软土地基增压式真空预压快速固结法施工技术*

苏培奇,郭军强,张季超,张 岩,王亚辉

(1.广东省基础工程集团有限公司,广东 广州 510620; 2.广州大学土木工程学院,广东 广州 510006)

0 引言

真空预压技术在软土处理中得到广泛应用,但其使用过程中也存在一些问题,包括施工过程中抽真空一段时间后排水几乎失效、砂垫层成本高等。真空预压工艺采用砂垫层作为水平排水通道和袋装砂井或排水带作为竖向排水通道、分散式射流真空泵作为抽真空设备,该工艺已不满足目前节能、环保和高效的要求。基于此,研究了一种软土地基增压式真空预压快速固结法施工技术。

1 软土地基快速固结法的技术原理

软土地基快速固结法是在综合了现有的增压式真空预压技术、直排式真空预压和水气分离技术等基础上形成的一项组合技术[1-6]。

1.1 反复增压提高渗透系数

传统式真空预压、直排式真空预压在排水固结过程中,由于土体颗粒还是存在明显的散体结构,细小颗粒随渗流的水堆积在排水通道附近,形成“土柱”,这些土柱渗透系数更小,导致排水效果明显下降,宏观表现为即使不断地抽真空,通过排水板的排水量也必然减少。为了更好地解决这个问题,出现了增压式真空预压技术,渗透系数很小的淤泥层通过反复多次增压处理,破坏土柱和已部分固结的淤泥层部分结构形成较好的排水通道。

在真空预压过程中出现排水量明显下降后,使用注气增压工艺,利用气压差(1～4个大气压)影响从地面至增压管(增压管长约5 m)底部以下2～3 m内的软土,形成由增压管至排水板的连通性良好的空间网状排水通道,极大地增大了该范围土层的固结系数,达到快速固结的目的。

施工过程中根据实际情况主动附加的增压式处理软土,可以使固结系数增加10倍以上,这是软土快速排水固结模型的重要计算参数,也是对该技术化繁为简的整体表现。

1.2 系统减阻确保节能增效

选用沿途阻力系数较小的真空配套管道、水气分离设备和集中抽真空等减阻节能增效措施[7],可以助推软土快速固结。

1)采用φ25PVC螺旋钢丝软管支管和φ50PVC螺旋钢丝主管取代传统工艺的砂垫层及滤管,主支管均设于膜下,具有一定的柔度和刚度,1个大气压作用下变形较小,另外其柔度可以适应平整度不好的场地,方便施工,其沿程损失大幅减少,确保远端也能达到80 kPa以上的真空度。

2)采用的防淤堵排水板为整体式排水板,由于采用刚度较大、不易弯折的材料且光洁度较高,其沿程损失相比于袋装砂井也较小,约为2 kPa。

3)采用集中式抽真空取代分散式的射流真空泵,其中经过水气分离罐分离后的空气通过φ75PVC抽真空主管(该管基本是传送空气的,水气分离之后,水就近落在水气分离罐下面),水气分离罐与水环式真空泵相连,通过膜上栈桥式连接,采用弯道少、直径稍大、内表面光洁度较高的材料可以大幅降低真空度的损失(见图1)。

图1 集中抽真空示意Fig.1 Centralized vacuum schematic

1.3 合理选材增强密封性能

通过合理选用土工布、密封膜和压膜沟及特殊部位的施工控制措施,提高真空预压体系的密封性能,这些措施为快速固结提供可靠保障。

1)土工布、密封膜的合理选用

排水板插入完成后,地表存在以下障碍物:①针刺状硬物、树根、尖锐石块等;②局部曲面较大的土块、凹陷地段;③PVC钢丝软管难免发生交叉出现局部堆叠的现象,形成一个较小的高差。如果按一般的平整度标准,采用砂垫层调平,按现行规范要求,传统工艺砂垫层上铺3层密封膜(上层膜易受环境影响,中层膜最安全、作用最大,下层膜易刺破),但会耗费大量的人力。

由于本工艺立足快速固结的目标,真空作业约2个月,可以省掉砂垫层,根据现场特点,密封膜有一定的适应变形能力。采用较厚实的编织土工布与短纤针刺土工布,外加2层聚氯乙烯密封膜,可以适用于局部高差不大于25 cm的施工现场;整幅密封膜可以加快施工进度,减少接口。

当膜下的真空压力稳定在80 kPa以上后,再往膜表面进行覆水,可以起到密封、加载、膜保护和方便快速发现膜细微漏气点的作用。

2)压膜沟及特殊部位施工控制

压膜沟为待处理范围外一定范围内开挖的沟槽,槽底深入不透气层≥0.5 m,并把组合式密封膜延伸至坑外,之后覆水处理(见图2)。

图2 密封沟处理细节Fig.2 Details of seal ditch treatment

把接头、管道等尽量藏在密封膜下,减少出膜接头数量,主要利用水气分离罐下部作为真空主管的集中连接部位,水气分离罐与膜下真空管关系如图3所示,此步骤为特殊部位控制的关键。

图3 水气分离罐与管线关系Fig.3 Relationship between water and gas separation tank and pipeline

其他装置包括膜下真空度监测仪、地下水监测等有关仪器设备,采用出膜装置,减少对密封膜开孔的影响,出膜装置主要采用法兰连接。

2 工程应用

2.1 工程概况

以汕尾高新区红草园区配套基础设施文体中心项目为例,该项目软基处理面积为27 109 m2。岩土分布情况:①素填土 以黏性土、砂土为主,含少量碎石等,局部填石块径较大,堆填时间约3年,欠压实,层厚1.80～7.30 m。②淤泥 灰黑色,流塑,具高压缩性,以黏粒、粉粒为主,海积成因,层厚2.70～10.20 m,本项目相关土层力学性能指标如表1所示。

表1 压缩层岩土力学参数Table 1 Geotechnical mechanical parameters of compression layer

工程要求十字板强度平均值>25 kPa,地基承载力特征值≥80 kPa,20年工后沉降<200 mm。

2.2 施工工艺流程

场地塑料排水板点位整体呈正方形布置,其间距为0.8 m,打设深度为12 m,增压管以2.4 m间距正方形布置在相邻塑料排水板旁边,插打埋深4 m。增压式真空预压施工工艺流程如图4所示。

2.3 主要操作要点

1)整体式塑料排水板打设

塑料排水板打设与传统工艺类似,主要考虑本工程场地有1层含石块的填土,需要局部先引孔作业,然后再正常打设整体式排水板。

2)增压管埋设

增压管(板带)以2.4 m间距正方形布置在相邻排水板旁边,增压管长5 m,埋深1 m,即增压管打设深度为4 m,增压管与增压系统直接连接均通过水气分流罐相连至膜下。经过引孔后,该工艺采用人工方式插入。

3)基槽开挖

压膜深度应进入不透水层至少50 cm,压膜沟开挖根据现场实际情况而定,开挖过程中注意软土沟槽的边坡稳定性监测。

水气分离罐的沟槽开挖与设计罐体的大小有关,主要考虑该部位土体回填要做好夯实,避免罐体运转后振动过大影响连接管的气密性。

4)铺设真空管

排水板施工结束后,用四通手型接头将2根排水板连接在一起,依次将所有排水板连接好,然后用φ25 PVC钢丝软管按照设计图纸将四通手型接头连接在一起作为真空支管,每条真空支管通过专用小四通汇集到真空主管,真空主管在适当位置设置φ50的正三通分别与相应的真空射流泵连接,最终组成真空系统(主管采用φ50 PVC钢丝软管,支管采用φ25 PVC钢丝软管)。

根据现场场地情况布设水气分离装置,每只水气分离装置控制面积约6 000 m2。在布设水气分离装置的同时埋设膜下监测测头,真空测头布设在真空支管内,按场地形状均匀布置,约5 000 m2布置1个点。

增压式真空预压处理的各区主管布设间距不宜大于25 m,真空主管通过水气分离罐与机械真空泵连接,出膜位置连接必须牢固,密封可靠安全,连接好后,开启真空泵测试连接部位是否有漏气现象。

5)铺设土工布、密封膜

施打排水板前,尽量把针刺状硬物、树根、尖锐石块等易刺破密封膜的杂物清理掉,然后对场地进行整平,要求场地小范围局部高差控制在25 cm以内,能提供一个平滑的过渡曲面,最大限度地防止密封膜的突变、刺破或过度拉伸破坏。

先铺设1层编织土工布和1层无纺土工布(铺设方法同编织布),再铺设密封膜,密封膜采用2层聚氯乙烯薄膜。密封膜单层厚度为0.12～0.16 mm,共铺设2层,采用聚乙烯或聚氯乙烯薄膜,分单层压入压膜沟沟底50 cm以上。密封膜要求在工厂一次热合成型,施工采用多人快速施工。

在加工密封膜时,膜的大小应考虑埋入压膜沟部分,并根据实际情况预留足够的地基不均匀沉降变形富余量,防止密封膜拉裂。铺膜过程中,随铺随用砂袋进行压膜,防止起风将铺好的膜卷走或撕裂,在铺膜完成的同时安装少量的抽真空泵将膜吸住。压膜深度应进入不透水层至少50 cm,压膜沟开挖宽2 m,深度按实际情况考虑,超过一定深度按深基坑要求实施,后用黏土填压或覆水密封。

6)集中式抽真空

采用水环式真空泵机组,每套机组包含2台水环式真空泵,一开一备用,单机功率55 kW,单机抽真空压力不小于95 kPa。开始抽真空时应控制抽真空速率,可预先开启约半数的水气分离罐,然后逐步增加水气分离罐的工作台数,检查有无漏气现象,并进行修补工作。

本工程有一定厚度的填土,对抽真空的瞬时破坏有限制作用,但为了安全起见,采用缓慢升高真空度的加载方式(期间顺便检查抽真空系统的气密性),使真空度缓慢上升,直至80 kPa。

恒压抽真空阶段,连接排水阀的自动止回阀会始终处于关闭状态,水气分离罐里面的真空度就会比较高,借助集水口把真空度传入真空管系统里面。在排出土体中的水和气体的时候,可以使用排水板将其从真空系统集中到水气分离罐里面,最终将其全部排出。

抽真空过程中,应随时观测记录真空泵及管内的真空度,如出现真空度降低的情况,要及时查明原因,并进行处理。

7)间歇式增压作业

抽真空至80 kPa以上,连续抽真空至出水量明显减少或周平均沉降量减小至60 mm,开始降水增压施工。

降水增压采用间歇式,施工时气压控制在1～4个大气压(具体根据场地实际情况进行调整,可以分两个步骤进行,首先连通大气,如果排水正常可以不用开启空压机增压,气压随着排水量减少而加大,过程做好数据分析,以此反馈真空预压的设计与施工),待真空度减小10 kPa时停止增压,再次维持抽真空至80 kPa以上至出水量减少时,再次增压施工。一般24 h增压施工1次,每次2 h,增压施工往复循环15次左右,周平均沉降量降至35 mm以下可以停止增压施工。

8)卸载

通过监测结果,达到设计卸载要求可停泵卸载,真空预压卸载标准:按实测沉降曲线计算的固结度≥90%;连续5天地表实测沉降速率<2 mm/d。

3 软基处理监测

本工程由于软土层厚度不一,各观测点数据存在一定程度的离散,但也反过来证明其处理效果与淤泥层厚度关联度高,最终处理结果均能达到设计要求。

3.1 施工过程主要监测成果

1)插板至铺膜期间沉降量为0.1～0.18 m,抽真空与增压式联合抽真空期间,观测的沉降在0.44～1.069 m,各孔总的地表沉降在0.605～1.169 m。

2)水位沉降各孔累积沉降幅度在2.469～4.649 m。

3.2 完工后检测成果

在完工后10天,对增压式真空预压处理效果进行平板荷载和十字板剪切试验,指标达到设计要求(见表2,3)。

表2 平板荷载试验结果Table 2 Results of plate load test

表3 十字板剪切试验结果Table 3 Results of vane shear test

4 效益分析

4.1 经济效益

相对于传统式真空预压,增压式真空预压快速固结技术所涉及的工艺具有一定的直接经济效益,以本项目为例进行经济效益分析[8],如表4所示。

表4 技术经济效益分析Table 4 Technical and economic benefits analysis

从表4可知,增压式真空预压快速固结技术相对于传统式真空预压技术在节省了2个月工期的基础上,节约了140.7万元总费用,经济效益良好。

4.2 社会效益

经过增压式真空预压快速固结处理,可以快速插入桩基础施工,保证桩的摩阻力有效提高及基本消除欠固结软土的负摩阻力,从工期、造价和提高工程可靠性方面考虑,该技术有明显优势,具有良好的社会效益。

5 结语

1)增压式真空预压快速固结技术经过国内专家学者的多角度探索,相关技术有了一定的发展,配套工艺、设备和材料可为该技术提供有力保证。

2)本工程实例严格按照快速固结法的内在规律进行施工,总体施工工期缩短2个月。

3)对比传统真空预压工艺的高能耗、高成本和施工质量难以控制等缺点,真空预压快速固结法对增压范围的软土有主动控制的能力,结合节能增效及可靠的密封措施,使该工艺在大面积较厚软土的处理中有较好的推广应用前景。