无排水砂垫层真空预压法

摘要

本发明涉及一种大面积软地基处理方法，特别是一种无排水砂垫层真空预压法。包括有如下主要步骤：1)在处理场地上按梅花桩型打设排水板；2)布置取代以往真空预压施工中所使用的中粗砂垫层的水平向排水系统，可采用两种铺设方式之一；3)将水平向排水系统的主管连接到抽真空装置上，铺膜后进行抽真空施工。本发明无排水砂垫层真空预压法适用于大面积软土地基加固，特别是对吹填土和新近淤积的超软土有特别好的加固效果，且节省了铺设砂垫层的大量投入，真空度传递效果好，其中铺设方式为钢丝弹簧管+管板连接器+排水板的水平方向排水系统可实现大规模成品化、规格化施工，铺设时间短，可进行回收并重复利用，具有施工工期短，经济节约的独特优势。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种大面积软地基处理方法，特别是一种无排水砂垫层真空预压法，属于大面积软地基处理方法的创新技术。

背景技术：

随着我国现代化进程的加快，在(沿海)城市建设的过程中，大量的软土地基需要处理，目前，使用较为广泛的软地基处理方法有以下三种：

1、真空预压法：该方法使用大气预压作为预压荷重，先在地面上铺设一层排水垫层，然后使用插板机按设计间距插设塑料排水板，再在其上覆盖一至两层不透气密封膜，然后使用真空泵抽气使透水材料中保持较高的真空度，在土的孔隙水中产生负的孔隙水压力、孔隙水逐渐被吸出从而达到预压效果。

但是传统真空预压软地基处理方法存在以下局限性：

(1)需要铺设排水砂垫层，一般需严格采用含泥量小于5％的中粗砂，一般情况下需铺设50cm左右，对于吹填或新近淤积的超软土以及水下真空预压，甚至需要铺设厚达100cm以上的垫层，铺设砂垫层价格昂贵，导致整个软地基处理工程投资大大增加。

(2)真空泵提供的真空度须通过透水的砂及砾石层传递到软土层中，真空度损失较大，要在抽真空一段时间之后才能在软土层中产生较高真空度，导致软土固结慢，且处理效果不佳。

(3)在垂直向排水系统施工完成之后，必须铺设多条主管和滤管，作为真空度的传递通道，耗费大量管材。

2、堆载预压法：通过在场地上堆填一定厚度的填土层来作为预压荷载，以达到加固下覆软土层的目的，但其土方工程量巨大，且处理时间长。

3、强夯法：该方法是反复将很重的锤(一般为10～40t)提到高处使其自由落下(落距一般为10～40m)给地基以振动和冲击，使地基压缩固结，从而提高地基的强度并降低其压缩性。强夯法应用广泛，但对于饱和度较高的粘性土，处理效果不佳，尤其是淤泥质土地基，处理效果更差。需联合排水固结法使用才能达到较好的处理效果。

4、桩基础法：例如粉喷桩，搅拌桩，石灰桩、振冲桩等桩基。这种处理方法施工造价高、施工工期长。

发明内容：

本发明的目的在于改进现有真空预压方法的不足，提供一种工期较短、真空度传递效果好，不需要使用砂垫层，节省施工材料，施工进度快，经济节约，加固效果好的无排水砂垫层真空预压法。本发明由于不必铺设排水砂层，可用于在水下进行作业。

本发明的目的是这样实现的：本发明无排水砂层真空预压法，包括有如下主要步骤：

1)在处理场地上按梅花桩型打设排水板；

2)布置取代以往真空预压施工中所使用的中粗砂垫层的水平方向的管式排水系统；

3)将管式排水系统的主管连接到抽真空装置上，铺膜后进行抽真空施工，满足卸载要求后卸载。

上述步骤2)中布置的水平方向的管式排水系统为钢丝弹簧管+管板连接器+排水板的铺设方式，或为软式弹簧透水管+圆环套箍(或直接绑扎)+排水板的铺设方式。

上述在地基设计承载力要求较高时，可选择在步骤1)前期增加填土和在步骤1)后期增加堆载联合真空预压施工，并在步骤3)卸载后进行分层碾压施工。

上述塑料排水板和钢丝弹簧管的连接使用管板连接器，管板连接器由高密聚乙烯塑料制成，一端为圆筒状，此端可通过三通连接装置与钢丝弹簧管相连接，另一端为扁平开口状，可容许三根塑料排水板插入其中。

上述管板连接器的圆筒端的通径和扁平开口端的尺寸依据三通接头通径以及排水板宽度和厚度确定。

上述塑料排水板和软式弹簧透水管的连接使用圆环套箍装置，圆环套箍装置为有一定的弹性的橡胶管，通径比软式弹簧管略大的一端套在软式弹簧管上，塑料排水板箍在软式弹簧透水管管壁上，并保证其连接的紧密性。

上述塑料排水板和软式弹簧透水管的连接使用直接绑扎法，将软式弹簧透水管相邻的两列塑料排水板以及与其同列的塑料排水板露出部分紧贴在软式弹簧透水管一侧；使用不透水胶带将塑料排水板紧紧缠绕在软式弹簧透水管上，并保证接触部分的密封性。

上述在场地设计承载力较高时，将相邻两列排水板再使用排水板搭接，与钢丝弹簧管或软式弹簧透水管一起形成网络状水平排水通道，网络状水平排水通道还具有架空密封膜，使膜下形成整体真空度。

上述塑料排水板的间距、钢丝弹簧管或软式弹簧透水管的间距以及真空泵数量根据地基处理设计承载力要求而调整。

上述水平方向管式排水系统中的钢丝弹簧管+管板连接器+排水板的铺设方式中，钢丝弹簧管和管板连接器在进场之前进行预连接，并绕制成方便运输的卷状。

本发明由于采用布置水平方向的管式排水系统取代以往真空预压施工中所使用的中粗砂垫层的结构，因此，其可大大缩短施工工期，且真空度传递效果好，不需要使用砂垫层，节省施工材料，施工进度快，经济节约，加固效果好。本发明是一种设计合理，操作简单，方便使用的无排水砂垫层真空预压法。此外，本发明由于不必铺设排水砂层，可用于在水下进行作业。

附图说明：

图1是使用该法的某软基处理项目施工场地平面布置图。

图2是使用该法的某软基处理项目施工场地剖面图。

图3是使用该法的某软基处理项目施工场地排水板和钢丝弹簧管连接平面图。

图4是使用该法的某软基处理项目排水板和软式弹簧透水管连接平面示意图。

图5是用该法的某软基处理项目软式弹簧透水管与塑料排水板连接装置示意图。其中(a)为管板连接装置示意图，(b)为圆环套箍装置示意图，(c)为直接绑扎法示意图。

图6是绕制成卷装的经过预连接的钢丝弹簧管和管板连接器。

图7是用该法的某软基处理项目软式弹簧透水管和主管连接装置示意图。

说明如下：1塑料排水板，2软式弹簧透水管，3真空泵，4 PVC主管土层，5密封沟，6蓄水围堰，7土工布，8土工格栅，9填土层，10密封膜，11蓄水层，12密封墙，13下覆土层，14软土层，15土层界限，16软基处理区域，17软式弹簧透水管与排水板接头，18管板连接器，19橡皮薄膜，20不同管径的钢丝弹簧管，21圆环套箍，22绑扎处，23砂，24无纺土工布

具体实施方式：

本发明的详细施工步骤如下：

1、清理施工现场，准备施工作业。

2、填土及工织物：当软土层承载力不足以承受施工机械重量时，可在软土层上铺设土工织物，在填土层上铺设一层土工布，然后再铺一层土工格栅以方便小型插板机进场，若承载力仍较差，可再堆填50～80cm当地粘性土，以及密封墙和密封沟的修筑。一般采用玻璃纤维双向土工格栅土和编织土工布较为合适。

3、密封墙及密封沟施工：根据场地实际情况，选择采用搅拌桩或人工或机械勾拌法修筑。

4、围堰施工：在场地四周修筑围堰，围堰修筑高度约80～100cm(或视实际情况而定)。

5、塑料排水板施工：采用静压式插板机打插，梅花型布置，间距1m～1.5m。施工过程及技术要求必须符合相关规范。为了保证塑料排水板能连接到钢丝弹簧管(或软式弹簧透水管)，必须保证出露部分的长度，软式弹簧透水管所在列的排水板露头20～30cm，其余两排排水板露头长度为1.5～1.8m(以排水板与管道的搭接无多余长度为宜)。

6、布设水平向排水系统：水平向排水系统的布设方式可才采取钢丝弹簧管+管板连接器+排水板和软式弹簧透水管+圆环套箍(或直接绑扎)连接+排水板两种方式。

(1)钢丝弹簧管+管板连接器+排水板

a、材料选择和制备：钢丝弹簧管一般采用通径为50mm的管材，此弹簧管具有良好的透水、透气和隔泥沙性能。管板连接器为如附图5(a)所示，总长度约40cm(可根据实际要求订做)，该管由高密聚乙烯塑料制成，一端为三通接头，此端可以和钢丝弹簧管相连接，三通接头管径一般为50mm，另一端为扁平开口状，刚好容许塑料排水板插入其中，开口宽度可根据塑料排水板规格订制，开口高度越15mm。在管板连接器出厂时，其上套一长度约20cm的橡皮薄膜，当三条排水板均插入其中后可将薄膜拉出，将排水板紧紧套住，以防止在后期施工时泥沙被抽入钢丝弹簧管中。

b、钢丝弹簧管和管板连接器的预连接：为了实现对大面积软土的快速处理以及大规模成品化、规格化施工，需要对钢丝弹簧管和管板连接器进行预连接。钢丝弹簧管在出厂前，根据施工要求将其加工成相同管长的弹簧管段，一般为90cm/段(按排水板间距1m计算)，使用管板连接器的三通接头端(长30cm)将钢丝弹簧管连接起来，钢丝弹簧管插入三通接头部分约5cm，这样每两个管板连接器之间的间距为1m(与塑料排水板打设间距相同)，要保证接头处连接的紧密性，做到不透水、气及泥沙，逐段连接到30m长度为宜(可根据实际情况而定)，这时可将连接后的钢丝弹簧管绕制成卷装以方便运输。

c、管道的铺设及与塑料排水板的连接：将成卷的钢丝弹簧管运往施工场地后即可在场地上按施工设计将其摊开铺设在相应的位置上，一般是每隔两排塑料排水板铺设一条钢丝弹簧管，钢丝弹簧管的间距也可根据实际情况进行调整。当一卷钢丝弹簧管的长度不够时可与其它管段通过管板连接器搭接到相应的长度。将每三根塑料排水板插入相应的管板连接器的扁平开口端，并使用橡皮薄膜将其套住。在场地设计承载力要求较高时，可将相邻两排塑料排水板分别再用一段塑料排水板连接起来，形成网络状水平排水通道。这样在土层上塑料排水板和钢丝弹簧管共同形成一个排水网络，作用相当于传统的中粗砂排水垫层，且具有架空密封膜的作用，可保证密封膜不会紧贴在土层上阻断真空度的传递。

(2)软式弹簧透水管+圆环套箍(或直接绑扎)连接+排水板

a、铺设水平向软式弹簧透水管：一般采用通径为90mm的软式弹簧透水管，此透水管具有良好的透水、透气和隔泥沙性能，若后期需要进行堆载施工，为了增加水平向排水系统的竖向承载能力，可先在软式弹簧管中装满砂。将软式弹簧透水管水平铺设在土层上，一般每隔两列塑料排水板铺设一根软式弹簧透水管，也可根据实际情况进行调整。

b、软式弹簧透水管和排水板的连接：将塑料排水板采用圆环套箍或直接绑扎方式连接到软式弹簧透水管上，圆环套箍连接装置如附图4(b)所示，此套箍为一小段橡胶管，有一定的弹性，通径比软式弹簧管略大，长30～40cm，可套在软式弹簧管上，并将塑料排水板箍在软式弹簧透水管管壁上，可保证其连接的紧密性。直接绑扎法连接附图4(c)所示，将与透水管相邻的两列排水板以及与其同列的排水板出露部分紧贴在透水管一侧，接触长度为30～40cm。使用不透水胶带将排水板紧紧缠绕在弹簧透水管上，要保证接触部分的密封性。这样在土层上塑料排水板和装砂透水管共同形成一个排水网络，作用相当于传统的中粗砂排水垫层，透水管出露部分可保证密封膜不会紧贴在土层上阻断真空度的传递，在场地设计承载力要求较高时，可将相邻两排塑料排水板分别再用一段塑料排水板连接起来，形成网络状水平排水通道。

7、铺设主管：一般采用通径75mm的PVC管作为主管，铺设在场地两侧，当场地面积较大时也可在场地中间加设主管，在本实施例中只在两侧铺设主管。主管和钢丝弹簧管(或软式弹簧透水管)之间采用PVC管相连接，此段管长40cm，一端通过三通接头与主管相连接，另一端插入钢丝弹簧管(或软式弹簧透水管)中，对于装砂软式弹簧透水管可保留40cm左右不装砂，在连接管插入透水管之前，必需在PVC管端部包扎一层无纺土工布，以防止透水管中的泥沙进入主管。主管则直接和真空泵相连接。

8、设置膜下探头以直观反映膜下真空度。

9、铺设密封膜：在施工区域铺设一或二层密封膜。

10、安装抽真空系统：在场地两侧布置真空泵，每台真空泵处理面积为800m²～1000m²。通过管道，出膜装置与主管相连。将真空泵水平放置在加固区一侧，真空泵进水口和出膜口保持同一平面高度，以保证真空泵能发挥到最大功效。

11、安装发电机及布设电缆。

12、抽真空施工：抽真空5～10d然后逐渐增加真空泵工作台数。当真空度达到60kPa，，开始蓄水，蓄水高度试具体情况而定(一般为50cm～100cm，并开足所有真空泵，将膜下真空度提高到大于设计要求的荷载。此时，可开始恒载计时抽真空达到预定天数。

13、后期碾压：拆除抽真空装置后，若承载力偏低，可根据情况使用合适规格的碾压机进场进行分层碾压，一般选用能产生与地基设计承载力相等的荷载的碾压机，然后进场进行碾压。

14、卸载。在满足真空度要求的前提下，应连续抽气，当沉降稳定后，方可停泵卸载，钢丝弹簧管(或软式弹簧透水管)及连接装置可回收利用。卸载标准如下：

(1)真空预压处理后地基承载力大于设计值，通过载荷板试验验证。

(2)恒载抽真空达到预定天数。

(3)软土固结度达到设计值。

根据地基处理设计承载力要求可设计不同的塑料排水板打设间距和调整真空泵数量以达到要求。

无排水砂垫层真空预压法适用于大面积软土地基加固，可用于大面积软土地基加固如机场跑道、公路、港口、码头以及岸堤填海造陆的水下软土等的地基处理施工，特别是对与吹填土和新近淤积的超软土有特别好的加固效果，且节省了铺设砂垫层的大量投入，真空度传递效果好，钢丝弹簧管+管板连接器+排水板的水平向排水系统可实现大规模产业化、规格化施工，铺设时间短，且可以在施工结束后进行回收并重复利用，具有施工工期短，经济节约的独特优势。

本发明的具体应用实例如下：

以山东营口市新江华泰化工项目软地基处理为例。此工程项目区域为在原淤泥质粉粘土层上吹填了一层淤泥质粉粘土，厚度为2～3m，拟对该吹填土体进行加固，粉粘土层含水量很高，不能允许大型施工机械进场进行施工，且工期要求很紧。为了保证项目的顺利进行，经过多方论证、讨论，决定划分出一块处理区域进行无排水砂层真空预压法试验。

该场地为50m×40m的矩形区域，场地按1.0m的间距梅花形打设塑料排水，每隔两排塑料排水板布置一根软式弹簧透水管，管中装砂，在处理区域的两侧铺设主管，在原场地上铺了一层土工布+一层土工格栅，并堆填了50cm左右的当地粘性土以保证后期施工机械的进场。为了阻断加固区与非加固区的水、气联系，及保证密封沟蓄水，在场地四周修筑围堰，围堰修筑高度约50～80cm，采用装满吹填土的沙包垒成，围堰总长度190m。由于软土层位于顶层，且埋深较浅，采取了铺设一层真空膜然后将真空膜埋设到软土层中的方法。全区共布置了4台真空泵。

试抽真空4d然后逐渐增加真空泵工作台数。当真空度达到60kPa，经检查无漏气现象后，开始修筑围堰膜面蓄水，并开足所有真空泵，将膜下真空度提高到大于75kPa。此时，开始恒载计时抽真空55d。处理后地基承载力特征值大于60kPa。

此项目采用无排水砂层真空预压法，工期比传统施工方法缩短近1/2～2/3，造价节约原预算的1/2。

本发明的原理为：

1、真空泵在主管中产生真空度，并传递到水平主管中，主管中的真空度通过连接装置传递到钢丝弹簧管(或软式弹簧透水管)中，并通过钢丝弹簧管(或软式弹簧透水管)将大部分真空度传递到与之紧密连接的排水板中，其余真空度则传递到膜下，膜下真空压力和排水板所传递的真空度共同在在软弱粘性土层中产生一个负的孔隙水压力，垂直排水通道作为负压源的一部份与加固土体内的孔隙水压力形成压力差而产生渗流力，渗流力促使孔隙水从土体中排出，而孔隙水的排出导致孔隙水压力的降低。当土体中总应力基本不变的情况下，孔隙水压力的降低值即为有效应力的增加值，在新增加的有效应力的作用下促使土体固结。

2、孔隙水通过垂直向排水通道排出并进入钢丝弹簧管(或软式弹簧透水管)中，并由该管流向主管，最后通过抽真空装置排出。

3、钢丝弹簧管(或软式弹簧透水管)与排水板通过连接装置紧密连接，形成架设在软土层上的水平排水系统，其性能优于传统真空预压法所采用的砂砾石垫层。且钢丝弹簧管(或软式弹簧透水管)有一定承载能力，可以阻止真空膜紧贴在软土层面上而导致的真空度无法传递现象，在场地要求承载力较高的情况下，甚至可以将相邻两排的排水板再使用排水板进行搭接，使水平向排水系统形成一个统一网络，以更好地传递真空度，达到较好的加固效果。

4、钢丝弹簧管(或软式弹簧透水管)与排水板的紧密连接，实际上是将水平向排水系统和垂直向排水系统连接成一个有机的整体，这样真空度可以快速地传递到土层深部，且真空度损失小，从而达到缩短软地基处理工期，增强加固效果的目的。

5、前期的堆填粘性土施工除了可以增加软土层上部荷载，以达到更好的加固效果外，还有增强场地处理前承载力，以方便施工机械进场的目的，后期的联合堆载以及分层碾压施工，可进一步提高软土层的承载力，以达到设计要求。