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新型直排式无砂垫层节能真空联合堆载预压加固技术

摘 要：对珠海市烽火科技项目用地基础处理工程采用新型直排式无砂垫层节能真空联合堆载预压加固技术进行软基处理施工进行了论述，再分析软基处理区域沉降、孔隙水压力、真空度、十字板剪切强度、钻孔取芯及地基承载力试验等监测数据，结果都达到了设计指标值，证明新型直排式无砂垫层节能真空联合堆载预压加固技术可靠、有效，并能够取得理想的加固效果和经济效益。
關键词：新工艺；真空联合堆载预压；高效节能
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.19.079
1 引言
真空联合堆载预压加固技术[1]作为一种近年来兴起的软基处理手段，已成为排水固结法中的重要组成，其适用范围日益扩大，并由此产生了直排式真空预压法、无砂垫层真空预压法、真空联合堆载等各种技术方法。
新型直排式无砂垫层节能真空联合堆载预压加固技术无需膜下砂垫层，将相邻两个塑料排水板端头采用定制的蝶形接头连接，再将蝶形接头用真空支管串联接入真空主、干管形成畅通的水平和垂直排水管网，不使用传统的真空射流泵，采用节能抽真空系统将排水管网中的水排出来的施工技术。既节约资源、能源又保护了环境，同时顺利的完成施工任务，达到设计加固效果，创造了经济效益，具有极大的推广意义。
2 工程概况
2.1 工程背景
珠海市烽火科技项目用地基础处理工程位于珠海市高栏港经济区，施工场地表层主要为人工吹填的淤泥，平均标高约2.50m，采用新型直排式无砂垫层节能真空联合堆载预压加固技术进行加固处理。本文所研究的工程实例为A区（1A、2A区）和B区（1B、2B区），真空堆载预压处理面积共计15.7014万m2。
2.2 设计主要软基加固技术指标
（1）塑料排水板（SPB-C型）打设深度为18-21m。
（2）膜下真空压力值不小于80KPa，抽真空时间不少于4个月。
（3）采用沉降曲线推算的固结度不小于90%，沉降速率最后10天，不大于2mm/d，工后沉降不大于20cm作为真空卸载标准。
（4）钻孔取样处理后的含水量平均值不大于55%。
（5）十字板原状土抗剪强度标准值不低于25kPa。
（6）地基处理1A、1B区地基承载力特征值不小于80kPa，地基处理2A、2B区地基承载力特征值不小于120kPa。
3 施工工艺及技术措施
3.1 施工工艺
主要施工工艺包括：施工前准备→塑料排水板施工→蝶形接头安装及布设真空管→铺设二层土工布→铺设真空膜三层及压膜→真空管路系统与节能型抽真空泵连接→抽真空及堆载。
3.2 关键施工阶段及技术措施
相比《真空预压加固软土地基技术规程》的常规真空堆载预压，新型直排式无砂垫层节能真空联合堆载预压加固技术需要从以下几个施工阶段进行关键技术的控制。
3.2.1 施工前准备
首先进行场地的清表，排除积水，测量人员进行放线，按照审批过的施工组织设计及施工方案做好施工前的各项准备工作。
3.2.2 塑料排水板施工
①施工机械采用履带式插板机，同时配备一台挖机铺垫钢板辅助施工。
②排水板采用正方形布置，板中心距均为0.9m。
③排水板施工平面位置偏差不大于±10cm，施工垂直度偏差不大于±1.5%。
④排水板外露长度不小于60cm，相临两根塑料排水板采用蝶形接头连接。排水板控制回带长度不得超过50cm。
3.2.3 蝶形接头安装及布设真空管
①将相临两根塑料排水板采用定制的十字形蝶形接头连接并用不锈钢螺丝钉固定，另外连接真空支管的两侧用不锈钢丝绑扎牢固，排水板内部与真空支管内部形成畅通的排水通路。
②蝶型接头与钢丝软管支管接好后，采用三通、四通将φ25mm支管与φ32mm干管进行连接，干管沿场地短向布设，沿长向间距约30米左右布设一条干管，钢丝软管与三通、四通连接时需用不锈钢铁丝扎紧，多余铁丝头需剪除并打平以不挂手为准。
③钢丝软管支管、干管与钢丝软管主管连接。钢丝软管干管按照每1000m2连接一条主管（出膜管），φ32mm钢丝软管干管与φ50mm钢丝软管主管（出膜管）通过三通管接头进行连接。
④钢丝软管主管（出膜管）按约1000m2一个进行布置，出膜装置通过φ50mmPVC管连接至水气分离罐，水气分离罐与节能真空泵相连，按约10000m2一个水气分离罐，每80000～120000m2一个节能真空泵进行布置。
⑤出膜钢丝软管主管（出膜管）、水气分离罐、真空泵的连接。将10条φ50mm钢丝软管主管在膜下引致压膜沟边缘位置后与水气分离罐连接，每个水气分离罐罐顶通过φ100mm的PVC管与真空泵相连接。在φ50mm的出膜钢丝软管主管（出膜管）上设置出膜装置，尤其注意出膜管与密封膜的绑扎要牢固，避免出现漏气现象。
3.2.4 铺设二层土工布
①采用不少于300g/m2的土工布，材料规格及性能满足设计要求；
②土工布采用手提缝纫机缝接，缝接宽度不小于5cm；
③铺设密封膜上下层土工布时应拉直平顺，紧贴密封膜，不得出现扭曲、褶皱或重叠。
3.2.5 铺设密封膜及压膜
① 抽真空密封膜采用聚氯乙稀薄膜，铺设三层，单层薄膜厚度为≥0.14mm，其技术参数需满足如下要求：
抗拉强度：横向≥16.0MPa，纵向≥18.0MPa
直角撕裂强度：≥60（kN/m）；断裂伸长率：≥220%
② 真空膜应选在无风或风力较小的天气时铺设，各预压分区单元实际铺设长度应每边增加约3m，考虑实际施工情况，现场由4块密封膜拼接而成，搭接的5米区域用强力胶水粘接牢固。endprint
③ 真空膜在各预压分区单元边界应压入密封沟内，采用素粘土，分层回填，表层覆水养护防止粘土密封墙开裂。
3.2.6 真空管路系统与节能型抽真空系统连接
①本工程A区、B区相对独立抽真空，各采用1台真空泵（55kW/台），8个水气分离罐，按约10000m2布置一个水气分离罐[2]，每个水气分离灌连接10个出膜管装置。A区真空泵及真空管连接图见图1 ，B区同样按照A区布置。
3.2.7 抽真空及堆载
①真空泵空载抽真空压力不小于85～90kPa，真空预压荷载为80kPa，一次加载到位。
②因没有膜下砂垫层，在进行第一层膜上中粗砂施工时难以控制抽真空质量，采用传统的汽车运输及装载车倾倒等方式易造成砂堆荷载集中，对密封膜及真空管路系统造成剪切破坏，针对此情况，新型直排式无砂垫层节能真空联合堆载预压加固技术采取吹填膜上中粗砂施工的工艺，有效避免了直排式无砂垫层真空堆载预压施工时进行膜上中粗砂施工损坏真空系统的情况。
③真空预压满载30天后，膜上砂及上层土方堆载施工按照设计图纸要求分级、分层进行，填土（包括膜上砂层）总厚度约3.0m。
④本工程A区抽真空时间从2016年6月25日开始正式抽真空，持续抽真空189天，B区抽真空时间从2016年7月5日开始正式抽真空，持续抽真空241天，抽真空过程中膜下真空压力值均在80KPa以上，即使后因设计变更A、B区在满载后延长了恒载抽真空时间90天，两台真空泵的真空压力值及膜下真空压力值仍然持续稳定。
4 施工过程监测及加固效果分析
4.1 施工过程监测及检测
监测主要包括地表沉降监测、真空度及孔隙水压力监测，检测为钻孔取芯、十字板剪切强度试验及地基承载力检测。
地表沉降监测在真空预压区域按照设计布置16个沉降标，钻孔取芯及十字板剪切试验各取9点进行检测，选取载荷试验点12个，真空测头在真空膜下布置16个，分别在分区的角点附近和中心点附近布置。
4.2 典型区监测及加固效果分析
本工程A区、B区中间设置一道压膜沟，抽真空系统相对独立，两个场地采用同种技术施工，故选取A区抽真空区域为例对其监测情况及加固效果进行分析[3]。
4.2.1 真空度观测
A区（含1A、2A）77359m2采用1台真空泵，8块膜下真空压力表，8块水气分离罐真空压力表，于2016年6月25日开始正式抽真空，直到2016年12月30日真空卸载，持续抽真空189天，以8块膜下真空压力表的平均值和8块水气分离罐真空压力表读数的平均值绘制真空度曲线为例，如图2，可以看出水气分离罐和膜下真空压力表保持的真空压力值分别在85KPa及80KPa以上，符合设计要求，B区也能满足设计要求。
4.2.2 沉降观测
A区、B区现场各布置了8个沉降标，A、B区测点平均沉降量随时间及填土的厚度增加而加大。根据第三方监测机构出具的卸载报告得知，A区共填土厚度3.087m，累计沉降量为1.943m。B区共填土厚度3.016m，累计沉降量为2.013m。A区、B区采用沉降曲线推算的固结度为91.3%～93.2%，大于设计要求的90%，满足设计要求。
4.2.3 十字板剪切试验
十字板剪切试验是采用电阻应变式十字板头，利用静力触探仪贯入装置将十字板头压入到不同的试验深度，借助齿轮扭力装置旋转十字板头，用LMC-D310型静探微机量测土的抵抗力矩，从而计算出土的抗剪强度值，数值越大反应土体强度越高。
根据第三方检测机构出具的实验报告得知，共进行了113次/9孔十字板剪切试验，按竖向每1m间距进行读数取值，试验结果表明A、B区十字板原状土抗剪强度范围值28.30～90.80KPa，标准值Cu值为41.87KPa，，其经过处理后场地抗剪强度数值满足设计要求，抗剪强度标准值Cu值大于原设计的25KPa。
4.2.4 地基承载力试验
由于场地内2A、2B区域规划是一条道路，设计要求软土处理后对场地软地基处理1A、1B区分层碾压后填土的平板载荷试验的地基承载力特征值不小于80kPa，2A、2B区分层碾压后填土的平板载荷试验的地基承载力特征值不小于120kPa。施工时对不同区域采用了不同的施工机械碾压措施，根据珠海市金湾质检站的地基承载力检测报告所示，1A、1B区0-1.5m地基承载力特征值为92kPa，2A、2B区0-1.5m地基承载力特征值为128kPa，满足设计要求。
4.2.5 钻孔取样试验
软土处理后对场地软土层进行了钻孔取样试验，取样钻孔按每2m间距取样进行室内试验，观察处理后软土的物理力学参数和含水率。根据试验报告得知，共进行了9孔累计钻探220米的钻孔试验，共采取了72件原状土试样，按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）进行了土样的室内试验，处理层含水率低于设计值55%，满足设计要求。见表1。
5 结论
（1）从第三方监测（检测）机构的监测数据可以看出，采用新型直排式无砂垫层节能真空联合堆载预压加固技术进行软基处理后，淤泥层土的含水率、十字板剪切强度值以及表层地基承载力特征值均满足原设计的各项指标，加固效果明显。
（2）该技术取消了膜下砂垫层，可以减少中粗砂的使用，避免因大量采集中粗砂而破坏江、河及海水底下的生态环境，而传统做法是铺0.6米厚中粗砂，面积16万m2，约9.6万立方米，无砂垫层可保护生态環境、节约工程造价。
（3）塑料排水板的连接采用新工艺，采用定制的蝶形接头将相临的两根塑料排水板连接起来，安装螺丝钉固定，再通过真空支管、三通管、四通管拼连起来接入真空干管，采用直排式工艺真空负压传递效果要优于传统的做法，从而保证真空堆载预压加固的效果，而该应用项目塑料排水板最深达21米，加固效果仍然明显。
（4）由于采用无砂垫层，早期场地承载力极弱，采取吹填膜上中粗砂的施工工艺，有效避免了无砂垫层真空堆载预压在进行膜上中粗砂施工过程中损坏真空系统的情况，施工质量可控，而且吹填施工受天气情况影响小。
（5）采用了节能泵抽真空系统，共采用了两台55kW的真空泵，外加16个水气分离罐上安装的7.5Kw的抽水泵，总功率230kW，而按照《真空预压加固软土地基技术规程JTS147-2-2009》传统的做法平均1000m2/台泵[4]，需要布置160台7.5kW的真空射流泵，总功率达到1200kW，仅A区189天24h不间断抽真空采用节能型真空泵经济上可以节约电4399920KW.h。B区241天24h不间断抽真空采用节能型真空泵经济上可以节约电4981920KW.h。
（6）综上所述，新型直排式无砂垫层节能真空联合堆载预压加固技术是一种基于真空堆载预压技术原理，采用直排式与无砂垫层技术、节能真空泵于一体的真空堆载预压技术，具备绿色环保、缩短工期并达到节约工程造价的目的，该应用实例取得了理想的技术加固效果和良好的经济效益，证明了此技术的可行性和可推广性。
参考文献：
[1]雷鸣，王星华.真空—堆载联合预压法加固软基机理及实践[J].山西建筑，2005，31（10）：39-40.
[2]陈云，李强，张亮.新型节能高效抽真空设备在软基加固工程中的应用[A].中国水运，2015，15（05）：335-336.
[3]吴兴龙，张开伟，徐剑.无砂垫层真空预压在吹填淤泥软基处理中的效果分析[A]岩土工程技术，2013，27（06）：315-319.
[4]真空预压加固软土地基技术规程（JTS147-2-2009）[S].

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