真空排水預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法在水利工程上的聯(lián)合應(yīng)用

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簡介： 真空排水預(yù)壓法是近20年來發(fā)展起來的軟基加固技術(shù)，它主要廣泛應(yīng)用于交通、工民建、港口等工程的軟土地基加固，通過工程實踐，取得了較好的效果，積累了豐富的經(jīng)驗，并使得這項技術(shù)日臻成熟完善。真空排水預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法聯(lián)合應(yīng)用，加固淮河入海水道工程穿堤建筑物軟土地基，這在我省水利工程上首次應(yīng)用，利用該技術(shù)通過對深淤土的處理，達(dá)到了預(yù)期的目的。
關(guān)鍵字：真空排水 堆載預(yù)壓法 水利工程

一、工程概況

　　張馬大溝涵閘工程位于鹽城阜寧縣境內(nèi)蘆莆鄉(xiāng)小曹莊南側(cè)的張馬大溝上，淮河入海水道工程樁號85+580的北堤穿堤建筑物。設(shè)計排澇流量為21M³/S，工程等級為2級水工建筑物，地震設(shè)防烈度為6度。本工程設(shè)計閘首為C25鋼筋砼塢式結(jié)構(gòu)，涵洞為單孔鋼筋砼矩形箱式結(jié)構(gòu)，洞口尺寸3m×3m，涵閘全長124.94米。

　　二、工程地質(zhì)條件

　　張馬大溝位于海相沉積和河相沉積的軟弱粘土、淤土地基上，土層含水量高，含水率高達(dá)60%，埋深近35米，壓縮量大，抗剪切強(qiáng)度低，滲透系數(shù)小，基本為軟塑、流塑狀淤泥土，為典型的高壓縮性軟土地基類型。根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報告》，土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

　　三、地基加固設(shè)計

　　本工程地基加固設(shè)計采用排水板真空聯(lián)合堆土預(yù)壓法進(jìn)行地基處理，具體設(shè)計參數(shù)見表2。

　　加固前土層主要物理力學(xué)指標(biāo) 表1

層號及土層名 稱層厚（M）密度（KN/㎝³）含水量%孔隙比（e）塑性指數(shù)I_p(%)固結(jié)系數(shù)Cv(㎝²/s)壓縮指數(shù)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淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土4.117.349.11.4118.36.91×10^-30.38④-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土7.6 60.31.0217.52.51×10^-30.5④-3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾薄層砂壤土5.619.941.30.6715.64.38×10^-30.35④-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾薄層砂壤土6.718.439.70.6916.45.75×10^-3 ⑤壤土6.119.8     ⑥極細(xì)砂3.2      

　　真空聯(lián)合堆載預(yù)壓設(shè)計情況一覽表 表 2

工程部位工況地基承載力設(shè)計值地基承載力設(shè)計值（考慮埋置）堆載高度堆載+真空荷載+砂墊層（0.5米）（t/㎡）平均（t/㎡）最大（t/㎡）平均（t/㎡）最大（t/㎡）上游第一節(jié)翼墻完建期7.187.43  2.513.0近景運行期5.065.5  2.513.0下游第一節(jié)翼墻完建期7.187.43  2.513.0近景運行期5.065.5  2.513.0閘身完建期12.7316.565.559.387.822.01近景強(qiáng)迫行洪7.718.84  7.822.01遠(yuǎn)景洪水7.479.46  7.822.01遠(yuǎn)景排澇水位17.8321.6612.7716.67.822.01

　　排水板真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固軟基的原理為齒狀槽形的塑料排水板是地下水滲透垂直通道，經(jīng)過真空泵的抽壓，負(fù)壓作用下的土體空隙水順排水板上溯，聯(lián)合上部的土體堆載，雙重作用下的土體迅速排水固結(jié)。

　　本工程采用三層塑料密封膜，單層塑料薄膜厚20㎜，膜內(nèi)設(shè)計真空度80Kpa，豎向排水體為原生塑料排水板，張馬涵閘排水板施打最大長度28.4米（超出其他行業(yè)部門工程處理深度），土料堆載高度最高7.80米。加固區(qū)為84.6m×28.24m的矩形，真空預(yù)壓處理面積為2389.1平米。具體斷面設(shè)計見圖 1。

　　四、施工質(zhì)量控制

　　本工程施工機(jī)械采用履帶移動式插板機(jī)。具體施工流程如下：【1】平整場地 【2】量測地面起始高程 【3】埋設(shè)施工沉降觀測板和土中原型觀測儀 【4】鋪設(shè)砂墊層厚度的一半 【5】打設(shè)垂直排水通道 【6】鋪設(shè)砂墊層厚度的另一半 【7】鋪設(shè)主管、濾管 【8】鋪設(shè)砂墊層中的真空度測頭【9】挖密封溝 【10】安置主管出膜裝置 【11】量測施工沉降量 【12】鋪設(shè)密封膜【13】安裝抽真空裝置 【14】回填密封溝 【15】聯(lián)接主管到抽真空裝置 【16】設(shè)置膜上沉降標(biāo) 【17】測沉降初值 【18】試抽真空 【19】檢查膜上及密封溝漏氣情況 【20】正式抽真空開始 【21】施工監(jiān)測開始 【22】開始膜上堆載 【23】抽真空【24】卸掉膜上堆載 【25】測地表回彈量 【26】進(jìn)行加固后效果檢驗。

　　工程施工要點與質(zhì)量控制：【1】施工準(zhǔn)備工作充分。施工流程1~4都是施打前的準(zhǔn)備，場地修整一定要整平振實，預(yù)留排水溝保持場地干爽，第一層砂墊層需要用機(jī)械振搗密實，以免影響施打機(jī)械移動和施打垂直度；場地邊角區(qū)應(yīng)預(yù)留足夠墊層超寬，以備施打機(jī)械調(diào)頭?！?】施打過程中詳細(xì)跟蹤記錄，該部分按照隱蔽工程處理。為保證施工安全，施打機(jī)械進(jìn)場時必須報驗至監(jiān)理，檢查設(shè)備的完好程度及有關(guān)性能。因為目前國內(nèi)的該方面施工機(jī)械都是改裝或自制的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，安全性尚值得考驗，在其他工程上出現(xiàn)插管焊接不牢施打時折斷的情況；控制排水板質(zhì)量，抽驗確認(rèn)是原生塑料，送到專門的檢驗機(jī)構(gòu)檢驗（原生塑料芯板潔白，齒槽堅硬有韌性，抗拉強(qiáng)度高，過水能力強(qiáng)，推薦使用原生塑料）；排水板外層的濾膜上宜標(biāo)有電腦噴碼（間距20CM）以便施工控制；施打前應(yīng)該做好排水板位置編號及放樣；施打時控制排水板長度，防止回帶；監(jiān)理人員檢查板頭噴碼長度標(biāo)志，觀察振錘提升高度及落下位置，防止施工單位在此環(huán)節(jié)“偷工減料”，不能使用接長板；隨時抽檢施打垂直度，可以在塔架上系吊錘觀測；及時抽檢施打記錄，督促施工班組、項目工程師等人員簽字，做好交接班跟蹤?！?】抽真空前的準(zhǔn)備工作，流程6~17都是試抽真空前的準(zhǔn)備工作，該部分工作工序性很強(qiáng)，都是圍繞密封效果開展的，監(jiān)理在此過程中嚴(yán)格執(zhí)行工序報驗制度，確保“環(huán)環(huán)相扣”。密封溝深度一定要達(dá)到相對不透氣層，進(jìn)入植物根系、動物洞穴以下高程；鋪設(shè)砂墊層第二層前將工作面上阻水的雜物、泥團(tuán)等清理干凈，保證達(dá)到設(shè)計厚度；將排水板頭挑出平鋪在第一層砂墊層上； PVC管材質(zhì)量，管材直徑、長度、壁厚達(dá)到設(shè)計要求；接頭、濾布套密封良好；密封膜的質(zhì)量檢驗，薄膜進(jìn)場前取樣送至專門的質(zhì)檢機(jī)構(gòu)檢驗，合格后方可批準(zhǔn)材料投入使用；膜下鋪設(shè)一層土工布，防止硬物刺穿薄膜；密封膜接頭拼接完整，接頭部位保證搭接長度；檢查密封膜，確保無砂眼；薄膜預(yù)留超寬；回填密封溝時密封膜一定要壓至溝底，且留有部分富余寬度繞過溝底到預(yù)壓區(qū)外側(cè)；回填密封溝第一層土必須使薄膜與溝底、溝壁貼緊；鋪設(shè)膜上沉降標(biāo)底座要墊土工布保護(hù)，以防薄膜刺穿?！?】抽真空及堆載預(yù)壓階段，該階段主要保證加固區(qū)荷載的穩(wěn)定性。試抽真空看真空計讀數(shù)能否達(dá)到設(shè)計值，達(dá)不到設(shè)計值必須查原因，檢查薄膜的密封情況；抽真空穩(wěn)定后看加固區(qū)周圍裂縫發(fā)展，對于發(fā)展較深且影響真空度的裂縫作灌漿處理；做好抽真空試機(jī)情況記錄；保證電力的正常供應(yīng)；保證泵的檢修不影響真空值（通常應(yīng)配備備用泵）；試抽一周真空穩(wěn)定后可以進(jìn)行膜上堆載；土料堆載第一層采用人工填筑；堆載時注意真空度變化及沉降變化，保證土體穩(wěn)定；監(jiān)測儀表的使用情況是否正常；數(shù)據(jù)記錄及處理，監(jiān)理及時抽檢記錄真空度及沉降情況，分層沉降、水平位移及相關(guān)數(shù)據(jù)由專門的科研機(jī)構(gòu)記錄、分析并分期制作監(jiān)測報告，作出觀測結(jié)論?！?】加固效果評估及卸載，卸載前設(shè)計院及科研機(jī)構(gòu)到現(xiàn)場評估處理效果，決定是否卸載；卸載前一周日均內(nèi)沉降穩(wěn)定在1mm以內(nèi)；如達(dá)不到要求則可能加長抽真空時間；卸載作靜力觸探實驗確定處理后土體強(qiáng)度；卸載后做十字板（原位）試驗和靜載試驗，與加固前土體強(qiáng)度進(jìn)行比較，作進(jìn)一步分析。

　　五、地基加固效果及分析

　　采用排水板真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟基效果明顯，根據(jù)河海大學(xué)巖土工程科研所提供的評價分析報告，可知張馬涵閘加固區(qū)內(nèi)最大表面沉降-2056mm，沉降速率超出規(guī)范允許值10mm/d很多，平均沉降速率-15.69mm/d，加固區(qū)觀測到最大日均沉降速率-62mm/d，到加固處理后期沉降趨于穩(wěn)定，卸載前一周平均沉降速率0.5~1.0mm/d；在加固過程中土體水平位移基本是由場外到場內(nèi)的收縮型，最大位移為287mm，加載過程中沒有任何失穩(wěn)現(xiàn)象，加固區(qū)始終處于負(fù)壓狀態(tài)；加固過程中膜下真空度維持在80Kpa，密封效果良好，真空度在土體中由淺及深的減小，符合排水板真空傳遞衰減規(guī)律；加固深度較大，減小了工后沉降，實測分層沉降資料表明，該法能消除下層軟土的部分次固結(jié)沉降。通過對卸載后做的土工實驗，得出加固后土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)情況詳見表3，并對加固前后土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)比較，3-1層含水量由49~60%改變?yōu)?6~45%，孔隙比由1.3~1.4改變?yōu)?.0~1.2左右，壓縮系數(shù)改變?yōu)?.6~0.8，這表明通過真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法土體的物理力學(xué)指標(biāo)得到改善，地基加固效果明顯。

土樣編號深度（M）容重（KN/㎝³）含水量%孔隙比（e）塑性指數(shù)I_p(%)液性指數(shù)I_I壓縮模量E_S壓縮系數(shù)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、幾點體會

　　張馬涵閘工程基礎(chǔ)加固設(shè)計采用真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法，取得了較好的效果。通過工程實踐，也得到了一些體會，因為深淤土地基邊界條件復(fù)雜，計算工況與實際工況有偏差?！?】在采用該法進(jìn)行軟基處理時首先考慮工期，計劃工期有足夠富裕度；【2】施工場地，該法需要較大的作業(yè)場地，尤其堆土?xí)r還要考慮土源；【3】施打排水板的回帶問題，選擇有經(jīng)驗的施工隊伍，樁靴按設(shè)計要求施工壓住排水板頭防止回帶；【4】卸載后的地基回彈問題，卸載后應(yīng)及時澆筑墊層、底板，較短時間內(nèi)加上荷載，防止回彈后二次沉降；【5】排水板頭設(shè)計應(yīng)考慮封堵問題，如果不進(jìn)行封堵，地下水仍舊會沿排水板上溯，會對已加固的地基造成影響；【6】因為處理區(qū)內(nèi)地下土層快速固結(jié)沉降，在處理區(qū)與非處理區(qū)結(jié)合部位有裂縫產(chǎn)生，因此設(shè)計應(yīng)考慮對加固區(qū)周圍裂縫的處理；【7】采用該法加固水利工程涵閘軟基，必須注意在主體工程結(jié)束后回填土方荷載必須分級加荷，否則會造成沉降過大。