CN101144274A - 用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法 - Google Patents

Abstract

一种建筑工程技术领域的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的施工方法，步骤为：(1)设计带盒土工塑料排水板；(2)以孔隙水压式的静力触探检测地层分布的深度与厚度；(3)选择土工塑料排水板的最优插入深度；(4)打设带盒土工塑料排水板，步骤为：①整平场地；②插板机就位；③插板；④拔管；⑤切断；(5)顶盒埋入渗透系数小于10^－7m/s的粘性土层中必须保证密封；(6)在表层土上铺设一根集水管，将集水管与各带盒塑料排水板的软管相接，将集水管与射流真空泵相连接；(7)抽真空。本发明既能减少施工环节，提高施工效率，又能提高软土地基的加固质量，施工方法简单可靠，经济实用。

Description

用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的地基加固方法，尤其是一种用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法。

背景技术

自1952年瑞典科学家杰尔曼(Kjellman)提出使用大气压(抽真空预压)的方法对软土地基进行排水固结处理后，世界上许多国家的工程师针对各自国家的软土地基条件开发了各种技术方案，形成了各有特点的真空预压技术。传统的真空预压技术是首先在地基中打入塑料排水板；其次，在软土地基上铺设砂垫层及网状排水滤管组成水平通道，然后在其上覆盖不透气的密封膜。采用真空装置进行抽气将膜内地基中空气排出。在地基中打入塑料排水板是为了加快水分从地基中排出，加速软粘土地基的排水效果，但是需配套设置不透气的气水隔离薄膜，这种配套薄膜存在以下缺陷：(1)如果表层存在有透气、透水性良好的地基，为了防止漏气，密封薄膜必须埋入其下更深的低渗透性的地基，或在这层土中设置至下层的隔断泥浆墙；且该隔断墙必须沿需预压处理区域的全部周边设置。这样的施工方法很不经济，而且有时还不能保证密封效果；(2)对于用路堤荷载与真空荷载相结合的方法，虽然可以减小地基在预压固结中的侧向位移与地表裂缝，但一旦路堤覆盖薄膜后，任何对薄膜的损伤漏气就无从检测与修复，有时反而大大降低真空效率。

在打入塑料排水板时，需确定地基中的土层分布与土性特征，1992年Robertson等(Estimating coefficient of consolidation from piezocone test，Canadian GeotechnicalJournal，29(4)，551-557；加拿大国家科学研究委员会主办的《加拿大岩土工程学报》，“用孔隙水压式的静力触探测定的成果推算土层的固结系数”)通过应用孔隙水压式的静力触探测定土层中的孔隙水压力的分布规律；然后，利用孔隙水压力的分布规律来确定土层分布及土层的固结性状与相关计算公式(以下简称Robertson方法)。而且，为防止真空密封失效，当粘土层下有渗透性良好的砂性土层时，塑料排水板不能打穿粘土层；这时需确定塑料排水板打入粘土层中的最优插入深度(或离下卧砂层的最小距离)。2006年，Chai等(Chai，J.-C.，Carter，J.P.and Hayashi，S.(2006)：Vacuumconsolidation and its combination with embankment loading，Canadian GeotechnicalJournal，43(10)，985-996；加拿大国家科学研究委员会主办的《加拿大岩土工程学报》，“真空预压固结及其与路堤荷载的组合效应”)根据处理的技术要求与土层的固结性状，提出了确定塑料排水板打入粘土层中最优插入深度的计算公式(以下简称Chai等的方法)。这些为进一步开发真空预压技术提供了条件。

经对现有的技术文献检索发现，为了克服上述缺陷并增加对软土地基的密封固结效果，中国专利名称：低位真空预压软土地基加固抬高法，专利申请号97100652.0，该专利技术为“在软土地基上预埋复式滤水管网，向软土地基围堰内吹入吹填土并通过密封集水井抽水排气，使滤水管网中造成负压而使软土地基和吹填土体向滤水管网中强制释水固结，待吹填土体表层干裂后再在其表面覆盖塑料膜并继续抽水排气，直至软土地基达到设计高程和加固要求为止。”。该发明虽也提出了用吹填土代替密封薄膜的方法，在一定程度上解决了密封膜破损的问题。但该法需构筑集水井，不仅使成本升高而且，集水井的密封也需要很好地解决。

发明内容

本发明针对现有技术的不足或缺陷，提供一种能克服上述几种施工缺陷的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，使其通过对塑料排水板的改良实现对软土地基加固的优化处理。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

(1)设计带盒土工塑料排水板

将软管和土工塑料排水板通过塑料顶盒连接，并用导向胶带连接固定土工塑料排水板，软管内安装锥形单向阀，构成带盒土工塑料排水板。

(2)以孔隙水压式的静力触探检测地层分布的深度与厚度

在将要进行真空预压处理的现场，根据Robertson方法，利用孔隙水压式的静力触探检测地层的贯入阻力与孔隙水压力计上的压力变化，得到贯入阻力与孔隙水压力随深度的变化曲线(称为贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线)；然后再用测得的贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴，以测得的孔隙水压力与贯入阻力之比为横轴作相互关系图，该关系图分为若干个不同的土性特征区，每一个特征表示一种土的类型，将静力触探测得的结果标于该图，以测试数据所在的特征区确定土层的类型；再以土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线确定土层的分布深度与厚度，包括粘性土层下砂性土的存在深度。

(3)选择土工塑料排水板的最优插入深度

对于粘性土层下有砂性土层存在时，为了保持真空度，塑料排水板不能打穿粘性土层，这时需要确定塑料排水板的最优插入深度，具体可以采用Chai等的方法确定，即将含有塑料排水板的土层看成宏观上使土层的竖向渗透性加大，然后把该土层当作无塑料排水板的土层来进行固结效果分析，可以得到塑料排水板加固土层的等效竖向渗透系数，这样可以将加固土层分为上下两层，根据渗透流连续性的原理得到塑料排水板的最优插入深度。具体公式：

$H_1=\left(\frac{k_{v1}-\sqrt{k_{v1}{k}_{v2}}}{k_{v1}-k_{v2}}\right)\×H.$ H₁为最优插入深度；k_v1塑料排水板插入范围内的竖向等效渗透系数；k_v2为未加固深度范围内的竖向渗透系数；H为软粘土层的厚度。

根据计算得到的塑料排水板的插入深度，制作有足够长度的各预制带盒塑料排水板。

(4)打设带盒土工塑料排水板，具体步骤如下：

①整平场地，使中间部分略高；

②插板机就位：将带盒塑料排水板装入空心套管中，并将塑料排水板端部与预制的锚板(可以钢制，也可以用塑料制作)相连接；将空心套管移到塑料排水板的设计位置；

③插板：将空心套管(连同锚板与排水板)插入粘性土层至预定标高。如粘性土层的下面存在透水性良好的砂层，塑料排水板的最优插入深度应用上述Chai等提出的确定塑料排水板打入粘土层中最优插入深度的计算公式确定；

④拔出空心套管，这时塑料排水板留在软土层中；

⑤在塑料排水板一个单元的软管与排水板相接处切断塑料排水板；

(5)顶盒应埋入低渗透性(渗透系数小于10^-7m/s)的粘性土层中，这时为保证密封效果应采取如下措施：

①顶盒底部距地表的最小距离用盒内的目标真空压、土层透气系数、目标加固面积、空气流量及水的重度为参数进行计算确定。具体公式： $H_s=\frac{P_{\mathrm{vac}}{k}_{\mathrm{air}}}{{\mathrm{\γ}}_w{Q}_a}A;$ H_s为顶盒底部距地表的最小距离；P_vac为盒内的目标真空压；k_air为土层透气系数；A为目标加固面积；Q_a为空气流量；γ_w为水的重度。

②当表层土为透水系数大于10^-7m/s时，应当用低渗透性粘土更换该土层或用粘性土泥浆铺于地表后将顶盒埋入。

③在顶盒与粘土层接触的界面处，注入水泥膨润土形成泥浆加以密封。

(6)在表层土上铺设一根集水管，将集水管与各带盒塑料排水板的软管相接，将集水管与射流真空泵相连接；

(7)抽真空。启动射流真空泵通过集水管、软管将塑料排水板顶盒中的水气抽出，在顶盒中形成负压加到软土地基中。抽真空时，自动打开软管中的单向锥形阀；停泵时，自动关闭锥形阀。保持顶盒中的真空度。

本发明在步骤(7)结束后，根据需要可以进行重复加压与重复抽真空。

与现有技术相比，本发明采用一种带盒塑料排水板来替代一般真空预压法中采用的塑料排水板，其主要技术特点在于在一般的塑料排水板顶端设置塑料盒，盒的上部与软管相连，软管中设置锥形单向阀；软管通过集水管连接到射流真空泵。采用表层土及表层土以下土层直接作为密封层，不需单独铺垫砂垫层及覆盖密封薄膜。顶盒、塑料排水板及软管之间粘接紧密以保证系统的真空度。这种方法既能减少施工环节，提高施工效率，又能提高软土地基的加固质量，施工方法简单可靠，经济实用。使用本发明的方法可以节省密封薄膜与表面砂垫层，可以大大降低施工总成本。使用本发明的方法还可以提高真空预压地基的真空度，可以使每根带盒塑料排水板单独工作。

附图说明

图1为本发明的带盒塑料排水板构成示意图。

图2为本发明的带盒塑料排水板插设步骤示意图。

图3为本发明的带盒塑料排水板的真空预压法使用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

实施例按下列步骤进行：

(1)确定带盒塑料排水板的设计参数并制作排水板：选择带“门”形槽口芯板的排水板，其厚度为8mm，宽度为100mm，设计年排水能力为1580m³/a。带盒塑料排水板的构造如附图1所示，由土工塑料排水板1、顶盒2、导向胶带3、软管4、锥形单向密封阀5等五个部分构成。软管4和土工塑料排水板1通过塑料顶盒连接，软管4同时与抽真空装置相连。导向胶带3连接并固定土工塑料排水板1，锥形单向阀5设置于软管4内。顶盒的内部尺寸为8×100×190mm，壁厚1.5mm；软管内径为10mm，软管内安装锥形单向阀。

(2)某需进行真空预压的地基，经现场用孔压式静力触探检测确认软弱粘土层总厚度为28m。其中下部为初始堆积的软弱粘土层，厚为11m，土层顶面标高为-12.0m；上部为后期堆积的淤泥质粘土层，厚17m，土层顶面标高为+5.00m。初始水位位于地表，即地下水位标高为+5.0m。用Robertson方法确定各土层的固结系数很低，粘土层下面为含砾砂性土层，即：利用孔隙水压式的静力触探检测地层的贯入阻力与孔隙水压力计上的压力变化，得到贯入阻力与孔隙水压力随深度的变化曲线(称为贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线)；然后再用测得的贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴，以测得的孔隙水压力与贯入阻力之比为横轴作相互关系图，该关系图分为若干个不同的土性特征区，每一个特征表示一种土的类型，将静力触探测得的结果标于该图，以测试数据所在的特征区确定土层的类型；再以土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线确定土层的分布深度与厚度，包括粘性土层下砂性土的存在深度。

(3)现场采用一种带盒塑料排水板的真空预压固结法对土体进行加固处理，加固的平面范围为250m×42m，经用Chai等的方法，即下述公式：

$H_1=\left(\frac{k_{v1}-\sqrt{k_{v1}{k}_{v2}}}{k_{v1}-k_{v2}}\right)\×H.$ H₁为最优插入深度；k_v1塑料排水板插入范围内的竖向等效透水系数；k_v2为未加固深度范围内的竖向透水系数；H为软粘土层的厚度。

即将含有塑料排水板的土层看成宏观上使土层的竖向渗透性加大，然后把该土层当作无塑料排水板的土层来进行固结效果分析，可以得到塑料排水板加固土层的等效竖向渗透系数为k_v1＝4.45×10^-2m/day；而k_v2＝1.31×10^-4m/day，H＝28m代入上述公式，计算确定塑料排水板的长度为约26.5米，即排水板至砂层顶面的距离为约(28-26.5)＝1.5米，间距为1.2米；将空心套管(连同锚板与排水板)插入地下至预定标高-21.5m。

(4)带盒塑料排水板的插入步骤如附图2所示，具体说明如下：

①将现场250m×42m的区域平整好，并分为6个区，每个区的面积约为1750m²；将各区场地整平，并使各区中间部分略高；

②将插板机移至设计位置，在空心套管中装入带盒塑料排水板，并将塑料排水板端部与预制的锚板相连接；

③将空心套管(连同锚板与排水板)插入粘性土层至预定标高—21.0m。

④拔出空心套管，这时塑料排水板留在软土层中；

⑤在塑料排水板一个单元的软管与排水板相接处切断塑料排水板。

(5)由于现场地表土层为低渗透性土层(透水系数小于10^-7m/s)，顶盒直接埋入到该粘土层中。顶盒底部距地表的最小距离(H_s)用盒内的目标真空压P_vac、土层透气系数k_air、目标加固面积A、空气流量Q_a及水的重度γ_w为参数，用下面的公式计算确定：

$H_s=\frac{P_{\mathrm{vac}}{k}_{\mathrm{air}}}{{\mathrm{\γ}}_w{Q}_a}A$

取P_vac＝85kPa，k_air＝10^-5m/s，A＝1750m²，Q_a＝0.1m³/s，γ_w＝10kN/m³，确定顶盒底部至地表厚度约为1.5m。

在顶盒与粘土层接触处，注入水泥膨润土形成泥浆加以密封。

带盒塑料排水板的真空预压法的构筑如图3所示。

(6)在地表铺设一根集水管，如图3所示，将集水管与各带盒塑料排水板的软管相接；将集水管与射流真空泵相连接。

(7)启动射流真空泵通过集水管、软管将塑料排水板顶盒中的水气抽出，连续抽取真空133天，顶盒内的气压稳定在-85kPa，地基内真空度可达到-80～-65kPa。

在固结过程中根据需要进行重复加压与重复抽真空直至施工结束。通过固结计算，在采用带盒塑料排水板的真空预压固结施工300天后，围垦地的填土固结程度达到了80％。

Claims (6)

1.一种用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将软管和土工塑料排水板通过塑料顶盒连接，并用导向胶带连接固定土工塑料排水板，软管内安装锥形单向阀，构成带盒土工塑料排水板；

(2)以孔隙水压式的静力触探检测地层分布的深度与厚度；

(3)选择土工塑料排水板的最优插入深度；

(4)打设带盒土工塑料排水板，具体为：①整平场地，使中间部分高于其余部分，②在空心套管中装入带盒塑料排水板，并将塑料排水板端部与预制的锚板相连接，③将空心套管连同锚板与排水板插入地下至预定标高，④拔出空心套管，这时塑料排水板留在软土层中，⑤在塑料排水板一个单元的软管与排水板相接处切断塑料排水板；

(5)顶盒埋入渗透系数小于10^-7m/s的粘性土层中，采用如下措施来保证密封：①顶盒底部距地表的最小距离用用公式 $H_s=\frac{P_{\mathrm{vac}}{k}_{\mathrm{air}}}{{\mathrm{\γ}}_w{Q}_a}A$ 计算确定；H_s为顶盒底部距地表的最小距离；P_vac为盒内的目标真空压；k_air为土层透气系数；A为目标加固面积；Q_a为空气流量；y_w为水的重度；②当表层土为透水系数大于10^-7m/s时，用低渗透性粘土更换该土层或用粘性土泥浆铺于地表后将顶盒埋入；③在顶盒与粘土层接触的界面处，注入水泥膨润土形成泥浆加以密封；

(6)在表层土上铺设一根集水管，将集水管与各带盒塑料排水板的软管相接，将集水管与射流真空泵相连接；

(7)抽真空。

2.根据权利要求1所述的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其特征是，步骤(2)中，所述以孔隙水压式的静力触探检测地层分布的深度与厚度，是指：在将要进行真空预压处理的现场，用孔隙水压式的静力触探检测地层的贯入阻力与孔隙水压力计上的压力变化，得到贯入阻力与孔隙水压力随深度的变化曲线称为贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，然后再用测得的贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴，以测得的孔隙水压力与贯入阻力之比为横轴作相互关系图，该关系图分为若干个不同的土性特征区，每一个特征表示一种土的类型，将静力触探测得的结果标于该图，以测试数据所在的特征区确定土层的类型，再以土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线确定土层的分布深度与厚度，包括粘性土层下砂性土的存在深度。

3.根据权利要求1所述的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其特征是，步骤(3)中，所述选择土工塑料排水板的最优插入深度，是指：将含有塑料排水板的土层看成宏观上使土层的竖向渗透性加大，然后把该土层当作无塑料排水板的土层来进行固结效果分析，得到塑料排水板加固土层的等效竖向渗透系数，这样将加固土层分为上下两层，用以下公式得到塑料排水板的最优插入深度，根据计算得到的塑料排水板的插入深度，制作各预制带盒塑料排水板，公式： $H_1=\left(\frac{k_{v1}-\sqrt{k_{v1}{k}_{v2}}}{k_{v1}-k_{v2}}\right)\×H,$ H₁为最优插入深度，k_v1为塑料排水板插入范围内的竖向等效透水系数，k_v2为未加固深度范围内的竖向透水系数，H为软粘土层的厚度。

4.根据权利要求1或者3所述的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其特征是，所述③中，当下层土为砂层时，塑料板底的最优插入深度用 $H_1=\left(\frac{k_{v1}-\sqrt{k_{v1}{k}_{v2}}}{k_{v1}-k_{v2}}\right)\×H$ 公式确定，H₁为最优插入深度，k_v1为塑料排水板插入范围内的竖向等效透水系数，k_v2为未加固深度范围内的竖向透水系数，H为软粘土层的厚度。

5.根据权利要求1所述的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其特征是，步骤(7)中，所述抽真空，具体为：启动射流真空泵通过集水管、软管将排水板顶盒中的水气抽出，在顶管中形成负压加到软土地基中，抽真空时，自动打开软管中的锥形单向阀，停泵时，自动关闭锥形单向阀，保持顶盒中的真空度。

6.根据权利要求1所述的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其特征是，在所述步骤(7)结束后，进行重复加压与重复抽真空。

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