真空联合堆载预压真空泵功率影响对比试验

陈延猛

(中铁建港航局集团岩土工程有限公司， 广东 广州 511442)

真空联合堆载预压真空泵功率影响对比试验

陈延猛

(中铁建港航局集团岩土工程有限公司， 广东 广州 511442)

真空联合堆载预压作为一种能快速、有效改善地基土性质的地基处理方式，广泛应用于工程实践当中。然而真空预压的加固机理并不十分清楚，实际操作的施工参数往往依靠经验选取，如真空泵功率大小等。有鉴于此，采用5.5 kW·h与7.5 kW·h的真空泵进行现场对比试验，并埋设大量监测仪器进行监控，利用监测数据分析探讨了真空泵功率对真空联合堆载预压加固效果的影响。结果表明使用7.5 kW·h功率的真空泵仅能在早期较快传递真空度，而超过18天后地层真空度分布与使用5.5 kW·h基本相同。因此，相比于较长的加固时间，沉降量几乎相等。试验所揭示的现象与相关结论为该处理方式的相关理论研究与应用提供了重要资料与参考。

真空联合堆载预压； 真空泵功率； 现场试验

为了能够快速、有效改善软土地基的力学性质，提高地基承载力，真空预压加固技术作为一种新型的地基处理方法于1952年由瑞典人杰尔曼教授(Kjellman W)提出，并大量应用于大型建筑场地、机场、港口、码头、高速公路等重要工程项目的软基处理工程。如：美国费城国际机场跑道扩建工程，黄骅港软基处理[1]，京珠高速公路软基加固工程[2]等。国内用真空预压法加固软土地基面积已超过1500余万m2。随着工程经验的积累，岩土工程界近年来还不断推出了真空预压新技术，如单井抽真空、劈裂真空预压、气囊真空预压等[3～6]。真空预压法己经被广泛的应用，前人也都在该法加固机理方面作了不少的研究和理论计算工作[7～10]。

对于真空预压的某些加固机理并不十分清楚，真空预压加固法理论研究进度依然滞后于实际工程经验的发展。实际工程中如何合理选取具体的施工参数，往往成为制约真空预压法加固效果与加固费用的难题。真空泵功率作为一个重要参数，其选取还处于经验阶段。小功率的真空泵往往不能达到或历时很长时间才能达到所需的膜下真空度要求。而在长时间的抽排水过程中，功率过大也将直接导致用电量的上升，提高了加固费用。

针对这一参数，结合广东南车轨道交通车辆修造基地软基处理工程进行了不同功率真空泵加固效果的对比试验。通过实际的监测结果，对比采用不同参数时膜下真空度上升到设计要求所需时间、沉降量与总耗电量，为抽空设备优化提供指导意见，并为参数影响研究提供基础资料。

1 场地概述与试验方案

1.1 场地概述

广东南车轨道交通车辆修造基地项目选址于广东省江门市新会区，占地127.733 ha。工程勘察表明拟建场地在区域地貌上属于珠三角冲积平原。地貌单元上为江门水道河流阶地，表现为鱼塘、稻田、菜地与芭蕉林，自然标高为-0.8～2.9 m。地下水埋深较浅，位于地表以下0.5～1.1 m。两区淤泥层及其以下土层均处于饱和状态。

试验对比区真空联合堆载预压设计参数为：排水板间距为1.1 m，深度以进入砂层0.5 m为准。以真空预压80 kPa作为先期荷载，待真空度维持85 kPa超过7天后，开始填土至设计标高。

抽空设备参数对比试验分别安排在整个场地的22区和23区两个试验区进行：22区面积为148 m×150 m，采用5.5 kW·h真空泵；23区面积为148 m×160 m，采用7.5 kW·h真空泵。为了方便进行对比试验，两个试验区采用了相同的布管形式、真空泵数量(10台)，并且在真空泵工作时间上也保证了一致。两个试验区的工程地质剖面图见图1，地层厚度统计如表1。

表1 试验区主要地层厚度统计 m

图1 22区与23区工程地质剖面/m

从地质剖面(图1)中可以看到，23区与22区在地层上最大的差别在于22区的淤泥与淤泥质土层总厚度比23区大1.7 m，而23区淤泥质土层下还有2.3 m的粘土层，相对于软土层(淤泥与淤泥质土层)总厚度19.5 m而言，两区软土层厚度的差别在10 %以内。工程地质剖面图显示22区与23区在地层上的差异性很小。由于排水板均进入中粗砂层0.5 m，粘土层的影响不大。

塑料排水板绝大部分长度均处于渗透性较差的软土层(淤泥与淤泥质土)中，横向上受到渗透性较差的软土隔绝。由于真空联合堆载预压对周边地下水环境与沉降具有影响，排水板不能进入透水层深度太深，本场地仅进入中粗砂层0.5 m。中粗砂层的连通性造成两区之间的孔隙压力具有一定的联系。然而场地长度较大，22区、23区场地各长达150 m和160 m。综合以上方面，可以认为两个场地孔隙压力相互影响有限。这一点将通过真空度监测予以证明。

1.2 试验监测方案

取两区共同轴线，在轴线上取关于共同轴线对称位置埋设种类与型号相同的监测元件且埋设深度与数量一致，断面监测元件埋设情况如图2所示。

(a) 平面 (b) 剖面 图2 现场对比试验区监测元件埋设平面、剖面/m

1.2.1 表面沉降监测

表面沉降监测采用自制沉降标，每个试验区埋设9点，编号分别为CJ22-1～CJ22-9、CJ23-1～CJ23-9，监测频率为：(1)埋设后至排水板打设前，至少监测2次，得到稳定的初测标高；(2)排水板开始打设至打设完毕，每2天1次；(3)铺膜后至抽真空前，重置沉降标后需至少观测2次，得到抽真空前的场地标高；(4)抽真空开始后至膜下真空度达到85 kPa，每天1次；(5)膜下真空度稳定于85 kPa至填土前，每2天1次。

1.2.2 分层沉降监测

分层沉降监测采用分层沉降管与磁环式沉降标。分层沉降标每区各设1组，平面位置位于各区5号表面沉降标附近。分层沉降标各自独立成孔分别埋设于地表下-5.0、-8.0、-13.0 m处，其埋设时间为打设排水板前，监测频率与表面沉降标一致。

1.2.3 孔隙水压力监测

孔隙水压力监测采用渗压式振弦式孔隙水压力计(JDKYJ-32型)，其量程由埋深处静水压力确定。孔隙水压力计每区各设1组，分别埋设于各区中轴线侧，与第二组深层真空计测头深度对应，用于考察与深层真空度的对应关系。为保证仪器安全，探头埋设于排水板打设后。监测频率与表面沉降标一致。

1.2.4 深层真空度监测

真空度可直观反映出真空度传递情况，为判定真空泵效率的直接测试手段。真空度采用埋设真空计(Y-100型)进行监测。本试验真空计埋设统计见表2，具体埋设位置见图2。

表2 真空计测头编号与埋设深度统计

真空计埋设于排水板打设后，每组探头的钻孔位置设置在三角形排列的3个排水板中央。埋设完后于上段气管口处贴标签记录探头埋置深度，并用防水胶布缠封管口，保证气管通畅。膜下真空度达到85 kPa前监测频率为每3小时1次。之后为每2～4天1次。

1.2.5 用电量

开始抽真空时记录电表读数，在膜下真空度达到85 kPa前，读表频率为每天1次，当膜下真空度稳定于85 kPa后，在真空泵工作台数不变情况下，读表频率可适当降低。

2 监测数据分析

2012年1月2日15:30开始抽真空，同时开始监测工作，截止2012年3月23日，共监测81天。此前22区排水板施工期为10天，期间表面沉降累计均值为53.7 mm；23区排水板施工期为6天，期间表面沉降累计均值为50.8 mm。开始抽真空头2天，为防止真空膜急剧受拉破坏，两区开泵数均为8台，第3天开始两区开泵数均保持为10台，最大程度上保证了两试验场地条件相同。

2.1 表面沉降

图3、4为两区表面沉降随时间变化图，两区域的表面沉降曲线大小与曲线形态基本一致。在真空加载开始后的31天内，采用较大功率真空泵的23区表面沉降量略大于22区。而当加载超过31天时，采用小功率真空泵的22区沉降量反而略超过了23区。

图3 22区表面沉降-荷载-时间

图4 23区表面沉降-荷载-时间

2.2 分层沉降

对各区分层沉降标的数据进行处理，得到各土层在真空预压80天时的压缩量，见表3。可见，采用小功率真空泵的22区主要淤泥与淤泥质土层压缩量大于同期23区软层压缩量。主要的差别体现在8～13 m这一层当中，差值达到了77 mm。22区采用了低功率真空泵，而23区采用高功率真空泵。在相同条件下，23区应大于或等于22区沉降，而事实的监测结果正好相反。由于下卧层和上层沉降均正常，因此测量误差的可能性不大，其主要原因是由于22区淤泥与淤泥质土层总厚度略大于23区造成的。同时也可以看到，不同功率的真空泵在22区和23区的加固效果上差别并不大。

表3 分层压缩量统计(真空预压80天) mm

2.3 孔隙水压力与真空度

孔隙水压力的变化规律与真空度的变化规律是一致的，这是由两者之间的内在联系所决定的。当真空度传递至某一深度时，孔隙水压力也相对减小，甚至转为负值。孔隙水压力起到了与真空度相互验证的作用。限于篇幅，仅对测量密度更大的真空度数据进行分析。

通过对22区、23区三个断面下同一深度下的真空度监测，分别绘制出了两个分区同一深度下随时间变化的真空竖向传递监测曲线，如图5所示。

图5 22区和23区真空竖向传递监测曲线对比

分别对比22区和23区的真空度分布数据可见：(1)23区大功率真空泵在加载的早期可在地表处快速达到较高真空度。监测数据表明真空预压3天后7.5 kW·h真空泵可在地下1.0 m(含0.3～0.5 m砂垫层)深处产生50 kPa真空度，而同时期5.5 kW·h真空泵于同深度处只能产生30 kPa真空度，但两种真空泵真空度传递深度相当，约为7.0 m；(2)加载6天后，两区同深度处真空度均有增加，22-2断面和22-3断面真空度传递深度甚至超过23区；(3)真空加载18～30天，22区的大部分真空度数据开始达到和超过23区的真空度，尤其是较深处的真空度数据增长较快。从最终的真空度数值来看，采用小功率真空泵的22区真空度与采用大功率真空泵的23区真空度数值大小基本相等，有的深度真空度甚至超过23区。这样的结果显然只是地层的差别造成的。由图5揭示出：不同功率真空泵的差别在于真空上升时间，在达到设计最大真空度后，不同功率真空泵均能满足维持真空度的要求。而大部分沉降发生在真空度上升到设计真空度之后，因此造成22区与23区沉降量相近，甚至22区略大，仍是合理的。结果同时反映了在该地层条件下，7.5 kW·h真空泵的工作效率不及5.5 kW·h真空泵。

两种不同功率真空泵在监测前期达到设计真空度所需时间的差异从一定程度上也证明了两个场地孔压不存在明显的连通性。

2.4 用电量

用电量方面，7.5 kW·h真空泵用电量大于5.5 kW·h真空泵，见图6，其中两条直线代表按照实际开泵时间和功率计算的用电量，斜率较高的代表高功率真空泵，斜率较低的代表低功率真空泵。22区与23区在抽真空的头1个月(30天)，后者比前者多耗电12%，约5000 kW·h。抽真空监测期80 天内，采用7.5 kW·h真空泵约多耗电量13000 kW·h。加固时间越长，耗电量越高。如按照本场地平均抽排加固期180天计算，则加固每平方米场地多耗电1.32kW·h。

图6 22区和23区用电量对比

3 结 论

抽真空后的前一个月内，22区与23区分别开动数目相等的5.5 kW·h和7.5 kW·h真空泵用于真空加载。综合考虑用电量、两区沉降量方面可发现，23区在用电量明显高于22区的前提下，于真空加载早期的前18天，在真空膜下浅层土体中产生的负压(真空度)均明显高于后者，表面沉降也略大于后者；加载18～30天后，22区的大部分真空度数据开始达到和超过23区的真空度；最终的真空度数值基本一致，总沉降量也趋于一致甚至超过23区。不同功率的真空泵的差别在于真空上升时间，不同功率真空泵均能满足维持真空度的要求。而大部分沉降发生在真空度上升到设计真空度之后，因此造成22区与23区沉降量相近，甚至22区略大，仍是合理的。

总体来看，真空泵功率大小仅影响初期真空度的提升。从地基的真空度与地基总沉降量的角度分析，结果反映在试验场区的地层条件下，7.5 kW·h真空泵的工作效率不及5.5 kW·h真空泵。采用5.5 kW·h也能够满足要求。今后，仍需要在理论的指导下，建立起真空泵功率大小的选择依据。

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Comparison Experiments on Impact of Pump Power of Vacuum Preloading Method

CHENYan-meng

(China Railway Construction Harbor Bureau Group of Geotechnical Engineering Co Ltd,Guangzhou 511442, China)

Vacuum preloading method is widely used in the ground improvement projects. It can improve the strength of the ground rapidly and efficiently. However, the reinforcement mechanism is not very clear to us. Some construction parameters of this method are chosen by experience without evaluating the actual influence, such as the power of vacuum pump. In order to find the impacts of the power of the vacuum pump, 5.5kW·h and 7.5 kW·h vacuum pumTP were used separately in two experiment fields. A lot of sensors and instruments, such as settlement plates, pore water sensors, vacuum sensors, were used to monitor during the preloading process. It was shown that bigger power pump (7.5 kW·h) can only transmit the vacuum in the early days during the preloading. The distribution of vacuum became the same with the field using 7.5 kW·h pumTP after 18 days. The settlements were almost the same using different pumTP with the same working time. The data and the results obtained from the experiments provide an important reference to this kind of method.

vacuum preloading method; power of the vacuum pump; field experiment

2014-06-07

2014-10-09

陈延猛(1981-)，男，湖北松滋人，工程师，硕士，研究方向为软土地基加固技术(Email: 654492750@qq.com)

TU472.3+3

A

2095-0985(2014)04-0033-05