增压式真空预压施工工艺研究

杨子江，余 江，刘 辉，金亚伟，金亚军

(1.中铁六局集团有限公司北京铁路建设有限公司，北京 100036;2.宜兴市鑫泰土工材料有限公司，江苏宜兴 214267)

1 概述

软黏土强度低、固结时间长，通常需要进行地基处理才能满足建筑物基础要求。真空联合堆载预压法是将需要加固的土体设置竖向(塑料排水板)和横向排水装置(砂垫层)并在上部预堆荷载共同作用下形成的加固体系。由于软土强度低，上部堆载荷载不能加得过大过快，这导致了工期较紧的一些工程无法及时按合同竣工。同时，通过大量现场经验证明，在真空预压抽真空进行到50 d左右时，塑料排水板表层滤膜受到细颗粒淤泥堵塞后其渗透系数大大降低，从而导致排水板通水量下降;同时，横向排水通道(滤管)表面的小孔及土工布长期浸泡在含水砂垫层之中，易被砂粒堵塞，从而使得横向排水系统的排水性能降低;地基产生的大变形将影响硬质材料构成的主、支滤管压缩变形，从而影响管路系统的排水性能;常规式真空预压的真空度通过真空泵-主管-滤管上小孔-密封膜下-塑料排水板(地基土中)的流程进行传递，但开放式系统将造成真空预压效果大大下降。最后，对于大面积的处理场地而言，必须分段进行密封，密封沟沟底必须挖至不透气的淤泥层，而对于回填层较厚的场地施工难度很大，从而造成密封沟深度不够，而场地的真空度不足。为解决这一矛盾，增压式真空预压技术应运而生。

2 增压式真空预压的工作原理

增压式真空预压是在塑料排水板间设置增压管，待常规真空预压固结度达40%后，使增压管开始工作，土体中心增加了正气压(压力为40 N)，使土体中心与排水板的压力差增加，使真空预压的加固效果得到了明显改善。增压式排水板的结构如图1所示。增压式真空预压是把防淤堵排水板与真空管连接，泥砂粒无法进入，真空直达防淤堵排水板内部，防淤堵排水板滤膜内外产生较大压差，使软基中含水量快速排出，再在土体均匀分布增压管，使土体水分子在压力作用下定向流动，对软基进行快速固结，在有限工期内大幅度提高地基强度及固结深度，降低工后沉降，实际效果更佳。同时，采用手形接头、钢丝软管将整个排水系统形成一个封闭的系统，确保预压期的真空度。增压式与常规真空预压的对比见表1，增压式真空预压的排水路径见图1。

表1 增压式真空联合堆载预压与常规真空联合堆载的对比

一方面，真空预压的加固原理在发挥作用;另一方面，设置了增压管后，增加了增压段中与膜下水头的大小，挤迫土中自由水进入塑料排水板，相当于补充了降水预压的作用。因此，在真空预压中设置增压管的工作原理是真空预压和排水预压的组合处理办法。

图1 增压式真空联合堆载排水过程

与常规相比较，主要区别在于增压管设置过程的不同，待土体固结度达到40%以上后(根据施工经验约需要50 d时间)开始进行增压施工。首先利用空压机及增压管网系统通过增压管向有一定固结度的土体中打气增压，加速土体中水分进入塑料排水板，此时随着打气增压作业的进行，膜下真空度将会降低，待膜下真空度降低至40 kPa后停止打气作业;其次在停止打气增压作业后，在真空泵抽真空的作用下，膜下真空度会逐渐由40 kPa增加到80 kPa;最后重复按照第一步的方法进行打气增压施工。以上施工过程往复进行，起到增压施工的效果，在打气增压过程中，真空泵不停止工作。

3 增压式真空预压的施工工艺

增压式真空联合堆载主要施工步骤:

平整土地→施工放线定位→塑料排水板施工→增压管施工→真空系统连接→增压管连接→密封墙密封沟施工→埋设孔压测量装置→覆盖密封膜→抽真空→抽至真空度≥80 kPa→真空恒载→增压系统增压0～40 N压力→减压往复进行→堆载→真空固结→停泵终止抽气→卸载→检测。

3.1 增压式真空预压的设备和材料

增压式真空预压固结系统一部分是真空系统，由塑料排水板连接手形接头，再由手形接头连接三通，用PVC管连接而成，外部用PVC膜做密封层，使土体内部产生真空，对软基进行快速固结。第二部分是由增压系统组成，由塑料排水板按规则图形分布，中间放置增压管，增压管是由微孔可变形的特殊管材组成，外接增压泵，根据真空出水量调整压力，使土体产生较大压差，并且使水定向流到塑料排水板内再由真空快速排出，土体水位快速降至增压管以下，增压管深度以上的土体又形成荷载，对下部土体形成堆载预压，固结影响深度加深，在深层土体产生二次固结现象，在有限的工期内大大提高地基强度，降低工后沉降。

3.2 塑料排水板插打施工

(1)插打塑料排水板的布设

塑料排水板通常按照正六边形布设。

(2)塑料排水板插打工艺方法

①测量定位:采用全站仪和钢尺进行排水板打设区域控制角点精确定位，对每个塑料排水板的打设点位置进行施工放样，并做好标识标记;②插板机就位:根据打设板位标记进行插板机定位;③安装管靴:将塑料排水板穿过插板机的套管，从套管下端穿出，与专用管靴连接(图2);④调整垂直度:调整插板机套管的垂直度，满足相关规范规定的要求;⑤高程控制:在打设套管上设置明显的深度标记，确保排水板的插入深度;⑥打设、拔管:将插板机套管(连同管靴和塑料排水板)插入地层，当排水板插入到设计深度后，拔出插板机套管，于是排水板被固定于孔底;⑦剪断排水板:插打排水板完成后，拔出插板机套管并剪断排水板，塑料排水板超过孔口的长度为深入砂垫层500 mm，预留段及时埋设于砂垫层中;⑧检查排水板板位、垂直度、打设深度、外露长度等，符合规范要求后方可移机，否则须在邻近板位处重打;⑨插入塑料排水板后，在孔洞收缩之前，用中粗砂及时回填，防止泥土等杂物掉入孔内。

图2 排水板与管靴连接示意(单位:mm)

3.3 增压管施工

(1)增压管结构

增压管由若干节依次相连的透水软管组成，透水软管由螺旋形弹性支撑架和滤布组成，每节透水软管的两头置有可配接的螺纹接头，第一节软管前端上旋接有锥形封头，最末节软管后端旋接有法兰。

材料采用的增压管长度为8 m，透气段长6 m，不透气段长2 m;为保证增压施工过程中增压管临近地表层部分不漏气，在增压管后端2 m设置不透气段。

(2)增压管布设要求

增压管布置在6根塑料排水板组成的正六边形中心，增压管长度8 m，即如果将增压管看作塑料排水板，整个区域将与一、二区的排水板布置形式相同(一、二区采用正三角形布置)。具体的布置形式见图3和图4。

图3 增压管布置

图4 增压管布置

(3)增压管施工方法

增压管的插打施工按课题组发明的特制装置进行，插打的基本过程是首先利用本装置形成的高速高压水流在地基土体中冲孔，然后利用本装置的导向、导流作用将增压管插打进入地基土体中(图5)。

3.4 手形接头连接及真空排水管网连接

手形接头的主要作用是将塑料排水板和横向的真空排水支管网密封地连接形成一个整体，从而达到高效传递真空度的作用。主管采用φ75 mm PVC管，支管采用钢丝软管。

图5 增压管插打施工

施工中首先清理已插打完成的塑料排水板板头并将超出规定尺寸的板头裁剪，随后安装手形接头。接头安装后使用木钉枪(413型气压式)将手形接头与塑料排水板连接处用订书钉密封，随后用钢丝软管将手形接头连接，再使用木钉枪(气压式)将手形接头与钢丝软管连接处用订书钉密封，如图6所示。

图6 塑料排水板、手形接头及横向支管网组成一个整体

在管网靠近加固边线的两端，每一横行的支管路接入真空排水主管路，主管路通过出膜装置与真空泵连接，见图7和图8。

图7 连接成形的主管路

图8 连接成形的支管路

3.5 增压管网连接

增压管网连接方式类似于真空排水管网的连接方式，主要区别在增压管管体自身带有1个三通装置，其中三通一端已与增压管相连，只需用钢丝软管将每一行的增压管尾部三通中的另外两端依次相连，组成一整套的增压系统支管系统;最后在施工区两边接入由φ75 mm PVC管组成的主管系统即可;增压管尾部三通管头与钢丝软管相连时同样采用人工操作，用木钉枪(413型气压式)用钉书钉密封连接。图9为增压管管网连接的现场相片。

3.6 管路出膜后与真空、增压机械连接

增压主管每隔20 m连接一个出膜管，出膜管采用出膜装置穿透密封膜后与空压机连接组成一个完整的增压系统;同样真空排水主管每隔20 m连接1个出膜

图9 增压管网的连接示意

管，出膜管采用出膜装置穿透密封膜后与真空泵连接组成1个完整的真空排水系统。出膜管的现场相片如图10所示。

图10 出膜装置示意

在加固区两侧安装真空泵，真空泵选用功率为7.5 kW的IS型，其抽气速率≥4 m3/min，每台泵可控制1 000 m2。安放时注意将真空泵进水口和管路出膜口保持同一平面，保证真空泵能发挥最大功效，如图11所示。

增压装置选用空压机流量为6.0 m3/min，连接完成后的增压系统见图12。主管出膜装置是指膜下主管与膜外的真空泵或空压机相连接的一种装置，该装置使整个膜内外管路形成一个有机整体，使管路系统连续、通畅，同时保证薄膜不漏气。

图11 连接好的真空排水系统

图12 连接好的增压系统

3.7 密封体系

密封体系由加固边界的密封墙构成的四周密封体和由加固区表面覆盖的密封膜构成表面密封体两部分组成。

(1)密封墙施工

密封墙采用泥浆搅拌桩，采用搅拌机械以淤泥为材料，按照搅拌桩的施工工艺进行密封墙的施工。每道密封墙共2排桩，桩径0.5 m，桩长进入原地面以下1～1.5 m，桩长4～5 m，同一排桩之间相互咬合10 cm，第一排桩与第二排桩之间咬合25 cm，形成连续的墙状结构，起到止水、密封的效果。密封墙的施工见图13。泥浆含砂率要求≤5%，比重不低于1.35，pH值以7.5～8.5为宜，泥浆胶体率应＞45%。

图13 密封墙叠加示意(单位:cm)

(2)密封膜施工

密封膜采用2层聚乙稀薄膜，每层膜厚0.12～0.14 mm，其密封膜的指标参数见表2。

表2 密封膜的指标参数

密封膜采用人工铺设方式，先铺设1层，然后再铺设第2层。在铺设密封膜前需要先在场地上铺设1层土工布保护密封膜。施工中需要注意的是选择在晴朗、无风天气进行施工，施工无间断，2层膜连续铺设，以保证2层膜之间能够密贴。

3.8 真空预压施工

真空泵系统(将水泵、水箱、闸阀、截止阀、出膜口按要求连接)安装完毕后，将配电箱与真空泵处漏电开关盒和真空泵的电路接通后，空载调试真空射流泵，当真空射流泵能实现真空度600 mmHg以上后，开始试抽真空。

在膜面上、压膜沟处仔细检查有无漏气处，发现后及时进行修补。如果在抽气时发生漏气，孔眼会发出鸣叫声，可循声进行彻底检查。抽真空的初始阶段，为防止真空预压对加固区周围土体造成瞬间破坏，必须严格控制抽真空速率;可先开启半数真空泵，然后逐渐增加真空泵工作台数。当真空度达到400 mmHg，经检查无漏气现象后，开启所有的真空泵，将膜下真空度提高到600 mmHg后，开始恒载抽真空。

为保证抽真空的正常进行，需要24 h不间断地观察检查，对真空度表、真空泵的变化也要做好记录，当发现漏气，泵损坏等问题要及时维修，保证真空系统、密封系统正常工作。电力供应的连续不断是保证抽真空装置连续工作的必要条件，施工前确定电源的供应能力，必要时适当配置一定数量的发电机，以备停电所需。

3.9 增压施工

待土体固结度达到40%以上后(根据本试验约需要50 d时间)开始进行增压施工。首先利用空压机及增压管网系统通过增压管向具有一定固结度的地基土中打气增压，加速土体中水分进入塑料排水板;随着打气增压作业的进行，膜下真空度将会降低，待膜下真空度降低至40 kPa后停止打气作业;在停止打气增压作业后，在真空泵抽真空的作用下，膜下真空度会逐渐由40 kPa增加到80 kPa;又重复按照第一步的方法进行打气增压施工。以上施工过程往复进行，就能达到增压施工的效果。在打气增压过程中，真空泵不停止工作。

4 处理效果分析

珠海西站为二级三场区段站，车站起止里程DK176+100～DK179+050，面积32万m。车站设到发线4条(含正线)、预留3条，有效长850 m;综合货场1座，设货物线3条，预留货物线3条;货场牵出线1条，有效长850 m。该场地地貌为海相堆积平原区，地形平坦。表层为第四系人工填土、海相沉积的淤泥、淤泥质粉质黏土、粉质黏土等，下伏基岩为燕山期花岗岩。场地分4个区进行，一区、二区为常规真空预压，三区、四区为增压式真空预压。场地的排水板长度均采用22 m，堆载高度为2 m;其中一区、二区排水板采用正三角形布置，间距分别为1.0 m和0.8 m，三区、四区排水板采用正六边形布置，间距分别是1.0 m和1.2 m，六边形中心设置8 m深度增压管。具体参数见表3。

表3 试验区工程概况对照

图14为一区(常规真空预压)和三区(增压式真空预压)不同位置的地表沉降随时间的变化曲线，N1C1和N1C4分别代表一区地表沉降观测点1和4点，同样，N3C1和N3C4分别代表三区相同位置地表沉降观测点1和4点。从图14可以看出，在增压管开始工作前，N1C1与N3C1、N1C4与N3C4的沉降差异不大，在此期间N1C4的沉降量甚至比N3C4大;待增压管开始工作后，一区和三区以上所述2个位置的沉降差异开始增大，尤其表现为增压管工作3个月(图上横坐标为 150 d)后，N1C1的沉降量为1 550.0 mm，而N3C1处的沉降量达1 591.3 mm，相差了41.3 mm;同样的，同期N1C4与N3C4的沉降量分别为1 505.2 mm和1 585.7 mm，相差达80.5 mm。而N1C1与 N3C1最终的沉降量分别为1 690 mm和1 800 mm，相差达110 mm;而N1C4与N3C4最终的沉降量分别为1 640 mm和1 852 mm，相差达212 mm。

图14 一区与三区地表沉降变化曲线

表4为对应位置的沉降对比，在2 m深度对应位置，一区和三区沉降量分别为1 322.4 mm和1 629.3 mm，由于增压管的设置，其沉降量增长了23.2%;同样的，在4 m的位置，其沉降增长量达22.3%，但在增压管偏下位置(10 m)深度，2个区的沉降量非常接近，其沉降增长量仅有5.7%，说明增压管的处理的增长效果只能体现于其长度范围内，向下延伸的幅度不大。

表4 增压管处理范围内沉降对比值

5 结语

结合工程实例，详细阐述了一种新型软基处理形式-增压式真空预压的施工工艺，并指出了相应的关键技术和施工要点，对今后同类的工程有一定的借鉴作用;同时，增压式真空预压在预压期的沉降量明显大于常规处理方式，而且能节约大量的施工期，也给软基处理提供一种崭新的设计理念。

［1］朱向荣，李 振，王金昌.舟山国家石油储备基地堆载预压加固效果分析［J］.岩土力学，2008，29(4):881-886.

［2］张雅丽，王志权.塑料排水板预压法加固软基效果分析［J］.岩土力学，2002，23(5):654-657.

［3］刘金龙，栾茂田，汪东林，等.土工织物与塑料排水板联合处理软基的效果分析［J］.岩土力学，2009，30(6):1726-1730.

［4］莫海鸿，邱青长，董志良.软土地基孔隙水压力降低引起的压缩分析［J］.岩石力学与工程学报，2006(S2):3435-3440.

［5］金亚伟，金亚军，蒋君南，等.增压式真空预压固结处理软土地基/尾矿渣/湖泊淤泥装置:中国，200820160080［P］.2009-04-29.