水利工程软土地基处理中真空预压联合注浆法的应用研究

王任飞

(锦州市新禹水利工程有限公司，辽宁 北镇 121300)

1 工程概况

流塑状的粉土或淤泥质土为水利工程中最常见的软弱土，此类土具有压缩性高、强度低等特点，易受到振动或水体的影响而产生软化现象，特别是在具有较高等级和建设质量标准的水利枢纽工程中，由于存在软弱夹层使得工程的潜在风险较大[1]。

辽宁省某水利工程试验场地总面积1500m2，宽30m、长50m，场地内地势较为平坦，吹填后初次地基处理。根据室内土工试验、静力触探测试及现场钻取土检测结果，自下而上可将勘察深度内的土层分为5种类型，即：①淤泥质黏土：此类土为该工程的主要土质类型，土体防渗性和整体质量一般；②淤泥质(粉质)黏土：此类土体的工程性质和抗冲刷能力一般，透水性处于微-弱水平；③粉砂夹淤泥质粉质黏土：工程性质和抗冲刷能力较差，透水性处于微透水水平，且力学强度较低；④淤泥质粉质黏土：土质的工程性质与抗冲刷能力差，力学强度低且孔隙比大，压缩性高、透水性处于微透水状态；⑤吹填土：力学性能和抗冲刷能力一般，微透水。因此，场地内土质具有强度低、孔隙比高和压缩性强等特征，因此为典型的软弱土地基。

通常情况下，为满足工程建设需要经初步地基处理和吹填后的场地仍需进行二次处理。在水利工程软基处理中真空预压法较常规的注浆、强夯法、堆载预压法等技术应用更为广泛，然而软基处理中单一的真空预压法存在工后沉降较大、处理工期长等问题，往往无法达到工程建设要求。所以，为提高大面积超软地基的承载力有必要研发一种新的地基加固技术。文章对初次地基处理后的吹填土利用真空预压联合注浆法进行二次处理，通过分析加固效果、施工工期，可为软土地基大面积处理及该工法的推广应用提供技术支撑[2-4]。

2 真空预压联合注浆试验

试验中将传统的塑料排水板以竖向高真空可注浆排水滤管替代作为竖向排水通道，采用外层包土工膜的塑料材质波纹滤管具有能够承受较高外压负载的特性，滤管的下端与预桩靴连接而上端采用钢丝骨架渗水软管，底部为土工布密封。竖向高压真空可注浆排水滤管，见图1。在真空预压时形成了竖向排水滤管、支管和水平排水主管的大通道连接方式，沿土体深度能够有效降低真空度的衰减。预留在土中的竖向排水滤管在真空卸载后不仅可作为排水排气管，从邻近未注浆管中快速排出注浆过程中土体内的孔隙水和气，而且可作为注浆管减少二次成孔成本。2次注浆后的竖向高真空可注浆排水滤管，通过对水泥砂浆柱的加固能够与水泥土形成复合地基并降低工后沉降，另外工后场地的排水通道在注浆后被封堵，可显著提升场地的承载力性能[5]。

图1 竖向高压真空可注浆排水滤管

2.1 试验步骤

1)步骤1：为满足打板机进场施工将场地平整，并铺设砂垫层约0.5m后。然后将竖向排水滤管利用打板机下沉就位，采用φ63波纹滤管替代传统的塑料排水板作为竖向排水通道，间距为1m×1m，管长15m。

2)步骤2：采用三通连接竖向排水滤管、水平排水支管与主管，并布设真空管路系统，在砂垫层中埋入水平真空管路，然后采用φ53的波纹滤管作为主、次管，其间距分别为15m、1m，环刚度≥15kPa。

3)步骤3：在外围设置黏土密封墙的同时铺设段纤维针刺土工布，密封墙采用φ600、桩长8m、搭接长度100mm、桩中心间距600mm的双排黏土搅拌桩，黏土泥浆比重1.51。

4)步骤4：布设2台真空泵和真空膜，真空泵连接于排水主管的一端。真空度在试抽7d后达到80kPa，然后进行加水预压。水平真空系统在卸载后拆除，并将竖向排水滤管注浆。

5)步骤5：第1次注浆的注浆压力设定为1-2MPa，纯泥浆材料的水灰比为1∶0.5，以3被的竖向排水管体积为单孔注浆。第2次注浆的注浆压力设定为2-5MPa，水泥砂浆的水灰比为1∶3，以1.5倍的竖向排水管体积为单孔注浆量。

2.2 设计要求

为便于大面积软基处理需要优化施工参数，本次试验地基处理的深度要求达到15m，承载力特征值在80kPa以上，加固后可以与水泥土形成复合地基，从而降低工后沉降。

2.3 监测项目

为了更好的指导施工可通过布设一系列的监测仪器，在场地试验区检验试验效果[6]。预埋的监测仪器主要有1个孔压力计、4块沉降板，同时在现场做浅层平板载荷和静力触探试验，对加固前后的土体取样进行室内土工试验。

3 试验结果与分析

3.1 膜下真空度

由于真空泵的抽真空效果能够通过膜下真空度来直观的反映，因此真空度的量测在预压监测过程中十分重要，自第5d开始记录抽真空后的仪表读数。随时间的变化膜下真空度的变化特征，见图2。真空度由于初期薄膜漏气呈一定的下降趋势，后经补膜处理逐渐恢复正常。从图2可知，在抽真空初期膜下真空度增长迅速，真空泵正常工作10d后达到81kPa，真空度由于试验区停电有所降低，但稳定后整体处于约92kPa。

图2 随时间的推移真空度的变化特征

3.2 地表沉降

地表沉降试验中共设置4个测点，各沉降板的变化曲线基本相同，随时间的变化平均沉降的变化规律，见图3。从图3可以发现，沉降速度在抽真空初期的最大值为45mm/d，整个场地存在较快的土体固结过程，真空压力与固结沉降之间存在密切的关系，地表沉降速度在前期真空度快速上升过程时较大，随着抽真空时间的延长其沉降速度也有所减缓。每天的沉降量在抽真空80d后控制在2mm以内，沉降量最终值达到395mm。

图3 随时程变化的平均沉降曲线

3.3 孔隙水压力

在软土地基加固处理过程中利用真空预压法的总应力应保持不变，通过抽真空排水不断减少孔隙水压力，从而逐渐提高土体中的有效应力和土体的强度[7-9]。土体固结程度的好坏可通过孔隙水压力变化来描述，沿深度分布的3、6、9m处测点内的孔压差，随时间变化的孔压消散变化曲线，见图4。根据图4变化特征可知：孔隙水压力在不同深度处存在一定的降低；初始孔压由于受真空度的影响消散较快，随后逐渐达到稳定状态；沿深度方向真空度不断衰减，使得深层孔压消散值相对于浅层较小，在3、6、9m深度处的最终孔压分别下降至-51kPa、-42kPa和-38kPa。

图4 随时间变化的孔压消散变化曲线

4 效果分析

4.1 室内土工试验

室内土工试验所用土样来源于加固前后的场地同一位置，为获取土样物理力学参数还需要做一系列的测试试验。地基处加固前后的物理力学参数值，见表1。根据表1可知：处理前后的土样物理力学参数均发生一定的改变，如加固前、后的含水率分别为60.2%和39.1%，呈一定的下降趋势；孔隙比在加固前后分别为1.50、1.12，有所下降，快剪指标在地基土加固后提升了1.5倍，而压缩系数下降了约46%。

4.2 平板荷载试验

平板载荷试验应选择现场具有代表性的位置，承压方形钢板尺寸为1m×1m，分级等量加载表面涂层。桩顶沉降量在每级加载后间隔15、15、10、10、10min后各测读1次，之后沉降量每隔30min读取1次，当沉降量连续2h<0.1mm时认为处于稳定，然后进行下一级荷载的加压。沉降量随承载力的变化关系，见图5。从图5可知：曲线在平板下沉11.05mm时出现拐点，在该条件下平板荷载试验获取的承载力特征值为120kPa。

表1 地基处加固前后的物理力学参数值

图5 沉降量与承载力关系曲线

4.3 静力触探试验

试验点选择在试验区内，地基土处理后的强度指标值采用LMC-D310静探微机自动记录，双桥探头的试验参数为15cm。地基土经历触探试验值，见表2。结合工程实践经验和现场具体情况，对土体地基承载力与锥尖阻力之间的关系利用文献资料中的经验公式确定。淤泥质土的锥尖阻力qc与地基承载力fk之间的关系表达式为fk=0.115qc+40，然后将现场土层相关数据监测结果qc=360kPa输入关系式，由此可得到地基承载力fk值为81.5kPa，通过换算处理后的以下土层承载力均在80kPa以上。由此表明，软土地基承载力经过加固处理后得到明显的提升，承载力满足工程建设要求。

表2 地基土经历触探试验值

5 结 论

文章对初次地基处理后的吹填土利用真空预压联合注浆法进行二次处理，通过分析加固效果、施工工期，为软土地基大面积处理和该工法的应用提供技术支撑，为提高大面积超软地基的承载力提供一种新的地基加固技术，得出的主要结论如下：

1)土体的直剪指标、压缩模量、孔隙比减少、含水率等经真空预压联合注浆技术处理后均有所增大，通过加固处理形成的复合地基，场地承载力在不同土层内均达到80kPa，加固效果明显能够满足工程设计要求。

2)试验表明，对大面积软弱地基土利用真空预压联合注浆法所用工期较短，较传统的真空预压法该项技术预压周期为100d，预压稳定时间减少了25%以上，具有显著的缩短工期的效应。

3)采用真空预压联合灌浆法必须在施工过程中做好地表处理、严格控制预压气密性以及真空管路系统的布设等工作，由于影响该技术施工质量的因素较多且工艺技术复杂，注浆过程中应在水泥浆初凝前完成同一孔内的二次注浆。在工程实践中该技术的施工工艺仍需进一步完善。