真空排水预压法与堆载预压法在水利工程上的联合应用

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简介： 真空排水预压法是近20年来发展起来的软基加固技术，它主要广泛应用于交通、工民建、港口等工程的软土地基加固，通过工程实践，取得了较好的效果，积累了丰富的经验，并使得这项技术日臻成熟完善。真空排水预压法与堆载预压法联合应用，加固淮河入海水道工程穿堤建筑物软土地基，这在我省水利工程上首次应用，利用该技术通过对深淤土的处理，达到了预期的目的。
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一、工程概况

　　张马大沟涵闸工程位于盐城阜宁县境内芦莆乡小曹庄南侧的张马大沟上，淮河入海水道工程桩号85+580的北堤穿堤建筑物。设计排涝流量为21M³/S，工程等级为2级水工建筑物，地震设防烈度为6度。本工程设计闸首为C25钢筋砼坞式结构，涵洞为单孔钢筋砼矩形箱式结构，洞口尺寸3m×3m，涵闸全长124.94米。

　　二、工程地质条件

　　张马大沟位于海相沉积和河相沉积的软弱粘土、淤土地基上，土层含水量高，含水率高达60%，埋深近35米，压缩量大，抗剪切强度低，渗透系数小，基本为软塑、流塑状淤泥土，为典型的高压缩性软土地基类型。根据《工程地质勘察报告》，土层主要物理力学指标见表1。

　　三、地基加固设计

　　本工程地基加固设计采用排水板真空联合堆土预压法进行地基处理，具体设计参数见表2。

　　加固前土层主要物理力学指标 表1

层号及土层名 称层厚（M）密度（KN/㎝³）含水量%孔隙比（e）塑性指数I_p(%)固结系数Cv(㎝²/s)压缩指数a_v1-2(Mpa)^-1②粘土0.718.943.70.9722.23.88×10^-30.39③淤泥4.618.753.91.1520.36.31×10^-30.57④-1淤泥质粉质粘土4.117.349.11.4118.36.91×10^-30.38④-2淤泥质粉质粘土7.6 60.31.0217.52.51×10^-30.5④-3淤泥质粉质粘土夹薄层砂壤土5.619.941.30.6715.64.38×10^-30.35④-4淤泥质粉质粘土夹薄层砂壤土6.718.439.70.6916.45.75×10^-3 ⑤壤土6.119.8     ⑥极细砂3.2      

　　真空联合堆载预压设计情况一览表 表 2

工程部位工况地基承载力设计值地基承载力设计值（考虑埋置）堆载高度堆载+真空荷载+砂垫层（0.5米）（t/㎡）平均（t/㎡）最大（t/㎡）平均（t/㎡）最大（t/㎡）上游第一节翼墙完建期7.187.43  2.513.0近景运行期5.065.5  2.513.0下游第一节翼墙完建期7.187.43  2.513.0近景运行期5.065.5  2.513.0闸身完建期12.7316.565.559.387.822.01近景强迫行洪7.718.84  7.822.01远景洪水7.479.46  7.822.01远景排涝水位17.8321.6612.7716.67.822.01

　　排水板真空堆载联合预压法加固软基的原理为齿状槽形的塑料排水板是地下水渗透垂直通道，经过真空泵的抽压，负压作用下的土体空隙水顺排水板上溯，联合上部的土体堆载，双重作用下的土体迅速排水固结。

　　本工程采用三层塑料密封膜，单层塑料薄膜厚20㎜，膜内设计真空度80Kpa，竖向排水体为原生塑料排水板，张马涵闸排水板施打最大长度28.4米（超出其他行业部门工程处理深度），土料堆载高度最高7.80米。加固区为84.6m×28.24m的矩形，真空预压处理面积为2389.1平米。具体断面设计见图 1。

　　四、施工质量控制

　　本工程施工机械采用履带移动式插板机。具体施工流程如下：【1】平整场地 【2】量测地面起始高程 【3】埋设施工沉降观测板和土中原型观测仪 【4】铺设砂垫层厚度的一半 【5】打设垂直排水通道 【6】铺设砂垫层厚度的另一半 【7】铺设主管、滤管 【8】铺设砂垫层中的真空度测头【9】挖密封沟 【10】安置主管出膜装置 【11】量测施工沉降量 【12】铺设密封膜【13】安装抽真空装置 【14】回填密封沟 【15】联接主管到抽真空装置 【16】设置膜上沉降标 【17】测沉降初值 【18】试抽真空 【19】检查膜上及密封沟漏气情况 【20】正式抽真空开始 【21】施工监测开始 【22】开始膜上堆载 【23】抽真空【24】卸掉膜上堆载 【25】测地表回弹量 【26】进行加固后效果检验。

　　工程施工要点与质量控制：【1】施工准备工作充分。施工流程1~4都是施打前的准备，场地修整一定要整平振实，预留排水沟保持场地干爽，第一层砂垫层需要用机械振捣密实，以免影响施打机械移动和施打垂直度；场地边角区应预留足够垫层超宽，以备施打机械调头。【2】施打过程中详细跟踪记录，该部分按照隐蔽工程处理。为保证施工安全，施打机械进场时必须报验至监理，检查设备的完好程度及有关性能。因为目前国内的该方面施工机械都是改装或自制的非标准设备，安全性尚值得考验，在其他工程上出现插管焊接不牢施打时折断的情况；控制排水板质量，抽验确认是原生塑料，送到专门的检验机构检验（原生塑料芯板洁白，齿槽坚硬有韧性，抗拉强度高，过水能力强，推荐使用原生塑料）；排水板外层的滤膜上宜标有电脑喷码（间距20CM）以便施工控制；施打前应该做好排水板位置编号及放样；施打时控制排水板长度，防止回带；监理人员检查板头喷码长度标志，观察振锤提升高度及落下位置，防止施工单位在此环节“偷工减料”，不能使用接长板；随时抽检施打垂直度，可以在塔架上系吊锤观测；及时抽检施打记录，督促施工班组、项目工程师等人员签字，做好交接班跟踪。【3】抽真空前的准备工作，流程6~17都是试抽真空前的准备工作，该部分工作工序性很强，都是围绕密封效果开展的，监理在此过程中严格执行工序报验制度，确保“环环相扣”。密封沟深度一定要达到相对不透气层，进入植物根系、动物洞穴以下高程；铺设砂垫层第二层前将工作面上阻水的杂物、泥团等清理干净，保证达到设计厚度；将排水板头挑出平铺在第一层砂垫层上； PVC管材质量，管材直径、长度、壁厚达到设计要求；接头、滤布套密封良好；密封膜的质量检验，薄膜进场前取样送至专门的质检机构检验，合格后方可批准材料投入使用；膜下铺设一层土工布，防止硬物刺穿薄膜；密封膜接头拼接完整，接头部位保证搭接长度；检查密封膜，确保无砂眼；薄膜预留超宽；回填密封沟时密封膜一定要压至沟底，且留有部分富余宽度绕过沟底到预压区外侧；回填密封沟第一层土必须使薄膜与沟底、沟壁贴紧；铺设膜上沉降标底座要垫土工布保护，以防薄膜刺穿。【4】抽真空及堆载预压阶段，该阶段主要保证加固区荷载的稳定性。试抽真空看真空计读数能否达到设计值，达不到设计值必须查原因，检查薄膜的密封情况；抽真空稳定后看加固区周围裂缝发展，对于发展较深且影响真空度的裂缝作灌浆处理；做好抽真空试机情况记录；保证电力的正常供应；保证泵的检修不影响真空值（通常应配备备用泵）；试抽一周真空稳定后可以进行膜上堆载；土料堆载第一层采用人工填筑；堆载时注意真空度变化及沉降变化，保证土体稳定；监测仪表的使用情况是否正常；数据记录及处理，监理及时抽检记录真空度及沉降情况，分层沉降、水平位移及相关数据由专门的科研机构记录、分析并分期制作监测报告，作出观测结论。【5】加固效果评估及卸载，卸载前设计院及科研机构到现场评估处理效果，决定是否卸载；卸载前一周日均内沉降稳定在1mm以内；如达不到要求则可能加长抽真空时间；卸载作静力触探实验确定处理后土体强度；卸载后做十字板（原位）试验和静载试验，与加固前土体强度进行比较，作进一步分析。

　　五、地基加固效果及分析

　　采用排水板真空堆载联合预压法处理软基效果明显，根据河海大学岩土工程科研所提供的评价分析报告，可知张马涵闸加固区内最大表面沉降-2056mm，沉降速率超出规范允许值10mm/d很多，平均沉降速率-15.69mm/d，加固区观测到最大日均沉降速率-62mm/d，到加固处理后期沉降趋于稳定，卸载前一周平均沉降速率0.5~1.0mm/d；在加固过程中土体水平位移基本是由场外到场内的收缩型，最大位移为287mm，加载过程中没有任何失稳现象，加固区始终处于负压状态；加固过程中膜下真空度维持在80Kpa，密封效果良好，真空度在土体中由浅及深的减小，符合排水板真空传递衰减规律；加固深度较大，减小了工后沉降，实测分层沉降资料表明，该法能消除下层软土的部分次固结沉降。通过对卸载后做的土工实验，得出加固后土层主要物理力学性质指标情况详见表3，并对加固前后土层主要物理力学性质指标比较，3-1层含水量由49~60%改变为36~45%，孔隙比由1.3~1.4改变为1.0~1.2左右，压缩系数改变为0.6~0.8，这表明通过真空—堆载联合预压法土体的物理力学指标得到改善，地基加固效果明显。

土样编号深度（M）容重（KN/㎝³）含水量%孔隙比（e）塑性指数I_p(%)液性指数I_I压缩模量E_S压缩系数a_v1-2(Mpa)^-1中-12.0016.936.61.00318.00.813.430.57中-25.617.4451.19523.90.782.650.83中-36.0017.243.31.21119.20.992.710.82中-410.4017.243.31.21125.10.733.100.71

　　 六、几点体会

　　张马涵闸工程基础加固设计采用真空堆载联合预压法，取得了较好的效果。通过工程实践，也得到了一些体会，因为深淤土地基边界条件复杂，计算工况与实际工况有偏差。【1】在采用该法进行软基处理时首先考虑工期，计划工期有足够富裕度；【2】施工场地，该法需要较大的作业场地，尤其堆土时还要考虑土源；【3】施打排水板的回带问题，选择有经验的施工队伍，桩靴按设计要求施工压住排水板头防止回带；【4】卸载后的地基回弹问题，卸载后应及时浇筑垫层、底板，较短时间内加上荷载，防止回弹后二次沉降；【5】排水板头设计应考虑封堵问题，如果不进行封堵，地下水仍旧会沿排水板上溯，会对已加固的地基造成影响；【6】因为处理区内地下土层快速固结沉降，在处理区与非处理区结合部位有裂缝产生，因此设计应考虑对加固区周围裂缝的处理；【7】采用该法加固水利工程涵闸软基，必须注意在主体工程结束后回填土方荷载必须分级加荷，否则会造成沉降过大。