真空預(yù)壓法是在地基表面鋪設(shè)密封膜,通過特制的真空設(shè)備抽真空,使密封膜下砂墊層內(nèi)和土體中垂直排水通道內(nèi)形成負(fù)壓,加速孔隙水排出,從而使土體固結(jié)、強(qiáng)度提高的軟土地基加固法。
    真空預(yù)壓法適用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土和其他能夠排水固結(jié)而且能形成負(fù)超靜水壓力邊界條件的軟粘土。該法早在50年代初就已由瑞典的杰爾曼(W.kJELLMAN)提出,但直至70年代末期一直末能得到廣泛應(yīng)用。1980年,交通部第一航務(wù)工程局科研所(天津港灣工程研究所)在天津新港開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,解決了實(shí)用密封薄膜、抽真空裝置及關(guān)鍵施工工藝,使該法達(dá)到實(shí)用階段,并于1982年末成功地應(yīng)用于天津新港軟基加固工程中。1983年該法的研究列入“六五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目1985年通過國家技術(shù)鑒定,并獲“六五”國家科技攻關(guān)獎(jiǎng);1987年2月取得國家專利權(quán)(專利號(hào)(申請(qǐng)?zhí)?85108820),并于1989年被評(píng)為中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng);“七五”期間,該法被列為國家計(jì)委重點(diǎn)推廣新技術(shù)的第28項(xiàng),同時(shí)被列為“七五”期間交通部《通達(dá)計(jì)劃》推廣新技術(shù)項(xiàng)目之一。目前,真空預(yù)壓法已在港口工程、石油、化工、建筑、公用事業(yè)和機(jī)場(chǎng)等工程中得到實(shí)際應(yīng)用,加固面積已超過150萬平方米,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
    一、真空預(yù)壓加固法的特點(diǎn)
    真空預(yù)壓加固法有以下幾個(gè)特點(diǎn):
    (1)加固過程中土體除產(chǎn)生豎向壓縮外,還伴隨側(cè)向收縮,不會(huì)造成側(cè)向擠出,特別適于超軟土地基加固。
    (2)一般膜下真空度可達(dá)600mmHg,等效荷重為80kPa,約相當(dāng)于4.5m堆土荷載;真空預(yù)壓荷重可與堆載預(yù)壓荷重疊加,當(dāng)需要大于80kPa的預(yù)壓加固荷重時(shí),可與堆載預(yù)壓法同時(shí)使用,超出80kPa的預(yù)壓荷重由堆載預(yù)壓補(bǔ)足。
    (3)真空預(yù)壓荷載不會(huì)引起地基失穩(wěn),因而施工時(shí)無須控制加荷速率,荷載可一次快速施加,加固速度快,工期短。
    (4)施工機(jī)具和設(shè)備簡單,便于操作;施工方便,作業(yè)效率高,加固費(fèi)用低,適于大規(guī)模地基加固,易于推廣應(yīng)用。
    (5)不需要大量堆載材料,可避免材料運(yùn)入、運(yùn)出而造成的運(yùn)輸緊張、周轉(zhuǎn)困難與施工干擾;施工中無噪音,無振動(dòng),不污染環(huán)境。
    (6)適于狹窄地段、邊坡附近的地基加固。
    (7)需要充足、連續(xù)的電力供應(yīng);加固時(shí)間不宜過長,否則,加固費(fèi)用可能高于同等荷重的堆載預(yù)壓。
    (8)在真空預(yù)壓加固過程中,加固區(qū)周圍將產(chǎn)生向加固區(qū)內(nèi)的水平變形,加固區(qū)邊線以外約10m附近常發(fā)生裂縫。因此,在建筑物附近施工時(shí)應(yīng)注意抽真空期間地基水平變形對(duì)原有建筑物所產(chǎn)生的影響。
    二、真空預(yù)壓法的機(jī)理與基本性能
    真空作用下土體的固結(jié)過程,是在總應(yīng)力基本不變的情況下,孔隙水壓力降低、有效應(yīng)力增長的過程。
    抽真空時(shí),先后在地表砂墊層及豎向排水通道內(nèi)逐步形成負(fù)壓,使土體與排水通道、墊層之間形成壓差;在此壓差作用下,土體中的孔隙水不斷由排水通道排出,孔隙水壓力隨之降低、有效應(yīng)力增長,從而使土體固結(jié)壓密。這樣,地基沉降在預(yù)壓加固階段基本完成,并獲得足夠的強(qiáng)度。因此,在經(jīng)過真空預(yù)壓加固后的地基上施加建筑物荷載時(shí),既不會(huì)發(fā)生地基失穩(wěn)問題,又不會(huì)產(chǎn)生有害的殘余沉降與差異沉降。
    本工法可使膜下真空度在10—20d內(nèi)達(dá)到和維持在600mmUg以上,可產(chǎn)生相當(dāng)于80KPa的等效荷載。
    三、施工工藝
    真空預(yù)壓施工包括以下四個(gè)主要部分:
    (1)采用不透氣的密封膜使加固地基與大氣隔絕;
    (2)為使土體加速排水固結(jié),在加固地基中設(shè)置排水通道(如塑料排水板);
    (3)采用高效率的抽真空裝置;
    (4)為了節(jié)能和安全正常運(yùn)轉(zhuǎn),需要安裝自動(dòng)控制、記錄系統(tǒng)。
    (一)施工工具
    1、排水通道打設(shè)機(jī)
    由于塑料排水板具有質(zhì)量穩(wěn)定、輕便可靠、打設(shè)速度快、加固效果好等優(yōu)點(diǎn),目前在真空預(yù)壓加固中已被廣泛采用,極少見到使用袋裝砂井及普通砂井的實(shí)例。
    塑料排水板打設(shè)機(jī)可采用履帶式或軌道式等輕型設(shè)備,其接地壓力應(yīng)與加固地基相適應(yīng);當(dāng)?shù)鼗周浫酰鼗休d力偏低時(shí),往往需要對(duì)地基表層臨時(shí)處理,以適應(yīng)打設(shè)機(jī)對(duì)地基承載力的要求。
    打設(shè)方式可用振動(dòng)錘打入,亦可用靜壓壓入。
    采用目前常用塑料排水板打設(shè)機(jī)打設(shè)長度為20m左右的塑料排水板時(shí),打設(shè)效率一般可達(dá)到1000—1500m/臺(tái)班。
    2、真空設(shè)備及自控裝置
    (1)真空設(shè)備:φ48型射流泵、3HA—9型離心式水泵。
    (2)自控裝置:自動(dòng)控制、記錄儀。
    (二)施工程序
    本工法的施工程序如下:
    (1)設(shè)置排水通道包括在軟基表面鋪設(shè)砂墊層和土體中打設(shè)排水通道。目前多采用塑料排水板作為豎向排水通道。采用套管法打設(shè)塑料排水板。在鋼套管壓入地基土內(nèi)之前,須先將塑料板放入套管,并在塑料板端部加管靴,這樣,當(dāng)鋼套管壓入時(shí),管靴和塑料板也隨之入土,拔出鋼套管時(shí),塑料板靠管靴的阻力留置于土中,在地面將塑料板切斷,打設(shè)即完成。
    1—排水通道;2—濾管;3—圍捻;4—出膜裝置;5—閥門;6—真空表;7—射流泵;8—離心泵;9—溝槽;10—水平排法;11—密封膜
    (2)鋪設(shè)膜下濾管在打好塑料排水板的砂墊層上布設(shè)膜下濾管,并將濾管埋入砂墊層中。
    (3)鋪設(shè)封閉薄膜。
    (4)連接膜外管道和出膜裝置與抽真空設(shè)備。
    (5)安裝自動(dòng)控制設(shè)備。
    (三)勞動(dòng)組織
    1、打設(shè)排水通道
    每臺(tái)班由4—5人組成,班長1人、操機(jī)工1人、裝運(yùn)工1人、測(cè)量工1人、電工1人。
    2、真空設(shè)備安裝與運(yùn)轉(zhuǎn)
    每臺(tái)班6—8人,每日三班連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
    (四)施工注意事項(xiàng)
    (1)整平加固區(qū)場(chǎng)地,清除雜物,并鋪設(shè)砂墊層。為避免塑料密封破損,砂墊層表面不得存留石塊及其他尖利雜物。
    (2)塑料排水板打設(shè)完畢并驗(yàn)收合格后,應(yīng)及時(shí)仔細(xì)地用砂墊層砂料把打設(shè)時(shí)在每根塑料排水板周圍形成的孔洞回填好,否則,抽真空時(shí)這些孔洞附近的密封薄膜很容易破損,造成漏氣,從而難以達(dá)到和維持要求的真空度。
    (3)埋設(shè)膜下濾管時(shí),綁扎過濾層的鉛絲頭均應(yīng)朝向兩側(cè),切忌朝上。濾管周圍須用砂填定,并用磁盤埋好,埋砂厚度以5cm左右為宜。砂料中的石塊、瓦礫等尖利雜物必須清除干凈,以免扎破密封膜。
    (4)鋪膜時(shí)須挖溝,挖出的土堆在溝邊平地上,不得堆在砂墊層上。還應(yīng)避免砂;霚现。薄膜應(yīng)事先仔細(xì)檢查,鋪設(shè)時(shí)四周應(yīng)放到溝底,但不要拉得過緊。溝中回填的粘土要密實(shí)且不夾雜砂石。
    (5)管道出膜處應(yīng)與出膜裝置妥善連接,以保證密封性。膜外水平管道上應(yīng)接有閥門。每臺(tái)射流歷史意義和閥門外側(cè)均應(yīng)裝有真空表,使用前應(yīng)進(jìn)行試抽檢查。
    (6)整個(gè)真空系統(tǒng)安裝完畢后,記錄各觀測(cè)儀器的讀數(shù),然后試運(yùn)轉(zhuǎn)一次。發(fā)現(xiàn)漏氣等問題時(shí)應(yīng)及時(shí)采取措施補(bǔ)救。
    (7)抽真空期間必須保證電力連續(xù)供應(yīng),不得中途斷電,以使真空度在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到并長期維持設(shè)計(jì)值。
    四、加固質(zhì)量與效果檢驗(yàn)
    真空預(yù)壓期間,泵上真空度應(yīng)大于700mmHg,膜下真空度應(yīng)大于600mmHg。
    采用以下方法檢驗(yàn)真空預(yù)壓加固效果:
    (1)鉆探取土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn);
    (2)現(xiàn)場(chǎng)十字板、靜力觸探等試驗(yàn);
    (3)必要時(shí)進(jìn)行載荷板試驗(yàn)。
    五、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
    (1)1臺(tái)真空設(shè)備的加固面積一般為1000—1500m2;
    (2)加固后達(dá)到相當(dāng)于80kPa堆載預(yù)壓的加固效果;
    (3)與同等堆載預(yù)壓相比,一般可降低造價(jià)1/3、縮短工期1/、節(jié)約1/3。
    六、工程應(yīng)用實(shí)例
    據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國內(nèi)真空預(yù)壓法加固軟基面積已超過150余萬平方米,節(jié)約工程投資1000余萬元。現(xiàn)舉幾個(gè)工程實(shí)例如下:
    (一)天津新港東突堤真空預(yù)壓加固工程
    該工程為天津新港新建突堤碼頭后方堆場(chǎng)加固處理工程,總加固面積48萬平方米。被加固土為在原軟粘土地基上新近吹填的超軟粘土地基,土質(zhì)為淤泥、淤泥質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)亞粘土,含小量大、壓縮性高、強(qiáng)度低。
    該工程為國際招標(biāo)工程。因?yàn)榧庸堂娣e大,工期要求緊,且缺乏堆載材料,所以普通堆載預(yù)壓不但造價(jià)高,而且無法按預(yù)定工期要求完成。交通部一航局采用真空預(yù)壓法作為代案以最低價(jià)中標(biāo),并自1987年6月至1989年11月僅用29個(gè)月就完成了全部加固工程,比原定工期提前兩個(gè)月。
    該加固工程采用塑料排水板作水豎向排水通道,板距1.3m,正方形布置,板長20m(部分長板達(dá)24.5m)。
    整個(gè)加固工程分為72個(gè)區(qū)段逐塊進(jìn)行,平均每個(gè)加固單元面積為6700m2,最大加固單元2.25萬平方米。
    每塊加固單元抽氣10—20d膜下真空度均能達(dá)到600mmHG以上,預(yù)壓120—150d總沉降量達(dá)1.7m。加固后土體固結(jié)度大于90%,強(qiáng)度、殘余沉降量均滿足設(shè)計(jì)要求。
    與堆載預(yù)壓相比,該工程節(jié)約工程投資500余萬元。
    該堆場(chǎng)現(xiàn)已投產(chǎn)使用近五年,使用情況良好,未發(fā)生過大沉降與差異沉降。
    (二)山東省濟(jì)南遙墻機(jī)場(chǎng)跑道加固工程
    該工程主跑道長2600m、寬60m、其中長2667.5m(包括防吹坪)、寬49m,總面積14.5萬平方米采用塑料排水板真空預(yù)壓法加固。
    該地基表面為2—3m粉砂,以下為亞粘土,深7.5—11.5m處為淤泥質(zhì)粘土及淤泥。表層2—3m粉土對(duì)采用真空預(yù)壓十分不利,如不采取特殊密封措施很難達(dá)到并維持較高的真空度。為此,在每個(gè)加固單元周圍的表層粉砂中用深層拌合機(jī)設(shè)置了粘土拌合密封墻,抽真空80—90d地基固結(jié)沉降20—25cm,固結(jié)度大于95%,各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)均有明顯提高。全部工程僅用14個(gè)月完成,比原定工期縮短1個(gè)月。
    該機(jī)場(chǎng)1992年投產(chǎn),跑道運(yùn)行正常