劉祥玉，桂建達(dá)

（中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461））

引 言

海砂、河砂資源過渡開采造成自然資源的破壞，同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的污染，隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的加大，全國各地相繼出臺(tái)了對(duì)自然砂源的限制和保護(hù)措施，工程建設(shè)中砂源供應(yīng)不足現(xiàn)象日漸突出。傳統(tǒng)真空預(yù)壓作為軟土地基處理有效手段沿海工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，但隨著砂源供應(yīng)減少，傳統(tǒng)砂真空預(yù)壓工藝法受到很大限制。無砂法真空預(yù)壓工藝已經(jīng)取代傳統(tǒng)真空預(yù)壓的趨勢越來越明顯。本文以天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)某地基處理工程為例，對(duì)無砂法真空預(yù)壓工藝關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行深入的分析研究。

1 項(xiàng)目概況

本工程位于天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)，渤海23路以東，津晉高速東沿線以南，地基處理面積約66.0萬m2，主要處理吹填造陸淤泥及原地基上部含水率較高，強(qiáng)度較低淤泥及淤泥質(zhì)粘土等。

在地基處理場地直接鋪設(shè)鋼絲軟管作為水平排水通道，分為直徑50 mm主管和直徑25 mm支管。采用塑料排水板作為垂直排水通道，排水板按正方形布置，間距 0.8 m，排水板打設(shè)底高程約為-13.5 m，每兩排水板板頭與相鄰鋼絲軟管采用雙向手型接頭連接。

采用一層150 g/m2編織布+三層聚乙烯或聚氯乙烯薄膜，密封膜要求在工廠熱合一次成型。

一期區(qū)域在滿足交地標(biāo)準(zhǔn)前提下有效滿載預(yù)壓時(shí)間不少于120天。

圖1 真空預(yù)壓斷面

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 計(jì)算方法

1）土體強(qiáng)度增長計(jì)算

本工程為場地為在原海床面吹填形成，表層為近期吹填土，下部為原海床淤泥及淤泥質(zhì)土，上述土層含水量高，土體強(qiáng)度低，為高壓縮性土層。真空預(yù)壓處理可提高有效軟土地基土體強(qiáng)度。

依據(jù)土體強(qiáng)度增長計(jì)算理論，同時(shí)，根據(jù)《水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，地基土強(qiáng)度增量的標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

式中：Cuk為地基或土層強(qiáng)度增量的標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；Urz為地基或土層的平均固結(jié)度；σzk為地基或土層的附加應(yīng)力平均值標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；φcq為地基或土層的固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）。

表1 土體固結(jié)度及強(qiáng)度增長計(jì)算結(jié)果

2）地基沉降計(jì)算

真空預(yù)壓加固后可有效消除場地內(nèi)欠固結(jié)土層沉降，按規(guī)范計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 地基沉降計(jì)算結(jié)果

地基處理后預(yù)估沉降量為 1.9 m，現(xiàn)狀場地平均高程約為 3.5 m，處理后預(yù)估場地平均高程為1.6 m。

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）排水通道

無砂法真空預(yù)壓取消了砂墊層，通過管件直接連接到塑料排水板，但同時(shí)膜下真空壓力也直接作用到了排水濾管上，排水板與濾管的連接成為影響真空度傳遞的重要因素，同時(shí)，在真空壓力的直接作用下對(duì)濾管環(huán)剛度要求也就更高。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)采用雙向手型接頭將濾管與排水板連接，并用濾布包裹。同時(shí)將傳統(tǒng)濾管改為了鋼絲軟管，根據(jù)前期淺層真空預(yù)處理的試用結(jié)果，并經(jīng)過多次對(duì)比研究分析，最終確定鋼絲軟管的技術(shù)指標(biāo)。

表3 25 mm鋼絲軟管指標(biāo)

表4 50 mm鋼絲軟管指標(biāo)

豎向排水通道是深層土體在真空預(yù)壓過程中孔隙水向外排出的最重要通道，豎向排水通道的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)真空預(yù)壓處理效果，本次設(shè)計(jì)采用B型塑料排水板，但同時(shí)要求縱向通水量不低于40 cm3/s。

2）密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)真空預(yù)壓工藝相比，在密封膜下增設(shè)了一層編織布，主要是保護(hù)上部密封膜。因?yàn)闆]有砂墊層，排水板打設(shè)后容易出現(xiàn)未閉合的樁孔，在真空壓力作用下，僅靠密封膜自身強(qiáng)度容易出現(xiàn)爆膜現(xiàn)象，同時(shí)也防止膜下管件在真空壓力下刺破密封膜。

3）抽真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用了水氣分離式真空預(yù)壓設(shè)備。新型抽真空設(shè)備主要由水氣分離裝置、真空泵站、自動(dòng)控制裝置等組成的有機(jī)組合體。

真空泵站啟動(dòng)后，在水氣分離罐內(nèi)形成真空壓力，真空壓力通過膜下管路、塑料排水板向地基傳遞，地基中的水、氣在負(fù)壓作用下，通過排水板、膜下濾管向水氣分離罐內(nèi)富集。水、氣在水氣分離罐內(nèi)自動(dòng)分離，氣體通過真空泵站排出，水在罐內(nèi)達(dá)到一定高度后，水氣分離罐內(nèi)排水裝置自動(dòng)開啟，將水排到罐外。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際效果，每個(gè)泵站的有效抽真空面積宜控制在5 000 m2左右。

圖2 水氣分離式真空預(yù)壓新設(shè)備布設(shè)工藝斷面

2.3 施工關(guān)鍵技術(shù)

1）打設(shè)塑料排水板

無砂法真空預(yù)壓，因?yàn)槁冻鏊芰吓潘柚苯舆B接到濾管（水平向排水通道），要求排水板兩端必須剪頭并密封以防淤泥堵塞，以保證板頭干凈無堵塞，必要時(shí)要用水清洗。同時(shí)要控制好塑料排水板與濾管連接尺度，既保證連接長度滿足要求，又不宜過長，以免形成凹凸點(diǎn)對(duì)密封膜造成不利影響。其次打設(shè)塑料排水板時(shí)要保證間距，必須打設(shè)到底，嚴(yán)禁有扭結(jié)斷裂、撕破濾膜等現(xiàn)象。

2）管路連接

無砂法真空預(yù)壓，水平排水通道與豎向排水通道的管路連接采用了雙向手型接頭并用濾布包裹，同時(shí)應(yīng)保證排水板濾膜的完整。同時(shí)應(yīng)將連接部位固定，避免出現(xiàn)尖銳凸起位置，抽真空過程中對(duì)密封膜造成破壞。

3）土工布及密封膜鋪設(shè)

連接好排水管路后應(yīng)及時(shí)鋪設(shè)編織布及密封膜，避免排水板及連接管件濾膜風(fēng)化、脫落。在鋪設(shè)密封膜前應(yīng)清理場地雜物，尤其是尖銳、塊狀物體，如有管路連接件存在尖銳凸起現(xiàn)象，應(yīng)通過加鋪土工布、適當(dāng)埋設(shè)等措施進(jìn)行現(xiàn)場處理。

4）抽真空

真空設(shè)備與出膜裝置連接完成后開始抽真空。抽真空應(yīng)分兩個(gè)階段進(jìn)行，試抽氣階段應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)分級(jí)加載要求控真空壓力。同時(shí)在正式抽真空期間應(yīng)對(duì)場地進(jìn)行定期巡視，嚴(yán)格巡檢密封系統(tǒng)質(zhì)量。因?yàn)槟は聼o砂墊層緩沖，膜下可能附著繁殖的海蠣子對(duì)密封膜的破壞更加明顯。

3 加固檢測效果分析

3.1 沉降監(jiān)測

經(jīng)加固期間現(xiàn)場沉降監(jiān)測并結(jié)合前期不同階段沉降量監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總，本工程1～6區(qū)沉降量與理論計(jì)算值接近，7～14沉降量與理論計(jì)算值相比偏小。該結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件相吻合。

表5 沉降量統(tǒng)計(jì)

3.2 孔隙水壓力監(jiān)測

圖3 各區(qū)孔隙水壓力消散情況

根據(jù)加固期間現(xiàn)場孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，各區(qū)孔壓消散變化曲線基本符合正常規(guī)律，個(gè)別空壓反彈情況均由現(xiàn)場停泵檢修等現(xiàn)場施工控制引起。孔壓消散變化曲線詳見圖3。

3.3 加固后十字板檢測

加固前后進(jìn)行了現(xiàn)場十字板檢測，經(jīng)過真空預(yù)壓地基處理后，處理深度內(nèi)土體強(qiáng)度有了非常明顯的改善，詳見表6。

表6 真空預(yù)壓加固前后現(xiàn)場十字板檢測對(duì)比

4 與傳統(tǒng)真空預(yù)壓對(duì)比分析

1）加固荷載對(duì)比

與傳統(tǒng)工藝相比，無砂法真空預(yù)壓少了上部工作墊層（粉細(xì)砂）和中粗砂墊層。因此，所受荷載有所不同，除85 kPa真空負(fù)壓外，減少了上部砂墊層荷載。

2）處理工藝對(duì)比

以本工程為例，無砂法真空預(yù)壓水平向排水通道采用了鋼絲軟管和手型接頭，真空度通過管件連接由抽真空設(shè)備直接傳遞到了排水板，傳統(tǒng)的膜下真空度概念有所變化，檢測過程中將壓力表置于排水板下，真空壓力的有效利用率更高。

3）設(shè)計(jì)要點(diǎn)對(duì)比

本次設(shè)計(jì)通過固結(jié)度及沉降計(jì)算確定了排水板間距為0.8 m，抽真空時(shí)間120天，與傳統(tǒng)方案確定原則基本相同；由于采用了鋼絲軟管與排水板直接連接，鋼絲軟管間距為1.6 m，較之傳統(tǒng)方案更密。

4）施工技術(shù)要點(diǎn)對(duì)比

與傳統(tǒng)工藝相比，無砂法真空預(yù)壓增加了管路連接施工環(huán)節(jié)，對(duì)于板頭及連接部位的保護(hù)也要求更高，需要現(xiàn)場加強(qiáng)控制；因?yàn)闆]有了砂墊層作為緩沖，水平向排水通道管件直接置于密封膜之下，為避免排水板樁孔或膜下硬物對(duì)密封膜的破壞，需要嚴(yán)格場地排查；與傳統(tǒng)工藝檢測砂墊層中真空度有所不同，無砂法工藝檢測的是排水板板下真空壓力。

5）加固效果對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，真空預(yù)壓期間沉降量及孔隙水壓力消散趨勢及規(guī)律與傳統(tǒng)工藝基本相同，且與理論計(jì)算沉降數(shù)值接近。

5 結(jié) 語

通過天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)某軟基處理工程設(shè)計(jì)，為無砂法真空預(yù)壓工藝在設(shè)計(jì)要點(diǎn)、參數(shù)確定、施工技術(shù)要點(diǎn)等方面積累了大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為在天然砂源無法保障的地區(qū)推廣無砂法真空預(yù)壓處理工藝工程積累了可靠經(jīng)驗(yàn)，也為后續(xù)類似工程提供借鑒。