施工工藝在軟弱地基處理的應(yīng)用

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摘要：近年來，國家大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)，在珠海地區(qū)，尤其是橫琴新區(qū)，由于較多建筑物設(shè)計處于軟弱地基上，若不對地基進(jìn)行加固處理，會不利于結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性。筆者所在公司承建的中心溝北片區(qū)防洪及景觀工程，在位于下村的泵閘進(jìn)水渠施工項目上，采用了直排式真空預(yù)壓的工藝對地基進(jìn)行加固處理，論文以此為例，首先分析了常規(guī)真空預(yù)壓工藝與直排式真空預(yù)壓工藝的區(qū)別，然后對該項工藝、效率和成本進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最終該工藝對項目施工進(jìn)度和成本控制效果顯著，同時很大程度保障了軟弱地基處理的質(zhì)量效果。

關(guān)鍵詞：直排式真空預(yù)壓；軟基；排水固結(jié)

1.工程概況

本項目位于珠海橫琴新區(qū)的小橫琴山腳下,項目建設(shè)完成后,將改善下村泵閘取水功能和提升北片區(qū)的防洪及景觀效果。本工程按照設(shè)計圖紙要求,需進(jìn)行加固處理的軟土地基部分總面積約為7000m2,從表層往下厚度為8.2m的區(qū)域內(nèi),土質(zhì)均為軟塑狀淤泥,經(jīng)地勘驗證,該土層具有較高的含水率和壓縮性,在8.2m往下的范圍約有11m厚度的土層為海相沉積土層,含水率最高能夠達(dá)到80%,屬于中高性的壓縮性土質(zhì)。設(shè)計要求針對8.2m厚度的軟塑狀淤泥進(jìn)行加固處理。表層土是在原來的魚塘基礎(chǔ)上直接進(jìn)行填筑,未對魚塘進(jìn)行抽排水處理,導(dǎo)致表層土的含水率較大,地基十分軟弱,并且具有透水性差的特點。并且項目周邊用地緊張,作業(yè)面狹窄,施工機(jī)械無剩余空間可利用,只能臨時占用防洪通道,給施工過程中的安全生產(chǎn)帶來隱患,給施工成本控制帶來難度,給施工進(jìn)度保障帶來壓力,綜合考慮這幾項因素,同時滿足臨時防洪度汛的要求,對地基進(jìn)行加固處理時,必須選擇工藝合理、經(jīng)濟(jì)可行、安全可靠的方案。通過與常規(guī)工藝全面對比,并經(jīng)實踐檢驗,最后確定選擇采用直排式真空預(yù)壓的工藝,能夠消除安全隱患,達(dá)到降本增效的目的,同時經(jīng)此方案處理后的地基,取得了不錯的加固效果,成為多種方案比選中的最佳選擇。

2.直排式真空預(yù)壓工藝與常規(guī)真空

預(yù)壓工藝的區(qū)別以及優(yōu)點體現(xiàn)隨著我國基建板塊的發(fā)展與科技的進(jìn)步,工程師們已經(jīng)總結(jié)了一套完整的常規(guī)真空預(yù)壓技術(shù)的經(jīng)驗和教訓(xùn),雖然能夠滿足基本施工需要,但也存在諸多不足,比如：常規(guī)的真空預(yù)壓法在施工過程中的抽真空作業(yè)的周期比較長,嚴(yán)重影響了其緊后工作的開始時間,導(dǎo)致總時差的消耗,不利于整體工期的目標(biāo)控制。而直排式真空預(yù)壓法,在實踐過程中,發(fā)現(xiàn)比常規(guī)做法成本低、周期短,同時兼有穩(wěn)定性、加固性強等優(yōu)勢,得到了越來越廣的使用[1,2],應(yīng)用前景較好,成為發(fā)展的趨勢。直排式真空預(yù)壓法和常規(guī)式真空預(yù)壓法最明顯的區(qū)別就是：直排式工藝在施工過程中取消了鋪設(shè)中粗砂墊層這道工序,取而代之的是,將PU管與塑料排水板直接相連,將排水路徑大大縮短,既精簡了工藝流程,又達(dá)到了預(yù)壓效果。

2.1常規(guī)真空預(yù)壓工藝的水平排水系統(tǒng)描述

此系統(tǒng)的基本做法是：首先鋪設(shè)厚度為50～100cm中粗砂墊層,接著在砂墊層上打設(shè)塑料排水板,然后在砂墊層內(nèi)埋設(shè)軟式多孔濾管,要求濾管間距保持一致,最后在濾管周圍用至少2層濾布包裹嚴(yán)實,在不影響其透水性功能的前提下,還能達(dá)到不透砂的效果。塑料排水板引出的水通過透水性良好的中粗砂墊層,集中排到事先鋪好的密封膜外面,土體層經(jīng)失水后,逐漸固結(jié)并密實。經(jīng)研究此系統(tǒng)的工作原理,發(fā)現(xiàn)其真空壓力的傳遞過程是：真空裝置作為壓力起點→流經(jīng)主管道→然后傳遞到支管道→經(jīng)過鋪設(shè)好的中粗砂墊層→經(jīng)過打設(shè)好的塑料排水板→最后傳遞到需要加固的淤泥土層。由于厚度較厚的中粗砂墊層和軟式多孔濾管以及2層包裹濾布的阻尼作用,導(dǎo)致真空壓力的功率在傳遞過程中發(fā)生明顯損失。經(jīng)實測數(shù)據(jù)得知,真空泵在出口壓力的初始值為96kPa,但是經(jīng)過軟式多孔濾管以及2層包裹濾布的阻尼作用到達(dá)中粗砂墊層時,其實際真空壓力已降至80kPa以下,再經(jīng)中粗砂墊層的阻尼作用,最后傳遞到塑料排水板板頭往下大約3m深處的位置時,實際真空壓力值只剩56kPa,真空壓力損失率高達(dá)42%。

2.2直排式真空預(yù)壓工藝的水平排水系統(tǒng)描述

由于此工藝精簡了工序,將濾管和塑料排水板直接相連,取消了中粗砂墊層的鋪設(shè),壓力傳遞過程中減少了一道阻尼障礙,傳遞路徑發(fā)生了變化。經(jīng)研究此系統(tǒng)的工作原理,發(fā)現(xiàn)其真空壓力的傳遞過程是：真空裝置作為壓力起點→流經(jīng)軟式多孔濾管→然后傳遞到PU管→經(jīng)過打設(shè)好的塑料排水板→最后傳遞到需要加固的淤泥土層。此工藝減少了真空壓力的阻尼障礙、縮短了傳遞路徑、降低了能量損失,從而使土體層的密實加固效率提高[3]。經(jīng)實測數(shù)據(jù)得知,真空泵在出口壓力的初始值同為96kPa,在傳遞至PU管時的壓力值大于90kPa,最后傳遞到塑料排水板板頭往下大約3m深處的位置時,實際真空壓力值仍大于80kPa,真空壓力損失率不超過17%。

3.直排式真空預(yù)壓工藝的管網(wǎng)施工流程

直排式真空管網(wǎng)施工流程為：施工準(zhǔn)備→GPS測量放線→PVC管網(wǎng)布設(shè)→板頭處清理修整→將板頭之間互相連接→將整個PU管網(wǎng)進(jìn)行閉合→檢查管網(wǎng)密封的效果→最后將管網(wǎng)整體固定。實際操作如圖1所示。

4.真空預(yù)壓

4.1安裝抽真空裝置

根據(jù)施工的實際需求,初步確定和選擇高效節(jié)能大功率真空泵系統(tǒng)（以下簡稱為HEHP真空系統(tǒng)）。HEHP真空系統(tǒng)主要由水氣分離罐和大功率真空泵組成,其工作原理為啟動真空泵,抽取土體中的水和氣體,進(jìn)入水氣分離罐后水氣出現(xiàn)分離,氣體進(jìn)入上部灌體,并從真空泵將氣體排出；水則進(jìn)入下部灌體,配合抽水泵排水,本次施工共設(shè)置2臺揚程為25m的抽水泵,1臺承擔(dān)抽水作業(yè),另外1臺作為備用,保證施工效率。從施工涵蓋范圍來看,真空泵系統(tǒng)每臺泵的可影響的范圍約為5000～6000m2。為了確保每根真空主管均在預(yù)壓范圍內(nèi),每個水氣分離罐連接真空管的數(shù)量不得超過8根。在進(jìn)行真空預(yù)壓時,確保真空泵的進(jìn)水口和出膜口在相同平面,避免干擾真空泵能的發(fā)揮。抽真空擬計劃采用網(wǎng)電供電,安排經(jīng)驗豐富的專業(yè)電工完成電網(wǎng)布設(shè),選擇高強絕緣電纜,采用三相五線制,并加強對配電方式的設(shè)計,嚴(yán)格按照確定好的配電方式完成布設(shè)作業(yè),提升施工的安全性。

4.2試抽真空

做好抽真空前的準(zhǔn)備工作,遵守抽真空施工規(guī)范,確保支管內(nèi)真空度＞85kPa,每臺泵全天候滿負(fù)荷作業(yè),檢查所有泵的預(yù)壓范圍,并預(yù)留10%的備用泵,避免施工中泵損壞而影響施工正常進(jìn)行。若遭遇真空預(yù)壓臨時供電停電的情況,應(yīng)啟動備用發(fā)電機(jī),確保水汽分離作業(yè)順利進(jìn)行。另外,在發(fā)電機(jī)上安裝電量計量儀器,監(jiān)測控制日用電量。

5.施工的效率與成本分析

5.1效率分析

常規(guī)的真空預(yù)壓工藝中,受作業(yè)面狹窄的影響,機(jī)械設(shè)備難以發(fā)揮作用,效率低下,同時占用的便道會影響村莊防洪度汛的能力,可能會造成村民財產(chǎn)的損失。而直排式真空預(yù)壓工藝中,所有連接構(gòu)件均事先按照設(shè)計尺寸加工成型,具有“模塊化”的優(yōu)點,施工效率成倍增長[4-5],可提高1.5倍以上,降低了工期履約的風(fēng)險,同時對于節(jié)約成本效果顯著。

5.2常規(guī)抽真空工藝壓力傳遞效率

采用此工藝,在打設(shè)完塑料排水板后,會出現(xiàn)明顯的反淤現(xiàn)象,造成鋪設(shè)好的中粗砂墊層的污染,堵塞了水平向排水系統(tǒng),也造成了機(jī)械設(shè)備行走困難,影響其排水效果,同時增加了真空壓力傳遞的阻尼作用力,導(dǎo)致壓力傳遞能量損失較大,對于軟土層加固密實效果不明顯,壓力傳遞利用率僅為58%。

5.3直排式抽真空工藝壓力傳遞效率

采用此工藝,真空壓力傳遞阻尼作用力減少,傳遞效果顯著,不會出現(xiàn)明顯的反淤現(xiàn)象,取消了砂墊層,也不會造成污染和堵塞排水系統(tǒng),操作方便快捷、效率高,真空壓力傳遞損耗小、利用率高,從而縮短了加固時間,提高了加固效果,壓力傳遞利用率可達(dá)83%。

5.4成本分析

按照2017年當(dāng)?shù)厥袌鼍C合價格,其中常規(guī)工藝的材料價為24.7元/m2,人工費單價為1.1元/m2,綜合單價為25.8元/m2；直排式工藝的材料價為15.9元/m2,人工費單價為3.3元/m2,綜合單價為19.2元/m2,節(jié)省單價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。考慮到近年來政府對環(huán)保督查政策力度的加大,中粗砂材料供給市場情況的變化波動較大,中粗砂價格上漲較多,采用常規(guī)工藝進(jìn)行真空預(yù)壓施工,將導(dǎo)致增加更多的施工成本,必須通過新工藝改變這種不利局面。

6.沉降觀測結(jié)果對比

經(jīng)加固后的地基監(jiān)（檢）測結(jié)果顯示,兩種工藝效果均能夠滿足工程質(zhì)量要求,但是也反映出,直排式真空預(yù)壓工藝對土體預(yù)壓效率要優(yōu)于常規(guī)真空預(yù)壓工藝,更有利于工程施工工期和質(zhì)量的控制。直排式真空預(yù)壓和常規(guī)真空預(yù)壓的沉降值變化情況比較如圖2所示。

7.優(yōu)缺點分析

常規(guī)真空預(yù)壓工藝在軟弱地基加固處理中,由于其工作原理性質(zhì)導(dǎo)致其本身的不足,不能較好的達(dá)到預(yù)期目標(biāo),缺點較明顯,主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）在打設(shè)完塑料排水板后,會出現(xiàn)明顯的反淤現(xiàn)象,造成鋪設(shè)好的中粗砂墊層污染,堵塞了水平向排水系統(tǒng)。（2）近年來,國家大力整頓環(huán)保工作,中粗砂供給端緊張,材料價格高漲,造成了工程造價的進(jìn)一步提高。（3）造成了機(jī)械設(shè)備行走困難,影響其排水效果,增加了真空壓力傳遞的阻尼作用力,導(dǎo)致壓力傳遞能量損失較大,對于軟土層加固密實效果不明顯。綜上所述,直排式真空預(yù)壓法和常規(guī)式真空預(yù)壓法最明顯的區(qū)別就是：直排式工藝在施工過程中取消了鋪設(shè)中粗砂墊層這道工序,取而代之的是,將PU管與塑料排水板直接相連,將排水路徑大大縮短,既精簡了工藝流程,又達(dá)到了預(yù)壓效果。在實踐過程中,直排式真空預(yù)壓法比常規(guī)做法成本低、周期短,同時兼有穩(wěn)定性、加固性強等優(yōu)勢,得到了越來越廣的使用,應(yīng)用前景較好,成為發(fā)展的趨勢。

8.結(jié)束語

在本工程軟土地基處理工藝實踐表明,直排式真空預(yù)壓法具有多方面的優(yōu)勢,既能夠有效滿足業(yè)主的工期和質(zhì)量要求,也能夠確保施工單位成本控制、進(jìn)度履約的目標(biāo)。同時,直排式真空預(yù)壓法施工方法簡便,管道與排水板連接“鴨嘴”成本低、易生產(chǎn),易于大規(guī)模推廣,經(jīng)此方法加固后的地基在后期開挖過程中,能夠有效確保不出現(xiàn)反涌和邊坡滑移的情況,降低了安全隱患的風(fēng)險,同時保障了其緊后工序的開始時間以及上部結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)施工的質(zhì)量,在橫琴地區(qū)乃至類似軟弱土層地基處理加固施工時,作為首選的工藝,贏得了行業(yè)內(nèi)高度認(rèn)可,具有很好的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。

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作者：徐建華 李軍 單位：中交一航局第五工程有限公司