董 陽(yáng)

（中鐵十二局集團(tuán)華南分公司，廣東 中山）

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)工程蓬勃發(fā)展和施工技術(shù)的迅速提高，在近海軟土地基上進(jìn)行工程建設(shè)越來(lái)越多。與水泥攪拌樁、管樁等軟基處理方式相比，真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟土地基有造價(jià)低、工后沉降小的優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者加強(qiáng)對(duì)真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓機(jī)理研究，如黃俊文[1]，以珠海市近海軟土地基工程實(shí)例，對(duì)軟土地基的真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法的處理效果進(jìn)行研究，得出了沿海地區(qū)應(yīng)用真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法效果更好的結(jié)論。然而，在真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟土地基施工過(guò)程中，密封膜極易破壞，且需花費(fèi)大量精力修復(fù)。本文以翠亨新區(qū)起步區(qū)客運(yùn)港綜合片區(qū)配套市政路網(wǎng)建設(shè)工程項(xiàng)目為依托，從其加固機(jī)理、施工工藝改良及加固效果方面對(duì)真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓的工藝進(jìn)行了詳細(xì)描述。

1 加固機(jī)理

真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓施工過(guò)程中，通過(guò)密封墻以及密封膜，隔絕加固區(qū)域的土層與大氣的接觸，采用潛水式射流真空泵通過(guò)埋設(shè)在砂墊層內(nèi)的水平主管與濾管與打設(shè)在土層內(nèi)的豎向排水板連接，抽走土層內(nèi)的空氣和水，產(chǎn)生負(fù)壓，孔隙水壓力u 隨之降低，同時(shí)通過(guò)導(dǎo)管將地下水回灌到密封膜上，增加總應(yīng)力σ，有效應(yīng)力σ/相應(yīng)增加：

選土體中任一點(diǎn)做受力分析，如圖1 所示。

圖1 應(yīng)力分析圖

圖中：P 為排至密封膜上地下水的重量；Q 為回灌到密封膜上地下水自重在土體中的附加應(yīng)力;σC為土體自重對(duì)受力點(diǎn)的應(yīng)力；u/為抽真空造成的負(fù)壓，方向向上。將以上數(shù)據(jù)代入式（2），可以得到加固土體中任一點(diǎn)的有效應(yīng)力，表達(dá)式如下：

因此，隨著真空泵不斷將地下水回灌到密封膜上，加固區(qū)內(nèi)的地下水不斷減少，孔隙水壓力不斷降低，Q不斷均勻增加，避免了土方堆載分級(jí)加載造成的孔隙水壓力回升問(wèn)題。有效應(yīng)力σ/隨之一直增大。在此作用下，加固區(qū)土體產(chǎn)生固結(jié)，產(chǎn)生沉降效果。

試抽真空時(shí)，回灌到密封膜上地下水量較少，2022年8 月份，工程所在地遭遇臺(tái)風(fēng)天氣影響，隨之進(jìn)入一個(gè)月的季雨天氣，隨著地下水的不斷回灌，降雨的不斷增多，密封膜上的蓄水高度可達(dá)到1.5 m，P 可達(dá)到15 kPa 左右，適當(dāng)調(diào)整真空泵的功率可增大u/的大小。真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓法是真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法的改良工藝，采用此法一是避免了密封膜破壞，二是解決了常規(guī)真空- 堆載聯(lián)合預(yù)壓法中堆載土方的雨季施工難題，在雨季頻繁的廣東地區(qū)顯得尤為優(yōu)越。

2 施工工藝

中粗砂墊層施工→密封墻施工→排水板施工→密封設(shè)備施工→抽真空，見(jiàn)圖2。

圖2 真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓施工階段

2.1 中粗砂墊層施工

場(chǎng)地平整后，使用裝載機(jī)將符合設(shè)計(jì)要求中粗砂運(yùn)至施工堆料區(qū)，分兩層攤鋪中粗砂墊層。施工時(shí)，使用推土機(jī)進(jìn)行沿道路中心線攤鋪，個(gè)別不平整處，采用人工找平，加固區(qū)砂墊層全部施工完畢后，統(tǒng)一采用輕型壓路機(jī)靜壓，砂墊層中心線完成面略高于邊線。

2.2 密封墻施工

粘土密封墻為雙排直徑70 cm 的攪拌樁，咬合寬度20 cm。粘土密封墻長(zhǎng)度為9 m，寬度為1.2 m，施工工藝采用四攪四噴。粘土密封墻采用粘土、水泥作為拌合材料，粘土摻入量為攪拌土體重量的15%。為保證粘土攪拌樁的氣密性，粘土攪拌樁考慮參入5%的水泥。泥漿比重≥1.3，水土比0.55～0.65，密封墻施工完成后應(yīng)檢驗(yàn)合格。

2.3 排水板施工

鋪設(shè)第一層中粗砂后施工塑料排水板，采用靜壓式插板機(jī)打設(shè)塑料排水板，等邊三角形布置，設(shè)計(jì)間距1 m，長(zhǎng)度25 m，排水板頂部進(jìn)入中粗砂500 mm。然后鋪設(shè)濾管、主管、埋設(shè)沉降觀測(cè)儀器。真空管路的連接應(yīng)密封，設(shè)置止回閥和截門(mén)。管間宜采用鋼絲橡膠波紋軟管連接，連接長(zhǎng)度應(yīng)大于10 cm，以適應(yīng)真空預(yù)壓的差異沉降。

2.4 密封設(shè)備施工

挖密封溝，溝底寬0.6 m，溝面寬1.2 m，高1.5 m，注意控制密封溝的高度略高于中粗砂墊層，密封溝兼做圍堰?？刂浦鞴苓B接真空泵的施工質(zhì)量，保證密封效果。鋪設(shè)三層密封膜，并在密封膜上、下均采用300 g/m2無(wú)紡?fù)凉げ急Ｗo(hù)。密封膜采用壓延型聚氯乙烯薄膜，密封膜應(yīng)松弛鋪設(shè)，并預(yù)留加固區(qū)沉降量，密封膜宜采用整體鋪設(shè)，中間無(wú)斷層，保證氣密性，施工完成后與密封膜一起壓入密封溝內(nèi)。

2.5 抽真空

真空泵選用潛水式射流真空泵，電機(jī)功率不小于7.5 kW，真空泵應(yīng)配置真空表、止回閥、閘閥，并接導(dǎo)管將地下水回灌至密封膜上。真空泵空抽時(shí)真空壓力必須達(dá)到95 kPa 以上，密封膜下不應(yīng)小于80 kPa。將地下水回灌到密封膜上，一是可以隔絕空氣，增加密封膜的密封效果；二是回填土和密封膜不再直接接觸，避免了密封膜的破壞；三是回灌到密封膜上的地下水是隨著抽真空慢慢增加的，應(yīng)力增加持續(xù)、平緩，避免了回填土分層加載的不良后果，并有效應(yīng)對(duì)廣東地區(qū)頻繁的季雨天氣。

3 項(xiàng)目概況及加固區(qū)內(nèi)地層構(gòu)成

研究項(xiàng)目位于廣東省中山市馬鞍島東南部，軟基處理總面積約31.8 萬(wàn)平米，為臨海吹填深厚淤泥層地質(zhì)，本次取一個(gè)區(qū)段3 萬(wàn)平米為試驗(yàn)段，場(chǎng)地加固范圍內(nèi)地層情況如下：

第一層，填土層（Qml）：紅褐色、黃褐色、灰褐色等雜色，稍濕，松散狀為主，局部為稍密狀，主要成分為黏性土、砂土，局部含約10～30%碎石、石塊。堆填時(shí)間較短，多為新近堆填形成，場(chǎng)地部分區(qū)域現(xiàn)進(jìn)行回填。場(chǎng)地均有分布，平均厚度為4.93 m；層底標(biāo)高-10.25～7.13 m。

第二層，淤泥、粉質(zhì)黏土（Q4mc）：深灰、灰黑色、灰色，流塑狀，含腐蝕質(zhì)和少量貝殼碎片，局部夾淤泥質(zhì)粉砂薄層，有腥臭味；該層場(chǎng)地均有分布，平均厚度為22.44 m，層底標(biāo)高-36.47～-9.86 m。

第三層，粉細(xì)砂、粗砂（Q4al+pl）灰黃色、灰白色、淺灰色、黃褐色，稍密狀為主，局部松散，主要成分為石英顆粒，局部含黏粒較多，層底標(biāo)高-37.85～-17.58 m。

第四層，砂質(zhì)黏性土（Qel）：紅褐色、灰白色、黃褐色、灰褐色，由花崗巖風(fēng)化殘積而成，可塑～硬塑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，平均厚度為3.69 m，層底標(biāo)高-38.99～-17.40 m。

4 加固效果分析

抽真空前，按不同標(biāo)高在加固區(qū)土層埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，并在地表埋設(shè)沉降標(biāo)。抽真空過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表沉降、空隙水壓力情況。加固前后進(jìn)行了十字板剪切試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析如下：

4.1 孔隙水壓力消散監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

孔隙水壓力消散情況見(jiàn)圖3，抽真空前期孔隙水壓力消散速度較快，但隨著抽真空的持續(xù)，孔隙水壓力消散速度逐漸變小。隨著抽真空的持續(xù)，孔隙水壓力消散持續(xù)增加，淺層土體（埋深10 m 內(nèi)）的加固效果明顯好于深層土體。同時(shí)可以看出，地下22 m 處仍有明顯的孔隙水壓力消散，地下26 m 處孔隙水壓力基本處于穩(wěn)定。本次排水板打設(shè)深度25 m，可以推測(cè)出排水板對(duì)孔隙水壓力消散的關(guān)鍵作用。

圖3 孔隙水壓力消散圖

4.2 地表沉降觀測(cè)及固結(jié)度分析

抽真空施工過(guò)程中，對(duì)地表沉降的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，地表沉降量、地表沉降速率與加載具有相關(guān)性和滯后性[2]，采用真空水載法處理軟土地基時(shí)，前期地基沉降速率較大，隨著抽真空的持續(xù)，以及施工期間不斷的降雨，密封膜上水位不斷上升，有效應(yīng)力逐漸增加，地表沉降不斷增大，沉降速率在前期一直維持10～15 mm/d。從圖4 可以看出，自2022 年9 月15 日至2022 年10 月5 日，連續(xù)20 天，實(shí)測(cè)沉降均小于2 mm，沉降曲線已趨于平穩(wěn)，滿足規(guī)范要求[3]。將地表沉降量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，代入最終沉降量計(jì)算公式，公式（4）如下：

圖4 地表沉降觀測(cè)曲線

式中，S∞為地表最終沉降量；S1、S2、S3為等時(shí)間間隔的沉降量。地表沉降觀測(cè)曲線顯現(xiàn)出明顯的雙曲線特性，利用雙曲線法計(jì)算固結(jié)度，固結(jié)度計(jì)算公式[4]如下：

式中：Ut為t 時(shí)刻土壤固結(jié)度，St為t 時(shí)刻地表沉降量。將2022 年10 月5 日地表沉降數(shù)據(jù)代入式（5），計(jì)算出土體固結(jié)度為91.2 %，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 十字板抗剪強(qiáng)度對(duì)比

軟基處理前、后對(duì)第二土層各選取十個(gè)點(diǎn)，在原位（間距不大于1 m）進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)，分析軟基處理前后淤泥質(zhì)軟土的性狀變化，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 十字板抗剪強(qiáng)度對(duì)比表

經(jīng)過(guò)真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓處理后軟土十字板剪切強(qiáng)度提升了2.18 倍，達(dá)到了27.5 KPa。

4.4 土層物理力學(xué)性質(zhì)的變化

真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓前后加固區(qū)土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變化見(jiàn)表2，預(yù)壓前后，土體含水率由44.3%下降到31.6%，排水效果良好，但土體整體含水率依然偏高，預(yù)壓處理后的土體仍不宜擾動(dòng)；孔隙比由1.39 降至1.05，降幅達(dá)24.46%，土體密實(shí)度增強(qiáng)；直剪試驗(yàn)中凝聚力增強(qiáng)3.4 倍，內(nèi)摩擦角增大2.52 倍，表明加固區(qū)內(nèi)原本土體物理力學(xué)性質(zhì)有了明顯的改善和提高，基本達(dá)到預(yù)期效果。

表2 土體主要物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比表

5 結(jié)論

（1）真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓法處理臨海淤泥質(zhì)軟土后，實(shí)測(cè)地表沉降速率連續(xù)20 d，平均沉降量小于2 mm/d。預(yù)壓后平均固結(jié)度為91.2%，加固區(qū)域土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均有明顯改善，真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓在臨海軟基處理中的應(yīng)用是成功的。

（2）真空- 水載聯(lián)合預(yù)壓法避免了常規(guī)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓施工中的密封膜破壞問(wèn)題，它拓寬了真空預(yù)壓的的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，更為適合多雨的廣東地區(qū)。但軟基處理中仍有諸多難題，需要土木界的人們繼續(xù)努力研究來(lái)解決。