施工工艺在软弱地基处理的应用

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摘要：近年来，国家大力发展基础建设，在珠海地区，尤其是横琴新区，由于较多建筑物设计处于软弱地基上，若不对地基进行加固处理，会不利于结构物的稳定性。笔者所在公司承建的中心沟北片区防洪及景观工程，在位于下村的泵闸进水渠施工项目上，采用了直排式真空预压的工艺对地基进行加固处理，论文以此为例，首先分析了常规真空预压工艺与直排式真空预压工艺的区别，然后对该项工艺、效率和成本进行了详细介绍，最终该工艺对项目施工进度和成本控制效果显著，同时很大程度保障了软弱地基处理的质量效果。

关键词：直排式真空预压；软基；排水固结

1.工程概况

本项目位于珠海横琴新区的小横琴山脚下,项目建设完成后,将改善下村泵闸取水功能和提升北片区的防洪及景观效果。本工程按照设计图纸要求,需进行加固处理的软土地基部分总面积约为7000m2,从表层往下厚度为8.2m的区域内,土质均为软塑状淤泥,经地勘验证,该土层具有较高的含水率和压缩性,在8.2m往下的范围约有11m厚度的土层为海相沉积土层,含水率最高能够达到80%,属于中高性的压缩性土质。设计要求针对8.2m厚度的软塑状淤泥进行加固处理。表层土是在原来的鱼塘基础上直接进行填筑,未对鱼塘进行抽排水处理,导致表层土的含水率较大,地基十分软弱,并且具有透水性差的特点。并且项目周边用地紧张,作业面狭窄,施工机械无剩余空间可利用,只能临时占用防洪通道,给施工过程中的安全生产带来隐患,给施工成本控制带来难度,给施工进度保障带来压力,综合考虑这几项因素,同时满足临时防洪度汛的要求,对地基进行加固处理时,必须选择工艺合理、经济可行、安全可靠的方案。通过与常规工艺全面对比,并经实践检验,最后确定选择采用直排式真空预压的工艺,能够消除安全隐患,达到降本增效的目的,同时经此方案处理后的地基,取得了不错的加固效果,成为多种方案比选中的最佳选择。

2.直排式真空预压工艺与常规真空

预压工艺的区别以及优点体现随着我国基建板块的发展与科技的进步,工程师们已经总结了一套完整的常规真空预压技术的经验和教训,虽然能够满足基本施工需要,但也存在诸多不足,比如：常规的真空预压法在施工过程中的抽真空作业的周期比较长,严重影响了其紧后工作的开始时间,导致总时差的消耗,不利于整体工期的目标控制。而直排式真空预压法,在实践过程中,发现比常规做法成本低、周期短,同时兼有稳定性、加固性强等优势,得到了越来越广的使用[1,2],应用前景较好,成为发展的趋势。直排式真空预压法和常规式真空预压法最明显的区别就是：直排式工艺在施工过程中取消了铺设中粗砂垫层这道工序,取而代之的是,将PU管与塑料排水板直接相连,将排水路径大大缩短,既精简了工艺流程,又达到了预压效果。

2.1常规真空预压工艺的水平排水系统描述

此系统的基本做法是：首先铺设厚度为50～100cm中粗砂垫层,接着在砂垫层上打设塑料排水板,然后在砂垫层内埋设软式多孔滤管,要求滤管间距保持一致,最后在滤管周围用至少2层滤布包裹严实,在不影响其透水性功能的前提下,还能达到不透砂的效果。塑料排水板引出的水通过透水性良好的中粗砂垫层,集中排到事先铺好的密封膜外面,土体层经失水后,逐渐固结并密实。经研究此系统的工作原理,发现其真空压力的传递过程是：真空装置作为压力起点→流经主管道→然后传递到支管道→经过铺设好的中粗砂垫层→经过打设好的塑料排水板→最后传递到需要加固的淤泥土层。由于厚度较厚的中粗砂垫层和软式多孔滤管以及2层包裹滤布的阻尼作用,导致真空压力的功率在传递过程中发生明显损失。经实测数据得知,真空泵在出口压力的初始值为96kPa,但是经过软式多孔滤管以及2层包裹滤布的阻尼作用到达中粗砂垫层时,其实际真空压力已降至80kPa以下,再经中粗砂垫层的阻尼作用,最后传递到塑料排水板板头往下大约3m深处的位置时,实际真空压力值只剩56kPa,真空压力损失率高达42%。

2.2直排式真空预压工艺的水平排水系统描述

由于此工艺精简了工序,将滤管和塑料排水板直接相连,取消了中粗砂垫层的铺设,压力传递过程中减少了一道阻尼障碍,传递路径发生了变化。经研究此系统的工作原理,发现其真空压力的传递过程是：真空装置作为压力起点→流经软式多孔滤管→然后传递到PU管→经过打设好的塑料排水板→最后传递到需要加固的淤泥土层。此工艺减少了真空压力的阻尼障碍、缩短了传递路径、降低了能量损失,从而使土体层的密实加固效率提高[3]。经实测数据得知,真空泵在出口压力的初始值同为96kPa,在传递至PU管时的压力值大于90kPa,最后传递到塑料排水板板头往下大约3m深处的位置时,实际真空压力值仍大于80kPa,真空压力损失率不超过17%。

3.直排式真空预压工艺的管网施工流程

直排式真空管网施工流程为：施工准备→GPS测量放线→PVC管网布设→板头处清理修整→将板头之间互相连接→将整个PU管网进行闭合→检查管网密封的效果→最后将管网整体固定。实际操作如图1所示。

4.真空预压

4.1安装抽真空装置

根据施工的实际需求,初步确定和选择高效节能大功率真空泵系统（以下简称为HEHP真空系统）。HEHP真空系统主要由水气分离罐和大功率真空泵组成,其工作原理为启动真空泵,抽取土体中的水和气体,进入水气分离罐后水气出现分离,气体进入上部灌体,并从真空泵将气体排出；水则进入下部灌体,配合抽水泵排水,本次施工共设置2台扬程为25m的抽水泵,1台承担抽水作业,另外1台作为备用,保证施工效率。从施工涵盖范围来看,真空泵系统每台泵的可影响的范围约为5000～6000m2。为了确保每根真空主管均在预压范围内,每个水气分离罐连接真空管的数量不得超过8根。在进行真空预压时,确保真空泵的进水口和出膜口在相同平面,避免干扰真空泵能的发挥。抽真空拟计划采用网电供电,安排经验丰富的专业电工完成电网布设,选择高强绝缘电缆,采用三相五线制,并加强对配电方式的设计,严格按照确定好的配电方式完成布设作业,提升施工的安全性。

4.2试抽真空

做好抽真空前的准备工作,遵守抽真空施工规范,确保支管内真空度＞85kPa,每台泵全天候满负荷作业,检查所有泵的预压范围,并预留10%的备用泵,避免施工中泵损坏而影响施工正常进行。若遭遇真空预压临时供电停电的情况,应启动备用发电机,确保水汽分离作业顺利进行。另外,在发电机上安装电量计量仪器,监测控制日用电量。

5.施工的效率与成本分析

5.1效率分析

常规的真空预压工艺中,受作业面狭窄的影响,机械设备难以发挥作用,效率低下,同时占用的便道会影响村庄防洪度汛的能力,可能会造成村民财产的损失。而直排式真空预压工艺中,所有连接构件均事先按照设计尺寸加工成型,具有“模块化”的优点,施工效率成倍增长[4-5],可提高1.5倍以上,降低了工期履约的风险,同时对于节约成本效果显著。

5.2常规抽真空工艺压力传递效率

采用此工艺,在打设完塑料排水板后,会出现明显的反淤现象,造成铺设好的中粗砂垫层的污染,堵塞了水平向排水系统,也造成了机械设备行走困难,影响其排水效果,同时增加了真空压力传递的阻尼作用力,导致压力传递能量损失较大,对于软土层加固密实效果不明显,压力传递利用率仅为58%。

5.3直排式抽真空工艺压力传递效率

采用此工艺,真空压力传递阻尼作用力减少,传递效果显著,不会出现明显的反淤现象,取消了砂垫层,也不会造成污染和堵塞排水系统,操作方便快捷、效率高,真空压力传递损耗小、利用率高,从而缩短了加固时间,提高了加固效果,压力传递利用率可达83%。

5.4成本分析

按照2017年当地市场综合价格,其中常规工艺的材料价为24.7元/m2,人工费单价为1.1元/m2,综合单价为25.8元/m2；直排式工艺的材料价为15.9元/m2,人工费单价为3.3元/m2,综合单价为19.2元/m2,节省单价6.6元/m2,成本降低率近6.6/25.8=25.6%。成本分析如表1所示。考虑到近年来政府对环保督查政策力度的加大,中粗砂材料供给市场情况的变化波动较大,中粗砂价格上涨较多,采用常规工艺进行真空预压施工,将导致增加更多的施工成本,必须通过新工艺改变这种不利局面。

6.沉降观测结果对比

经加固后的地基监（检）测结果显示,两种工艺效果均能够满足工程质量要求,但是也反映出,直排式真空预压工艺对土体预压效率要优于常规真空预压工艺,更有利于工程施工工期和质量的控制。直排式真空预压和常规真空预压的沉降值变化情况比较如图2所示。

7.优缺点分析

常规真空预压工艺在软弱地基加固处理中,由于其工作原理性质导致其本身的不足,不能较好的达到预期目标,缺点较明显,主要表现在以下几个方面：（1）在打设完塑料排水板后,会出现明显的反淤现象,造成铺设好的中粗砂垫层污染,堵塞了水平向排水系统。（2）近年来,国家大力整顿环保工作,中粗砂供给端紧张,材料价格高涨,造成了工程造价的进一步提高。（3）造成了机械设备行走困难,影响其排水效果,增加了真空压力传递的阻尼作用力,导致压力传递能量损失较大,对于软土层加固密实效果不明显。综上所述,直排式真空预压法和常规式真空预压法最明显的区别就是：直排式工艺在施工过程中取消了铺设中粗砂垫层这道工序,取而代之的是,将PU管与塑料排水板直接相连,将排水路径大大缩短,既精简了工艺流程,又达到了预压效果。在实践过程中,直排式真空预压法比常规做法成本低、周期短,同时兼有稳定性、加固性强等优势,得到了越来越广的使用,应用前景较好,成为发展的趋势。

8.结束语

在本工程软土地基处理工艺实践表明,直排式真空预压法具有多方面的优势,既能够有效满足业主的工期和质量要求,也能够确保施工单位成本控制、进度履约的目标。同时,直排式真空预压法施工方法简便,管道与排水板连接“鸭嘴”成本低、易生产,易于大规模推广,经此方法加固后的地基在后期开挖过程中,能够有效确保不出现反涌和边坡滑移的情况,降低了安全隐患的风险,同时保障了其紧后工序的开始时间以及上部结构物基础施工的质量,在横琴地区乃至类似软弱土层地基处理加固施工时,作为首选的工艺,赢得了行业内高度认可,具有很好的应用前景和发展趋势。

参考文献：

[1]张逸民.直排式真空预压加固软土地基工作机理及效果研究[D].北京:北京交通大学，2018.

[2]于建海,豆文朋.直排式真空预压法在高渗透软黏土地基中的应用[J].水运工程,2012(07):181-184+197.

[3]刘洪亮,李旭彬,崔子元.真空预压水平排水改进系统在天津南港工业区的应用[J].中国港湾建设,2012(01):52-54.

[4]何祖东.地基处理施工中的直排式抽真空预压施工技术优化[J].珠江水运,2021(18):43-44.

[5]张文勇.直排式真空预压法在地基处理中的应用[J].中国水运(下半月),2017(04):258-259.

作者：徐建华 李军 单位：中交一航局第五工程有限公司