简析真空预压联合堆载加固地基施工工艺

陈潮濠，黄世彬

（中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510330）

引 言

码头建设中，经常遇到软弱土层地基，此种地基物理力学的强度、稳定性以及渗透性方面都比较差，必须经过加固处理才能满足建筑物对地基土的要求。近年来地基处理技术迅猛发展，涌现出真空预压法、真空预压联合堆载法、水泥深层搅拌桩法、振冲法、置换法等多种有效地基加固处理方法，本文以珠海港洪湾港区二期工程第一阶段工程施工项目为例，对真空预压联合堆载加固地基的施工工艺进行探讨。

1 工程概况

珠海港洪湾港区二期工程（第一阶段）位于珠海港洪湾港区东部。本工程中软基处理面积40 492 m2，分 A、B两个区进行，A区真空预压处理面积为19 984 m2，B区真空预压处理面积为20 508 m2，A区真空预压要等水泥搅拌桩 28天龄期到达后才能进行，B区真空预压则不受水泥搅拌桩影响。

本工程地处珠江河口西岸，珠江三角洲南缘，为洪湾涌口与马溜水道的交界附近。地貌上隶属三角洲滩地，沉积物以海相、海陆相交为主，断裂构造对珠江三角洲形成和发展起着控制作用。主要断裂系统有NW、NE、和EW走向三组，这三组断裂多属正断层，它控制整个三角洲的外部轮廓，而且还控制着河道的延伸方向、古海岸线和白垩纪——第四纪沉积物的展布，河流流向与断裂组方向基本一致。

根据地质勘察报告揭示现场的地层和各地层的物理力学性质，主要分为4层：

①1素填土：灰黄色，饱和，可塑，以粉质粘土和粘土为主。N=8.3击。

①2填石：肉红色，灰白色，褐黄色，以中风化闪长岩块石为主，岩芯呈柱状，块状。

①3细砂：灰色，饱和，松散。ac=34.0°，am=27.0°，N=5.6击。

②1淤泥：灰色，饱和，流塑，滑腻，含少量粉细砂、贝壳碎片和腐殖质，局部薄层粉细砂或细砂斑。

②2淤泥质土：灰色，饱和，流塑～软塑。含少量腐殖质。

图1 真空预压区域示意

2 施工方案的选定

浅部地层强度较差，淤泥及淤泥质土层较厚，其承载力小，不能满足上部荷载的要求，在长期地面荷载作用下被压缩变形，产生地基沉降，特别是地基不均引起的不均匀沉降问题更加突出，将会直接影响到使用功能。为了解决地基承载力的不足和可能产生变形过大的问题。根据地质情况，经过比较采用了相对合理、经济的方案—真空预压联合堆载进行地基处理。

3 真空预压联合堆载法施工工艺

真空预压施工的原理是将软基处理区域作为一个密封体，通过真空泵负压源将土体中的孔隙水和空气抽排出加固体，提高地基承载力。

真空预压法加固地基最主要的是两大系统：排水系统和加压系统。二者缺一不可，相辅相成，如果加压系统，孔隙中的水没有压力差，水不会自然排出，短时间内地基得不到加固；如果没有排水系统只施加固结压力，不增加孔隙水排出的通道，不缩短土层的排水距离。也不能在预压期间达到了预期的效果，土的强度不能在短时间内提高。紧挨一期码头处的水泥搅拌桩必须先施工完成，28天后才可以对A区进行抽真空处理，避免抽真空过程中，由于压力导致土体的移动产生对一期码头桩基的破坏。

3.1 场地整平

施工前对预加固场地先进行场地整平，测量原始地面高程，并按100 m2设立标志竹竿控制高程，用红油漆在砂垫层面顶面高程处（4.6 m）做好标记。

本工程真空预压法加固地基排水系统由水平排水和竖向排水组成。水平排水采用铺设砂垫层，而竖向排水采用插设塑料排水板。

3.2 砂垫层的铺设

水平向排水采用铺设60 cm中粗砂的砂垫层。选用含泥量不大于 5 %，渗透系数不小于 5×10-3cm/s的中粗砂，要保证水平向排水畅通。

3.3 塑料排水板施工流

竖向排水采用插设塑料排水板。选用C型原生塑料排水板，正方形布置、间距为1.0 m。

1）塑料排水板插设深度的探摸

由于地质勘察单位不可能每个区域都布置那么多，那么密的钻探孔。导致个别区域地质变化没有被发现。因此，在塑料排水板插设前必须加密进行探摸，来确定塑料排水板的插设深度，这是插设排水板施工的一个非常重要的环节，能够避免软基处理不到位，而产生工程质量隐患。地质变浅也会引导施工发生错误，因插设排水板还没有到达设计深度，想尽一切办法进行插设，直接影响施工进度及机械设备的损坏。

本工程经过了加密进行探模，探模结果基本与地勘资料相符，有10 086 m2属于超深插设塑料排水板，其中插深深度超过34.6 m有6 655 m2，如图2中阴影部分为超深插设区。

图2 塑料排水板插深超30 m范围示意

2）塑料排水板插设机械的选用

目前，在建筑市场上塑料排水板插板机导架一般为28 m。而本工程所需的塑料排水板插板机导架必须有35 m才能满足塑料排水板的插设深度。因此只能对导架28 m液压式插板机进行改造，给施工增添了不少的难度。

主要是针对塑料排水板插板机导架、套管进行加高处理。液压电动机不需增大，因导架本身的重量再加高7 m导架、套管的自重都已经满足需求。在每段导架的连接处必须对螺丝进行加固、更换处理并增加角板焊接牢固，加强了导架的整体性。避免在移动过程中，由于导架过长产生扭力过大，而产生破坏。打设用的套管其断面是扁形，其强度及刚度要满足打设深度和地基强度的要求，尺寸尽量小，以减少对土质的扰动。

3）塑料排水板插设的顺序安排

塑料排水板施工在砂垫层提供工作面后开始进行，在施工过程中，先完成真空预压区周边的排水板施工，以便提供密封搅拌墙工作面，然后才在场地内大面积插设塑料排水板。有效的避免了交叉工序相互影响。

在施工过程中，局部区域在1 m位置处，遇到较厚又密实的砂层，插板机根本无法穿过该砂层插设塑料排水板。经过大家研究决定，采用6 m引孔杆的引孔机先进行引孔，再由插板机进行插设塑料排水板。

在引孔施工中，必须要配专人指挥，确保引孔的垂直度，引孔机引完孔马上进行插设塑料排水板，避免发生塌孔。

5）由于插设深度较深，且淤泥层较厚容易出现回带现象，在桩尖处塑料排水板位置设置插板鞘，插板鞘是采用长12 cm，宽4 cm，厚0.5 mm的铁皮做成的插板鞘，较为实用又经济。有效的避免了在插设过程中回带的现象。

6）桩尖与套管要配套，避免淤泥进入套管。一经发现，必须及时清除，以免塑料排水板与套管壁间的摩擦力增大以致带出塑料板。

7）插板机施打排水板时，严格控制垂直度，保证插板机桩管在插板时与地面垂直，偏差不大于1.5 %。

8）为确保塑料排水板施打深度，在插板机塔架上应设有明显的进尺标记。

9）剪断塑料排水板时，板头预留30 cm埋至砂垫层中，确保排水通畅。

“可是，这不……公平。”宽肩膀的诚实派女孩莫莉喊道。我能从她的声音中听出愤怒，可看到的却是一个战战兢兢的她。“如果早知道这样……”

10）每根排水板插设完毕后外露的排水板不得遭污染，排水板验收前组织人手清理排水板以及周围的淤泥、杂物。以免污染了砂垫层，增加砂的含泥量。

3.4 粘土密封墙施工

粘土密封墙施工工序有钻探、确定打设深度、放样、制浆、对位、打桩等，密封墙施工是紧接着排水板的一道工序，排水板在施工完边界部分后即可施工粘土墙。

1）深度探摸：按平面上每30 m一个孔的布置原则，布置钻孔超前探摸。

2）淤泥搅拌桩施工：泥浆池供浆到搅拌桩机，进行搅拌施工，四喷四搅到指定深度，施工时搅拌头下搅速度1.2 m/min，上搅速度0.8 m/min。要求施工4喷4搅以上。

3）泥浆掺入比要求不小于35 %，并掺入5 %的膨润土；渗透系数不大于1×10-6cm/s，在泥浆池旁边应配置一泥浆比重计，以便在现场及时检测泥浆质量。

3.5 真空预压联合堆载施工

真空预压法加固地基第二系统就是加压系统。加压系统可以采用真空预压施工工艺，也可以采用堆载预压施工工艺，而本工程两种工艺都采用，也就是真空预压联合堆载施工工艺。

1）滤管的制作与埋设

滤管可以采用钢管或塑料排水管，主要能适当地基变形和承受径向能力的要求。

本工程从经济上的考滤，采用uPVC塑料管。在滤管上打滤水孔，三角形布列，孔径为8 mm，孔距为5 cm。主干管选用通径为76 mm的uPVC塑料管，壁厚δ=3.5～4.0 mm，要求能承受400 kPa的压力，单根长度一般为4～6 m。滤管可用通径为50 mm的uPVC塑料管，壁厚≥1.2 mm，滤管布置间距不大于 6.5 m。铺设滤管时可以根据现场实际情况对二通、三通、和四通的数量和形状做适当调整，但确保滤管排水通畅。外包一层质量为90 g/m2的无纺土工布作为过滤层，要求无纺土工布渗透系数K＞5×10-3cm/s，只透水气不透砂；包裹滤管的无纺布应无破损，包扎严密。在管路位置开挖滤管沟，沟深约30 cm，再一边挖沟一边埋管入沟，入沟深度25 cm，并用中、粗砂填平。

2）真空测头的埋设

真空管在埋入砂垫层之前，主管及其它监测仪器的出膜装置的开口部分暂时用布包好，防止砂子进入管内。

真空测头埋设于具有代表性的两滤管之间，置于真空滤管之间砂层0.25 m深处，并离开加固边界不小于5 m。真空细管另一端从密封膜引出，制成喇叭口和真空表相连接，以直观反映膜下真空度。按1 000 m2一个测点进行均匀布置。

3）铺设土工布、密封膜

真空管路铺设完成后，进行土工布铺设。本工程所用土工布为200 g/m2的短纤针刺无纺土工布。

为了保证更好的形成密封体，本工程密封膜采用三层厚度为0.16 mm的聚氯乙烯薄膜，要求在工厂热合一次成型。按区域先后顺序分层铺设，每层膜铺完成后技术管理人员检查膜是否完好，发现有破裂处，及时用清水清洗干净，再用胶水贴膜补好。为确保密封效果，将密封膜踩入密封沟中，先踩第一层膜，踩入深度不小于1 m，踩完第一层膜后开始踩第二层膜、第三层膜。

4）安装真空泵

本工程选用的抽真空装置为IS型真空泵系统，真空射流泵要求额定功率不小于7.5 kW，且能形成不小于 0.096 MPa的真空压力满足真空预压的要求。按照1 000 m2布置一台真空泵，沿着周围均匀布置40台真空泵，配备4台真空泵维修代换。

5）真空预压抽气

安装好真空泵系统（将水泵、水箱、闸阀、截止阀、出膜口连接好），将自变压器→真空泵处漏电开关盒→真空泵的电路接通后，空载调试真空射流泵，当真空射流泵上真空度达到0.098 MPa以上，先进行试抽真空。在膜面上、密封沟处仔细检查有无漏气情况，发现后及时补好。如果在试抽过程听到有“嗡、嗡”的声音，必定有漏气的地方。有时声音不会很大，因此必须整个区域的密封膜和密封沟详细检查，发现破裂处及时进行修补。

技术管理人员逐台检查真空泵系统连接处，要保证在关闭闸阀的情况下，泵上真空度能达0.098 MPa，以确保真空泵系统发挥最佳功效，以减少功效等方面不必要的损失。

当膜下真空度提高到 85 kPa后，开始恒载计时。抽真空维护期间，每天现场值班人员按要求时间，对真空度予以记录，并对设备运转情况、供电情况及其他真空预压施工情况均要进行详细记录。

6）真空联合堆载预压施工工艺要点

堆载必须按照要求进行分层施工并采取妥善保护密封膜的措施进行施工。保护好密封膜是一道非常关键的工序，也是整套工艺的重中之重。应慎重考滤堆载施工的施工工艺及方法，保证密封膜不受损坏，进行精细化管理。

膜下真空度确保在85 kPa以上，所有的真空泵24小时运行不得停泵（包括以后），在抽真空15天后，在真空密封膜上面铺设一层200 g/m2的无纺土工布。为了避免陆上运输车辆在上面跑动，破坏了密封膜，采用水运船舶运输在真空膜上面吹填50 cm厚中、细砂。在吹填时，不仅要做好排水措施，把水排除干净也是此工序的重点，因为细砂含有水时是没有硬度，在填土过程中堆载料难免掺入了较大石块等尖硬物料，随着堆载施工车辆跑走而引起块石沉至砂层底，扎坏了密封膜。还要多移动吹砂管头以控制厚度为50 cm，吹填完毕后人工采用砂铲进行细平。

7）堆载料的转换

堆载区加载施工设计要求如下：为了确保边坡稳定，第一层为中细砂和石粉，中细砂厚度为0.5 m，石粉厚度为0.6 m，第二层层为石粉1.5 m，第三层为石粉 1.5 m，堆载料回填应比较均匀地进行，减少对排水层的不均匀挤压，以免破坏排水层的连续性，特别注意堆载过程中对密封膜的保护，堆载边坡采用 1：2。

开始，因为本工程在设计阶段附近存放大量的石粉，综合考滤以石粉作为堆载料，节省施工成本。到本工程进入堆载期，由于石粉短缺，在荷载不变的情况下，又将石粉变更为回填土。于是根据总荷载不变，知道土与石粉的密度及填石粉的高度就能推算出填土的高度。

石粉的密度17 kg/m3，计算土的密度推算公式如下：

ρ土×H土=ρ石粉×H石粉

H土=ρ石粉×H石粉/ρ土

式中：

ρ土为土的密度（kg/m3），计算至0.01；

H土为填土的高度（m），计算至0.01；

ρ石粉为石粉的密度（kg/m3），计算至0.01；

H石粉为填石粉的高度（m），计算至0.01。

求密度公式：

ρ=m/v

式中：

ρ为密度（kg/m3），计算至0.01；

m为重量（kg），计算至0.01；

v为体积（m3），计算至0.01。

按照以上的公式可以推出填土的高度。

8）堆、卸载施工

堆载和卸载的施工顺序：合理安排好堆载和卸载的施工顺序，是关键的环节。因本工程淤泥层较厚，如果没有合理安排堆载和卸载的施工顺序会直接导致临时护岸坍塌或出现严重的位移，后果都是不堪设想，会造成严重的经济损失。出于这方面的考虑，在堆载前先安排好施工顺序：由北往西，由南往东分层堆载。同样在卸载前也按照已安排好的施工顺序：由西往北，南往东分层卸载，详见图一。按计划好的施工顺序进行施工，由测量人员放样出堆载的边线和厚度控制标志，土由自卸汽车运输至施工现场，施工员根据堆载厚度控制标志指挥车辆倾倒，并指挥推土机配合平整、碾压。堆载严格按照分层和设计要求的分级加荷速率和分级加载时间间隔控制分级堆载。

9）加载速率控制

在堆载过程，必须进行分层堆载并以荷载控制为主进行施工，控制好加载速率也是关键的环节。

a.地表沉降速率≤30 mm/d，当加固区边界处表层沉降标或边桩沉降超过40 mm/d时，须做出警戒；

b.水平位移（测斜和边桩）：位移速率≤5 mm/d；

c.孔隙水压力：∑△U／∑△P≤0.5～0.6。

同时，要做好工程的监测工作，在加载过程和卸载时间应根据监测结果进行调整。有异常情况发生，马上停止施工查清原因，采取有效的措施后再施工。避免或减少出现坍塌和位移的现象。

10）工程的监测

本工程委托勘察单位对软基处理过程进行监测，监测工作如下：表层沉降监测、深层位移监测（测斜管）、地下水位监测、孔隙水压力监测、分层沉降监测、十字板剪切试验、加固后钻孔取样及土工实验、载荷板试验等八大部分监测内容工作。

4 监测结果

珠海港洪湾港区二期工程（第一阶段）采用真空预压联合堆载加固地基施工工艺，处理后经过监测、检测结果表明如下：

1）后期沉降盘的沉降速率较小，连续10天沉降速率均小于2 mm/d；

2）A区已发生的沉降量为1 093～2 180 mm。双曲线法推算最终平均沉降量约1 786 mm，地基平均固结度为96.4 %，与设计推算的累计沉降量较吻合，说明该区固结度已满足设计要求；

3）B区已发生的沉降量为1 531～2 227 mm。双曲线法推算最终平均沉降量约2123 mm，地基平均固结度为96.26 %，与设计推算的累计沉降量较吻合，说明该区固结度已满足设计要求；

4）加固前后十字板强度、加固前后土工试验数据对比显示，地基加固后抗剪切强度明显提高，土体物理力学指标明显改善。

5 结 语

珠海港洪湾港区二期工程（第一阶段）采用真空预压联合堆载法进行软基加固处理，施工过程中未出现异常情况，工程处于安全可控状态，后期各监测指标已趋于稳定，软基处理效果良好。

针对本工程地质的特点，相对于水泥深层搅拌法、挤实砂桩法、换填法、堆载预压法、真空预压法等加固地基处理方法，真空预压联合堆载法有以下优越性：

1）真空预压联合堆载法由于抽真空发生向内收缩变形，堆载的自重可以增加荷载而不会产生土体挤压破坏；另外，抽真空可以代替相应的荷重，而降低填土的高度，减少堆载的总土量，从而减少了土源的开采，有利于环境的保护。大大减少了机械开采、运输地排污气。

2）真空预压联合堆载法可以在预期的时间内达到加固处理效果，缩短了施工工期。

3）真空预压联合堆载法比换填法、水泥深层搅拌法、挤实砂桩法更为经济。

根据真空预压联合堆载加固地基的施工实践，施工过程中要掌握如下几个关键要点：

1）做好水平排水（砂垫层）及竖向排水（塑料排水板），保证排水通畅。

2）密封墙及密封膜确保不泻气，形成一个密封体并采取一系列真空膜保护措施。

3）所有真空泵必须24小时不断的抽真空并配备足够的抽空泵以便维修更换。

4）勤于检查膜下真空度，发现未达到要求及时检找原因采取补救措施。

5）根据现场的实际情况，计划、安排好堆载和卸载的施工顺序。

6）堆载必须分层堆载并以加载速率控制为主。

7）做好监测工作，发现异常情况及时停止施工，查清原因后或采取措施再进行施工。