真空联合堆载预压在某高速公路工程施工中的应用
目录
1 概况
1.1 地质条件
1.2 真空预压设计要求
2 真空预压材料的选用
2.1 密封膜
2.2 PVC管
2.3 真空泵
3 真空联合堆载预压的施工
3.1 原理简介
3.2 射流枪系统的工作原理
3.3 施工质量控制
3.4 故障判断及排除
4 工效分析
1 概况
某高速公路的淤泥等软土属滨海相近代沉积,具有厚度大、含水量高、压缩性大、强度低、工后沉降量大等特点。该条高速公路填土高、沉降量大、工期紧。截止到1999年11月底,其它标段填土已快完成,而K21+769~K24+000段尚未进行填土,有的地方还没完成袋装砂井施工。业主委托我司采用真空联合堆载预压方法处理此段软基。现以K21+930~K22+090段为例探索真空联合堆载预压法的施工。本段加固宽度84. 5m(含反压护道),面积13 600m2。填土设计厚度6.1~8.4m,实际填土厚度将达到9.4~12.5m。
1.1 地质条件
本段土层大致分为4层:①粘土(Qal):厚0.5~1.2m,棕褐色,粘粒为主,不含或含少量粉砂,湿~很湿,可塑~软塑。②淤泥(Qal):厚14.0~19.0m,灰黑色,粘粒为主,局部夹少量贝壳碎片,薄层粉细砂和淤泥质粘土,亚粘土夹层,很湿~饱和,软塑~流塑,是沉降和稳定的控制层。③粉细砂(Qal):厚3.0~4.0m,灰黑,黄褐色,砂为石英质,饱和,中密。④粗砂(Qal):棕褐,黄褐色,砂为石英质夹少量石英质小卵砾石,饱和,稍密。淤泥层物理力学指标见表1。
1.2 真空预压设计要求
(1)为保证真空预压的效果,原则上每段长度不得小于50m。 (2)每个预压区的间隔不宜过大,需根据工程要求和土质决定,一般以2~6m较好。(3)在抽真空阶段,整块停抽不得超过1h。(4)真空度达到并维持在75kPa以上。(5)密封沟深度不小于1.5m,进入淤泥层不得小于1.0m,以保证有足够长的渗径。(6)如果在浅层有夹砂层,需将夹砂层挖除并换填淤泥。
2 真空预压材料的选用
真空预压能否成功,关键在于:(1)袋装砂井的质量;(2)真空预压材料的选用;(3)施工中的工序控制。在填土后,若真空度达不到要求将无法或很难进行返工,因此要首先把好材料关。
2.1 密封膜
密封膜的施工是真空预压成败的关键之一。密封膜材料要求密封性好,抗老化能力强,韧性好,抗刺穿能力强。本段选用2块盐用宽幅聚氯乙烯吹塑塑料薄膜,长170m,宽95m,厚0.14mm。
2.2 PVC管
目前,PVC管还无法进行检测其抗压和抗拉强度,只能从外观和材料的加工等方面来判断是否适用于真空预压:(1)PVC管内外壁光滑,无蜂窝状孔洞。(2)落锤冲击或小型机械碾压无破损或脱层现象。(3)具有一定的弹性。
2.3 真空泵
采用7.5kW的真空泵,将真空泵安装好后,关闭球阀,泵上真空度即达到理想真空度98~103kPa,完全符合抽真空的要求。真空泵的数量按1 000~1 500m2/台控制布置。本段采用了10台真空泵。
3 真空联合堆载预压的施工
3.1 原理简介
真空预压是在需要加固的软土地基表面铺设砂垫层,然后埋设垂直排水通道,再用不透气的密封膜使其与大气隔绝,薄膜四周埋入淤泥层中,然后借助射流泵和埋设在砂垫层中的管道将膜下土体中空气和水抽走,形成真空,在地表砂层、竖向排水通道内逐步形成负压,使土体内部与排水通道、砂垫层之间形成压差,在此压差的作用下,土体中的孔隙水和空气不断地由排水通道排出,从而增加地基的有效应力,使土体固结。真空联合堆载预压是利用真空预压的要求,先使密封膜达到稳定真空度,在抽真空的同时进行堆载预压,两者的效果是完全可以叠加的。因此,抽真空联合堆载预压可以促使深层土体充分固结,在停抽真空后真空负压力和堆载荷重使土体处于超固结状态。
3.2 射流枪系统的工作原理
射流枪系统(图1)是真空泵系统的核心部件,它的设计直接关系到膜内和泵下真空度的大小,它由射流枪和吹流嘴2部分组成。 射流枪的工作原理:在高压水泵的作用下,高速水流1从吹流咀小口端射出,把空间2中的水或空气带走,在空间2中首先形成真空,而此时,膜内的空气与空间2中存在着压差的作用下,膜内的空气源源不断地抽走,从而在膜内形成一定的真空度。因此,在安装真空泵系统时,特别要注意吹流嘴与射流枪的轴心在同一条线上,这样,可以防止水流射出遇到射流枪导致流速减小而影响真空度。
3.3 施工质量控制
(1)铺设砂垫层①砂的含泥量不得超过3%;②砂垫层的厚度不得小于50cm;③砂垫层的宽度不得小于处理宽度2m;④袋装砂井的处理宽度不得小于设计宽度。(2)铺设PVC管①PVC管的连接:各PVC管通过波纹管连接起来。为避免由于不均匀沉降造成PVC支管、主管与各通管间的脱节现象,波纹管与PVC支管的搭接长度不得小于60cm,与PVC主管的塔接长度不得小于50cm。②PVC管的埋深:一般以25~45cm为宜,但首先要保证捆扎纹管与PVC管的钢丝不得通过砂垫层而刺破薄膜。③PVC管的埋设:在埋设PVC管时,首先要对PVC支滤管的滤纸进行检查,对脱线或刺破的滤纸及时进行修补并清除PVC管内的砂或其它杂质,其次,要将PVC管下的袋装砂井头铲断。(3)平整场地平整场地时,将袋装砂井头埋入砂垫层中,将场地内的坚硬碎屑物、石子等拾走,场地内不得有过大的坑洼存在。(4)铺设真空膜为确保在真空预压的全过程中的密封性,一般采用2层膜并按先后顺序同时铺设。铺设真空膜只能在无风的情况下进行。铺膜时,薄膜不能拉着走,只能抱着走。2层膜的粘结方向要错开,并且每铺好一层膜都要及时查找并修补孔洞。铺好膜后,及时在膜的四周用沙袋压好并严禁场地内吸烟。(5)挖密封沟埋膜时,钩机要倒着挖,一边挖沟一边埋膜。膜埋入淤泥层的深度不得小于1.0m以保证水流有足够长的渗径。沟壁要光滑,防止沟壁上的硬壳、石子等坚硬物刺穿薄膜。埋膜时,膜的一端用脚踩入淤泥层中,压实固定后及时回填泥土保护层以保证膜与淤泥紧密接触并防止出现砂垫层塌落拽破薄膜的现象。在回填淤泥时,要一段一段回填,但要注意膜的搭接,回填后密封沟的深度不宜过深。(6)连接抽真空设备出膜管与薄膜连接处必须妥善处理,以保证密封的气密性,因此可在出膜的四通管上套用密封物并用钢丝捆扎。(7)抽真空抽真空前,先在密封沟内充满水。在抽真空的初期,由于膜下的真空度过低,水箱内的水会倒流向砂垫层,因此,要控制好球阀,泵上真空度应控制在20~30kPa左右,在膜下真空度达到20~30kPa时,球阀门可以全部打开。当真空度上升到一定值时,考虑到水下薄膜由于压力加大,有的地方由于尖硬物会产生破裂现象而给补膜造成一定困难,因此,膜下真空度宜控制在85kPa左右,不宜超过95kPa。(8)分级加载填土在连续抽真空1个月左右便可以填土了,在填土前要在膜上先铺设1层无纺土工布,土工布要铺至密封沟的中央并用脚踩入回填土中。土工布的搭接长度不小于10cm,用手提缝纫机缝牢。在土工布及填土施工中,要相应地做好真空膜保养工作,防止暴露而老化,避免膜的破损,发现漏洞及时修复:①第1层填土前全面检修场地薄膜。②第1层填土质必须进行筛选,避免石块、土块掺杂其中戳破薄膜,且此层的填土厚度不宜小于0.8m。③对汽车、推土机、压路机等机械的使用,调度要规范,避免大角度转弯,力保不损坏土下薄膜。④由第2层填土开始,采用“薄层轮加法”施工,每层厚度为30cm(为压实后厚度),施工进度视填土含水量、压实度以及现场监测情况进行适当调整。⑤对于第1层填土,特别要防止压路机开大的震动,以防石子将薄膜刺破。
3.4 故障判断及排除
①薄膜穿孔:在孔隙处会发生“吱吱”的声音。排除方法:重新修补薄膜。对于内层薄膜,则要将外层薄膜撕开,修补好内层薄膜后再重新补外层薄膜。②射流枪的吹流嘴破坏:泵上真空读数小于膜内真空度读数。排除方法:重新换上1个射流枪。③水泵叶轮受阻:泵上真空度小于膜下真空度。排除方法:定时清除水箱内的沙子、石块等杂物。④水下薄膜刺破:该处膜内真空度明显小于其它地方的膜下真空度。排除方法:抽干一定范围内密封沟内的水,在密封沟内形成凹坑的地方即为水下薄膜刺破的地方,找到刺破口后再修补薄膜。另外,还可根据现场场地条件、水箱内气泡及出水量的对比及分段密封沟内水位的变化等判断某一区域内水下薄膜的破坏情况。⑤泵下和膜下真空度相差较大;PVC管堵塞。排除方法:在达到设计要求的情况下可以不予考虑;达不到设计要求时则要返工。
4 工效分析
在抽真空7天后,膜下真空度即达到了88~91kPa,相当于在地表施加了4.4~4.55m的填土荷载。地表沉降在工作垫层和沙垫层预压5个月后在1个月内沉降仍然达到了55~80cm,沉降量和沉降速度远远大于一般的堆载预压。在抽真空的最初1个月,不同深度处孔压平均每天消散0.5~1.4kPa,是常规堆载预压孔压消散的2~6倍。由于采用真空联合堆载预压后,土体的极限填土荷载大大提高,可达到4.5m,在4.5m的范围之内,填土时间长短取决于施工单位的施工能力,在达到4.5m之后,按0.3m/3~5d速率最高填土荷载可达到12m左右,因此,采用真空联合堆载顶压可以大大缩短工期并能保证工程质量。振好就是要将每部位的混凝土振捣到密实为止,振捣时间大约5~10s,对于塌落度25~75mm的混凝土振捣10s即可,可凭以下经验判断混凝土是否振好。①混凝土高度已不再下降;②气泡已经停止冒出(先由中部冒出后由四周冒出而停止)。③开始振捣时由于空气含量多而使振捣声音低而沉闷,当声音变高并稳定时,说明大部份空气已被排出,振捣接近尾声;④混凝土表面泛浆发亮,表面平坦。