真空联合堆载预压施工工法.doc

真空联合堆载预压施工工法
天津路桥建设工程有限公司第四分公司
杜永平
1、工程前言
滨海新区西中环及延长线快速路二期工程道路工程K6+410-K6+920，宽度为75米，面积约为38000平米。该段路基为泥浆坑，表面20cm为泥砂土，下层全部为含水量较大的淤泥，平均淤泥厚度为4~5米，人员能够在上面行走，但是机械无法立足。后经设计论证，本工程采用铺砂垫层，打塑料排水及真空联合堆载预压相结合的施工方法处理。方法的特点是在需要加固的软土地基上铺一层土工布和三层荆笆能够满足小的施工荷载，上面铺素土层平均厚度为50cm进行找平，铺砂垫层，施工塑料排水板后铺设封闭膜使其与大气隔绝，封闭膜四周买入水和土中，用真空装置抽气，使其形成真空，在压差作用下土体中的空隙水不断的从排水通道中排出，使土体进行固结。同时利用土体自身的重量进行堆载，加速了软土的固结，减小了施工后的路基沉降。
土堤 砂垫层 密封膜 滤管 吸水管 真空泵

密封沟 塑料排水板

图1
2、工法特点
工法利用塑料排水板作为竖向排水体，用抽真空形成的负压代替常规荷载，同时利用堆载的土体进行预压，克服了常规的塑料排水板造成的费时间和费工，加固欠佳的弊端,具体的表现为：
2.1、真空度沿着塑料排水板向下传递及向土体中扩展，孔隙水压力降低，孔隙水压力是球应力，不会发生剪切变形，发生的只是收缩变形，所以在真空预压下不会发生侧向挤出破坏，真空预压可以一次完成，而不用分级进行，节约了时间。
2.2、真空预压在土体的加固过程中，在真空吸力的作用下使土中的封闭气泡排出，固结过程加快。
2.3、由于地基周围的土体是向着加固区移动的，这样有利于加固区内土体密实度的提高和地基承载力的增加。
2.4、利用联合堆载预压一起加固软土地基，考虑到施工中还需要利用土方这样经济效益也好，技术上可以通过，加快了施工沉降，缩短和施工工期。
3适用范围
本工法适用于含水量高，孔隙率大、强度低、渗透系数小和固结系数小的粘性土和淤泥质土层等软土地基加固。
4、工艺原理
对封闭膜下软土地基连续进行抽真空作业，造成膜内空气压力减小，当膜内、外空气压力差到一定值后，使土中空隙水产生渗流，经排水系统排出膜外，孔隙水压力不断的降低，土体不断的进行密实，有效应力不断的增加，当压力差趋于零时，渗流停止，固结完成。在抽真空的过程中，进行堆载预压，即有效应力增加，加速沉降，固结时间缩短。
5、施工工艺流程及操作要点
5.1、施工流程图
施工准备→测量、放线→铺土工布→铺荆笆→铺素土垫层→铺中粗砂垫层→打设排水板→真空预压→回填预压土→80天检测合格后卸载
5.2、测量放线：
本工程使用年度内检验合格的全站仪，水准仪，根据甲方所提供的控制点、水准点，测设中线，请监理工程师验线，验线合格后，测量该区域内的原地面高程。
5.3、铺设土工布
5.3.1、先在原地面上铺一层土工布，土工布的幅宽、质量、厚度、抗拉强度、顶破强度和渗透系数要满足设计和规范要求。
5.3.2、土工布要成卷进入现场，采用缝接法保证土工布的整体性，缝接宽度应不小于5cm；土工布摊铺时应拉直平顺，紧贴下承层，不能出现扭曲、褶皱、重叠；铺好的土工布要用铅丝与荆笆锚固在一起，以防回填土时移动，土工布铺设从一侧向另一侧按顺序铺设，土工布铺设一定距离后，方可铺设荆笆
5.4、铺设荆笆
该工程为超软基工程，施工难度大，所以要在土工布上铺三层荆笆，荆笆的质量要满足设计和规范要求。铺荆笆时每两片搭接长度不小于20cm，每隔50cm用铅线绑扎一个结，上下两层荆笆错缝铺设。铺荆笆时，从此区域的一侧向另一侧依次推进，待铺设一定面积后报监理工程师检验合格后方可开始回填素土。
5.5、回填素土
先将外购土运至现场，存放在加固区边缘，在荆笆铺设的范围内，用长臂挖掘机将素土挖至中心附近后，用轻型推土机将土推至铺设范围内，这样将加快施工进度，确保按工期内完成计划任务。
回填土时，要控制好厚度，保证打板机所需承载力；回填土完成时，用水准仪按10m×10m方格网测量土顶面高程，并报监理工程师验收，合格后方可进行砂垫层施工。
5.6、砂垫层回填：
砂垫层回填采用中粗砂，含泥量不大于3%，渗透系数大于5×10-3cm/s，回填时，先将砂子用自卸车运至加固区边缘，用人工推小车至回填区域，并一次填够至40cm厚，误差在规范要求内。砂垫层可先铺设一段，以便拼装插板机，进行流水施工作业，砂垫层随着施工进度并及时报险，以便后道工序施工测量其顶面高程，达到要求后，开始打设塑板桩。
5.7、塑料排水板
5.7.1、施工流程如下
测放板位→机具就位→塑料排水板穿靴→插入套管→拔出套管→剪断塑料排水板→机具移位
5.7.2、塑料排水板规格型号和质量要满足设计规范要求插设前将出厂合格证及复试报告上报监理工程师。
5.7.3、在砂垫层，顶面打设塑料排水板，按正方形布置，间距为0.7m花板打设底标高-3.4m，塑料板在砂垫层面外露长度大于25cm。
5.7.4、打设塑料排水板采用轻型门架式插板机，打设前先按图纸要求用经纬仪放出区域的位置和尺寸，并测放桩位，做好标记。
5.7.5、插桩机就位后，要调整好套管的垂直度，并在打设套器和打桩机架上刻画出明显打桩长度标记，经监理工程师验收后方可插板。
5.7.6、插板时套管下桩要准确，板位偏差及板的平面间距偏差不得超过规范允许值。
5.7.7、严格控制塑料排水板的打设标高，当发现地质情况变化，无法打到设计标高时，应及时与监理工程师联系，待征得设计同意后方可变更打设标高，现场派专人进行检查，并做好施工记录。
5.7.8、严防出现扭结、断裂、撕裂滤膜现象，打塑料排水板时，插板人员要认真负责，必须把板面埋顶，防止板面扭结进入套管，有风天气施工时要特别注意，防止风力将板的滤膜撕破，六级以上风力应倍止打板。
5.7.9、严格控制回带
打设塑料排水板时，机组质量员要认真观察是否回带现象，当套管提升时，排水板应随套管上升向管内移动如不向管内移动，说明有回带现象，回带长度要控制在30cm以内，否则要重新补打，回带根数不能超过总根数的5%。
5.7.10、本工程设计要求露出砂面排水板大于25cm，剪板人员要认真负责，留足外露砂面长度，打设的塑料排水板必须为整板，严禁接板。要认真做施工记录，不符合规范要求的要补打，严禁弄虚作假。
塑料排水板施工允许偏差
项次
项目
单位
允许偏差
检查方法和频率
1
板距
Cm
15
抽查2%
2
板长
Cm
不小于设计
查施工记录
3
竖直度
%
1.5
查施工记录
表2
5.8、真空预压
5.8.1、埋板头平整砂垫层
一个区域的塑料排水板验收合格后，及时用砂垫层的砂填满打设时在板周围形成孔洞，清理加固区杂物和打设板过程中回带到砂面的淤泥，以便更好的形成排水通道，将板头埋入垫屋中，埋设方向与砂面平行，以确保排风畅通，同时防止刺破封膜。
5.8.2、埋监测仪器
塑料板打完后，按照图纸上给定的位置及指定的监测单位埋设监测仪器，并做好仪器的保护工作。
5.8.3、铺设真空滤器和膜下测头
真空滤管采用符合设计或规范要求的φ60mm塑料软管，打孔加工后包土工织物滤水层，并捆扎结实，并使滤水管只透水不透砂，每节滤管长度符合标书要求，滤管连接采用胶管，胶管套入滤器约10cm，用铅丝绑紧铅丝结头严禁朝上，以免扎破滤膜、滤管相交处，采用二通、三通、四通连接。
埋设塑料管之前，先由测量人员按设计图纸放线定位，将滤管放到埋设位置附近，然后按滤管布设位置，在砂垫层上开沟，把滤管放到沟里埋好，埋设深度应为砂垫层中间处理好接头及出膜口，测头布置在每区的角点和加固区中心，膜下测头距加固区边线约10米。
5.9、开挖膜沟
5.9.1、开挖前用全站仪放线，并做好标记，本次采用机械挖沟，开挖时保证断面尺寸，切断透水层，最浅挖至不透水层顶面以下50cm，边坡符合设计要求。
5.9.2、压膜沟处的塑料板不剪断，要沿沟边向上插入垫层中插入长度不小于20cm。
5.10、铺密封膜
密封膜采用聚乙烯或聚氯乙烯薄膜，厚度为0.12—0.14mm，质量必须符合设计要求，要有出厂合格证和技术指标抽检报告。
5.10.1、密封膜在工厂热合一次成型严禁有热穿热合有紧现象，不宜有交叉热合缝，万一需要在现场热合，必须严格按规定要求进行搭接宽度不小于2m，加工后的密封膜面积不得小于预计面积每边长度要大于加固区相应边4m。
5.10.2、铺密封膜是本工程的关键工序，质量好坏真接影响加固效果所以要精心操作，铺膜前要把出膜弯管与过滤管连接好并培实砂子，将压制成型的密封膜，按区分三层铺没，铺膜时必须统一指挥选无风天气，一个区域要一天内铺安，铺膜时要顺风向膜展开，不要绷紧，要有一点余量，展开后每层要进行检查修补，四周填入压膜沟内，深入沟底50cm,然后用粘土填筑压膜沟，填入压膜沟的粘土要及时地每隔10m放一段砂袋压住密封膜。
5.10.3、安装射流泵及滤管布置
每个区域的射流泵数量符合设计提出的施工方案要求，使用的真空射流泵必须能形成不小于0.096MPa的真空压力，安装泵时要按图纸的位置，准确布置，连接处要密封，安装后进行调试，检查质量，作好抽气准备。
5.11真空抽气
5.11.1、试抽气
调整各种仪器的初步读数，在进行开泵抽气，同时检查每台泵的运转情况及薄膜的密封情况，出现问题及时处理，试抽真空阶段，膜下真实压力应达到60—85KPa，若低于此值属于不正常，应立即查找原因及时处理，从试抽气开始，即应进行真空压力，沉降量等参数观测，当荷载达到85kPa后，及时报监理工程师验收，试抽气力争一周内完成。
5.11.2、正式抽气
正式抽气过程中，要维持泵的正常运转，射流泵水箱内的循环水要不断补充，同时每天按要求进行真空记录，对于设备运转情况，供电情况及真空预压有关的施工情况，均要进行严格详细记录，真空度记录按监理要求及时处理上报，抽真空时保持膜内真空度85kPa以上，如发现密封出现问题，应及时查找原因，并时行处理。
5.11.3、监测
在抽气过程在，监测单位监测，我方要密切配合，在施工过程中注意保护监测设施和仪器防止被破坏。
真空压力值观测每2—4小时一次，发现真空压力有下降现象，立即查找原因及时处理。
5.11.4、沉降观测
设专人进行沉降观测，观测频率按设计和规定要求进行，观测数据资料要完整、准确、实事求是；要及时作出沉降量与时间关系曲线，对于异常值，应重新观测一次，每次闭合误差要符合规定要求。
4、真空预压按实测沉降曲线推算的固结度＞90%连续10天，连续10天实测沉降速率不大于2mm/d即可终止预压。如满足设计要求后即可停止抽气（终止预压）经检测单位试验加固效果达到设计要求后，报监理工程师验收，合格后即可拆除各种设备，并清理好现场。
5.12、堆载预压
5.12.1、堆载前，要测量地面标高，作好堆载高度控制初始数值。并将资料报监理签认，堆载时采用机械施工，在真空预压达到80KPa后一次性施工40KPa堆载。
5.12.2、在加载过程中，观察沉降速率和侧向位移，如果超过规范要求，要停止加载。
5.12.3、加载过程中射流泵的位置：堆载区外缘的泵在原来位置不变即置于堆载坡角处，区域中间的射流泵在加载过程中抬高1.6左右，使泵箱顶部略低于堆载标高，在设置泵时管路需留出预留长度。
5.12.4、堆载期的排水：堆载期区域边缘设排水沟，用泵抽法将水排到工作区以外。
5.12.5、真空堆载联合预压，经监测单位观测，分析达到设计要求后，上报卸载报告，经批准后，交于下一工序施工队接收。
6、材料与设备
主要机具设备名称表
序号
名称
单位
数量
1
抽真空装置
套
2
2
真空表
套
4
3
孔隙水压力器
套
6
4
沉降板
组
2
5
静力触探仪

套
1
6
水准仪
台
1
7
变压器
台
1
表1
6.1、抽真空装置
该装置由电动机、单极单吸离心泵、清水高压射流泵、蓄电池、进水管、出水管、回水管组成。该装置运用高压射水流形成负压进行抽真空作业，单极单吸离心泵在电动机的驱动下，抽取水箱中的水，供给清水高压射流泵产生高喷射水流，形成真空源，经管路、滤水管、砂垫层、塑料排水板吸出软基的孔隙水。
6.2、密封系统
该系统由土工布、密封膜、土沟、土堤等组成
6.3、排水系统该
系统包括塑料排水板、砂垫层、滤水管、吸水管。
6.4、量测系统
量测系统包括真空表孔隙水压力器、沉降板等组成
7、施工控制及质量检验
7.1、施工控制
7.1.1、当抽取的真空度达到最大值时，应保持一定时间，其持续时间的长短和真空度的大小，要满足设计要求。
7.1.2、要求塑料排水板、砂垫层、滤水管等排水阻力小，能顺畅地将孔隙水排出软基。
7.1.3、要求土工布、密封膜、土沟、灌水各个环节密封性能好，各种管线通过密封膜处不漏气，膜下真空度满足设计要求。
7.1.4、测定膜下真空度时，需要注意其分布是否均匀及深度的变化情况。
7.1.5、真空预压时还需测定经真空预压的软基的垂直沉降变化情况。以沉降变化情况验证固结度是否满足设计要求
7.2、质量检验
7.21、对塑料排水板、砂垫层的质量检验应符合相关规范的技术标准。
7.2.2、真空预压期间，必须日夜不停地进行抽真空作业，对膜下真空度、垂直沉降进行量测、记录，绘制“真空度- 沉降量-时间”关系曲线见图 。发现异常应及时查明原因，采取措施使其恢复正常。
7.2.3、真空预压完成后，进行如下的检验，并同加固前进行对比常规土工试验，检测含水量、土容重、孔隙比、静力触探强度试验，检测贯入阻力。
检测结果
1、真空预压在预压期沉降量达到504~521mm。由实测的分层沉降资料推算土层平均固结度满足设计要求，综合固结度为：90.1%，最后10天平均沉降数率在1.8~2.0mm/d,满足要求。
2、从现场十字板强度试验：真空预压由加固前9.7~14.1kpa,增长到加固后22.1~32.7kpa，增长幅度为加固前2~4倍，加固效果明显。
8、安全措施
9、环保措施
10、效益分析
11、应用实例