景宏彬，陳國龍，王紅洲，鄧友生，景宏君，孔祥東，崔福平

(1.陜西省水務集團有限公司， 陜西 西安 710068；2.陜西省漢中公路管理局， 陜西 漢中 723000；3.陜西省安康公路管理局漢濱公路管理段， 陜西 安康 725000；4.西安科技大學 建筑與土木工程學院， 陜西 西安 710054；5.陜西省交口抽渭管理局， 陜西 渭南 714000； 6.中鐵一局集團有限公司， 陜西 西安 710000)

在土木工程軟基處理過程中，采用何種加固方法，首先要分析研究軟基類型，然后確定采用合適的方法。涵閘等水利工程與公路軟基加固等不同之處在于：① 前者需卸除堆土荷載來進行后續(xù)工序，有可能出現地基回彈現象，而后者為加固結束后不卸除堆載，地基回彈現象不會出現；② 前者要求加固區(qū)域內沉降均一，為均勻沉降，而后者加固后沉降趨勢為凹曲線型，即加固區(qū)域中間沉降值較大，邊緣沉降值較小，即呈現不均勻沉降。正是由于涵閘工程地基的特殊要求，目前已經采用的典型方法有：如張華[1]衍應用松木樁加固涵閘工程淤泥軟土地基；宋平原等[2]采用土工織物加固處理萬泉河涵閘軟基；薛峰等[3]分析了高壓旋噴樁及高噴連續(xù)墻在加固水庫壩體與涵閘地基上的應用，并探討設計中的相關技術問題；劉繼偉等[4]采用水泥土攪拌法加固處理涵閘軟土地基；左梓芳等[5]應用水泥粉噴樁加固涵閘基礎工程，論述在實際應用中影響水泥粉噴樁質量的因素以及質量控制的方法；王吉水等[6]以北江大堤樂排河水閘采用鉆孔灌注樁施工為例，介紹涵閘軟基鉆孔灌注樁的施工方法和施工中值得注意的一些問題；也有采用土壤固化劑，壓密樁，但報道較少。

真空—堆載聯合預壓法處理涵閘工程軟基應用較少，王強等[7]和吳躍東等[8]分別研究了該方法在淮河入海水道涵閘軟基處理工程中的應用，均認為加固效果明顯、加固深度大、有效減少了工后沉降等優(yōu)點，但該方法的后續(xù)研究應用也未見報道，因此運營期的加固效果如何也是未知。由于水利工程與其他行業(yè)不同的特點，質量要求不同，所采用的工程處治方法也不盡相同。該方法所具有的明顯減少工后沉降、穩(wěn)定的填筑過程和顯著縮短工期等特點，是否適合在水利工程中大面積推廣，還需進一步研究探索。本文從真空堆載聯合預壓法加固機理、加固方法和施工應用方面入手，結合陜西省某電站涵閘軟基加固工程，系統研究該方法在水利工程涵閘軟基加固中的適用性，為進一步大面積推廣應用該方法提供詳細資料。

1 加固機理

瑞典皇家地質學院杰爾曼教授(Professor w. kjellman)1952年最早提出真空預壓法，其視加固區(qū)域為一個密封體，真空泵為負壓源將需加固土體中孔隙水和孔隙氣抽出，達到土體固結、地基承載力提高的目的。堆載法較簡單也較常用，即在加固區(qū)域上部進行堆載，達到地下水位降低、土體固結的目的。一般真空預壓法所產生荷載效果有限(一般80 kPa左右，相當于4 m～5 m填土荷載)，需與堆載法聯合應用，才能達到理想效果[9]。即真空堆載聯合預壓法由真空負壓和堆載正壓使軟基土體中孔隙水壓力產生壓力差，通過排水系統將水向外排出，達到土體固結變形目的。軟基土體在真空負壓作用下發(fā)生收縮變形，與堆載引起的土體擠出變形相抵消，加固區(qū)不易產生失穩(wěn)現象，可極大提高加荷速率，縮短工期。相對于加固土體而言，不論是真空預壓、堆載預壓，還是真空—堆載聯合預壓法，都為加固土體內部結構不斷重組的過程。真空預壓條件下，真空壓力是直接作用在加固土體中孔隙流體上，然后間接作用于土顆粒上；而堆載預壓力是直接作用于土骨架上而引起孔壓變化并發(fā)生固結，兩者的作用步驟相反，雖然最終結果接近，但直接作用的堆載預壓略優(yōu)于真空預壓；真空—堆載聯合預壓兼具真空預壓和堆載預壓優(yōu)點，軸向變形大于真空預壓，加固效果優(yōu)于堆載預壓，總體加固效果更好[10]。

2 應用研究

2.1 工程概況

陜西省某電站涵閘工程位于渭北平原廢渭河沖積平原區(qū)，土質主要以松散沉積物為主，全部為軟基加固區(qū)，總面積達8 150 m2，現場鉆孔勘測地層分布自上而下為：淤泥質土層—低塑性粉質黏土—砂混黏土，表1可以看出，每層土含水率高，均超過35%；十字板剪切強度低，介于18 kPa～23 kPa之間；中間層厚度較大，達12.2 m。對于該涵閘工程而言，中間低塑性粉質黏土層厚度大，剪切強度較小，地基承載力較低，工程性質較差，為控制涵閘基礎變形和穩(wěn)定的關鍵層。為了保證工期，短時間內達到加固軟基目的，施工中采用打設塑料排水板，作為豎向排水通道的真空—堆載聯合預壓加固方案。

表1 軟基加固區(qū)地基土層基本參數

2.2 施工技術方案

首先進行加固區(qū)場地清表、平整，壓實達到規(guī)定要求，同時開挖壓膜溝，順序鋪筑土工布和密封濾膜，在其10 m范圍內，回填30 cm厚砂墊層壓實，以防漏氣；軟基區(qū)打設塑料排水板，軟基頂層和排水板頂部高程相同；其次，軟基頂層上按矩形排列方式，均距布置鋪設PVC硬質排水濾管后，鋪筑40 cm砂礫墊層作為橫向排水體，要求濾管埋深20 cm；第三，采用抽真空裝置抽吸膜下和軟基中水氣，在負壓80 kPa狀態(tài)下運行100 d，即可達到預期目的；第五，隨時觀測加固區(qū)地表面沉降、分層沉降和孔隙水壓力等指標，掌握軟基沉降變化規(guī)律和加固效果，圖1為塑料排水板平面示意圖，圖2為流程工藝。

圖1塑料排水板平面示意

2.3 現場觀測結果分析

施工現場分別采用分層沉降儀、真空表和孔隙水壓力計，進行加固區(qū)軟基表面沉降、分層沉降、孔隙水壓力等指標的跟蹤監(jiān)測。各種檢測儀器具有如下功能和特點：

(1) 分層沉降儀。一般由探頭、磁鐵環(huán)、數值指示器和探頭護管等組成。安裝順序為：待測土體鉆孔→磁鐵環(huán)埋置所測層位→孔中注入砂漿→填實護管與孔壁之間空隙。其測試原理為：將磁鐵環(huán)埋置于待測土體所測部位，當待測位置土體產生形變時，該位置土體和磁鐵環(huán)會產生同步的回彈或下沉，此時外部指示器顯示所測應變值，即為磁鐵環(huán)位移值(回彈值)。

圖2流程工藝圖

(2) 真空表。其表征值為真空度，即所測空間氣體的稀薄程度，一般用“真空度高”(“好”)和“真空度低”(“差”)表示。真空表所測結果為總壓力，包括氣體和蒸汽的壓力，其與被測氣體種類、成分及其性質無關，使用時應注意測量范圍、使用溫度、垂直安裝、避免震動和碰撞等問題，以確保測量精度。

(3) 孔隙水壓力計。即滲壓計，一般埋置于所測位置，用于測定孔隙間水壓力。本文在施工前預先將其埋設于所測軟基不同深度，測定施工前后和施工過程中孔隙水壓力變化。 孔隙水壓力對地基危害較大，施工前一般可采用插入塑料排水板法減壓。

2.3.1 地基表面沉降

由固結沉降相關理論知識可知，由打設塑料排水板產生的沉降量和真空—堆載聯合產生的沉降量組成地基表面總沉降。由圖3地基表面沉降與時間關系曲線可以看出，軟基加固區(qū)中心沉降量最大，沉降值為1.99 m；而沉降量最小區(qū)域位于軟基加固區(qū)邊緣(即距中心30 m處)，沉降量為1.22 m，即沉降量分布呈現“凹盆”趨勢，表明該方法具有顯著預壓效果。同時，也可以看出，沉降值較大所對應為抽真空初期，曲線變化趨勢較陡，至沉降穩(wěn)定逐漸趨于平緩，可以表明該方法加固軟基效果好，土體固結變化相對穩(wěn)定。

2.3.2 分層沉降

圖4為軟基加固區(qū)中心點內部區(qū)域的分層沉降曲線，與圖3相比可知，各層沉降曲線變化趨勢與地表面沉降曲線趨勢相同，尤其在深度大于10 m以上區(qū)域，加固效果好。

圖3 地表面沉降-時間曲線

圖4分層沉降-時間曲線

2.3.3 孔隙水壓力

孔隙水壓力能直接掌握土體固結狀態(tài)，根據其變化規(guī)律可以知道軟基土體強度增長規(guī)律。由軟基加固中心區(qū)不同深度孔隙水壓力變化曲線(見圖5)可以看出，隨著時間的增長，加固區(qū)不同深度土體孔隙水壓力值，在真空預壓過程中變化趨勢與土體固結規(guī)律相同，大小與聯合堆載荷載值呈正相關增長趨勢，而后逐漸趨于平穩(wěn)。

圖5孔隙水壓力-時間曲線

2.3.4 地基承載力

表2為軟基加固區(qū)加固前與加固后承載力試驗結果。由表2可以看出，與加固前相比，加固后土體地基承載力提高約57%～85%，抗剪強度提高約148%～173%。從加固區(qū)縱深角度分析，上層土地基承載力變化明顯大于下層土，相比而言，低塑性粉質黏土抗剪強度提高效果優(yōu)于其他土層土質。

2.4 施工質量保障措施

要獲得較好的加固效果，必須從加固所需原材料、施工工藝等方面把關。本次涵閘軟基加固工程采取如下相應保障措施。

表2 加固前后承載力和抗剪強度試驗值

2.4.1 排水系統

排水系統主要為塑料排水板，加固過程中要求：(1) 塑料排水板外觀質量和各項性能指標，應嚴格遵守相關設計要求或規(guī)范，確保性能合格、質量可靠；(2) 塑料排水板施工時，打設間距、深度和垂直度應滿足設計要求，尤其確保樁管垂直度偏差不大于±1.5%；(3) 塑料排水板打設過程中不能出現斷帶、扭結以及撕破濾布現象，并將高出砂礫墊層部分剪斷或彎于砂礫墊層中(不小于30 cm)。

2.4.2 真空濾管

因軟基加固場地條件有限，要求：(1) 濾管材料采用PVC硬質管(其上有孔，主濾管直徑Φ90 mm，壁厚2.6 mm，支濾管直徑Φ50 mm，壁厚2.3 mm)，按設計要求布置為矩形排列式(間距1.2 m，局部間距1.1 m，梅花形布置)，并牢固連接，確保能適應地基不均勻沉降變化，在徑向真空壓力下不變形；(2) 選用與排水砂礫墊層滲透系數相當的無紡土工布濾膜包于濾管外，防止孔眼堵塞和反濾；(3) 濾管埋設深度需≥20 cm，且盡量埋置于砂礫墊層中部，確保濾水孔排水通暢。

2.4.3 真空密封膜

真空密封膜材料及施工要求：(1) 膜的密封性和韌性要好；(2) 膜的抗老化能力和抗穿透能力要強；(3) 需使用工廠一次熱合成型的專用土工膜；(4) 需在砂礫墊層上鋪覆一層土工布(規(guī)格為300 g/m2)，用來保護真空密封膜；(5) 按先后順序鋪設三層密封膜；(6) 鋪設過程中及時清理膜上殘留砂礫顆粒，隨時檢查密封膜完整性，及時用專用膠粘補破損和漏洞；(7) 密封膜上鋪覆一層土工布(現場縫制，規(guī)格同前)，在其上再鋪50 cm砂礫墊層，以緩沖后續(xù)施工對密封膜的影響，最后按設計要求用靜壓法壓實素土至規(guī)定標高。

2.4.4 壓膜溝

壓膜溝施工技術要求如下：(1) 按設計要求開挖壓膜溝，深度≥1.5 m，人工用鐵锨修整壓膜溝壁至光滑、無凸刺效果；(2) 人工將真空密封膜順溝壁壓入，并人工分層回填踩實黏素土至設計高程，及時覆水于壓膜溝內，確保真空膜周邊達到密封效果。

2.4.5 真空泵及射流箱

(1) 嚴格按操作規(guī)程進行真空預壓；(2) 采用射流真空泵進行空氣抽吸，要求空抽真空吸力須達到90 kPa以上，且密封膜下真空度應穩(wěn)定在80 kPa以上；(3) 采取適當措施密封處理好止回閥等各接頭，確保設備正常運行，達到預期加固效果。

2.4.6 施工動態(tài)監(jiān)測

按照設計要求，安置好各種監(jiān)測儀器，及時進行加固區(qū)地基表面沉降、分層沉降等動態(tài)監(jiān)測，確保涵閘加固工程施工達到預期效果。

2.5 施工技術難點

本次真空堆載聯合預壓加固涵閘軟基施工工期緊、難度大，為了確保能達到預期加固效果，在施工過程中主要解決了以下兩方面技術難點：

(1) 塑料排水板導管靴口的質量控制。一般在打插塑料排水板過程中較易出現回帶現象，本文主要采取了如下措施：① 選擇有經驗的施工隊伍進行打插；② 管靴按設計要求施工壓住排水板頭，由水泵往管靴內注水增加管靴內壓力，達到防止回帶，克服導管口進泥現象。

(2) 真空射流裝置的技術改進。大多數真空堆載預壓法加固時采用離心泵式真空射流裝置進行抽水，本文經過反復比較試驗，確定改造為潛水泵式真空射流裝置，并采用防水絕緣型密封電纜、將真空泵與射流箱安裝在一起的技術改進方案，這樣既有效縮短抽水途徑，又極大地提高雨季和多水區(qū)域的施工工作效率。

2.6 經濟效益分析

表3為本文方法與其他典型方法工期費用對比，可以發(fā)現，真空—堆載聯合預壓加固涵閘軟基施工工期最短，盡管超載預壓單價最低，但其施工工期較其長約3倍，即長約10個月，若考慮節(jié)約工期所帶來的收益，采用真空—堆載聯合預壓法帶來的經濟效益遠超過超載預壓法，而且根據現場施工發(fā)現，該方法具有簡易快速、過程管控和質量監(jiān)督簡單等顯著特點。

表3 不同加固方法工期費用對比

3 結 論

(1) 真空—堆載聯合預壓加固軟基的方法，具有施工方便，加固效果顯著的特點。在加固過程中，真空預壓可產生負壓，使被加固土體產生向內收縮變形，抵消因外部堆載引起的向外擠出變形，加固土體在較短時間內固結，地基較難出現因填土速率快而產生失穩(wěn)現象，故堆載速度可不受限制，能使地基至少提前半年達到穩(wěn)定，相比其他方法而言大大縮短了工期，工程進度加快、工程造價降低作用非常顯著。

(2) 從經濟角度考慮，真空—堆載聯合預壓工程費用較一般超載預壓偏高，但可提前近10個月工期，相比也較為經濟；再與CFG樁等軟基處理方案相比，盡管工期相差不大，但其費用仍顯著降低。

(3) 因深淤土地基邊界條件較為復雜，計算工況與實際工況有偏差，故采用該法進行軟基處理時應考慮：① 計劃工期要充足；② 要較大的施工作業(yè)場地，尤其堆土時還要考慮土源；③ 防止卸載后地基回彈，卸載后應及時澆筑墊層、底板，較短時間內加上荷載，防止回彈后二次沉降；④ 排水板頭設計應考慮封堵問題，若不進行封堵，地下水仍會沿排水板上溯，會影響已加固地基；⑤ 因加固區(qū)內地下土層快速固結沉降，在加固區(qū)與非加固區(qū)結合部位容易產生不規(guī)則裂縫，故設計應考慮周圍裂縫的處理措施；⑥ 采用該法加固水利工程涵閘軟基，應根據涵閘工程的特點，在主體工程施工結束后，分級加載回填土，避免沉降過快，沉降量過大，地基出現失穩(wěn)的現象。

(4) 真空—堆載聯合預壓法由于其施工中的過程管理和質量監(jiān)測簡單易行，故可以大力推廣。