真空预压垂直塑料膜密封墙工艺及其应用

左志刚，张 哲，李伟昊，相如昕，崔广开

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院有限公司，天津 300456)

真空预压加固软土地基具有造价经济、节约工期、施工便利等优点，近年来在沿海工程中得到广泛应用[1-5]。众多学者通过深入的研究，促进了真空预压工艺的发展：蔡学石[6]等通过研究发现采用长短板相结合的分布方式较单一长度的排水板处理方式可以更好地处理低渗透性软黏土。邓岳保[7]等通过研究发现真空预压联合加热技术可以显著加快淤泥质土等超软土的固结过程。董志凌[8]等提出吹填砂性土法可以有效提高真空预压处理含有软弱土夹层的软土的效果。祝文龙[9]等开发了蓄能式真空预压排水系统，解决了真空预压高能耗的问题。

近年来，关于真空预压边界密封方法的改进吸引了一批学者进行研究[10-12]，在规范[13]的基础上对真空预压的边界密封方法进行了改进。规范[13]提供了在真空预压边界处采用压膜沟进行密封的方法，该方法适用于边界处透气土层较浅的工况，当透气土层较厚或软基深处含有透气夹层时，很难开挖到不透气土层，此时压膜沟法不再适用。目前工程界应用最多的方法是在真空预压软基处理区域边界处施打一圈黏土密封墙用于密封[10-12]。黏土密封墙通过搅拌机的搅头在真空预压区域边界处对土体进行上下切割搅拌，并将事先拌制好的泥浆通过搅拌机搅头附近的泥浆管泵送至搅松的土体内进行拌合。泥浆与原位土体混合后可以降低土体渗透系数，将原来的透气土体转化为不透气土体，形成一堵“墙体”，然后将真空预压区上部的密封膜埋入黏土密封墙墙体内，使真空预压区域形成密闭环境。

黏土密封墙虽然可以解决真空预压软基处理区域边界处透气土层较厚或软基深处含有透气夹层时的边界密封问题，但工程实践表明该方法存在以下缺点：(1)需事先对真空预压区域边界处的土体进行取样做配合比试验，工序较为复杂。(2)真空负压作用下，黏土密封墙中的黏土颗粒将沿土体间孔隙向真空预压区内流动，致使黏土密封墙黏粒含量下降，严重时将影响密封效果，可靠性较低。(3)黏土密封墙通常采用往复式上下搅拌的方法来拌制“墙体”，施工效率较低，工期较长。(4)黏土密封墙干燥后，密封膜不易埋入墙体内，要求黏土密封墙施工完成一小段，密封膜随即埋入一小段，对后续掩埋密封膜工序衔接要求较高。

基于上述问题，提供一种当真空预压软基处理区域边界处透气土层较厚或软基深处含有透气夹层时，具有操作简单、施工方便、可靠性高、能够快速在边界处形成密封条件等优点的方法具有重要的现实意义。本文基于工程实例，在无相关规范可循、无类似工程实例可供参考的情况下，通过探索将垂直塑料膜密封墙工艺应用到该工程的真空预压边界密封措施中。该工艺克服了上述黏土密封墙的诸多缺点，经加固后效果检测，软基处理效果理想。

1 工程概况

为满足港口运营需要，我国南方某港口二期工程通过水力吹填形成陆域面积约12.8万m2，软基处理后用于建设散杂货堆场。吹填区原位处有约8 m厚度的沉积软土，吹填厚度9 m，待处理软土厚度合计约17 m。

本工程采用了深浅两次真空预压相结合的方式对吹填软土进行处理，浅层软基处理阶段通过直排式真空预压方法对表层4 m土体进行了处理，为后续深层真空预压提供了作业条件。深层软基处理阶段，因本工程软基处理区域边界处透气土层较厚且软基深处含有透气夹层，采用了垂直塑料膜密封墙工艺对真空预压区外边界进行密封的方法。

吹填区分为6个分区，吹填区周边采用垂直塑料膜密封墙进行密封，吹填区内各个小分区之间采用压膜沟进行密封(图1)。选取第3分区进行研究，地质情况如图2所示。该分区由上至下4.65～-3.18 m为淤泥质土，-3.18～-4.35 m为粉细砂夹层，-4.35～-12.35 m为淤泥质黏土，下部为粉土。

图1 真空预压平面分区图Fig.1 Vacuum preloading plane division

图2 第3分区土层分布图Fig.2 Soil distribution of division 3

淤泥质土和淤泥质黏土力学指标见表1，淤泥质土含水率33.4%，粘聚力c=6.9 kPa，内摩擦角φ=2.0°；淤泥质黏土含水率为52.3%，粘聚力c=5.9 kPa，内摩擦角φ=1.6°。两层土含水率较高、抗剪强度指标较差，需对上述两层土进行处理。现场排水板施工底高程在粉土顶部以上0.5 m，即-11.85 m。因塑料排水板穿过粉细砂夹层，将会对真空预压的密封性产生影响，因此在真空预压外边界处需采取密封措施。

表1 土体力学指标表Tab.1 Index table of soil mechanics

2 垂直塑料膜密封墙工艺

本工程真空预压各分区之间采用压膜沟进行密封，属常规工艺，文章不再详述。真空预压外边界采用垂直塑料膜密封墙进行密封，相关工艺结合图3进行说明。

图3 垂直塑料膜密封墙结构图Fig.3 Structural drawing of vertical plastic film sealing wall

(1)根据设计图纸，采用测量设备放样出真空预压加固区边线，并将其作为垂直塑料膜密封墙的轴线。

(2)采用锯槽机沿垂直塑料膜密封墙轴线开槽，沟槽宽度为0.2～0.3 m，深度应穿过粉细砂夹层并进入淤泥质黏土层顶面高程以下1.0 m，本工程沟槽深度h=4.65 m+4.35 m+1 m=10 m。

(3)备好厚度为0.3～0.4 mm的聚氯乙烯塑料膜，塑料膜宽度取5～10 m，长度为沟槽深度再加富裕长度2～3 m，本工程塑料膜长度取12～13 m。将塑料膜长度方向的一端套在备好的坠重木杆上，操作过程中应确保塑料膜不发生破损。

(4)将套有塑料膜的坠重木杆水平缓慢放入已开好的沟槽中，直至坠重木杆下放至沟槽底部，在此过程中塑料膜将随坠重木杆进入沟槽中。下放时，应确保塑料膜紧贴沟槽内侧沟壁。下放完成后，塑料膜有2～3 m长度外露于地表。

(5)按照前述步骤完成整个真空预压外边界垂直塑料膜的铺设，相邻塑料膜之间搭接0.3 m，用胶水粘合。

(6)向沟槽中填入湿黏土并压实。

(7)待真空预压区上部密封膜铺设完成后，将塑料膜的地上预留段与真空预压场区内的密封膜用强力胶粘合，粘接宽度不应小于1 m，并确保不漏气。

3 工艺效果

本工程设计要求膜下真空度不小于85 kPa，真空抽气时间120 d，经真空预压加固后土体应变固结度不小于85%，地表承载力不小于80 kPa，最后5 d平均沉降速率不大于2 mm/d。经加固后效果检测，软基处理效果达到了设计要求，文章选取第3分区进行说明。

3.1 膜下真空度

真空抽气期间膜下真空度均稳定在85 kPa以上，说明采用的垂直塑料膜密封墙工艺可以确保真空预压期间场地的密封性。

3.2 加固效果

3.2.1 沉降和固结度

本工程打板期间沉降量为1 350 mm，真空预压抽气期间第3分区沉降曲线如图4所示。由图4可知真空抽气开始阶段，沉降速率较大，接近20 mm/d，抽气超过90 d后，沉降速率显著减小，最后5 d平均沉降速率约为1.3 mm/d，达到了设计要求的不大于2 mm/d的要求。

图4 沉降曲线图Fig.4 Settlement graph

真空预压结束后，土体最终沉降量采用下式[14]进行计算

(1)

式中：S∞为包含打板期间沉降的最终沉降量；S0为满载开始时的实测沉降量，本文取打板期间沉降量1 350 mm；β为计算参数，根据实测资料确定，计算示意图[14]见图5，图5中St代表满载后不同时刻t的实测沉降量。

图5 β值求解示意图Fig.5 Sketch of β-value calculation

根据实测沉降数据和图5求得，β=8.193×10-4，根据式(1)求得第3分区最终沉降量S∞=2 570.5 mm。

真空预压满120 d卸载时，地基土的固结度采用下式进行计算

(2)

式中：U代表固结度；ST为真空抽气卸载时包含打板期间沉降的总沉降量，本文取2 280 mm，其中打板期间沉降1 350 mm，真空抽气期间沉降930 mm；S∞为包含打板期间沉降的最终沉降量，前述内容已经求得S∞=2 570.5 mm。

根据式(2)求出土体固结度U=88.7%，达到了固结度不小于85%的要求。

3.2.2 含水率、抗剪强度

第3分区加固前后土体含水率和抗剪强度的变化情况见图6和图7。由图6可知，真空预压加固后，土体含水率显著下降，整体均在38%以下。由图7可知，真空预压加固后土体抗剪强度大幅度提高，最小提高近20 kPa，最大提高约30 kPa。

图6 含水率变化图 图7 抗剪强度变化图Fig.6 Variation of moisture content Fig.7 Variation of shear strength

3.3.3 表层承载力

真空抽气结束后，现场采用平板载荷试验测定地表承载力，方形承压板边长b=0.5 m，最大加压荷载P=160 kPa，试验过程中承压板周围土体未发生侧向挤出现象，第3分区平板载荷试验p-s曲线见图8。图8可以看出p-s曲线未出现陡降段，整体较为光滑，最大加压荷载160 kPa下土体累计沉降值为7.49 mm。根据规范[15]，可确定处理后地表承载力特征值不小于0.5倍的最大加压荷载，即80 kPa，达到了设计要求。

图8 平板载荷试验p-s曲线Fig.8 The p-s curve of plate loading test

3.3 工程效益

(1)垂直塑料膜密封墙无需像黏土密封墙一样沿真空预压软基处理区域边界取土样进行配合比试验来确定所需泥浆的浓度和拌制泥浆时黏土的掺入比例，工序较为简单。

(2)垂直塑料膜密封墙由渗透系数很小的黏土和埋入闭气墙的塑料膜组成，塑料膜与黏土共同作用进行密封，效果更加可靠。

(3)经现场测算，垂直塑料膜密封墙与黏土密封墙工程费用接近，均在100元/m2左右,但垂直塑料膜密封墙无需像黏土密封墙一样采用往复式上下搅拌的方法来拌制“墙体”，仅需采用较为灵巧的开槽机开槽，放入塑料膜后用黏土压实即可。根据工程经验，黏土密封墙的施工效率约为150 m2/d，本文垂直塑料膜密封墙的施工效率约为400 m2/d，相较于黏土密封墙，可以节省工期。

(4)垂直塑料膜密封墙的塑料膜铺设完成后，无需立即同真空预压区上部的密封膜相粘合。若真空预压区上部密封膜还未铺设完成，可先将外露的塑料膜做好掩护，待密封膜铺设完成后再将二者粘合即可。与黏土密封墙相比，垂直塑料膜密封墙对后续掩埋密封膜工序衔接要求低。

4 结论

(1)与黏土密封墙相比，垂直塑料膜密封墙工序简单、可靠性好、施工效率高、对后续掩埋密封膜工序衔接要求低。

(2)基于本工程实例，真空预压软基处理区域边界处透气土层较厚或软基深处含有透气夹层时，垂直塑料膜密封墙可用于真空预压边界处的密封，且可以保证真空预压软基处理效果。