真空预压是加固软土地基的一种有效处理方法, 其施工工艺包括排水系统、抽真空系统、密封系统3方面。真空预压施工工艺经过几十年的发展, 目前已较成熟, 但尚有待于进一步改进。目前已有许多文献对真空预压的施工技术进行了研究, 研究内容和对施工工艺的改进点却不尽相同。

现有真空预压方法在大面积软基处理应用中存在许多问题, 例如:抽真空设备能耗高、使用寿命短、安全系数低;抽真空设备数量多, 设备线路在场区内布置错综复杂;用电危险系数高、设备投入和维护人员投入大;塑料排水板打设成功率低;压膜沟较多造成后期换填量大, 影响软基处理整体效果等。

本文针对现有真空预压法在大面积软基处理应用中存在的问题, 以青岛港董家口港区吹填区软基处理工程为依托, 对真空预压方法加固淤泥质软基施工工艺中的关键技术进行了研究, 提出了改进的大面积软基处理真空预压施工工艺。

该装置由动力装置、水气分离器装置、区内管道连接部分组成。该装置将场区内抽取的水气混合体通过装置的水气分离器进行水气分离, 分离后的水达到一定的水位后, 水位自动控制器自动开启其内置的抽水泵, 将罐内的水抽出, 而水气分离器与动力装置里的变频真空泵组相连接, 并根据动力装置的变频控制系统进行抽真空作业, 此水气分离变频真空预压装置不但能达到施工工艺要求, 而且相比规范推荐的真空预压射流泵节约用电83.4%。下面对此装置的各个组成部分进行详细介绍。

动力装置部分的核心构件是新型水气分离变频真空泵组 (简称“新型泵组”) (见图1) , 主要作用是通过真空预压专用泵进行连续抽真空作业, 产生负压并通过管道和水气分离器传递到场区内。动力装置采用了1台SQFL55k W-2000型真空预压专用泵, 并安装了电动机变频控制装置 (见图2) , 变频控制装置可以有效地控制区内压力升降情况, 该新型泵组的技术参数如表1所示。

新型泵组的技术参数相比传统射流泵而言, 无论在功率还是在抽气量等方面均有极大改进。

水气分离器装置是由罐体、抽水泵、水位自动控制器、压力表组成。水气分离器装置将抽至罐体内的水气混合体进行分离, 水在重力作用下沉至罐体底部, 当罐体内水位达到一定的高度后, 水位自动控制器将自动开启水气分离器内置的抽水泵, 将罐内的水抽出, 从而达到水气分离排出的效果。

水气分离器的加设是新型抽真空设备的亮点, 传统射流泵是将水气混合排出, 相比传统射流泵新型抽真空设备更加节能。

新型泵组通过管道连接至区内的出膜装置。其中新型泵组的出口与区内水气分离器上端接头相连接, 区内水气分离器的4个接口与出膜装置相连接, 出膜装置与膜下主管道、滤管连接, 滤管与排水板绑扎连接, 最终, 将新型泵组产生的负压通过一系列的管道传递至土体中, 进而达到真空预压土体的效果。

由于每台新型水气分离变频真空泵装置控制面积约为10万m², 从而相比传统泵场区内相应的线路减少、用电危险降低、设备维护人员投入减少。

在堆载预压或真空预压处理软弱地基过程中, 塑料排水板的打设深度是质量控制的主要项目之一。JYJ/T 256—96《塑料排水板施工规程》中要求:塑料排水板的回带长度超过50cm时, 必须在相邻板位处补打1根, 且回带的根数不宜超过打设总根数的5%。

在现场施工过程中, 由于土体挤入插管或土体对排水板的摩擦力过小等原因, 经常发生回带现象, 导致工程返工, 并造成大量人力物力的浪费。

如图3所示, 该防回带装置由桩管、桩嘴外壳、销子以及桩嘴内置结构4部分组成。经现场实践检验, 该防回带装置的加设使用使得排水板的打设回带率从80%降到了2%以内, 大大提高了塑料排水板插设成功率, 减少了人工、机械台班及材料等资源成本, 施工成本显著降低, 经济效益显著。

该新型水气分离变频真空泵装置应用于青岛港董家口港区2号回填区吹填淤泥区地基加固处理工程, 吹填淤泥区面积约9万m², 吹填顶标高大部分区域达8.0m以上, 吹填厚度平均21m左右。土层自上而下:0~8m范围内主要为流泥;8~16m为淤泥, 呈流塑状, 混少量砂砾;16~27m为粉土, 夹粉土团混少量砂砾;土的力学性质极差, 为超软土地基。

针对排水板打设过程中易出现的回带现象, 采用了项目组研制的防回带装置, 经现场实践检验, 回带率从80%降到了2%以内, 大幅度提高了塑料排水板插设的成功率, 同时减少了人工、机械台班及材料等资源的浪费, 施工成本降低, 经济效益显著。

考虑到该软土地基承载力极差和后期处理扰动的影响, 综合现场南侧坝体标高较高、东西跨度宽于南北跨度的地势及压力传递情况, 将新型泵组放于南侧坝体中间位置, 使用新型泵组1套。传统工艺对比区根据规范要求共需射流泵100台。

据项目组施工经验, 水气分离器的有效压力辐射半径为30m, 则各区配备水气分离器共3台。剩余未覆盖的边角区域采用预留出膜口, 增设传统射流泵的方法进行压力补偿。

根据施工经验和现场测试, 真空泵组内的负压到水气分离器的负压衰减很小, 为2~4k Pa, 而从水气分离器到密封膜下负压衰减很大, 达到10~14 k Pa。区内透气系数、土体孔隙水、管路长度、管体通径等因素会制约负压的有效传递, 这就要求在抽气过程中, 重点对区内密封膜、压膜沟进行有效封堵。

本工程自2014年12月20日完成密封膜铺设, 并按设计要求立即开始试抽真空, 试抽15d后, 膜下真空度稳定在80k Pa以上, 于2015年1月5日开始恒载计时, 恒载60d后, 于2015年3月6日全区统一进行卸载。通过对第三方检测单位的检测数据进行分析 (见表2) , 新工艺软基处理效果达到了预期设计标准。

同时对施工工艺的各项经济效益指标进行了对比, 如表3所示, 与传统的施工工艺相比取得了较大的经济效益。

通过与传统施工工艺进行现场试验方案对比发现:改进的施工工艺能够有效地克服传统施工工艺存在的问题, 不仅能够达到预期设计标准, 而且相比传统工艺较大地节省了施工成本, 带来了较大的经济效益。

1) 研发了水气分离变频真空预压装置。此水气分离变频真空预压装置不但能达到施工工艺要求, 而且相比规范推荐的真空预压射流泵节约用电83.4%。

2) 研制了排水板打桩机防回带装置。该防回带装置的加设使用使得排水板的打设回带率从80%降到了2%以内, 大大节省了施工成本, 经济效益显著。

3) 新工艺采用研发的新型水气分离变频真空预压装置和排水板打桩机防回带装置, 解决了传统工艺在大面积软基处理中存在的问题。

4) 新工艺提高了淤泥质软基处理效果。新工艺中施工现场压膜沟数量相比传统的施工工艺减少50%, 因此减少了后期对压膜沟部位的处理量, 大大提高了整体软基处理工程的效果。

此施工工艺不但能够满足软基处理要求, 而且能够给企业带来较大的经济效益, 可为港口淤泥吹填软基处理相似工程提供有益的参考, 改进的真空预压施工工艺在大面积真空预压软基处理中的应用值得推广。