水气分离集成井降水强夯法试验研究

刘 伟，陈慧刚，李 平，3，陆 海

(1.河海大学土木与交通学院，江苏 南京210098;2.平湖市建筑工程管理处，浙江 平湖314200;3.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏南京210098;4.江苏诚丰建设有限公司，江苏江阴214400)

降水强夯由于其工艺简单、造价低、施工速度快等特点已经成为我国软土地基处理的一种常用方法。但是它也存在着不足，如井点降水深度较浅，从而会影响到强夯的加固效果;而管井降水强夯法降水深度虽然较深，可是其耗时较长;再者针对于真空井点降水强夯法在水位下降的过程中，会有空气从水位之上的滤孔进入，使真空度下降，从而影响其降水效率。针对以上问题，国内外学者对降水强夯法进行了改进，周健［1－3］较早的提出了低能量强夯与井点降水的结合，利用真空井点降水技术，提高了软粘土的固结速率，但是其降水深度又限制了强夯的作用，从而制约了其加固深度;刘嘉［4］、徐敏生［5］、林佑高［6］对井点降水强夯法都进行了改进和应用，但是受限于传统井点降水深度的影响，仅适用于浅层基础的加固;刘宝臣［7］、张群［8］采用强夯法与管井降水的结合，利用管井降水技术加大了降水深度，有效的阻止了“橡皮土”现象，但是管井降水时间长限制了其在工程上的应用;兰韡［9］、冯建斌［10］分别采用超强真空井点降水和高真空井点降水使降水深度取得了不错的进步，可是随着空气的渗入，会影响其真空效果，对降水速度依旧没有很大的提升。在此基础上，本文开发了一种水气分离集成井降水与强夯相结合的工艺，结合扬中灏港通用码头软土地基处理工程，对试验区分别采用常规真空井点降水强夯工艺和水气分离集成井降水强夯工艺进行处理，通过对地基加固效果现场监测、检验的对比分析，从而为今后类似工程提供借鉴经验。

1 工程概况

试验场地位于江苏省扬中经济开发区三跃镇石城村。拟建码头上游距泰州大桥约4.3 km，下游与镇江兴隆港码头相邻。试验区原为滩地、农田等，采用吹填砂填筑，其土层物理力学性质指标见表1。

2 试验方案

试验区总面积约4.5×104m2，分为水气分离集成管井降水强夯区(1号区，面积约 2.3×104m2)和常规真空井点降水强夯区(2号区，面积约2.2×104m2)两个部分，设计夯击能为 2 500 kN·m。强夯要求击穿②粉质粘土层，使吹填土层与粉细砂层贯通，达到加固目的。

2.1 真空井点降水强夯

常规真空井点降水强夯即运用真空井点降低地下水位，并联合强夯工艺对地基进行加固。在试验区布置网络为4 m×4 m的真空轻型井点进行降水。在水位下降至地表以下3 m时，拔除夯点间井点管，进行第一遍强夯，夯点间距为5 m×5 m，呈正方形布置，夯击能为2 500 kN·m，每点4～5击。夯后推平，连接未拔井点管，继续进行降水。当孔压消散至90%以上时，进行第二遍强夯，夯点呈梅花形布置与第一遍相交叉，夯击能不变。第二遍夯后再次连接未拔井点管，继续进行降水，在孔压再次消散到90%以上时，进行满夯。满夯夯印搭接1/4，夯击能为1 000 kN·m，每点2击，夯后推平。

2.2 水气分离集成井降水强夯

水气分离集成井降水技术的关键设备如图1所示，设备管盖连接有排水管、抽真空吸气管和压力检测管，其中抽真空吸气接管直接连接真空泵，在真空泵作用下，集成井内部会形成负压，使周围土体中的水和气通过渗透孔进入管井，由管井内部连接抽水管的潜水泵将其排出，形成主动降水，从而达到降低水位的目的。检测管中安置真空表和水气分离平衡阀。该设备的优势所在是由真空泵直接连接管井，减少了真空度的损耗，由水气分离平衡阀控制管井内部的真空度也避免了能源的浪费。

改进降水强夯法的水气分离集成井布置设外围管井和内层管井，管井直径为250 mm，管井入土深度为10 m，内置0.75 kW潜水泵。外围管井井距10 m，布置在需加固区域周边;内层管井设置在中部，井距15 m，梅花形布置。

在设置管井过程中，充分考虑需加固区域地下水及土质分层条件，管井滤水器设置在渗透系数较小的②粉质粘土上。强夯方案与常规真空井点降水强夯区域相同，在进行最后一遍满夯时，需用振捣器对管井回填土进行捣实，并要求在满夯时遇到管井点采取1 000 kN·m的夯击能，每点补打5～6击。

表1 土层物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indicators of soil

3 现场监测

3.1 监测方案项目

为比较两种处理方法的加固效果异同，在施工过程中预埋一定数量的监测仪器分析各加固区的表面沉降、孔隙水压力、地下水位等变化规律。每个实验区孔压计共埋设3组，采用1孔1计的方法埋设，布置沉降板10块，水位观测管2个。

3.2 监测结果分析

3.2.1 超孔隙水压力变化

图2和图3为试验区超孔隙水压力的变化曲线，可以看出在强夯期间超孔隙水压力上升明显，同时由两图的孔隙水压力消散、增长过程对比可以发现，采用水气分离集成井降水技术夯后超孔隙水压力的消散仅为1～2天，明显少于常规降水技术。从全程的加固效果比较，除强夯期间，改进降水强夯技术的超孔隙水压力一直处于较低水平，表面加固效果明显，孔隙水压力消散速度较快。由10 m处的超孔隙水压力比较可以看出，改进降水强夯技术的超空隙水压力大部分处于负压状态，表明加固深度要比常规方法要深。

3.2.2 地下水位变化

图4为地下水位监测结果，其中水位点1位于常规降水强夯试验区，水位点2位于水气分离集成井降水强夯试验区。由现场实测结果可以看出，在降水初期两种工艺水位下降速度都较快，水位点1的水位整体稳定在地下深度3 m左右，而水位点2的水位稳定在5～6 m左右，最深达到了6.012 m，这表明水气分离集成井降水深度要明显大于常规井点降水。在土体经受强夯加固后水位都有明显的上升，由对比可见在随后的二遍、三遍降水中，水气分离集成井降水工艺在1～2天就可以降到5 m以下，明显要快于常规井点降水。此外，地下水位变化曲线中还存在多处波动，这主要是由于在监测期间降水较为频繁和地处江边地下水位变化较大的原因。

3.2.3 表面沉降变化

图5为表面沉降的监测结果，不难发现在两种工艺的加固作用下，降水期间沉降都较为稳定但是速率缓慢，在强夯期间都会有大幅度的沉降。但是，水气分离集成井降水强夯工艺试验区的沉降深度明显大于常规井点降水强夯，水气分离集成井降水强夯的最大沉降量为0.606 m。

4 现场检测

4.1 静力触探试验

表2 为静力触探试验结果，可以看出经过常规降水强夯(J8和J12孔)加固后表层吹填土比贯入阻力提高明显，最小值为5.05 MPa，第二层粉质粘土层的比贯入阻力尚可，最小值为2.14 MPa。同时经过水气分离集成井降水强夯法(J9和J10孔)处理后表层吹填土比贯入阻力相对增大更多，最小值达到5.56 MPa，第二层粉质粘土层的比贯入阻力最小值也达到2.40 MPa。

4.2 标准贯入试验

各试验区测点的N63.5标准贯入试验结果见表3。分析可知，常规降水强夯法加固后表层吹填土标贯击数由原来的最低2～3击(详见表1)提高到最低12击，第二层粉质粘土层的标贯击数由原来的最低2击提高到最低6击。同时水气分离集成井强夯法加固后表层吹填土标贯击数同常规真空井点降水强夯，但第二层粉质粘土层的标贯击数则提高幅度较大，由原来的最低2击提高到了最低8击。相比较可见，改进的水气分离集成井降水强夯法地基强度提高幅度更大，加固效果较为明显。

4.3 平板静载荷试验

平板静荷载试验在每个试验区设置3个测点，其中1#、2#、3#点处于常规井点降水强夯加固区，4#、5#、6#点处于水气分离集成井降水强夯区。采用相对沉降法计算地基承载力特征值，即在ps曲线中取s/b=0.01时所对应的荷载为地基承载力特征值，由图6可以看出，1#、2#、3#对应的地基承载力特征值分别为153、163和159 kPa，而4#、5#、6#对应的地基承载力特征值则分别为175、165和178 kPa。比较可见，水气分离集成井降水强夯试验区加固后地基承载力要明显的高于常规井点降水强夯试验区。

表2 静力触探试验结果Tab.2 The result of static penetration test

表3 N63.5标准贯入试验结果Tab.3 The result of N63.5standard penetration test

5 结论

1)通过对试验区地下水位的观测，与常规真空井点降水强夯工艺相比，水气分离集成井降水强夯法降水深度可达地表以下5～6m，突破了深层加固因降水深度限制的瓶颈，在夯击过程中使夯击能对土体的加固深度、效果明显提高。

2)从表面沉降监测结果看，常规真空井点降水强夯工艺的加固效果虽然能达到设计所需的各项技术指标，但是工后沉降还是比水气分离集成井降水强夯工艺要大。

3)与常规真空井点降水强夯工艺相比，采用水气分离集成井降水技术夯后孔隙水压力的消散仅为1～2天，时间明显少于前者，而且由于工艺简单、投入设备及人力较少，可以大大加快软弱地基加固处理速度。

4)现场检测试验结果对比表明，采用水气分离集成井降水强夯工艺对软土地基进行加固，在加固深度、土体强度和地基承载力方面均有较大幅度的提升，其中第二层粉质粘土标贯击数由原来的最低2击提高到了最低8击，平板载荷试验地基承载力特征值最小值达到165 kPa，地基加固效果明显。

［1］周健，史旦达，贾敏才，等.低能量强夯法加固粉质黏土地基试验研究［J］.岩土力学，2007，28(11):2359－2364.

［2］周 健，张 健，姚 浩.真空降水联合强夯法在软弱路基处理中的应用研究［J］.岩土力学，2005，26(Z1):198－200.

［3］周 健，曹 宇，贾敏才，等.强夯－降水联合加固饱和软粘土地基试验研究［J］.岩土力学，2003，24(3):376－380.

［4］刘嘉，罗 彦，张功新，等.井点降水联合强夯法加固饱和淤泥质地基的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(11):2222 －2227.

［5］徐敏生.低能量强夯结合轻型井点降水地基加固的试验研究［J］.工程勘察，2010(Z1):472－476.

［6］林佑高，林国强.井点降水联合低能量强夯法在某码头工程中的应用［J］.中国港湾建设，2011，176(5):35－39.

［7］刘宝臣，谢艳华，张炳晖，等.管井降水预压联合“轻夯多遍”软土地基处理试验［J］.建筑结构，2011，41(1):118－121.

［8］张群，吴名江，郑钰昊，等.管井降水动力联合预压固结法加固福安某厂软土地基的研究［J］.路基工程，2012，162(3):14 －16.

［9］兰 韡，张英英，沈 驰.超强真空降水井研究与应用［J］.工程勘察，2013(Z1):86 －92.

［10］冯建斌.采用“高真空降水加强夯”处理吹填砂地基［J］.山西建筑，2014，40(3):81 －82.