真空堆载联合预压在浙江舟山武港码头工程的应用

2013-09-07雷麒麟

武汉工程职业技术学院学报 2013年4期

蔡弘雷麒麟

（武钢建工集团湖北武汉：430080）

近年来，为了适应经济和社会的飞速发展，各地兴建了很多港口、高速公路以及物流堆场。这些工程（特别是在沿江、沿海地区）经常遇到的主要问题是如何有效的处理软土地基。软土地基的特点是含水率很高，孔隙比大，压缩性高，强度低，透水性差。堆载预压法地基固结速度慢，复合地基法（深层搅拌桩、粉喷桩、CFG桩等）造价高，质量不易控制。真空堆载联合预压法作为排水固结法的一种，技术可靠、经济合理、工期较短，在众多地基处理技术中已经凸显出其明显的优点，受到广大工程技术人员的青睐。本文结合浙江舟山武港码头工程地基处理的工程实践，对真空联合堆载预压在港口码头软基处理中的应用进行了介绍。

1 工程概述

浙江舟山武港场地主要工程建设项目包括矿石堆场和辅建区。现场近矿石堆场区域和辅建区设计都为真空堆载联合预压，共分为6个区域，矿石堆场区域分为真空堆载联合预压1、2、3、4区，在真空预压的基础上堆载高度为8.5m（153kPa）土石方，预压时间为180天，辅建区分为真空回填预压区域1区、2区，为真空预压的基础上堆载高度为3m（45kPa）土石方，预压时间为100天。

2 加固机理

2.1 堆载预压的加固机理

堆载预压法以土料、块石等作为荷载，对被加固的软土地基进行预压。为了缩短加固时间，加快固结过程，在地基中打设一定深度的塑料排水板，软基在堆载荷载作用下，产生正的超静水压力。经过一段时间，超静水压力逐渐消散，土中有效应力不断增长，地基得以固结，产生垂直变形，同时强度也得到提高。

2.2 真空预压的加固机理

用真空预压加固软土地基时，在需要加固的地基上先铺设砂垫层，然后打设塑料排水板，通过安装抽真空设备和密封膜在加固土体中形成一个负超静水压力，使土体中的孔隙水从排水通道不断排出，土中孔隙水压力逐渐减小，有效应力逐渐增加，地基逐渐固结。

堆载预压与真空堆载两者都属于排水固结法，真空堆载联合预压是真空预压和堆载预压的结合，是先在软基打设塑料排水板或袋装砂井作为竖向排水体，并在软基上铺设砂垫层作为水平向排水体，通过真空压力（负压）和堆载（正压），使土体中的孔隙水压力产生不平衡水压力，孔隙水在这种不平衡力的作用下通过竖向排水体逐渐排出，从而使土体产生固结变形。

真空堆载联合预压在真空预压的基础上增大总应力，增加软土中的孔隙水压力，从而加大软土与塑料排水板的孔隙水压力差，既增加了加固深度，又减少了工后沉降，提高了排水固结的速度。

3 真空堆载预压施工工艺

（1）排除加固区内积水，在泥面铺设两层土工格栅和一层土工布。轻型设备分层铺设山皮土至标高＋1.0m且厚度不小于1m。山皮土中碎石含量不大于50%，最大粒径不大于8cm，确保排水板顺利可以穿过该土层。铺设排水砂垫层500mm，且顶面标高不小于＋1.5m，允许施工偏差＋50mm；并测量砂垫层顶面标高；

（2）打设塑料排水板。排水板正方形布置，间距1.2m。埋设监测仪器，铺设滤管；安装射流泵，挖密封沟和铺密封膜并探摸压膜沟所在位置下部是否存在透气土层，并根据情况采取必要的密封措施。密封沟要挖至不透气（水）土层顶面以下500mm，最浅不小于1500mm，铺密封膜后用粘土回填密封沟。开挖密封沟时，沟内排水板不剪断，应沿沟边向上插入到砂垫层中至少200mm长；

（3）设置地面沉降标，测量真空预压前的砂垫层顶面标高，连接抽真空设备，试抽气、检查、正式抽气。试抽气时真空泵分批开启，每批开启1／3，间隔3－5天，稳定后全部开启真空泵；

（4）联合堆载。真空预压真空度达到80kPa稳定后10天可进行联合堆载施工。回填土和堆载次序如下：前5－10天首先在膜上铺设一层土工布，铺设40cm厚砂，然后小型设备堆载60cm，然后可用轻型机械分层施加剩余堆载料，分层厚度不大于0.5m，在填筑过程中压实，达到设计高度要求后停止加载（见图1）；

图1 真空堆载联合预压加载计划图

（5）卸载和效果检验。真空堆载联合预压停泵卸载的标准：①实测地面沉降速率连续5天平均沉降量不大于2.0mm／d；②按实测沉降曲线推算的固结度达到90%，停止抽气，卸载，进行满夯处理，然后进行加固后的效果。真空回填预压区域（见图2）停泵卸载的标准：①实测地面沉降速率连续5d平均沉降量不大于2.0mm／d；②按实测沉降曲线推算的固结度达到85%，停泵卸，然后进行加固后的效果。

图2 真空回填预压加载计划图

4 监测和检测结果分析

4.1 地表沉降

通过对场地内六个区布设的共98个地表沉降监测点的监测数据数据分析表明：沉降量大小主要与软土层淤泥质粘土厚度有关。淤泥质粘土厚度为3m－22m不等变化幅度大，软基监测期间场地的最大沉降量为1.54m，位于真空堆载联合预压2区；地基的沉降速率逐渐减小，地基处在收敛中。在真空预压未外加荷载时，沉降速率大，日均沉降量最大达5.4cm／d，位于真空堆载联合预压3区，其他区域也表层沉降标沉降速率平均为3.9cm／d。根据孔隙水压力和加载计划图加载后，每一级堆载都伴随着沉降加速，达到5mm／d～1.9mm／d，加载完成沉降速率逐渐变缓，沉降量为1mm／d～7mm／d，而且沉降与上部荷载有关，真空堆载联合预压1、2、3、4区沉降量明显大于真空回填预压1、2区；根据变形监测设计卸载标准（连续5天平均每天沉降量不大于2mm），同时根据实测沉降曲线推算的固结度：真空回填预压1、2区大于85%，真空堆载联合预压1、2、3、4区大于90%，因此可判定场地基土变形已经进入相对稳定阶段，达到卸载要求。卸载时的具体统计数据见表1。

利用表面沉降推算固结度，首先需要推算最终表面沉降量。目前最终表面沉降量可以通过实测表面沉降曲线的推算来确定，采用了双曲线计算方法推算最终表面沉降量，实测表面沉降曲线可以用双曲线函数近似代替，所以可以利用双曲线方程计算最终表面沉降量，双曲线计算方法公式如下：

表1 场地地表沉降统计表

式中：S∞为地表最终沉降量（mm）；S1、S2、S3为实测沉降曲线上等同时间隔时间下的实测沉降量（mm）；

然后利用表面沉降对固结度进行推算，利用表面沉降量推算固结度是地基表面某点实测沉降量与最终沉降量的比值，就是该时刻土体的固结度，固结度计算公式如下：

式中：St为t时间的沉降量（mm）；S∞为利用双曲线法推算的地表最终沉降量（mm）；Ut为用实测沉降量表示的对应t时刻的固结度（%）。

以真空堆载联合预压2区B2－11监测点为例，B2－11监测点S1、S2、S3依次选取t1、t2、t3取4月18日、5月8日、5月28日的沉降量为St1为1.332m、St2为1.446m、St3为1.511m则：

4.2 地基土分层沉降

通过分层沉降的观测，可以了解地基不同层位的分层沉降量（见表2）。根据分层沉降变化规律，进一步分析深层土的加固效果和加固影响。深度场地6个区共6个分层，每层3m的沉降监测孔的监测数据表明：由于地基土层的差别而使各监测点沉降不尽相同，总的规律是浅部沉降量大，深部沉降量小，符合土体深层沉降规律。而且对比真空回填预压1、2区A1F、A2F与真空堆载联合预压1、2、3、4区B1F、B2F、B3F（破坏）、B4F分层表层各深度累计沉降与上部荷载、淤泥质粘土厚度有很大关系、上部荷载越大，下部土层处理的越好。

表2 分层表层各深度累计沉降统计结果

4.3 地表水平位移

地表水平位移共设8组边桩，每组4个。其最终水平位移在－98mm～－17mm之间，整体规律为：在抽真空的过程中，地表水平位移向堆场内侧不断收缩至最大，向内位移最大为5mm／d，在堆载进行后，堆场地表位移又开始慢慢转为向外侧挤出，至达到场外测位移的最大值。地表水平位移表面对处理区域周边的土体、建筑影响很大。在加载过程中，一般地表水平位移向外挤出位移最大为3mm／d，最小为1mm／d；

4.4 地基土深层水平位移

场地6个区共设9个深层水平位移，监测点的观测表明：上部水平位移较下部大，根据软土层厚度不同，位移影响深度主要在地表以下12m内；深层水平位移随时间变化趋势同分层沉降随时间变化的规律近似，抽真空初期先向场地内侧收缩，堆载后向外侧挤出。

4.5 孔隙水压力监测

孔隙水压力观测是了解地基土体固结状态最直接的手段。各区孔隙水压力观测结果表明：地基孔隙水压力的增长与消散规律反映了软基的排水固结特性及有效应力变化规律。孔隙水压力在不同深度变化趋势比较一致；抽真空初期，孔隙水压力下降较快，真空后期趋于稳定，随着堆载进行孔隙水压开始上升，并随着堆载停止趋于稳定。

4.6 十字板加固效果检验与分析

通过前后各区加固前后对照孔抗剪强度指标的对比，可以发现料场经过真空堆载联合预压后的地基土的岩土工程性能得到了提高。而且真空堆载联合预压1、2、3、4区域平均抗剪强度明显高于真空回填1、2区加固后平均抗剪强度，说明加固效果与加载荷载有直接关系，详见表3。

表3 预压前后软土层十字板抗剪强度对比表

4.7 土质加固效果检验与分析

通过前后各区预压前后对照孔各深度土层主要物理力学性质指标的对比（见表4），可以发现场地经过真空堆载预压后的地基土的岩土工程性能特别是软土的工程性能得到了提高。这表明软土地基继续经过真空堆载处理后，地基土排水固结情况良好，固结程度得到很大提高，对比临近的真空回填预压1区和真空堆载联合预压4区，真空堆载联合预压4区天然含水量、孔隙比、压缩模量改善幅度都大于真空回填预压1区，说明真空堆载联合预压4区由于加载荷载、预压时间大于真空回填预压1区，处理效果更好。

5 影响施工质量的主要因素

5.1 真空度的影响因素

在真空堆载联合预压中，真空度的空间分布及真空度传递情况直接影响加固效果。真空度的传递过程为：射流泵——膜下滤管、砂垫层——塑料排水板——加固土体。

影响膜下真空度的因素有射流泵性能、射流泵数量、泵后连接的管路、膜下砂垫层渗透性及滤管布置、浅层密封性能等。提高膜下真空度的途径：提高射流泵自身形成真空的能力，加强泵与膜之间管路的畅通性及密封性，降低管路中水、气运动阻力；选择渗透性强的中粗砂作垫层，均匀合理地布置滤管，使滤管转角采用三通、四通连接；选密封性能好的薄膜，一般铺设三层；对加固区周围表层土做密封处理，如加静水沟、防水帷幕等，以防加固过程中周围表层土体开裂漏气现象。

表4 预压前后土质加固效果对比

影响土体中的真空度的因素有膜下和塑料排水板体中真空度、土体的孔隙比、饱和度、渗透性和土层分布状况、地质条件、深层密封措施等。地基中有无强透水层对真空度影响很大，若有则必需采取深层密封措施。提高土体中真空度的途径：本工程塑料排水板采用D型非再生料芯板，并能够进行电子导线测深的排水板，有效地控制了塑料排水板的打设深度，排水板耐久性不小于5年，确保了塑料排水板透水透气的通畅性；隔断地基中强透水层与外界的联系，减少区外因素对区内真空度的影响；证抽真空能量。

5.2 密封膜铺设与保护

密封膜在真空堆载联合预压加固过程中起关键作用，在铺设和保护时都很重要。密封膜采用聚乙烯薄膜，按现场预压区域尺寸在工厂热合一次成型，并考虑埋入密封沟的部分，留有足够大的余地；铺密封膜前，确保塑料排水板板头埋入砂垫层内；为保证密封效果，密封膜铺三层。铺设时，膜不宜拉的太紧，中间尺寸预留密封膜，每边比图纸尺寸要放出3－5m，铺设时自一边开始，三层一道依次顺序同时由近及远进行铺设，膜埋入密封沟时，不要被石块、草根戳破等戳破，注意其完整性。

铺设好后进行抽气后进行地毯式巡查，等真空度稳定在85kPa以上并稳定10天后进行无纺土工布铺设，无纺土工布施工完毕后进行保护垫层施工，厚约400mm。本工程保护垫层采用吹砂法施工，由吹砂船主管道600mm，在管头用12个150mm软支管进行减压分流，确保保护层400mm的厚度，并减少了铺设保护垫层时对密封膜的破坏，利用压膜沟进行排水，吹填砂排水后固结，装卸车和装载机可以自由行走，对密封膜有效的进行了保护。

5.3 加载速率的控制

现场堆载料加载按堆载中心点地表沉降每天不超过20mm，边桩水平位移每天不超过5mm，孔隙水压力计均满足△u／△p＜0.5的标准等指标进行控制加载速度，分层厚度不大于0.5m并参照加载计划图进行施工。完成每一级荷载后，应等孔隙水压力平稳后再进行下一级的荷载，现场严禁堆载加载速率过大，一次性加载厚度过高及土体的不均匀性，会造成土体的失稳，固结土体的破坏。

在未达到填土极限高度前可以不控制加载速率，可以预见赶工期的做法对工后沉降是十分不利的；缓慢加载，土体的压缩作用进行缓慢，对土体结构破坏小，不会产生大的触变扰动，而压缩过程中地基土体结构强度又可以部分得到恢复，有利于土体固结和土体强度的增加。