羅金佩

（天津港建設(shè)公司，天津 300461）

0 引言

從80年代初引進至國內(nèi)的“真空預壓法”地基處理工藝現(xiàn)階段已較為普及，其打破了置換法、擠密砂樁法等工藝施工成本較高，操作繁瑣等制約，大幅提高了地基加固的處理效果。

真空預壓法的加固原理為：用不透氣的封閉膜將加固區(qū)與外界大氣隔絕，利用橫向排水通道砂墊層和豎向排水通道塑料排水板，通過砂墊層內(nèi)埋設(shè)的濾管作為吸水管路，利用抽真空裝置進行抽氣，使膜下形成真空、負壓；使土體內(nèi)部與排水通道、墊層之間形成有效壓差，使土體中的孔隙水及間隙空氣不斷由豎向和橫向通道排出，從而達到土體固結(jié)、增加地基有效應力的效果。

在真空預壓施工中，由于抽真空使用的電量較大，成本消耗較高，如何減少耗電，提高施工效率，降低建設(shè)成本，一直是真空預壓施工探尋的目標。新型抽真空處理裝置從真空預壓基本原理出發(fā)，在結(jié)構(gòu)設(shè)備上進行改進，大大提高了能效比。

1 新型抽真空設(shè)備的特點

1.1 形成負壓原理

傳統(tǒng)抽真空裝置是利用真空泵（射流泵）通過高強度、穩(wěn)定地排出泵窩內(nèi)循環(huán)水的方法，在膜下逐步形成真空，通過負壓差將土體內(nèi)的水、氣混合物經(jīng)射流器排出，達到土體固結(jié)的目的。

新型高效抽真空裝置是利用大功率真空泵改變水氣分離罐內(nèi)的氣體容量達到形成負壓的作用，通過可控的負壓調(diào)節(jié)將水氣分離罐控制的加固區(qū)域形成穩(wěn)定的負壓差（負壓值符合設(shè)計要求），利用負壓差將土體內(nèi)的水、氣混合物排入水氣分離罐中，將水和氣分離，最后分別排出，以達到抽真空使土體固結(jié)的目的。

1.2 具體結(jié)構(gòu)及工作方式

圖1 水氣分離罐結(jié)構(gòu)示意簡圖

圖2 水氣分離罐下半部分埋設(shè)圖

如圖1，水氣分離罐包括分別設(shè)置在密封膜上下的兩部分相連罐體，下半部分在打板后需預埋入地下（圖2），可以減小進水阻力，提高膜下真空度，便于罐膜密封，利于膜上壓載水，便于安裝與維修；上半部分罐體側(cè)壁分別與水氣混合管、吸氣管路和排水管連接。其中吸氣管路上設(shè)有電磁閥和截止閥，水氣混合管和排水管上均設(shè)有截止閥；下半部分罐體內(nèi)部設(shè)有2個水泵：1號和2號排水泵，并聯(lián)設(shè)置，每個水泵通過設(shè)有單向閥的出水管路與排水管串連。所設(shè)置的截止閥、單向閥均是為保證在抽氣過程中出現(xiàn)問題或不抽真空的條件下，系統(tǒng)自動密閉，防止回流、降壓。

施工過程中，真空泵組通過吸氣管路抽氣產(chǎn)生吸力，使水氣分離罐內(nèi)部產(chǎn)生負壓，經(jīng)排水通道將地基中的水和一部分氣體通過水氣混合管吸入至水氣分離罐；在罐內(nèi)通過沉淀進行水氣分離，罐內(nèi)2個排水泵并聯(lián)，各設(shè)有水位控制高、低點（2號泵的控制低點高于1號控制高點），水位升至其高點時自動啟動排水，降至其低點時自動停止排水，排水泵一備一用、交替工作，吸氣管路上的電磁閥可自動調(diào)節(jié)罐內(nèi)水位，如此循環(huán)排水。氣體通過真空泵組合排出，如此循環(huán)，將軟土地基中的水氣處理直至符合使用的需求。真空泵組可根據(jù)真空度的大小，自動調(diào)整其功率，達到節(jié)能的目的。

1.3 與傳統(tǒng)設(shè)備的分析比較

傳統(tǒng)抽真空裝置是通過控制電閘箱的開啟關(guān)閉控制調(diào)節(jié)射流泵的工作數(shù)量，電箱布置分散，人員投入大，操作麻煩；其中單臺射流泵的功率為7.5 kW。而新型抽真空裝置將傳統(tǒng)設(shè)備用電三級控制（總配電箱、分配電箱、電閘箱）中的電閘箱改為控制室。在集中控制室中，通過開關(guān)按鈕控制幾個不同的大功率真空抽氣泵，其中單臺真空泵的功率為56 kW，采用不同的排列組合即可調(diào)整功率大小，可以逐步開啟，功率逐步提高至達到設(shè)計要求，操作簡便，大大減少人力投入。

傳統(tǒng)抽真空設(shè)備造價低廉，布置射流泵操作簡易。射流泵結(jié)構(gòu)簡單，真空度較易控制，更換設(shè)備方便。由于射流泵是通過抽排循環(huán)水產(chǎn)生真空吸力然后將水和氣混合噴出，因此在以往的真空預壓工程施工中易存在以下問題：

1） 大量的電能用在射流泵抽排循環(huán)水上，電能浪費較嚴重，耽誤工作進程，耗費大量能源，浪費人力物力。

2） 真空射流泵采取單向工作性，其電纜布設(shè)密集，需求量較大。

3） 由于加固區(qū)域需進行膜上覆水，而膜上布設(shè)的大量電纜容易造成安全隱患。

4）若射流泵損壞需進行更換，關(guān)閉真空閥門不及時，中間的時間差容易造成區(qū)內(nèi)覆水回流至膜下，壓力降低，影響施工質(zhì)量。

新型高效軟基處理設(shè)備在結(jié)構(gòu)上進行改進，采用真空泵將軟基中的水氣混合物吸入水氣分離罐，經(jīng)過分離從各自通道分別排出，解決了傳統(tǒng)設(shè)備存在的問題。

1） 節(jié)能，大幅提高能效。新型設(shè)備通過改變氣體容量形成真空，效率提高，節(jié)省大量的電能。

2） 結(jié)構(gòu)緊湊，操作便捷，降低成本。真空泵、控制器等均位于集控室，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，集中控制，可多檔調(diào)節(jié)，操作簡便，大大減少了電纜的投入，降低人力物力，節(jié)約成本，節(jié)能減排。而且每個水氣分離罐均設(shè)有傳感器，通過信號傳輸線與集控室數(shù)據(jù)采集器相連，每分鐘采集1次膜下壓力，可連續(xù)記錄并儲存720 d以上的數(shù)據(jù)。

3） 由于真空泵均在集中控制室中，電路少，加固區(qū)中電纜的布設(shè)比較單一，安全系數(shù)相應提高。

4） 各個管路上均設(shè)有截止閥，方便更換，且在吸氣管路、排水管、出水管上均設(shè)有單向閥，并且多級開關(guān)控制均在集控室中，在出現(xiàn)問題及設(shè)備管路更換時可以及時發(fā)現(xiàn)，迅速關(guān)閉，有效防止覆水回流，保證了壓力穩(wěn)定，提高施工效率。

2 新型抽真空設(shè)備工程實例

天津港國際郵輪母港地基加固一期工程位于天津港東疆港區(qū)（如圖3），加固區(qū)域天然泥面以上采用吹填方式形成陸域，屬超軟土地基。由上至下主要為①吹填土層（貝殼、淤泥）、②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③淤泥、④淤泥質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土，上部三層土多為流塑狀態(tài)，高壓縮土層。

工程分為9個區(qū)，其中加固1、6～7區(qū)為真空預壓區(qū)，其中1區(qū)采用傳統(tǒng)抽真空設(shè)備，6～7區(qū)采用新型高效抽真空設(shè)備進行抽氣加固。根據(jù)沉降推算的固結(jié)度統(tǒng)計情況看，3個區(qū)各區(qū)平均固結(jié)度為85%～86%，各項指標均滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

圖3 天津港郵輪母港地基加固一期工程平面圖

在工程抽真空施工中，1區(qū)膜下壓力保持在85.9 kPa，而6區(qū)和7區(qū)膜下壓力穩(wěn)定保持在88 kPa，負壓值相對高；同時為保證抽氣效果，采用新設(shè)備的2個區(qū)抽氣量達到傳統(tǒng)設(shè)備抽氣量的2.6倍；6～7區(qū)共用1個電表，加固1區(qū)用1個電表，各分區(qū)的實際用電情況見圖4。

圖4 用電量統(tǒng)計比較曲線圖

根據(jù)各分區(qū)實際用電統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以看出壓力穩(wěn)定后采用傳統(tǒng)工藝的1區(qū)用電量平均約3 400度/d，而采用新型設(shè)備的6～7區(qū)僅為約2 100度/d；采用新型抽氣設(shè)備的兩個區(qū)實際總用電量較一個傳統(tǒng)工藝區(qū)仍節(jié)省約41%，核算為一個新設(shè)備加固區(qū)相對傳統(tǒng)工藝區(qū)節(jié)能約70%。計算分析；采用傳統(tǒng)設(shè)備抽氣，每m2的耗電量為0.16度/d，而采用新型節(jié)能設(shè)備抽真空，每m2的耗電量僅為0.05度/d。

傳統(tǒng)抽真空設(shè)備的能效比一般不超過27%，而新型高效軟基處理設(shè)備理論上較傳統(tǒng)設(shè)備可節(jié)約電能約84%，在抽氣量達2～3倍的條件下仍可節(jié)能65%以上。大幅度提高了能耗比、節(jié)約成本。

3 結(jié)語

新型高效軟基處理裝置在天津港郵輪母港地基加固一期工程中試驗成功，說明了新型設(shè)備可以達到傳統(tǒng)工藝設(shè)備抽氣的加固質(zhì)量，滿足設(shè)計施工要求；同時體現(xiàn)了其施工方便，操作便捷，減少人力物力，降低成本，提高能效等優(yōu)勢。在今后的地基處理工程中必定能取代現(xiàn)有傳統(tǒng)抽真空設(shè)備，得到推廣使用。

[1] 李彰明.軟土地基加固的理論、設(shè)計與施工[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2] 毛振祥，張長忠.一種軟基處理裝置：中國，ZL200920216628[P].2010-05-19.

[3] 天津港國際郵輪母港地基加固一期工程監(jiān)測報告[R].天津：天津大學水運水利勘察設(shè)計研究所，2010.