直排式真空预压法在地基处理中的应用

杜竞栋

摘要：本文依托中交集团（珠海横琴）投资有限公司项目管理营地工程，采用直排式真空预压施工工艺，利用密闭真空管网替代砂垫层，根据监（检）测数据分析得出：采用直排式真空预压法的实际加固效果不低于传统真空预压加固效果，且更为节省成本，有较大的应用推广价值。

关键词：直排式真空预压；真空度；固结；沉降；十字板强度

1引言

真空预压加固软土地基技术是软土地基处理的主要方法，对缓解我国陆域用地紧缺，实现资源合理利用起到重要作用。常规真空预压法一般采用30～40cm厚中粗砂垫层作为水平排水通道，近几年随着真空预压技术的大面积应用，作为水平排水通道的中粗砂资源日益紧缺，不但推高工程造价，而且影响工程进度[1]。因此，对真空预压法的水平排水系统进行改进，减少或替代砂垫层的应用，具有十分重要的工程意义。

2工程背景

中交集团（珠海横琴）投资有限公司项目管理营地工程位于珠海市横琴镇三塘村西，地基处理面积19183.1m2，采用真空联合堆载预压法，依据上部结构使用要求的不同及地质情况存在的差异，设计方案在排水板打设底标高、排水板间距、布置形式及联合堆载料厚度四个方面进行了差异化设计。

根据中交水运规划设计院有限公司的加固前现场钻探室内试验资料[3]，该加固区域表层6.0m以淤泥为主，具有含水率高，压缩量大的特点；6.0～24.0m为海相沉积土层，以淤泥质黏土为主，含水率高达70%，属中高压缩性土。以上两层土为本次地基处理的主要加固对象。

3直排式真空预压法工艺特点

3.1直排式真空预压水平排水系统

3.1.1传统真空预压水平排水体系

传统真空预压设计的水平向排水系统包括：①铺设30~40cm厚中粗砂垫层；②中粗砂垫层内埋设一定间距的Ф63mm软式滤管（滤管打孔并外包两层滤布，只透水不透砂），滤管通过中粗砂良好的透水性能将排水板引出的水排到密封膜外[2]。

3.1.2直排式真空预压水平排水系统

本工程采用中交水运规划设计院有限公司“直排式真空预压地基处理方法”专利技术，该技术的特点是：用密闭真空管网直接与排水板相连，替代常规真空预压的水平砂垫层和滤管、滤膜。

3.2直排式真空预压密闭真空管网施工工艺

3.2.1工艺流程：

测量放线→布设PVC排水管网→清理修剪排水板板头→排水板头封闭连接→PU管局域网形成→PU、PVC管连接成网→检查节点及管网密封情况→密闭真空管网埋设。

3.2.2质量控制要点：

①排水管网采用Φ63PVC给水管，连接管采用柔韧的PU管，内径8mm，外径12mm，PU管交汇用“活性四通”密闭；

②对板头进行修剪，外露长度为10cm～15cm，使其与板头“鸭嘴”基本吻合。

③PU管与PVC管连接松紧适度（较直线距离长约10cm），PU管管路无交叉、纽结现象，板头顺直。

4对比分析

4.1施工效率分析

用密闭真空管网直接与排水板相连，工序上虽然繁琐，但每道工序之间可形成流水作业，从而提高了施工效率。现场施工经验表明：传统真空预压排水垫层施工平均每人每天可以完成50m2的砂垫层及滤管布设，而直排式真空预压水平排水系统施工效率是传统真空预压的两倍。

4.2真空压力传递效率分析

传统真空预压法真空压力传递路径为：真空泵→滤管→砂垫层→排水板→软土地基。真空压力在传递过程中受砂垫层、滤管和滤膜的阻尼作用，能量损失很大。实测资料显示，真空装置出口压力可达95kPa，到达砂垫层中时，真空压力一般为80~85kPa，至排水板中时真空压力随深度加深逐渐下降，下降幅度相对较大[4]。

而直排式真空预压法真空压力传递路径为：真空泵→主/支/连接管→排水板→软土地基。水平排水系统中每根塑料排水板与密闭真空管网相联通，确保了真空度能够传递到每根排水板，进而通过排水板向外传递给加固土体，其关键环节是消除了真空压力传递过程中排水砂垫层、滤管和滤膜对真空能量的损耗，使排水板内真空度保持在80kPa左右，并且沿深度损耗很少，提高了真空压力的利用效率，从而缩短了加固时间，提高了加固效果[5]。

4.3成本分析

综合参考施工单位的投标单价及现场实地价格，改良后的水平排水系统单价节省23.8-18.8=5.0元/m2，成本降低近5.0/23.8=21.0%。

5监（检）测结果与分析

本工程的监测项目有膜下真空度监测、表层沉降监测、孔隙水压力监测、深层分层沉降监测等；检测项目有现场取原状土（包含室内试验）、十字板剪切试验、载荷试验。

5.1地基沉降分析

5.1.1理论沉降量

根据岩土工程勘察报告，地下水埋深约0.25～0.38m，平均地下水位为0.8m。把天然软土层分为厚度1.0m的若干分层，将堆载料等重量视为作用在原始软土层上的附加应力。采用分层总和法计算天然软土地基的沉降量[6]，计算公式为：

，（1）

其中：ΔS为土层的沉降量；

Ms为沉降计算经验系数，均采用1.1；

Cc为土层初始压缩曲线的压缩指数；

H为土层原始厚度；

e0为土层的原始孔隙比；

P0为土层自重应力的平均值；

ΔP为土层的附加应力。

软基加固处理的真空预压荷载约为85kPa，堆载料的附加荷载约为88kPa，天然软土层以上所有物质的附加荷载约为120kPa。按照分层总和法计算出加固区理论总沉降量为2.97m。固结度达到90%的理论沉降量为2.67m。

5.1.2实测地表沉降量

表层沉降为打设塑料排水板期间的沉降和预压荷载作用下产生的沉降之和。打设塑料排水板期间的沉降量为422mm，区内共布置20个表层沉降监测点，预压期间累积平均沉降量为3010mm，地基总沉降量为3432mm[7]。实测地基沉降量与理论计算值之差为462mm。

5.1.3固结度与沉降速率分析

根据《港口工程地基规范》（JTS147-1-2010）的相关规定计算地基固结度，计算过程中水平向固结系数Ch取6×10-4cm2/s，竖向固结系数Cv取4×10-4cm2/s。受压土层的厚度为24.0m，真空预压荷载85kPa；排水板呈正三角形布置，间距0.8m，排水板宽100mm、厚度4.0mm，理论计算所得土层的综合固结度为80.6%。

根据实测平均沉降曲线，采用“经验双曲线法”，根据本工程加固区卸载前各监测点连续10d的地表沉降量观测数据，实测的地表日平均沉降速率为5.2mm/d。而常规真空预压卸载标准一般为日平均沉降速率不大于2.0mm/d。

5.2孔隙水压力监测

打设塑料排水板后，分别在四根排水板中心位置的不同深度上埋设孔隙水压力测头，用以监测预压期间土体内部孔隙水压力消散情况，加固区共埋设2组。

加固前地基内孔隙水压力明显大于测头位置的静水压力，地基内存在一定程度的超静孔压，地基土处于欠固结状态，这一情况与地基土的应力历史基本吻合[8]。抽真空后，各测点的孔隙水压力值均有不同程度的降低，最大下降值约60kPa。在真空预压过程中，土中各测点的孔压值均呈明显消散趋势，受孔压计埋设位置的软土层的物理力学指标、与相临排水板的距离等边界条件的影响，各测点的消散值存在明显差别。在联合堆载预压期间，堆载使得孔隙水压力呈明显的上升趋势，较大值发生在淤泥土层内；满载时，孔隙水压力增幅达最大值，其消散速率也达到最大；在满载预压后，孔压随时间呈消散趋势。此现象表明土体逐渐固结，地基强度不断增加。

5.3深层分层沉降监测

打设塑料排水板后，在加固区埋设了2组深层分层沉降仪，以便掌握地基中各土层的变形情况。根据监测结果分析，真空预压对于加固区整个排水板深度范围以内都起到了明显加固效果。

5.4加固前后土性指标变化

根据设计要求在加固区加固前、后进行了钻孔取土、现场十字板剪切试验，原各加固土层的物理力学指标及抗剪强度均有不同程度的提高，加固效果显著。

6结论

1．直排式真空预压法通过优化传统真空预压工艺中的水平排水和真空传递技术，缩短了真空压力的传递路径，使真空压力的传递效率大为提高。因此，直排式真空预压大幅度提高了真空预压的能效，缩短了预压时间。

2．直排式真空预压比常规真空预压平均总沉降量明显提高，同时，其各项物理力学指标均好于常规的真空预压法，说明地基加固效果较常规真空预压更好。

3．直排式真空预压采用密闭真空管网与排水板直接相联，不需中粗砂垫层，节省了材料，降低了工程造价。工程实践表明，“直排式真空预压法”具有真空能效利用率高、加固效果好、加固时间短、施工成本低的显著效果。同时，直排式真空预压法施工方法简单，易于大规模推广，具有良好的社会应用前景。

参考文献

[1]JTS147-2-2009，真空预压加固软土地基技术规程[S].

[2]刘怀远，李积平.软土地基处理技术[M].北京：中国交通建设集团，2006：4-6.

[3]席文熙，侯满宏.中交集团（珠海横琴）投资有限公司项目管理营地工程岩土工程勘察报告[Z].北京：中交水运规划设计院有限公司，2012.