高真空击密技术.docx
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高真空击密技术
高真空击密技术
在京唐港煤炭泊位堆场地基处理工程中的应用
摘要：
本文简要介绍了京唐港煤炭泊位堆场地基处理中高真空击密技术的运用。
关键词：
高真空降水；软基处理；经济分析；效果显著。
一、概述
1、工程概况
京唐港3000万吨煤炭泊位工程位于河北省唐山市海港开发区四港池北侧；该工程包括一个堆场和前后辅建区的地基处理，面积为92万m2，建成后年吞吐能力为3000万吨。
2、地基处理的结构型式
该工程地基处理方式初始设计为点夯+满夯+碾压，后来因施工中发现部分区域无法按上述方式施工，故处理方式发生较大变化。
初始设计的技术参数如表-1：
表-1
区段
点夯
填料
要求
满夯
夯击能（KN.M）
遍数
累计夯机击数（不少于）
夯击能（KN.M）
遍数
累计夯机击数（不少于）
A区
3000
3
15
石渣或碎石或砾石或建筑垃圾等坚硬粗颗粒
600
第1、2遍
4～6
300
第3遍
B区
3000
2
12
800
2-3
4～6
C区
3000
2
12
600
第1、2遍
4～6
300
第3遍
D区
2000
2
10
800
2-3
4～6
E区
1500
2
9
细砂或山皮土或石渣
500
2-3
4～6
F区
1500
2
9
500
2-3
4～6
变更后的技术参数如表-2：
表-2
区域
面积
（㎡）
强夯参数
回填料
夯击能（KN.M）
锤重（t）
锤直径（m）
夯点间距（m）
强夯遍数
A区
62240
3000
15～20
1.2
4×6
3
山皮石
B区
31868
3000
20
2.5
4×6
2
山皮石
D区
130575
2000
20
2.5
4×7
2
山皮石
E区
50719
1500
10～15
2.0
5×5
2
砂
F区
190487
1500
10～15
2.0
5×5
2
砂
H区
461177
2000～2500
10～20
2.0～2.5
4×7
2
砂
3、工程地质情况介绍
3.1分区地质情况
该地基处理工程有三种地形：
一种为新近回填土区域简称回填区（含E、F、D区），面积约36万平米，回填标高+3.5m～+4.5m；一种为新近吹填土区域简称吹填区（含A、H区），面积46万平米，标高+2.5m～+4.0m；一种为拆迁区域（含B、D区），约10万平米，标高+3.5m～+4.0m。
3.2地质勘探资料对本工程的地质评价
在标高-15.90～-9.85m以上的土层相对较差并且很不均匀，主要表现在表层的冲填土和素填土，主要成分为松散状粉细砂和稍密状粉土，局部为软塑状粉质粘土、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土，土质不均匀；①粉细砂呈松散～密实状，土质不均并夹不等厚的淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土及粉土透镜体，工程性质差异较大；②1粉质粘土、②2淤泥质粘土、②3粉质粘土等海相沉积层均为软弱土层。
3.3地下水位
该工程紧临渤海，地下水位高，根据地质勘查资料显示，该区域地下水的平均稳定水位为+2.15m。
其中吹填区和回填区地下水位均在+2.5m左右，拆迁区地下水位在+1.7m左右。
二、高真空击密技术引入和运用
1、引入原因
高真空击密技术主要应用于吹填区，吹填区大部分区域处于超饱和状态，基本没有承载力。
其次吹填土质差，粘粒土含量超过30%，且由于吹填区域原来是多年使用的养虾池，淤泥淤积达到1m以上，透水性极差，加之地下水位高（离吹填区地表不足1米），因此吹填完成后吹填土中的水位下降很慢，基本处在液化状态。
设计原计划直接强夯的地基处理方法无法实现。
针对吹填区无法直接上强夯机强夯的现状，经多次研究论证，最后引入高真空击密技术，但强调要与其他软基处理方法进行经济技术比较，以合理选用最优方案。
2、软基处理的方案比选
方案一真空预压和堆载预压处理方案
真空预压和堆载预压适合处理软土地基，但工期一般在3个月以上，而且经过真空预压和堆载预压处理的地基承载力一般不超过12t/m2。
本工程合同工期110天，地基承载力要求15～20t,因此真空预压和堆载预压无法满足本工程的设计要求。
方案二碎石桩方案
业主曾经提出碎石桩方案，该方案有两大缺点：
一是造价高，仅碎石桩施工成本就达到1.2亿元，尚未考虑施工道路增加的成本；二是振冲置换法适于处理不排水抗剪强度小于20KPa的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基，而本工程为淤泥质土，基本没有强度，桩体难以形成。
方案三抛石积淤法
本工程吹填区吹填厚度在2.0～3.0m左右，要想上车强夯，需要抛2.0m厚左右的山皮石。
为保轨道梁300m安装段地基处理工期，经设计、监理和业主协商在A1、A2、A3三条轨道梁区域进行抛石积淤各300m长，实测抛填厚度在1.96m～2.05m之间，山皮石当时价格50元/m3，每平方米增加造价约100元，造价昂贵。
方案四化学（注浆）加固法
a.高压旋喷注浆法
在A3轨道梁强夯完成后对不合格点进行补强时进行过试验，2m深的钻孔每孔费用80元，造价也较高；另外对表层无法加固。
所以此法也被弃用。
b.水泥（石灰）土搅拌法
在H区进行过搅拌石灰土试验，如果达到能上强夯机的承载力要求，搅拌厚度需要1m左右，合每平米造价100元，造价较高。
方案五高真空击密法
高真空击密法处理软土地基一个周期一般在25天至35天，比真空预压缩短工期接近2/3。
经过高真空击密法处理后的地基承载力能达到15t/m2以上，满足设计要求。
高真空击密每平米造价在40元左右，相对于化学法和抛石挤淤法节省造价一半。
经过比选，认为高真空击密法适合本工程软基处理。
三、高真空击密工法的工作原理
1、工作原理
高真空击密工法是一种快速加固软土地基的新技术，它是通过数遍高强度真空强排水，并结合适度能量的击密，达到降低土层的含水量，提高密实度、承载力，减少地基工后和差异沉降量的目的。
高真空击密法是通过高真空强排水、强夯击密这两道工序的有机结合、相互作用（击密产生的超孔隙水压力为“正压”，高真空产生的“负压”，利用“压差”来快速消散超孔隙水压力、快速排水），在加固土体表层形成刚度非常好的超固结的“硬壳层”，以达到提高承载力、减少地基工后沉降和差异沉降的独特机理。
本工法施工，采用高真空排水，使得击密的有效应力大大提高，再通过击密，使得被处理土体形成一个超固结的“硬壳层”，由于“硬壳层”的存在，使得表层荷载有效扩散，减少因荷载不均匀产生的不均匀沉降。
由于“硬壳层”下卧层不存在排水通道，剩余沉降速度很慢。
四、高真空击密工法在京唐港煤炭泊位的应用
1、试验区设置
高真空击密工法是首次引入京唐港运用，也是在北方地区首次运用，为慎重起见，我们先做了两个实验区，试验一区面积4800m2,吹填厚度在3.5m左右，顶标高在+3.2m左右，地下水位基本不受潮汐影响；试验二区面积5800m2，吹填厚度2.5m左右，顶标高在+2.5m左右，地下水位受潮汐影响较大。
试验一区地质情况如下：
①层：
冲填饱和粉砂及淤泥质粉质粘土，结构松散，均匀性差，工程性能差。
层厚3～4m。
②层：
池塘淤积淤泥质粉质粘土，饱和，流塑。
该层结构松散，均匀性差，工程性能差。
层厚1～2m。
试验二区地质情况如下：
表层0~1.0m为吹填粉细砂，1.0~1.5m为淤泥夹层，1.5~2.0m为吹填粉细砂，2.0~2.5m为淤泥夹层，2.5~3.0m为吹填粉细砂，3.0m（局部为3.5m）以下为原状土，以粉土，粉砂为主。
两试验区方法见表-3：
表-3
试验一区
试验二区
分包单位
甲
分包单位
乙
试验时间
4.2-4.23
实验时间
4.7-5.15
主管排距
7m
主管排距
8m
主管布管方法及管径
单排管Ø75
主管布管方法
双排管Ø63
主管连接的井点管直径长度
Ø25L=6m
主管连接的井点管直径长度
Ø32L=7m/3m
主管连接的井点管点距
1.75m
主管连接的井点管点距
1.75
浅井点管直径长度
Ø25L=2～4m
浅井点管直径长度
Ø32L=3m
浅井点管排距
3.5m
浅井点管排距
2.67m
浅井点管点距
4m
浅井点管点距
3.5m
外围封闭管直径长度
Ø25L=6m
外围封闭管直径长度
Ø32L=7m
使用抽水泵型号
Sz-360
使用抽水泵型号
2kv5131
水泵抽气量
680m3/h
水泵抽气量
420m3/h
夯点布距
4m×7m
夯点布距
4m×8m
试验步骤
两遍抽水直接
强夯
试验步骤
四遍抽水先轻夯
再强夯
试验得出结论，试验二区布管方法、井点管选用恰当、抽水时间掌握较好，一次成功。
2、高真空击密在京唐港的大面积运用
设计在总结了两个试验区的实验结果后，确认以第二实验区确立的工序和方法作为成功的工法予以推广使用，并据此出设计修改图。
2.1高真空击密工艺流程
施工准备→场地放线→场地整平→强夯控制点施测→布管→插管→一遍降水及碾压（拔除中间2～4m浅管）→低能量轻夯（二遍降水）→强夯放点验夯击能（一遍一次）→一遍点一次强夯（三遍降水）→推平或填砂（测标高）→一遍点二次强夯推平或填砂（测标高，四遍降水）→二遍点一次强夯（7m管拔除）→推平或填砂（测标高）→二遍点二次强夯→推平或填砂（测标高）→满夯→碾压
2.2降水单元划分
降水单元划分的目的主要是按地基处理的先后次序确定每一次的降水范围。
堆场区面积很大，无法一次完成整个面积的地基处理，因此须按照堆场上部结构施工的节点要求进行地基处理，因此分区是很必要的；基本保证每一抽水单元面积适中（10000～20000㎡左右），配置水泵和动力机械数量在15～30台左右，有利于抽水和排水管线布置，发挥机械最大效率。
H16区布管平面图见图-1。
图-1
2.3抽水设备型号和数量选择
本工程选用真空泵和气水分离器组成抽水机组，所选真空泵共有3种型号：
SZ型单极水环真空泵；2KV5131液环真空泵；FK-15型真空泵。
这几种泵的极限真空度在60～90KPa。
按着土质不同，每台泵抽水影响面积不尽相同，对于砂性土，一台泵可以抽800～1200m2，对于含泥量较大的土一台泵则仅能抽300-500m2。
2.4井点管
井点管选用了两种：
Ø32的镀锌钢管和Ø25的PVC管，井点管下端管壁上呈梅花形钻直径为6～10mm的孔，管壁外包上网眼30～50孔/cm的铜丝布作为滤管，滤管长度：
7m井点管为3m、4m井点管为1.5m、3m井点管为1.2m。
2.5连接管和集水总管
连接管用塑料透明管，以便观察水流情况。
集水总管采用Ø63（Ø75）的PVC管，每节长度7m，用管节连接。
2.6高真空击密过程控制
（1）降水区域土质的小螺钻详勘
小螺钻取样是降水工法的第一道工序，准确判断各层土质情况从而正确决定井点管插管深度是保证降水质量和速度的关键。
（2）第一次降水3~5天，保证夯机可上去作业（如不能则采取加密一次碾压降水），拔除单排管。
（3）第一遍低能量轻夯，能量800～1000kN.m,夯点布置4m×4m，每点两击。
双排管二次降水，如遇地下水丰富，在原单排管位置加设井点，井点管长3米。
加快降水速度。
3~5天后拔除单排管。
（4）第一遍第一次点夯，能量2000～2500KN.m,夯点布置4m×7m，每点四击。
夯后夯坑回填砂整平。
双排管三次降水3~5天。
（5）第一遍第二次点夯，能量2000～2500KN.m,夯点布置4m×7m，每点六击。
夯后夯坑回填砂整平。
双排管四次降水3~5天。
（6）拔除双排管，进行第二遍一次点夯，能量2000～2500KN.m,夯点布置4m×7m，每点四击。
夯后夯坑回填沙整平管速度与点夯速度同步，做到随拔随夯，拔管后24小时内点夯必须结束。
（7）待3~7天孔隙水压消散后，第二遍二次点夯，能量2000～2500KN.m,夯点布置4m×7m，每点六击。
夯后夯坑回填砂整平。
（8）满夯，能量1000KN.m，1/4锤印搭接，每点两击。
五、高真空击密工法控制要点
1、降水区域地基含水量和水位控制要点
1.1降水过程中必须对含水量和地下水位进行控制，对含水量一般按每遍抽水时间进行含水量检测，检测时从地表下2m处取土样。
第一遍（轻夯前）含水量控制在30%左右；第二遍含水量控制在28%以下；第三遍含水量控制在25%以下。
1.2水位控制是靠在降水区域埋设水位观测孔观察的，一般情况下每1000m2左右埋设一根水位观测管，水位达到地表2m以下时才能强夯。
2、抽水过程控制要点
2.1抽水过程控制主要是控制抽水时间和停泵时间，前期抽水每台泵基本都要24小时运转,。
随着抽水时间延长，水量减少，有些泵抽不上水来只能抽气时，这些泵可以暂停抽水，否则容易造成水泵损坏和油料浪费。
2.2为了控制抽水和停泵时间，在抽水泵和油水分离器之间安装真空表观察真空度，开始抽水时真空度在70KPa以上，随着时间延长水位下降，真空度逐渐降低，当真空度低于20KPa时地下水很难再抽上来，此时管内一般只能抽气，抽气时间超过2小时，该泵可以暂停抽水；停泵超过2小时要再启动抽水，直至最后完成降水击密。
六、取得的成效
1、高真空击密法解决了吹填区无法强夯的难题
经高真空击密处理的区域地基承载力达到15t/㎡设计要求，而且处理后的区域土质均匀，固结效果好。
2、高真空击密区域与非高真空击密区域强夯动探检测效果比较见表-4:
表-4
区域
动探检测点数
一次检测合格点数
一次检测合格率
回填材料
回填区
220
190
86%
山皮石
拆迁区
66
46
70%
山皮石
吹填区抛石积淤区
32
10
30%
山皮石
高真空击密区
290
261
90%
砂
3、高真空击密与非高真空击密区域轨道梁沉降观测效果比较
根据每周一次的轨道梁沉降观测资料统计，非高真空击密区域沉降量较大：
吹填区北侧300m安装段平均沉降6～8cm；拆迁区平均沉降4～6cm。
高真空击密区域沉降量一般只有3～5cm。
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