真空预压加固效果分析及施工工艺的改进方法.docx
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真空预压加固效果分析及施工工艺的改进方法
黄骅港综合港区通用散杂货码头工程
真空预压加固效果分析及施工工艺的改进方法
尊敬的各位领导、各位代表、同志们：
大家好！
随着改革开放的不断深入，国民经济的飞速发展特别是沿海地区的开发和港口建设发展，土地资源日益紧张，围海造陆建设项目越来越多，在节约成本、缩短工期方面吹填造陆比开山抛石填海及杂填土填海等方法具有明显优势。
目前对于新吹填的软粘土进行地基处理的施工工艺主要为真空预压法。
真空预压法属于排水固结法，在软基处理方面比其他加固法在工期、造价等方面具有明显优势。
下面我代表××，通过黄骅港综合港区通用散杂货码头软基处理工程实例，简要阐述真空预压施工工艺，结合卸载后各监测数据，对本次真空预压进行加固效果分析，并简要介绍公司根据工程实践对真空预压施工工艺进行的有效改进。
一、真空预压的发展及现状
1、随着建筑工程对地基承载力、土体性能的要求不断提高，人们通过研究发现，使用砂石土料堆载可有效改善土体承载力，并于1943年成功应用于美国沼泽地区的路基加固，堆载预压随之发展起来，但在实践中中人们发现，堆载预压法工期长且成本较高，为解决这一问题，上个世纪50年代瑞典皇家地质学院提出了真空预压理论，这一理论的提出引起了世界各国的关注，进行了深入的研究，逐步完善了加固理论及实施方法。
我国也于80年代就开始了相关试验，取得了成功，并通过了国家技术鉴定，随后便大范围开始应用。
2、国内外软土地基采用真空预压加固技术的日益增多，我国在加固机理研究方面已建立了完善的理论体系和模型结构，理论计算与实际观测的差距越来越小；在施工工艺方面已成功解决了竖向排水通道、抽真空设备等方面的问题。
目前，真空预压技术已在全国范围内推广，从最先的天津北疆港区，逐步扩展到全国各地。
而加固面积从十几万平米增加到一百多万平米，单块分区面积从3000㎡增长至50000㎡。
真空预压施工已经成为加固软土地基的首选工艺。
二、真空预压加固机理
1、通过采取一定的措施，在需加固的土层中产生一定真空和负压，形成压差，产生负压固结，达到预加固软土的目的。
2、真空预压通过砂垫层构成的水平排水通道与砂井、排水板构成的竖向排水通道一同组成排水体系，在真空作用下达到排水固结目的。
首先在软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水管道（袋装砂井或塑料排水板），再用不透气的封闭膜密封使其与大气隔绝，形成密闭区域，利用抽真空设备进行抽气，使其形成真空，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，孔隙水在压差的作用下经各向排水通道排出，增加地基的有效应力,从而使土体固结。
真空预压原理图
三、黄骅港综合港区通用散杂货码头工程真空预压施工工艺及加固效果分析
1、施工工艺
据吹填土质的不同，共分为A、B、C和D区，其中C区采用堆载预压方案，其余三区采用“真空预压处理工艺”。
以下为真空预压工艺流程即A、B、和D区工艺流程图。
1.1铺设隔离层
按设计要求，隔离层包括：
铺设1层编织布（150g/m²）、2～3层荆笆、一层竹笆及1层土工布（400g/㎡），采用人工铺设，其铺设范围为所有真空预压区域。
编制布采用150g/m²，土工布采用400g/㎡，采用现场双线缝合。
荆芭采用整根柳条编织，间距≯5mm。
竹笆采用宽度3cm～4cm，厚度1cm左右的竹片编织，空隙间距≯3cm×3cm，现场采用人工横纵交错搭接铺设。
1.2砂垫层施工
设计要求推填0.4m厚中粗砂垫层，在隔离层铺设出一定的作业面后随即开始砂垫层施工。
现场采用小型翻斗车及人力手推车倒运，然后进行人工推填。
人力铺砂采用在隔离层上搭设翘板铺道的工艺。
在施工过程中，利用事先做好的测钎及时探摸砂垫层的厚度，厚度不达标区域及时补填，厚度超标区域及时摊平。
1.3排水板施工
塑料排水板采用正方形布置，间距1m，要求打设底标高▽-12.0m，露出砂垫层250mm。
塑料排水板打设是本工程的关键工序之一，目的为建立竖向排水通道。
因此，施工现场必须控制好如下施工质量：
①塑料排水板打设范围、深度和间距应符合设计要求。
②打设过程中应随时注意控制套管垂直度，其偏差应≯±1.5%。
③打设塑料排水板时严禁出现扭结、断裂和撕破膜等现象。
④打设时塑料排水板回带长度不得超过500mm。
1.4真空预压
真空预压施工工艺流程
1.4.1铺设真空滤管和膜下测头
真空滤管采用软式透水管，管体打孔加工后外包土工织物滤水层，达到只透水气不透砂的效果。
埋设前先在砂垫层上开槽，把滤管埋设于沟槽中，滤水管接好后埋入砂中20cm左右，埋好后再用砂覆盖好，覆盖密实度与砂层一致。
1.4.2密封压膜沟
密封压膜沟深度可根据现场实际情况决定，但是必须切断透水层，进入不透水（气）层以下≮1.0m。
密封沟的开挖按照设计要求沿加固区边界进行，其深度应切断透水层，内外坡应平滑无砂料存在。
按照设计断面进行开挖，以保证密封膜与沟底粘土充分接触，满足密封要求。
1.4.3密封膜铺设
用工厂热合一次成型。
铺膜时先将膜卷成卷放在加固区场地上，将膜边踩入密封沟的粘土中，从一侧向另一侧依次展开铺设三层密封膜，铺膜时应选择无风雨的晴天进行。
膜铺好后检查有无破裂口，如果有立即用小块薄膜及专用胶水补好。
1.4.4安装射流泵
泵按照约800m2/台布置，要求射流泵功率≮7.5kW，且能形成≮0.096MPa的真空压力，抽真空期间不得停泵。
真空射流泵、膜上管道等外露部分应做好防腐、防锈措施。
1.4.5抽真空
①试抽气
调整各种仪器的初读数，进行开泵抽气，按照设计要求真空泵分开启1/3的泵数量随后以每天3台泵的速度增加直到开启全部真空泵，间隔3～5天。
抽气时随时检查膜上是否有漏洞。
②正式抽气
当膜下真空度大于85kPa并确定72小时后，转入正式抽气。
真空预压有效时间为100天左右，并满足真空预压卸载标准。
1.4.6恒载阶段的数据观测
真空恒载后，开始观测并记录沉降、孔隙水压力等监测数据，依据数据指导施工。
1.4.7标准
按实测沉降曲线推算的固结度≮85%；连续5天地表实测沉降速率≯2.0mm/d即可终止预压。
2、加固效果分析
本文通过对黄骅港综合港区通用散杂货码头软基处理D3区真空预压全过程的监测，掌握了在施工过程中地基土的地表沉降、分层沉降、孔隙水压力的变化情况，同时结合加固前后现场取土试验及现场十字板剪切试验的结果，掌握了加固前后土体物理力学指标的变化。
通过各种仪器的监测测量结果的分析，对加过前后土性指标进行对比，确认加固效果。
经过数据分析可知，本次真空预压加固效果良好，达到设计要求。
2.1表层沉降
2.1.1插板期间沉降
本工程加固区域上部土层主要为新近吹填形成，地基尚未完全排水固结，加固区域地基土层为欠固结土。
在打设塑料排水板后，由于土层排水路径缩短，地基土在其自重压力作用下，很快产生一定量的固结沉降。
本加固区在打设塑料排水板至预压加固前，加固区内的插板沉降为270mm～860mm。
2.1.2预压期间沉降
散杂货码头加固区真空预压期平均地表沉降为492mm～1499mm。
本报告采用双曲线法推算地基最终沉降量，并进一步推算固结度。
在预压荷载下，散杂货码头加固区沉降盘平均地表沉降量及根据沉降曲线推算的固结度结果汇总见下表。
表1散杂货码头各加固区平均地表沉降量及推算固结度汇总表
编号
插板沉降（mm）
平均地表沉降量（mm）
沉降速率（mm/d）
综合固结度（%）
A1
480
687
0.7
89.5
A2
600
1038
1.2
86.5
A3
540
706
1.3
85.9
A4
790
1076
1.1
85.7
A5
450
593
1.0
85.2
A6
550
828
0.8
85.5
A7
720
1100
1.0
87.7
A8
620
596
1.3
89.2
A9
680
721
0.8
90.0
A10
470
837
1.5
86.2
A11
610
1014
1.4
87.9
A12
660
1041
1.3
86.4
A13
670
843
0.8
90.4
B1
430
1474
1.2
85.9
B2
450
1499
1.1
86.2
B3
820
587
1.3
85.7
B4
860
706
1.3
86.9
B5
470
1237
1.2
87.7
B6
340
1044
1.3
85.2
D1
380
735
1.0
86.7
D2
500
856
1.4
85.8
D3
750
751
1.0
87.4
D4
600
492
1.3
86.0
D5
650
718
1.3
90.3
D6
700
820
0.8
85.7
D7
270
526
0.9
86.1
D8
460
666
0.8
87.5
D9
430
810
1.0
88.6
从上表可以看出，各区连续5天实测地表平均沉降速率≯2.0mm/d。
各区沉降曲线推算固结度的平均值均＞85%，满足设计要求。
2.2分层沉降
打设塑料排水板后，为了解不同土层的沉降情况，选用电磁式沉降仪，以便掌握地基中各土层的变形情况。
在真空预压加固区的中心点附近埋设了1组深层分层沉降仪，每2.5m埋设1个观测磁环，一组分为7个观测磁环。
仪器埋设完成后开始观测。
现以散杂货码头D3区为例，分层沉降～时间关系曲线见下图。
D3区测点位置的土层沉降量统计见下表。
表2散杂货码头D3区分层沉降汇总表
序号
土层标高（m）
土层厚度（m）
预压沉降量（mm）
压缩率（mm/m）
1
5.3～2.8
2.5
165
64.8
2
2.8～-1.0
3.8
105
27.7
3
-1.0～-2.8
1.8
68
37.5
4
-2.8～-4.5
1.7
32
18.7
5
-4.5～-7.2
2.7
30
10.9
6
-7.2～-9.6
2.4
35
14.4
7
-9.6～-12.1
2.5
17
6.9
由上表可以看出，D3区的各土层压缩率在6.9mm/m～64.8mm/m之间，按设计要求排水板打设深度为▽-12m，可见，打板深度范围内的土层都得到了有效固结。
图1D3区分层沉降～时间关系曲线
从分层沉降曲线可以看出，真空预压前期沉降较大，前60天大约能够完成总沉降的80%以上，后期沉降速率较小，曲线比较平缓。
2.3孔隙水压力观测
打设塑料排水板后，在每个真空预压区中心点附近埋设一组孔隙水压力测头，共7个测头。
通过孔隙水压力测头可以监测真空预压施工期间土体内部孔隙水压力消散情况，并对施工过程进行指导，及时堵住漏气漏水点。
散杂货码头D3区各测点孔隙水压力消散统计见表
表3D3区各测点孔隙水压力消散统计表
标高（m）
孔压初始值（kPa）
孔压总消散值（kPa）
3.00
36.94
71.97
0.50
63.10
79.11
-2.00
83.61
78.98
-4.50
108.93
88.03
-7.00
126.69
100.72
-9.50
146.58
105.00
-12.00
185.96
83.01
平均值
86.69
图2散杂货码头D3区孔隙水压力～时间关系曲线
根据观测孔隙水压力曲线分析可知，铺膜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水压力，地基土处于欠固结状态。
在真空预压过程中，孔隙水压力前期消散较快，前40天能够完成真空预压过程中孔隙水压力总消散值的60%左右，后期消散曲线比较平缓。
2.4十字板剪切试验
散杂货码头D3区加固前后十字板抗剪强度对比成果见下表
通过加固前后现场十字板剪切试验可以看出，各加固土层的抗剪强度均有所提高。
D3区各加固土层的十字板抗剪强度平均值由加固前13kPa～37kPa增到加固后30kPa～60kPa，由十字板抗剪强度平均值推算的地基承载力平均值，散杂货码头加固区的承载力平均值由加固前36kPa～79kPa增到加固后100kPa～140kPa。
从十字板试验得到的沿深度的地基土的抗剪强度曲线可得，根据加固后十字板抗剪强度推算的承载力平均值＞80kPa，达到设计要求。
2.5土工实验结果
根据加固前后的取土试验结果进行对比分析可知，加固过程中地基土的物理力学指标有较大改善，土体含水率、孔隙比、压缩系数变小，密度和剪切强度均有所提高。
具体见下表：
表4D3区加固前取土土工试验成果表
表5D3区加固后取土土工试验成果表
2.6加固效果分析结论
（1）经过真空预压处理，地基发生了较大的沉降；D3区真空预压期间的沉降量为492mm～1499mm根据沉降盘平均地表沉降推算的预压荷载下的固结度达到85%，且卸载前连续5天实测地表平均沉降速率≯2.0mm/d，满足设计卸载标准要求。
（2）根据预压期间实测分层沉降资料，D3区地基土各土层压缩率在6.9mm/m～64.8mm/m之间，打设排水板深度范围内的土体都得到了有效固结。
（3）根据孔隙水压力观测结果可知，各加固区土体的孔隙水压力在真空预压加固期间产生了较大消散。
散杂货码头加固区真空预压期间的孔隙水压力消散值为71.97kPa～105.00kPa。
（4）D3区的十字板抗剪强度平均值由加固前13kPa～37kPa增到加固后30kPa～60kPa，由十字板抗剪强度平均值推算的地基承载力平均值，散杂货码头加固区的承载力平均值由加固前36kPa～79kPa增到加固后100kPa～140kPa，从十字板试验得到的沿深度的地基土的抗剪强度推算的承载力平均值＞80kPa，满足设计要求。
（5）根据加固前后的取土试验结果进行对比分析可知，D3区加固过程中地基土的物理力学指标有较大改善，土体含水率、孔隙比、压缩系数变小，密度和剪切强度均有所提高，真空预压施工在D3区得到了很好的加固效果。
四、真空预压法的改进
真空预压的施工工艺通过多年的发展日趋完善，主要包括排水系统、抽真空系统、密封系统这三方面的施工工艺，目前沿海吹填造陆采用的真空预压改进方法主要有无垫层真空预压法和真空一电渗联合加固法两种。
1、无垫层真空预压法
黄骅港综合港区软基处理采用40cm砂垫层与滤管组合作为横向排水通道。
本工程砂垫层工程量大，过程中发现，在未加固土体上铺设砂垫层施工难度较大，需要预先在隔离层上铺设若干条临时道路，后期堆场施工还需清除砂垫层。
因此资源投入大，且浪费时间，无形中造成了巨大的浪费。
为更有效缩短真空预压施工时间，通过不断研究，无砂法施工对于吹填土和新近淤泥堆积的超软土有特别好的加固效果，且节省了铺设砂垫层的大量投入，真空度传递效果好，具有施工工期短，经济节约的独特优势。
本法是将排水板与滤管直接相连，省去了传统真空预压中的砂垫层，使水平向排水板系统和垂直向排水板系统连成一个有机的整体，但仍需要外覆密封膜达到系统密封的目的，其加固机理与传统真空预压一致。
在砂料匮乏的地区，砂垫层所用的中粗砂在传统真空预压的工程造价中占相当比例，使用此法可有效节省造价。
2、真空--电渗联合加固法
本法是真空和电渗两种方法组合而成。
真空预压对于高黏粒含量、高塑性、低渗透性的软土，真空度不能有效传递，排水加固效果不佳。
电渗是采用在土体中插入电极施加直流电，使土中的孔隙水在电场作用下从阳极向阴极移动，实现土的排水固结的方法。
此法将真空预压与电渗相结合，可以发挥各自的优势，弥补各自的不足，是处理细颗粒、低渗透性土的一种有效的方法。
真空预压联合电渗法的主要特点表现在：
解决了纯电渗法电能消耗大、工程造价高的问题，前期采用真空预压排出土体中的自由水，后期通过电渗排出土体中的弱结合水。
真空预压联合电渗法较单纯的真空预压法加固效果要显著得多，目前已在部分沿海地区得到推广应用。
五、总结
真空预压法已广泛应用于公路、港口、码头、机场等工程建设中。
真空预压法处理软土地基在造价、工期、加固效果、环境影响等方面较传统的方法有较大的优越性。
近年来随着真空预压法在国内外的广泛应用，在加固机理、设计理论、施工工艺、施工组织和现场管理、工程质量控制等方面的研究都取得了丰硕的成果。
通过吸取前人的经验，结合工程实例，可以得出以下结论：
1、真空预压时，由于总应力不变，孔隙水压力与有效应力的转化是土体固结的关键。
通过抽真空使孔隙水压力降低致使水、气排出有效应力增加，土体固结。
2、真空预压实施时对密封性能、真空度等有着明确的要求，在满足工艺要求的情况下，其加固效果才能满意。
3、真空预压法的施工工艺复杂，工艺的合理设计和施工的质量保证是真空预压成功完成软基处理的关键。
4、真空预压在造价、工期等方面具有明显的优势可有效降低工程成本，值得推广。
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