水气分离抽真空技术在软土地基处理施工优化的研究

◎ 刘云雷 中交广州航道局有限公司

1.工程概况

1.1 概述

某工程位于厦门市沿海地区为吹填造地后软基处理工程。根据地勘资料显示该施工区域系吹填造地陆域形成地块，主要结构层为吹填淤泥、淤泥、中砂及粉质黏土。淤泥未完成自重固结，属欠固结土，具有天然含水量高、孔隙比大、强度低的特性，属高压缩性、低强度软弱土，工程性能差。为保证地基处理效果，采用水气分离式真空预压施工[1]进行软土地基处理。为确保本工程地基处理施工质量和安全，在大面积施工前，选取具有代表性的区块开展典型试验施工，典型试验区面积为30320m2。通过本次典型施工达到目的如下：①确定水气分离式抽真空工艺的可相关施工工艺参数、单泵处理的最佳面积及达到设计承载力要求的抽真空时间；②根据现场实际优化施工参数，包括泥浆配合比、搅拌提升速率等，通过抽真空来验证密封墙的闭气效果；③根据现场实际情况，验证泥浆搅拌墙施工工艺参数。

1.2 施工部署

工程依据从下到上的施工原则，依次完成各道施工工序，先在施工区进行土工垫层（竹笆、编织布、土工格栅）铺设，然后回填1.0m厚含泥量小于5%的中粗砂作为排水垫层，待回填完成后打设排水板同时开始泥浆浆板墙施工，密封墙施工时采用不同的喷搅工艺进行参数确定，然后依次埋设滤管、分层铺设3层密封膜、安装水气分离设备等施工，设备安装完成后开始抽真空，最后结合监测数据对地基沉降、土体固结度进行分析。

2.真空预压水气分离施工工艺

在真空预压实施过程中需用水气分离装置将土体中抽出的水气混合物分离出来。抽真空设备启动后，在水气分离罐内形成真空压力，真空压力借助于埋设在砂垫层内的滤管、塑料排水板向地基传递，使砂垫层内和土体中垂直排水通道内形成负压，使土体与排水通道、垫层之间形成压差，在此压差作用下，将土体中的孔隙水不断由排水通道排出，通过排水板、膜下滤管向水气分离罐内聚集，水、气在罐体内自动分离，气体通过罐体上端排气口排出，水在罐内借助液位感应装置将罐体内的水通过潜水泵将水排到场地中，从而降低孔隙水压力，增加土体有效应力，加速孔隙水排出，使土体产生固结，强度提高，减少后期沉降，提高地基承载能力。

3.施工优化过程

3.1 泥浆搅拌墙施工

施工设备采用SJB-II 型搅拌桩机，主电机功率55kW，油泵电机功率15kW，电磁调速电机功率18.5kW。搅拌墙采用双排泥浆搅拌桩，单桩桩径700mm，桩距500mm，搭接200mm。为了得到最佳的施工参数，在试验区北侧搅拌墙分为五种不同的喷搅方式进行典型区段施工，每区段长度控制在30m，按照顺序依次组织施工，这期间根据泥浆稠度，适当掺入不同比例的膨润土，确保泥浆的比重≥1.35g/cm3。在每一小段完成施工5～7d后，按每1m桩长为一个单元进行钻孔取芯，送到实验室检测桩体透水性，喷搅参数详见表1。

表1 泥浆搅拌墙施工参数

3.2 真空预压

3.2.1 滤管安装

滤管采用直径φ63cm波纹滤管纵向布置，间距不大于6.0m，采用U型连接，管壁上每隔6cm钻一圈直径φ5mm花孔，外包一层滤布作为过滤层，主管采用φ63cm波纹管横向布置，不做钻孔及外包滤布处理，布置完成后埋入砂垫层，深度约25cm，出膜处采用四通PVC管和出膜口相连接，垂直伸出膜面约30cm。

3.2.2 埋设真空度采集测头

在铺设密封膜前需要在砂垫层中买入真空监测所需的探头，用以监测抽真空施工产生的真空负压。

1）设备装置准备：①工具准备；②监测探头准备；③监测探头保护装置；④埋入式真空预压真空度测量装置；⑤监测用数据无线定时采集传输装置。

2）监测点位：根据方案布设的监测点位进行定位。

3）埋设真空度采集测头：埋设测头时需注意埋设深度。为了降低环境等因素对监测探头精度的影响，结合工程施工中发现的问题，对监测探头进行改进优化，利用PVC滤管形成一个容纳空间，利用耐腐蚀的固定支架将真空检测探头固定在PVC滤管内，滤管两端用海绵封堵并用土工滤布包裹，以达到过滤土颗粒并阻隔土体（水份）中氯离子的目的，确保探头不受周边环境影响可以真实反映膜下真空度，有助于工程的过程质量控制，并且有效延长真空监测探头的使用周期。布置间距按50～70m网络布置并埋设于两滤管之间的砂层0.25m深处，离加固区边界不小于5m。

3.2.3 铺设密封膜

水平密封采用3层膜，依次分层展铺，出膜口留有可收缩富余的密封膜，密封膜展铺完成后将膜体周边分层踩入密封墙内，踩入深度不小于0.5m。具体如下：

1）先测定真空预压区实际形状、面积，根据测定结果进行定制，需注意的是密封膜的大小要考虑埋入密封墙的部分。

2）选择无风或风力较小的时段铺设密封膜（横向密封）等密封装置。

3）铺设前应清理场地内的尖锐物，避免刺破密封膜影响密封效果。

3.2.4 安装水气分离设备

施工选用水气分离式真空预压系统[2]，该系统设置两个电机接口，单机功率分别为7.5kW和5.5KW，单台控制面积按5000m2进行布置。罐体进水口和出膜口保持同一平面，以保证真空泵能发挥到最大功效。每台水气分离罐设置5个进水管，在试抽真空期间，开启4个进水管，预留一个备用。

3.2.5 真空预压抽气

设备和电缆安装架设完成后，空载调试水气分离设备，当水气分离罐上真空度达到96kPa以上，开始试抽真空，在抽真空过程中，通过止水阀控制进入罐体水量，直至膜下真空度达到设计要求，即泵机功率与抽真空覆盖面积匹配。

1）开始阶段必须严格控制抽真空速率，调低电接点真空表设定的上限值，避免真空预压对加固区周围土体造成瞬间破坏或形成集中“土柱”效应。

2）恒载时，重新调节电接点真空表设定的上下限值，确保膜下真空度必须达到设计要求。

3）建立巡查小组，负责现场真空预压施工情况的监控。通过膜下真空度等各项监测数据，实时掌握抽真空作业施工情况，及时处理异常点。

异常情况处理：抽真空作业期间需注意现场设备维护及施工巡查，当罐体、膜下等各处真空度开始变化后，通过真空表等监测设备监测现场抽真空作业施工动态，出现异常情况需及时处理，避免影响恒载计时，同时对施工区连续监测并及时跟踪记录。监测主要包括：膜下真空度监测、地表沉降监测、十字板剪切检测和载荷板试验检测。

卸载：卸载标准通常有满载预压累计时间、土体固结度、沉降速率、预测工后沉降等指标，待恒载抽真空作业满足设计指标要求后，及时进行卸载。

4.施工效果分析

4.1 泥浆搅拌墙施工参数分析

根据试验段泥浆搅拌墙取芯报告显示，成桩完成7d后，桩体基本稳定，泥浆搅拌桩渗透系数为0.698×10-6～0.592×10-5cm/s，符合设计要求（<1×10-5cm/s）。可见泥浆搅拌墙的密封性能良好。因此泥浆搅拌桩可结合现场地质情况采取四喷四搅的施工工艺，按照下搅速率1.5m/min、上搅速率1.0m/min控制组织施工，在土质密实区域，按六喷六搅的工艺组织施工。在泥浆制作取泥区，根据试验报告显示泥浆掺入比达到70%，在确保泥浆比重大于1.35g/cm3的情况下，适当了降低了膨润土掺入比例，未影响密封墙的渗透性能。

4.2 地表沉降观测成果分析

B6117区共埋设20个地表沉降监测点（编号B6117-C1～B6117-C20），B6118区共埋设13个地表沉降监测点（编号B6118-C1～B6118-C13），现取代表点对地表沉降随膜下真空度变化而产生的影响进行对比分析。软土地基在砂垫层及自重荷载下产生少量固结下沉，而后进入真空预压处理阶段（沉降主要发生在本阶段），各测点沉降速率在真空加载初期相对较大，沉降速率最大53.9mm/d，满载后，沉降速率逐渐减小，在满载预压期间，随着时间的推移，沉降速率越来越小，沉降曲线逐渐收敛，各面层沉降观测点的沉降情况基本相似。根据观测结果，截至2019年7月21日各测点累计沉降量为542.7～1457.1mm，最后5d平均沉降速率为0.22～2.08mm/d。2019年7月21日卸载后，各测点均有不同程度的回弹，回弹量为4.6～26.0mm。

4.3 十字板剪切试验检测成果分析

为检验该软基处理区在真空预压期间软土层强度增长情况，在同一位置，对真空预压加固前、后的软土层进行十字板剪切试验[3]，根据现场十字板剪切试验成果，该软基处理区真空预压后软土层抗剪强度明显增大，各项物理力学指标总体上均有一定程度的提高，土体性质改善较明显。各测点试验成果详见图1。

图1 B6117-S2十字板剪切成果前后对比图

4.4 浅层平板载荷检测成果分析

试验加荷方式采用分级维持荷载沉降相对稳定法，加载反力装置为压重平台反力装置，加载级数为8级，承载板尺寸为1.5m×1.5m正方形板，反力采用13个预制砼块，每个约重2.5t，连同钢梁总重量不少于32.5t，所检2个点，最大施加荷载均为120KN/m2,B6117区最大荷载下沉降量为5.09mm，B6118区最大荷载下沉降量为5.23mm，地基承载力特征值均为60kpa.P-S曲线详见图2、图3。

图2 B6117PS曲线

图3 B6118PS曲线

5.结论

（1）泥浆搅拌墙可结合现场地质情况及渗透系数采取四喷四搅的施工工艺，按照下搅速率1.5m/min、上搅速率1.0m/min控制组织施工，同时在确保泥浆比重大于1.35g/cm3的情况下，结合现场实际决定膨润土掺入比例。

（2）水气分离设备单台控制面积为5000m2时，膜下真空度维持可在85～87kpa，同时地基承载力特征值为60kpa。

（3）真空预压试抽阶段建议从空载至满载时间调整为5～10d。