淺層直排式真空預(yù)壓軟基處理工藝

左志剛，張 哲，相如昕，李偉昊，董 浩，劉 蜜

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300456）

引言

直排式真空預(yù)壓工藝通過(guò)濾管與塑料排水板直接相連取代砂墊層作為水平排水通道，可有效減少真空傳遞損耗，近些年來(lái)在我國(guó)沿海陸域形成項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。濱州港某陸域形成項(xiàng)目在臨岸區(qū)域吹填形成陸域85 萬(wàn)m2，軟基處理深度約19 m，需借助塑料排水板樁機(jī)將排水板插入軟泥深處。但新近吹填土含水量大，強(qiáng)度低，不能滿足塑料排水板樁機(jī)的承載力需求。經(jīng)研究，工程采用淺層直排式真空預(yù)壓與深層真空預(yù)壓相結(jié)合的方式進(jìn)行處理。即先采用淺層直排式真空預(yù)壓工藝對(duì)表層 4 m 軟土進(jìn)行處理，旨在提高表層4 m 土體的強(qiáng)度，使其滿足塑料排水板樁機(jī)的承載力需求。隨后在深層真空預(yù)壓階段借助塑料排水板樁機(jī)將塑料排水板插入軟泥深處對(duì)軟泥進(jìn)行處理，提高整體軟土強(qiáng)度[4-6]。

本文主要結(jié)合該工程淺層直排式真空預(yù)壓階段的工藝及主要控制參數(shù)進(jìn)行介紹，旨在為類似工程提供參考。經(jīng)本工程實(shí)例驗(yàn)證，基于本工程采用的淺層直排式真空預(yù)壓工藝及主要控制參數(shù)：膜下真空壓力不小于60 kPa，正式抽真空時(shí)間為45 天，排水板間距0.8 m，人工插打排水板對(duì)表層4 m 土體進(jìn)行處理等，可滿足深層真空預(yù)壓機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)的承載力需求。

1 工程概況

現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合地形將吹填區(qū)劃分為33 個(gè)分區(qū)，詳見(jiàn)圖1。方便起見(jiàn)，文章選取第19 分區(qū)進(jìn)行分析。

圖1 處理區(qū)分區(qū)

第19 分區(qū)表層4 m 土體情況如表1 所示，吹填土表層0～2 m 深度為流泥，含水率在80 %以上，2～4 m 深度為淤泥，含水率在70 %以上，兩層土抗剪強(qiáng)度均小于2 kPa，無(wú)法滿足塑料排水板樁機(jī)的承載力需求。

表1 表層4m 土層情況

2 淺層直排式真空預(yù)壓工藝

2.1 工藝流程

主要工藝流程：施工準(zhǔn)備—鋪設(shè)工作墊層—插打塑料排水板、安裝濾管—鋪設(shè)密封膜—連接抽真空設(shè)備—抽氣—監(jiān)測(cè)—停泵卸載，淺層真空預(yù)壓斷面見(jiàn)圖2。

圖2 淺層真空預(yù)壓斷面

2.2 施工準(zhǔn)備

吹填區(qū)鋪設(shè)工作墊層之前用水泵將吹填區(qū)內(nèi)的余水排出，根據(jù)吹填分區(qū)的面積和數(shù)量備好土工織物、密封膜、荊笆、真空泵、塑料排水板、濾管。所有產(chǎn)品入場(chǎng)前應(yīng)提供產(chǎn)品合格證書(shū)并達(dá)到設(shè)計(jì)要求后方可采用。

2.3 鋪設(shè)工作墊層

工作墊層包括一層200 g/m2編織布、兩層荊笆、一層300 g/m2無(wú)紡?fù)凉げ?。吹填區(qū)地表余水排出后，先鋪設(shè)一層200 g/m2編織布。編織布每塊面積1 000 m2，人工搬運(yùn)至吹填區(qū)內(nèi)進(jìn)行鋪設(shè)，兩塊編織布之間在現(xiàn)場(chǎng)采用手工縫線機(jī)縫合，搭接寬度不小于100 mm，采用雙線縫合。鋪設(shè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)用矩形塑料泡沫板作為臨時(shí)施工通道。編織布鋪設(shè)完成后，鋪設(shè)兩層荊笆，荊笆之間應(yīng)緊密結(jié)合，不得有較大空隙，鋪設(shè)完第一層，檢查無(wú)過(guò)大空隙后再均勻鋪設(shè)第二層。荊笆鋪設(shè)完成后，在其上鋪設(shè)一層300 g/m2無(wú)紡?fù)凉げ?，土工布每塊面積1 000 m2，人工搬運(yùn)至吹填區(qū)內(nèi)，兩塊土工布之間在現(xiàn)場(chǎng)采用手工縫線機(jī)縫合，搭接寬度不小于100 mm，采用雙線縫合。

2.4 插打塑料排水板、鋪設(shè)濾管

淺層直排式真空預(yù)壓軟基處理深度4 m，排水板間距0.8 m，正方形布置，排水板板位在現(xiàn)場(chǎng)按照網(wǎng)格尺寸0.8 m×0.8 m 進(jìn)行放樣、結(jié)點(diǎn)處用手搖噴漆做好標(biāo)記。每個(gè)板位塑料排水板長(zhǎng)度為4.7 m，其中入土長(zhǎng)度4 m，外露長(zhǎng)度0.7 m，塑料排水板外露部分綁扎至濾管，旨在真空抽氣階段將塑料排水板內(nèi)水體滲入濾管內(nèi)。

因吹填區(qū)土體承載力差，無(wú)法滿足機(jī)械設(shè)備的進(jìn)場(chǎng)需求，塑料排水板采用人工插打。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)研究，使用自制插桿插打塑料排水板，插桿下端設(shè)有“卡板槽”，用于固定塑料排水板，插桿上部安設(shè)“手柄”方便人工發(fā)力（圖3）。

圖3 插桿大樣

插打塑料排水板時(shí)先將塑料排水板底部用瀝青密封，并將沾有瀝青的一端穿入插桿的“卡板槽”內(nèi)，手握插桿“手柄”將塑料排水板插入軟泥中。插打排水板時(shí)按照由內(nèi)到外的順序逐排插打，排水板形成孔洞的區(qū)域，用砂料填滿。塑料排水板的回帶長(zhǎng)度不得超過(guò) 500 mm，平面位置允許偏差為±100 mm，剪斷塑料排水板時(shí)，外露長(zhǎng)度允許偏差為：+150 mm，-50 mm。

濾管采用直徑40 mm 軟式波紋管，由工廠集中生產(chǎn)，管體打孔并外包透水濾布后，成卷運(yùn)到工地。濾管每排間距1.6 m。濾管拐角處或續(xù)接處采用二通、三通、四通等構(gòu)件進(jìn)行連接，構(gòu)件套入濾管的長(zhǎng)度不小于100 mm，用尼龍繩綁緊。濾管鋪設(shè)完成后，按照每?jī)膳潘芰吓潘褰壴炼咧g濾管的方式進(jìn)行綁扎，綁扎時(shí)將塑料排水板纏繞過(guò)濾管后用土工布包裹后用塑料繩綁緊，防止流泥淤堵塑料排水板。

2.5 鋪設(shè)密封膜

密封膜鋪設(shè)前，鋪設(shè)一層300 g/m2無(wú)紡?fù)凉げ加糜诒Ｗo(hù)密封膜，土工布每塊面積1 000 m2，人工搬運(yùn)至吹填區(qū)內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)采用手工縫線機(jī)縫合，搭接寬度不小于100 mm，采用雙線縫合。密封膜采用兩層聚氯乙烯薄膜，密封膜在工廠熱合一次成型。鋪設(shè)密封膜時(shí)，密切關(guān)注風(fēng)向變化，應(yīng)順下風(fēng)向進(jìn)行鋪設(shè)，且風(fēng)力不大于6 級(jí)，密封膜應(yīng)松弛鋪設(shè)，每端留富裕長(zhǎng)度4 m。壓膜溝處密封膜應(yīng)踩入軟泥中至少1 m，用于密封。

2.6 連接抽真空設(shè)備

將出膜管一端與濾管連接好，另一端與真空泵連接。真空泵按照臺(tái)/1 000 m2的密度進(jìn)行布置。真空泵的功率不小于7.5 kW，揚(yáng)程不小于26.0 m，安裝后的真空泵應(yīng)能形成不小于96 kPa 的真空壓力。

2.7 抽氣

正式抽氣前先試抽氣，分3 批開(kāi)啟真空泵，每批開(kāi)啟1/3 數(shù)量的真空泵，每批試抽氣時(shí)間為3 天。試抽氣期間對(duì)密封膜的密封性進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)漏氣情況及時(shí)處理。全部真空泵開(kāi)啟后，膜下真空壓力不小于60 kPa，正式抽氣時(shí)間45 天。抽氣期間，密切關(guān)注場(chǎng)地內(nèi)密封情況和真空表讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)有漏氣情況及時(shí)進(jìn)行處理。

正式抽氣時(shí)間滿45 天后，現(xiàn)場(chǎng)停止抽氣，卸載。

2.8 監(jiān)測(cè)及檢測(cè)

真空抽氣期間對(duì)膜下真空度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)分區(qū)布置5 塊真空表，安置于每個(gè)分區(qū)的四角和中心位置。抽氣期間，膜下真空度每4 小時(shí)觀察一次，發(fā)現(xiàn)漏氣情況及時(shí)修補(bǔ)。在每個(gè)分區(qū)的中心位置的地面下1.3 m、2.6 m、3.9 m 處分別布設(shè)1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)孔隙水壓力消散測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)孔壓消散情況；同時(shí)在吹填區(qū)地表布設(shè)沉降標(biāo)用于沉降觀測(cè)，沉降標(biāo)布置密度約為1 500 m2一個(gè)，沉降標(biāo)底部鋪設(shè)一層200 g/m2無(wú)紡?fù)凉げ急Ｗo(hù)密封膜。真空卸載后，對(duì)加固后的軟土進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容為鉆孔取樣試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)。

3 加固效果分析

圖4 為第19 分區(qū)淺層真空預(yù)壓正式開(kāi)始計(jì)時(shí)后的沉降曲線，正式抽氣開(kāi)始時(shí)沉降設(shè)定為0 m，真空卸載后，正式抽氣期間沉降為418 mm。圖5為第19 分區(qū)淺層真空預(yù)壓正式抽氣開(kāi)始后的孔壓消散情況，三個(gè)測(cè)點(diǎn)累計(jì)消散孔壓分別為67.6 kPa、67.9 kPa、60.5 kPa。

從圖4 可以看出，正式抽氣開(kāi)始的前15 天沉降較速率較大，約為20～30 mm/d。這是由于新近吹填軟土含水率高，在真空負(fù)壓作用下，表層4 m 軟土內(nèi)的水體經(jīng)塑料排水板排出土體，孔隙水壓力消散明顯，從圖5 可以看出，前15 天土體中孔隙水壓力大幅度消散可以得到印證（該時(shí)間段孔壓消散值約為孔壓總消散值的90 %以上），孔系水壓力消散后轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，致使土體有效應(yīng)力增大，土體發(fā)生沉降。

圖4 第19 分區(qū)沉降曲線

圖5 第19 分區(qū)孔壓消散曲線

從第15 天開(kāi)始，沉降速率顯著下降，沉降曲線趨于平緩，這是由于經(jīng)過(guò)一段時(shí)間抽真空后，表層4 m 土體中水分大部分已經(jīng)排出，土體孔隙水壓力消散幅度下降（從第15 天以后孔壓消散曲線趨于平緩可以印證），土體有效應(yīng)力增加數(shù)值較小、沉降速率減小。

真空卸載后，對(duì)加固后的軟土進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定其含水率與抗剪強(qiáng)度。淺層真空預(yù)壓前后土體含水率和抗剪強(qiáng)度的變化見(jiàn)圖6 和圖7。

圖6 第19 分區(qū)加固前后含水率對(duì)比

圖7 第19 分區(qū)加固前后抗剪強(qiáng)度對(duì)比

從圖6 可知，表層4 m 土體含水率下降至30 %以下，其中地表下0～1 m 處下降幅度達(dá)70 %。從圖7 可知，淺層真空預(yù)壓加固后，土體抗剪強(qiáng)度大幅度提升，增加幅度約400 %～600 %。可見(jiàn)，淺層軟基處理后表層4 m 土質(zhì)明顯改善，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，達(dá)到了深層真空預(yù)壓機(jī)械設(shè)備的承載力需求。

4 結(jié)語(yǔ)

1）當(dāng)需處理的軟泥含水量高、強(qiáng)度低、厚度大時(shí)，可先采用淺層直排式真空預(yù)壓方法使軟泥表層形成初步承載力，為后續(xù)深層真空預(yù)壓的開(kāi)展提供支持。

2）基于本工程采用的淺層直排式真空預(yù)壓工藝及主要控制參數(shù)：膜下真空壓力不小于60 kPa，正式抽真空時(shí)間為45 天，排水板間距0.8 m，對(duì)表層4 m 土體進(jìn)行處理等，可以較好的提高軟泥表層強(qiáng)度，可為類似工程提供借鑒。