諸葛愛軍 ，李彪

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口巖土工程技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300222；3.天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222；4.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

真空預壓加固地基過程中通過真空壓力的傳遞使砂墊層和垂直排水通道內的孔隙水壓力降低并排出水和氣，在總應力不增加的情況下，通過降低孔隙水壓力來增加有效應力，從而使地基土得到有效加固[1-2]。常規(guī)真空預壓采用射流泵來實現(xiàn)抽水和氣的功能，近年來新型水氣分離抽真空設備的出現(xiàn)[3-5]，改變了原來真空預壓工藝中只有射流泵一種設備抽真空的局面。新型水氣分離抽真空通過水氣分離裝置使水、氣分離，采用真空泵抽氣，潛水泵排水，在整個真空預壓期間，兩種泵均能發(fā)揮最大效率，從而達到高效節(jié)能等優(yōu)點，大量工程實踐證明水氣分離式真空預壓能夠節(jié)能60%～70%左右。

現(xiàn)有JTS 147-2—2009《真空預壓加固軟土地基技術規(guī)程》[6]、JTS 147—2017《水運工程地基設計規(guī)范》[7]要求“抽真空設備宜均勻布置在加固區(qū)四周”，而采用新型水氣分離設備進行真空預壓的施工過程中通常將水氣分離罐布置在加固區(qū)中間，壓力經(jīng)水氣分離罐、盲管、盲點、濾管最終傳遞至排水板（其中盲管為不開孔的波紋管，盲點為能連接濾管的三通、四通或五通）。施工過程中真空壓力在盲管及濾管中傳遞及實際損耗情況直接關系到水氣分離罐及管路布置方式。目前多數(shù)學者對真空壓力分布規(guī)律研究主要集中在豎向排水板內的衰減[8-9]，真空壓力在水平排水通道內的傳遞規(guī)律往往被忽視。

本文通過對水氣分離式真空預壓加固過程中真空壓力在水平排水通道內的傳遞規(guī)律進行監(jiān)測，研究了真空壓力在盲管及濾管中的損失情況，為確定合理的布泵方式和管路布設方式提供了依據(jù)。同時也能為今后水氣分離式真空預壓大面積推廣和真空預壓規(guī)范的修訂提供借鑒[10]。

1 試驗方案

1.1 試驗位置的選擇

本次試驗地點位于連云港海州灣南部潮間帶海灘上工程區(qū)域，考慮在采用水氣分離式真空預壓正常施工區(qū)中選取60 m×60 m的范圍設置試驗區(qū)。

工程地點地基土為Q4后期沉積土和近期人工吹填土，主要土層有吹填淤泥、淤泥及黏土，由于沉積歷史較短，具有含水率高、壓縮性大、強度低、透水性差的特點，同時地基在自重作用下未達到完全固結，處于欠固結狀態(tài)。

1.2 試驗區(qū)域布置

本次試驗的真空預壓區(qū)共布置4個串聯(lián)水氣分離罐，每個罐采用1臺7.5 kW水環(huán)式真空泵抽真空，2臺7.5 kW潛水泵抽水。盲管采用發(fā)散式布置，盲管直徑為50 mm，整個區(qū)內共布設68個盲點；濾管直徑為40 mm，橫向濾管間距為1 m，縱向濾管間距為10 m。試驗區(qū)布置示意圖見圖1。

圖1 試驗區(qū)域布置示意圖Fig.1 Schematic layout of test area

為了測試盲管直徑對壓力傳遞的影響，采用3根盲管并聯(lián)，并聯(lián)的3根盲管為1組，和水氣分離罐的1路支管連接。試驗區(qū)域內管路、盲點及儀器布置圖如圖2所示，圖中盲管1、2、3各由1個閥門控制，分別為閥1、閥2、閥3；盲點5、6、7、8由1個閥門控制為閥4；盲點2、3、4由1個閥門控制為閥5；盲點9、10、11由1個閥門控制為閥6。排水管路連接斷面示意圖如圖3所示。

圖2 試驗區(qū)域內管路、盲點及儀器布置圖Fig.2 Pipeline,blind point and instrument layout in test area

圖3 排水管路連接斷面示意圖Fig.3 Drainage pipeline connection section diagram

1.3 試驗過程

本次試驗總共分為3個試驗階段：1）試抽氣階段；2）穩(wěn)定觀測階段；3）進行各項正式試驗階段。

試驗具體步驟：

①鋪膜完成后，裝接儀器，在盲管2、3同時關閉的狀態(tài)下，開始觀測，記錄試抽氣過程中，各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定，試驗階段1）完成。

②在盲管2、3同時關閉的狀態(tài)下，進入穩(wěn)定觀測階段，時間約為2～3 d，試驗階段2）完成；

③在盲管2、3同時關閉的狀態(tài)下，穩(wěn)定階段完成后，同時關閉盲點2、3、4、5、6、7、8、9、10、11，觀測各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定。

④完成第③步后，在盲點2、3、4、5、6、7、8、9、10、11同時關閉的情況下，打開盲管2，關閉盲管3，觀測各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定。

⑤完成第④步后，在盲點2、3、4、5、6、7、8、9、10、11同時關閉的情況下，打開盲管2和盲管3，觀測各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定。

⑥完成第⑤步以后，在盲管2、3同時關閉的狀態(tài)下，打開盲點2、3、4，關閉盲點5、6、7、8、9、10、11，觀測各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定。

⑦完成第⑥步后，在盲管2、3同時關閉的狀態(tài)下，打開盲點5、6、7、8，關閉盲點2、3、4、9、10、11，觀測各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定，試驗階段3）完成。

各試驗階段示意圖如圖4所示。試驗過程中為了確保真空壓力值采集的同步，采用4臺自動采集設備進行同步數(shù)據(jù)采集。

圖4 試驗階段、時間示意圖Fig.4 Schematic diagram of test stage and time

2 試驗結果

本次試驗通過采用水氣分離工藝的真空預壓區(qū)內的盲管和濾管中的真空壓力進行監(jiān)測，研究了在抽真空過程中盲管長度、盲管截面面積對真空壓力傳遞造成的影響；以及真空壓力在濾管內的傳遞和分布。

2.1 盲管長度對真空壓力傳遞的影響

試驗過程中，真空度觀測點1布置在水氣分離罐上，真空度觀測點2布置在盲管中部，距離水氣分離罐21 m，真空度觀測點3布置在盲點1處，如圖2所示。在不同時期觀測真空壓力，分析這3處的真空壓力變化情況，不同階段真空壓力隨盲管長度衰減如表1所示。

表1 各真空度測點真空壓力值Table 1 Vacuum pressure values at vacuum measuring points

由表1可知，真空壓力隨著盲管長度的增大而降低，抽真空前期真空壓力損失為0.23 kPa/m，抽真空后期真空壓力損失為0.18 kPa/m，抽真空前期真空壓力損失值大于抽真空后期，這主要是由于在加固前期出水量較大造成的。抽真空前期真空壓力隨盲管長度的變化呈現(xiàn)出非線性遞減狀態(tài)，抽真空后期真空壓力隨盲管長度的變化大致為線性遞減。

2.2 盲管通水面積對真空壓力傳遞的影響

本次試驗中采用的是直徑為50 mm的盲管，從水氣分離罐到盲點1之間布設3根同直徑盲管，如圖2所示。通過試驗第③、④、⑤步中的真空度觀測數(shù)據(jù)分析盲管的截面積對真空壓力傳遞的影響。分析結果如圖5所示。

圖5 不同截面積真空壓力隨盲管長度衰減圖Fig.5 Attenuation chart of vacuum pressure with blind tube length in different section area

由圖5可知，真空壓力隨著盲管長度的增大而降低，受盲管截面積變化的影響較小，1根盲管時真空壓力損失為0.23 kPa/m，2根盲管時真空壓力損失為0.20 kPa/m，3根盲管真空壓力損失為0.196 kPa/m。盲管截面積與真空壓力損失之間的關系如圖6所示。

圖6 盲管截面積與真空壓力損失關系圖Fig.6 Relation between blind tube section area and vacuum pressure loss

由圖6可知，隨著盲管截面積的增大真空壓力損失減小，但并不是盲管截面積越大真空壓力損失越小，當盲管截面積由19.6 cm2變?yōu)?9.2 cm2時，真空壓力損失減小比較明顯，約為12.7%，當盲管截面積由39.2 cm2變?yōu)?8.8 cm2時，真空壓力損失減小不明顯，約為2.3%。

2.3 真空壓力在濾管內的傳遞和分布

真空度觀測點3、4、5、6、7、8、10、16的位置，如圖2所示。通過試驗第③、④、⑤步驟中的真空度觀測數(shù)據(jù)分析，盲管的截面積對濾管中真空壓力傳遞的影響。分析結果如圖7～圖9所示。

圖7 盲管截面積為19.6 cm2時濾管中真空壓力的傳遞Fig.7 Transfer of vacuum pressure in a blind tube with 19.6 cm2section area

圖8 盲管截面積為39.2 cm2時濾管中真空壓力的傳遞Fig.8 Transfer of vacuum pressure in a blind tube with39.2 cm2section area

通過表2可知，真空壓力在濾管中，距真空源相同距離下，往壓膜溝方向真空壓力損失比往區(qū)中心方向真空壓力損失大。往壓膜溝方向濾管中真空壓力損失基本約為0.15 kPa/m。

真空度觀測點4、6、7、8、9、10的位置，如圖2所示。通過試驗第⑥步中的真空度觀測數(shù)據(jù)，分析真空壓力在濾管中的傳遞和分布。分析結果如圖10所示。

圖9 盲管截面積為58.8 cm2時濾管中真空壓力的傳遞Fig.9 Transfer of vacuum pressure in a blind tube with 58.8 cm2section area

通過以上圖表可知，真空壓力在濾管中，距真空源（盲點）越遠，真空壓力越小。當盲管截面積為19.6 cm2時，真空壓力損失為0.08 kPa/m；當盲管截面積為39.2 cm2時，真空壓力損失為0.07 kPa/m；當盲管截面積為58.8 cm2時，真空壓力損失為0.07 kPa/m，由此可知，盲管截面積的改變對于濾管中真空壓力的損失影響不大，真空壓力在濾管中的壓力損失基本上為0.08 kPa/m。

真空度觀測點3、12、16的位置，如圖2所示。通過試驗第③、④、⑤步驟中的真空度觀測數(shù)據(jù)，分析真空壓力在濾管中的靠近壓膜溝位置處和靠近區(qū)中位置處真空壓力衰減的區(qū)別。分析結果如表2所示。

表2 各真空度測點真空壓力值Table 2 Vacuum pressure values at vacuum measuring points

圖10 濾管中真空壓力的傳遞（步驟⑥）Fig.10 Transfer of vacuum pressure in filter tube(step⑥)

通過圖10可知，真空壓力在濾管中，距真空源越遠，真空壓力越小。真空壓力在濾管中的損失為0.08 kPa/m。

真空度觀測點3、4、5、6、7的位置，如圖2所示。通過試驗第⑦步中的真空度觀測數(shù)據(jù)，分析真空壓力在濾管中的傳遞和分布。分析結果如圖11所示。

圖11 濾管中真空壓力的傳遞（步驟⑦）Fig.11 Transfer of vacuum pressure in filter tube(step⑦)

通過圖11可知，真空壓力在濾管中，距真空源越遠，真空壓力越小。真空壓力在濾管中的損失為0.08 kPa/m。

3 試驗結果應用

水氣分離式真空預壓，采用水氣分離罐實現(xiàn)了集中高效抽水和抽氣，但是隨著真空傳遞方式的變化，壓力在排水管路里損耗也較大。因此需要對水氣分離罐的布設方式及水平排水通道進行相應調整。

《真空預壓加固軟土地基規(guī)程》[6]中要求真空預壓荷載設計值不宜小于85 kPa。水環(huán)式真空泵的抽真空過程中通常能形成96 kPa的真空壓力，由于真空壓力在盲管中損耗較大，要保證盲點位置壓力滿足設計要求85 kPa，按照盲管中壓力損耗0.2 kPa/m計算，則水氣分離罐離盲點距離不宜大于55 m。以1個100 m×200 m的加固區(qū)為例，宜布置4個水氣分離罐，才能保證末端壓力能夠滿足規(guī)范的要求。

真空壓力在濾管中損耗較小，但為了確保真空壓力的均勻，建議在真空預壓區(qū)中均勻設置盲點。

4 結論與建議

本文通過對水氣分離式真空預壓加固過程中真空壓力在水平排水通道內的傳遞規(guī)律進行監(jiān)測，研究了真空壓力在盲管及濾管中的損失情況，為確定合理的布泵方式和管路布設方式提供了依據(jù)。主要結論及建議如下：

1）真空壓力隨著盲管長度的增大而降低，抽真空前期真空壓力損失為0.23 kPa/m，抽真空后期真空壓力損失為0.18 kPa/m，抽真空前期真空壓力損失值大于抽真空后期。抽真空前期真空壓力隨盲管長度的變化呈現(xiàn)出非線性遞減狀態(tài)，抽真空后期真空壓力隨盲管長度的變化大致為線性遞減。

2）隨著盲管截面積的增大真空壓力損失減小，但是并不是盲管截面積越大真空壓力損失越小，當盲管截面積由19.6 cm2變?yōu)?9.2 cm2時，真空壓力損失減小比較明顯，約為12.7%，當盲管截面積由39.2 cm2變?yōu)?8.8 cm2時，真空壓力損失減小不明顯，約為2.3%。

3）盲管截面積的改變對于濾管中真空壓力的損失影響不大，真空壓力在濾管中的壓力損失基本上為0.08 kPa/m。真空壓力在濾管中，距真空源（盲點）相同距離下，向壓膜溝方向真空壓力損失比向區(qū)中心方向真空壓力損失大。向壓膜溝方向濾管中真空壓力損失基本為0.15 kPa/m。

4）根據(jù)對試驗結果以及規(guī)范的分析，在采用水氣分離式真空預壓處理軟土地基時，水氣分離罐距加固區(qū)邊緣的距離不宜大于55 m，以100 m×200 m的加固區(qū)為例，宜布置4個水氣分離罐，才能保證末端壓力能夠滿足規(guī)范的要求。盲點在加固區(qū)內宜采用均布的方式，以確保真空壓力分布均勻。