检查，及时修补薄膜破漏处。为防止真空预压对加固区周围土体造成瞬间破坏，须严格控制抽真空速率，可先开启半数真空泵并逐渐增加，当真空度达到55～60 kPa，经检查无漏气现象后开始膜面蓄水并开足所有真空泵，将膜下真空度提高到大于85 kPa。当连续10 d观测的沉降速率小于2 mm/d，或按实测沉降曲线推算的固结度满足要求时，可停止抽真空结束预压。

4 施工监测及试验

为监控施工质量、评价加固效果以及控制卸载标准，真空预压加固处理须进行监测，包括表层沉降监测、边界水平位移监测、膜下真空度监测、孔隙水压监测等。监测观测点布设须考虑如下原则:尽量布设在排水板间距的中心，尤其强度测试点应避开排水板位置;各测点宜对称布设并靠近各分区轴线;水平位移监测一般布置在吹填砂土坡脚。

地表沉降监测按每2 000 m2布置一个监测点，采用水准仪器测量，初期每天观测一次，稳压满15 d后可2～3 d观测一次，如遇特殊情况应随时增加观测密度。另外工程设置了4个分层沉降计以监测预压过程中不同深度处的沉降，在淤泥层每3 m深度记录读数。

地表水平位移监测采用边桩观测，沿加固区边界每50 m间距布设，用全站仪测量。初期每天观测一次，满一个月后每3 d观测一次。另布设6个倾斜管，埋深23～28 m进入坚硬土层，观测抽真空过程中不同深度处的水平位移。

5 遇到的问题及处理

在抽真空施工过程中，加固区域Z2出现了一条长5.5 m、宽5 cm左右的不规则裂缝，根据工程经验，此类裂缝是膜下土体不均匀沉降造成的，主要原因为地质结构不均、塑料排水板施打深度不足或排水板质量存在问题等。裂缝出现后，沿裂缝的长度方向铺设了三层宽度为3 m的塑料膜，膜上修筑宽2.5 m、高2 m的沙袋围埝，通过沙袋围埝的重力加快裂缝处地基下沉，一周后检查裂缝已自动愈合。

Z3区域抽真空过程中，真空度有下降趋势，密封系统存在漏气现象。全面检查真空膜完整性，未发现明显裂缝，初步推断为密封沟压膜出现质量问题。经仔细检查，发现临海一侧有一段密封沟压膜土体明显向内侧移，长度达15 m，沟底与密封墙顶出现水平裂缝。通过向裂缝内注入新鲜泥浆封堵，真空度稳定性明显提高。