水气分离式真空预压技术在海堤工程软基处理中的应用及其数值分析

◎ 陈焕龙 花锦峰 中交四航局第二工程有限公司

1.工程概况

深圳海洋科技研发服务基地项目第一标段堤防工程位于东莞市滨海湾新区临海滩涂，主要为建设1985.52m长的海堤工程，分西北、西南及东南三个堤段，呈U型布局，其中西北堤紧邻龙涌，西南堤和东南堤临海而设，受海浪和潮汐的正面冲击。西北海堤淤泥层厚度5～9m，西南和东南海堤淤泥厚度11～18m；整个海堤基础淤泥及淤泥质粘土层分布广泛，呈饱和流塑状态，含少量腐殖质及贝壳碎，局部夹微薄层细砂。为提高海堤基础强度，按设计要求，采用真空预压工艺进行处理，真空恒压天数为130天，膜下真空度不低于85kPa；地基处理的宽度为40m、总面积为79030m，分为A1～C4区共15个分区如图1所示。

图1 海堤基础真空预压分区图

2.真空预压工艺原理

真空预压处理地基的工作原理是通过抽真空设备对打设有竖向和横向排水通道的密封区块进行抽气排水。随着水气从排水通道内被抽离排出，排水通道与土体之间形成气压差，在气压差的作用下，土体中的孔隙水不断地通过滤管排向排水通道汇集在总管后被排出密封区块。随着土体内孔隙水的排出，孔隙水压力逐渐降低，由孔隙水承受的压力逐渐转化为土体应力，从而使地基应力得以增加，土体产生固结。真空预压工作原理的特点如下：

1）密封薄膜内外存在的气压差产生了荷载对土体形成有效的应力。

2）随着地下水位的降低，土体的浮容重变成湿容重，对下层土体产生附加应力，增加土体的固结压力。

3）真空设备将饱和土体内封闭的气体一并抽离，使得土体的渗透性加大，孔隙水加速排出，土体固结过程加快。

3.集成式水气分离抽真空成套设备和传统真空射流泵的比较与分析

施工期间，在西北海堤、西南及东南海堤真空预压中，使用了传统真空射流泵和集成式水气分离抽真空设备，根据两种设备性能特点及使用期间的效率等情况，记录整理出两种设备相关特点与功率参数等，如表1所示。

表1 传统真空射流泵与集成式水气分离抽真空设备特点与功率参数比较

4.设备使用及监测点设置

依据现场地形条件及施工顺序，首先在西北海堤C1～C4区进行了地基真空预压施工，抽真空设备为传统的真空射流泵。西北海堤C1～C4区真空预压的总面积为24157m，需要使用25台真空射流泵。为保证膜下真空度达到设计要求，每5000m备用真空射流泵1台，以便能及时替换恒压期间发生故障的设备，西北海堤真空预压共需真空射流泵30台。

西南海堤分为9个分区B1～B9，东南海堤分为2个分区A1～A2，总面积为54872m，经综合分析和充分论证后，采用了11台集成式水气分离抽真空设备，以更好地避免风浪潮汐的侵袭、作业平台受限以及其他的不利因素的限制。

按设计要求，地基处理施工期间，应进行地表沉降、孔隙水压力、土体分层沉降、地下水位等监测项目。每个分区设置两个监测点，对应的点位为1#点、2#点。

5.监测及数值分析

5.1 沉降观测

恒压期间，分别对各监测点进行了观测，采集使用传统真空射流泵的西北海堤四个区和使用集成式水气分离抽真空设备的西南海堤四个区域，沉降数据如表2所示，沉降速率对比如图2所示。

表2 真空恒压期间沉降数据表

图2 沉降速率比较图

从表2可以看出，使用的传统真空射流泵抽真空对土体产生的沉降速率弱于使用集成式水气分离抽真空设备对抽真空土体产生的沉降速率。

5.2 孔隙水压力值观测

通过观测孔隙水压力消散的情况，来了解使用不同抽真空设备时土体的固结状态，根据监测数据显示，使用两种设备对超静孔隙水压力的消散过程比较一致，在抽真空初期，超静孔隙水压力随之较快地上升，恒载后开始逐步消散，表明使用集成式水气分离抽真空设备同样能达到土体预期的固结效果。根据各分区孔隙水压力观测成果绘制成恒压期间孔压变化曲线如图3所示。

图3 孔压降-时间曲线图

5.3 十字板剪切强度分析

C1-C4区和B1-B9区在完成真空恒压后，分别对不同土层取样进行十字板剪切强度检测，检测结果见表3。

表3 工后原状土抗剪强度数据表

从检测的结果可以看出，使用传统射流泵的西北堤C1-C4区和使用集成式水气分离抽真空设备西南海堤B1-B9区，其固结度和工后沉降都满足设计要求，土体淤泥层抗剪强度平均值为36.7kpa，满足海堤稳定所需的软土地基处理后地基强度不低29kPa的设计要求，其中B1-B9区的抗剪强度平均值为37.4kpa，略高于C1-C4区平均抗剪强度36.0kpa，说明集成式水气分离抽真空设备在满足真空预压工艺对设备性能的基本要求外，还稍显优势。

6.效果分析

经过比较分析，不难发现集成式水气分离式抽真空设备相对于传统真空射流泵在真空预压施工工艺具有显著优点：1）设备一体化设计，结构紧凑操作便利，易于集中控制和管理；电缆管线接点少，安全系数高，安全有保障。2）充分利用水气分离罐内气体形成的负压差，将各级土体内的水、气混合物排入水气分离罐，将水和气分离后排出，提高循环水的利用效率，大幅提升了功效，降低了能耗，施工成本较低。3）设备使用台数少，智能化程度高，具远程集中自动控制的特点，容易发现故障且更换方便，不影响密封区内的真空度。4）分区面积大，减少压膜沟及泥浆搅拌墙施工长度，减少工作量。5）通过信号管线，将现场真空示数传入控制机房的显示末端集中显示，使得分区内的真空情况一目了然，方便现场管理和查找漏气源，降低了现场管理人员的劳动强度。

7.结束语

集成式水气分离抽真空设备在深圳海洋科研服务基地项目第一标段堤防工程中的成功使用，展现出了诸多的优点，无论是在现场维护、智能化管理，降低工作强度等方面，还是在提高抽真空效率，加快土体固结，节能减排和节约施工成本等方面比其它抽真空设备更具优势，可作为后续项目真空预压施工设备的优先选择，同时也为后续项目提供了经验参考。