CN104452734A - 软弱地基快速分离预压法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软弱地基快速分离预压法，其特征在于该方法包括以下工艺步骤：步骤一、水气分离集成管井设置；步骤二、建立水平抽真空网络及设置监测仪器；步骤三、水气分离真空预压；步骤四、留置需利用管井，回填其他管井。该软弱地基快速分离预压法以管井代替塑料排水板，对夹层土无需设置搅拌密封墙，不仅能加快土体在加固处理过程中固结压密，适用于深、浅层预压加固，而且适用于渗透系数K≤0.1m/d的土质如淤泥质粉质粘土等低渗透性的土层，为低渗透性的土质真空预压加固提供有效措施。

Description

软弱地基快速分离预压法

技术领域

本发明涉及一种软弱地基快速分离预压法，属于地基处理技术领域。 

背景技术

目前，对正常固结、欠固结和超固结的饱和土均采取真空预压及堆载联合真空预压加固处理方法，其中： 

真空预压法通过在需加固土体中插入竖向塑料排水板，表层铺设砂垫层，塑料排水板连接水平排水管道，铺设密封膜等一系列施工工艺，借助真空泵和埋设在垫层中的水平排水管道，将膜下土体间的空气抽出，形成真空，使土体排水而压密；该方法利用抽真空过程中土体垫层和塑料排水板间的压差，土体内自由水发生渗流，其实质是在总应力基本不变的情况下，使孔隙水压力降低，有效应力降低，土体强度在等向固结过程中实现。由于孔隙水压力是球应力，因此在真空预压加固软土时土体是在等向固结压力下固结。

而堆载联合真空预压法则是在上述真空预压的方法结合堆载预压方法而成，其方法是当真空预压膜下真空度稳定后，按堆载预压的工艺要求，在密封膜上堆载。施工过程中，为防止密封膜损坏，需在密封膜上采取有效的防护措施。真空预压联合堆载预压法其实质是在同一时间内，土体在密封膜下的真空与膜上的堆载联合作用下，将土体中的水分排出，促使土体固结，强度增加。当堆载时，通过压载，土体中的压力增高，土体内压差增大，加速了土体中水的排出，增大了土体的压密率，使土体的强度进一步提高，沉降进一步消除。 

但在工程实践中，由于新吹填淤泥属三高一低土质，人、机均无法进入，因此铺设砂垫层就无法实现，而无法铺垫砂垫层，对真空预压工艺来讲，水平排水通道就无法实现，预压加固就无法达到设计要求的压密度和固结度。即使采取铺垫荆芭等方法使之能铺垫砂垫层，但成本高，工期长。 

对于夹层土的地质，特别是在砂夹层、贝壳类等地质条件下实施真空预压，需在加固区域周边设置粘土搅拌密封墙，保证需加固区域抽真空期间的真空压力，因为真空预压期间其膜下真空度需稳定在80KPa以上，真空度越高，等效荷载越大，加固效果就越好。由于对真空密封要求高，因此成本高，工期长。 

综上所述；真空预压对于新吹填淤泥等软弱地基，不但施工困难，且成本高，工期长，稍有不慎，甚至失败。即使采取真空联合堆载预压的方法，由于其真空预压存在隐患，其效果也随真空预压的失败而失败。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种采用水气分离集成管井替代塑料排水板降水预压方法，无需铺垫水平砂垫层，既能达到设计所需的各项加固技术指标，又适用于夹层土预压加固，且无需采用粘土搅拌密封墙就能满足真空预压技术指标要求的软弱地基快速分离预压法。 

本发明的目的是这样实现的： 

一种软弱地基快速分离预压法，该方法包括以下工艺步骤：

步骤一、水气分离集成管井设置

管井在需加固区域进行网络布置，管井内设置潜水泵，然后在管井口安装控制端，控制端包括控制端安装管，控制端安装管的顶部设置盖板，盖板上设置上下贯通布置的排水管、抽真空管、电缆线潜水泵固定绳穿管以及水气分离调节管，水气分离调节管上设置有调节阀，水气分离调节管的顶部设置有真空表，控制端周边中间部位设置多个真空连接管； 

步骤二、建立水平抽真空网络及设置监测仪器

使用步骤一中的水气分离集成管井进行水土分离降水直至土体表层龟裂，土体呈蜂窝状态，在水气分离集成管井进行水土分离降水的同时在土体上依次下层土工布、水平排水管道、上层土工布以及密封膜，在真空预压施工区域四周开挖压膜沟，密封膜周边压入压膜沟沟底内，各个集成管井的真空连接管通过水平排水管道连接起来形成回路，密封膜下埋设真空表，在密封膜上设置沉降标，预压区域周边布置水平位移观测仪；

步骤三、水气分离真空预压

开始预压，当满足下列条件之一时，则停止抽真空，进行装卸载：

1、连续五天实测沉降速率≦2mm/d时，

2、满足设计要求对沉降、承载力、有效压力强度时，

3、固结度达到80%以上时；

步骤四、留置需利用管井，回填其他管井

分离预压抽真空结束后，拔除控制端，取出集成管井内置潜水泵，利用集成管井周边的软土填入集成管井内。

作为一种优选，管井底部设置一段锥形底。 

作为一种优选，管井外围设置多根加强筋，加强筋外设置滤网，滤网与管井之间灌入中粗砂。 

作为一种优选，多个管井的抽真空管共同连接一根抽真空总管，抽真空总管连接外置的真空泵。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

1、以管代带，彻底解决工后沉降及沉降速率无法控制的困难

以管井替代传统真空预压所需的塑料排水板建立的竖向排水通道，由于管井直径远大于塑料排水板，因此其降水效果优于塑料排水板，抽真空后对土体周边的压密直接作用于土体，其固结效果大于塑料排水板；在预压结束后，对管井采取回填振捣密实的方法，加固处理后无残留排水通道，有效解决了因塑料排水板留置在土体内而产生的工后沉降及沉降速率无法控制的问题。

2、以布代砂，降低成本。 

传统真空预压需铺垫0.5m砂垫层以建立水平排水通道及水平真空压力,而本发明通过伞形结构的集成管井控制端，周边真空连接采用波纹滤管将数口集成管井膜下连接，形成真空压力及水平排水通道，保证了膜下水平向真空度的通畅，根据土质条件选择施加不同的真空压力，使之能满足淤泥质粉质粘土、粉质黏土等低渗透性的土层进行加固处理； 

3、外围封管替代搅拌密封墙，进一步降低工程造价。

对渗透系数较大及夹层土加固处理，通过设置外围封管，以保证需加固区域内的地下水位下降值及真空度，因此无需另行设置搅拌密封墙； 

4、以井成桩，一法多用，降本增效

在设计时，可根据建设要求设置管井布置点，经预压加固完成后，留置管井作基坑降水、在回填管井时可以填入砂、砼等建筑材料，以形成桩体，可节约大量的建设费用。

5、工艺原理不同，其固结压密效果不同 

传统真空预期压采用塑料排水板通过支管、主管连接真空泵，在形成压差的条件下，地下水位一般下降在2m左右，其下部固结是依靠孔隙变化而达到固结压实作用；而本发明采用水气分离集成管井利用其水力释重原理，可将地下水位下降到10m以下，通过抽真空，建立垂直真空排水通道，地下水位可降深到10~15m，且该层厚土体处于有效真空负压作用下，该层厚以下土体在上覆荷载作用及压差的作用下，得到进一步压密固结。

因此软弱地基快速分离预压法以管井代替塑料排水板，对夹层土无需设置搅拌密封墙，不仅能加快土体在加固处理过程中固结压密，适用于深、浅层预压加固，而且适用于渗透系数K≤0.1m/d的土质如淤泥质粉质粘土等低渗透性的土层，为低渗透性的土质真空预压加固提供有效措施。 

附图说明

图1为本发明的管井底部设置锥形底的结构示意图。 

图2为本发明的管井外围设置加强筋的结构示意图。 

图3为本发明的管井布置结构示意图（带有双排外围管井）。 

图4为本发明的管井布置结构示意图（带有单排外围管井）。 

图5为本发明的水气分离平衡控制端的结构示意图。 

图6为本发明的建立水平抽真空网络的结构示意图。 

其中： 

管井1、加强筋1.1、锥形底1.2、中粗砂1.3、滤网1.4

控制端2、控制端安装管2.1、盖板2.2、排水管2.3、抽真空管2.4、电缆线潜水泵固定绳穿管2.5、水气分离调节管2.6、调节阀2.7、真空表2.8、真空连接管2.9 

下层土工布3、压膜沟4、水平排水管道5、上层土工布6、密封膜7。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。 

本发明涉及的一种软弱地基快速分离预压法（以下简称分离预压法），该方法包括以下工艺步骤： 

步骤一、水气分离集成管井设置

1.1、设置管井滤孔

管井1可采用PVC波纹滤管或其他管材，管井的直径为250mm或者250mm以上。管井滤孔可根据土质条件，将管井滤孔设置在渗透系数小的土层，对渗透系数较好的砂性土、粉质土、贝壳类土质，尽量不设置管井滤孔。同时须注意的是由于采取在传统管井上部设置水气分离控制端的方法，使传统管井连接真空泵形成真空管井，因此管井滤孔根据土质条件或需加固层厚确定：

1.1.1、对于浅层加固（需加固层厚4~6m范围，其管井滤孔一般设置在距管口2～3m以下）：

1.1.2、对于深层加固（需加固层厚6~30m范围，则其管井滤孔一般设置在距管口6m以下）。

1.2、设置加筋管井 

由于软弱地基的渗透系数小及土颗粒微小，在抽真空过程中，极易产生管井滤网吸附泥浆，造成管井涂抹效应，对于该类土质则可在管井的周边等分绑4~6根厚约10cm的竹杆或木棒等材料作为加强筋1.1，其作用是增大管井入土直径；如对渗透系数较大的土质，则可不用设置加强筋。

1.3、管井入土深度确定及底部设置 

1.3.1、管井入土深度：根据我国分层沉降计算出预沉降量，在设计所需的加固深度和土质条件确定后，管井入土深度=加固深度-预沉降量。

如需加固深度为20m，根据分层沉降计算得需加固区域总沉降量为1.5m，则管井入土深度为18.5m。 

如需加固深度为30m，根据分层沉降计算得需加固区域总沉降量为3.0m，则管井入土深度为27.0m。 

1.3.2、管井底部设置：考虑本工艺在预压期间，水气分离集成管井随需加固土体同步沉降，为使管井与土体同时沉降，因此管井底部设置锥形底1.2，以减小管井沉降过程中的土体阻力。 

1.3.3、锥形底1.2采用PVC压铸成形，外径大于管井外直径，在管井入土时与先在管井底部连接锥形底，然后将该连接处密封，才能将管井置入土体，在施工时，注意观察管井锥形底是否脱落。如发现脱落，须拔出管井后重新安装，确认密封牢固后入土。 

1.4、布置管井网格 

1.4.1、如遇新吹填淤泥，仅作浅层（4～6m）加固处理，则可采用人工施插管井的方法；如遇人、机均无法进入施打管井，则可将钻井设备架设在专用双体浮船上，钻井施工。

1.4.2、在设计管井布置网格及管井入土深度时，可考虑建设所需基础施工，预留基坑开挖降水所需管井，待预压结束后，利用留置管井作为基坑开挖时所需的基坑降水；由于预压结束后管井回填，因此，设计时可考虑基础建设所需桩基部分管井作为桩基础设计。 

1.4.3、在需加固区域根据地质条件布置管井网格一般为5m×10m或5m×5m。管井布置包括外围管井的布置和内层管井的布置。 

1.4.3.1、外围管井：布置在需加固区域周边，外围管井井距5m~10m，其作用是作为隔水密封，以保证需加固区域内不受外围水源及夹层土的抽真空土体压缩。 

1.4.3.2、内层管井：根据地质条件确定网格布置，实际施工时可根据土质条件及地下水位情况以及真空度确定。 

1.4.3.3、外围管井与内层集成管井的结合，应根据土质条件及需加固技术指标，通过试验确定布置网格的参数，并根据需加固区域水位下降值以及膜下真空度确定设置。 

1.5、管井1根据设计所需置入土体后，在每个管井内用绳子悬空吊置一个潜水泵，潜水泵功率采用0.75～2.2KW，潜水泵通过绳索吊置2.5在管井内并固定，其固定深度根据设计要求的水位降深确定；当降水深度需6m时，则潜水泵吊深在6m左右；当降水深度需15m时，则潜水泵吊深在15m左右。潜水泵上连接电缆线，电缆线通过2.5电缆线穿管引出控制端与外部的电源连接，潜水泵排水通过软管连接控制端2.3的排水管接口，并通过该接口连接软管将潜水泵排水的地下水输出至周边压膜沟内。控制端2.4连接抽真空总管，抽真空总管通过外置的真空泵进行抽真空。 

1.6、管井1入土后，即在周边灌入中粗砂1.3；当采用加筋管井的集成管井，在加筋管井入土后则将中粗砂灌入管壁与滤网1.4之间，形成砂滤效果，保证管井的降水效果及抽真空效果。 

1.7、管井按所确定的网络布置完成后，在管井口安装控制端2（以下简称控制端），控制端采用伞形结构，控制端2包括控制端安装管2.1，控制端安装管2.1的顶部设置盖板2.2，盖板2.2上设置上下贯通布置的排水管2.3、抽真空管2.4、电缆线潜水泵固定绳穿管2.5以及水气分离调节管2.6，水气分离调节管2.6上设置有调节阀2.7，水气分离调节管2.6的顶部设置有真空表2.8。控制端周边中间部位可根据需要设置数个真空连接管2.9，控制端安装管2.1的长度为500mm，排水管2.3伸入控制端安装管2.1内的长度为300mm，真空连接管2.9的长度为300mm~500mm。 

1.8、控制端安装管2.1用铁管制作，其直径小于管井内径，控制端安装管2.1从上端插入管井1，盖板2.2为圆形盖板，盖板2.2的直径大于管井内径，在该管井控制端的中间部位周边等分布置真空连接管，一般为4~6个，控制端安装管2.1与管井密封连接，密封连接处使用缠绕膜缠绕密封，组成水气分离集成管井（以下简称“集成管井”）。 

1.9、集成管井的工作原理： 

真空泵进行抽真空，集成管井内形成真空压力，集成管井内真空压力通过真空表2.8显示，根据集成管井内水气混合情况，通过调节阀2.7调节集成管井内真空压力，使抽真空效果可调可控，以达到快速释放土体在动力加固过程中产生的超静孔隙水压力，使土体在动力加固过程中缩短恢复时间。

1.10、集成管井网络连接 

各集成管井控制端安装完成后，抽真空管2.4的上端连接一根抽真空总管，抽真空总管通过外置的真空泵进行抽真空，一般一台真空泵通过直径500mm的PVC管连接主集成管井，主集成管井通过直径500mm的波纹滤管连接数个分集成管井，真空泵的功率为15KW以上，最适宜的是采用往复式真空泵，因该设备抽气功率大，且工作在纯抽气状态。

1.11、抽真空总管连接真空泵与集成管井时，则可将借助抽真空总管对集成管井上部定位，用铁丝绑在集成管井的端口，以确保集成管井垂直。 

1.12、集成管井网络连接完成后，则可启动真空泵，检查管接口及连接处密封完好后进行抽水试验，在实际施工时，根据真空表显示以及潜水泵排水情况，及时进行调试，要求真空度达到0.6～0.8MPa，潜水泵正常出水，以确保集成管井的运行正常。 

1.13、对于浅层地基，需加固层厚4~6m范围，经试运行正常出水后，约1～2天地下水位即能降至地表以下5～7m，此时土体内自由水急剧下降，经真空泵间隙抽真空后，土体内部分结合水被吸出土体而成自由水被排出，土体经真空管井抽水到表层龟裂，土体呈蜂窝状态； 

对于深层地基，需加固层厚6~30m，经试运行正常出水后，约2～5天地下水位即能降至地表以下10～15m，此时土体内自由水急剧下降，经真空泵间隙抽真空后，土体内部分结合水被吸出土体而成自由水被排出，土体经真空管井抽水到表层龟裂，土体呈蜂窝状态。

步骤二、建立水平抽真空网络及设置监测仪器 

2.1、在进行水土分离降水，土体至表层龟裂，土体呈蜂窝状态过程中，则可通过铺垫土工布、水平滤管和密封膜，通过集成管井抽真空连接，建立水平排水通道及抽真空网络（图6）。

2.1.1、铺垫下层土工布3，在软弱地基上辅垫下层土工布3两层，其作用一是防止软弱地基有硬物，在抽真空预压期间破坏密封膜而影响真空度。二是防止水平滤管在抽真空期间压入淤泥土体中而影响水平排水效果。三是在铺垫该层土工布后，在软土表层起到了一定的承载作用，使人员可进入施工区域，进行下一步骤的施工。由此可见，该下层土工布3的厚度至关重要，越厚越好，一般要求抗拉强度为40KN/m以上的土工布。 

2.1.2、开挖压膜沟4，分设预压小区，根据常规真空预压施工区域划分，一般以30000m²为一个施工小区，据此划分小区开挖压膜沟，压膜沟4布置在需加固区域四周，压膜沟4的一般宽度为0.6m~0.8m，深度应设置在透气性小的软土层中。 

2.1.3、连接水平排水管道5，水平排水管道采用Φ50的PVC波纹滤管，通过该水平排水管道5将需加固区域内的集成水气分离管井的真空连接管2.9连接起来，形成回路，要求连接牢固。 

2.1.4、铺垫上层土工布6，各水平排水管道5与水气分离管井连接完成后，在其上再铺垫上层土工布6一层或者两层。 

2.1.5、铺垫密封膜7，密封膜采用抗老化性能好，韧性好，抗穿刺能力强的不透气材料，一般采用聚氯乙稀薄膜，常用厚度为0.8~1.0mm，实际施工时，可根据要求铺垫密封膜7两层至三层，密封膜7周边压入压膜沟沟底内。 

2.1.6、密封膜热合粘结时宜用两块膜的热合粘结缝平搭接，搭接宽度应大于15mm。 

2.1.7、铺膜过程中应随铺随用砂袋进行压膜，防止起风将膜卷走或撕裂。也可在铺膜的同时进行水气分离抽真空，以使膜吸住土体表层。 

2.2、真空泵连接集成管井抽真空，管井内置潜水泵将管井内地下水通过排水管排出土体外，在实施本技术过程中，通过数字化管理实现人、机、土直接对话，通过监测真空度、膜下真空度、孔隙水压力计、沉降等监测以判断土体在分离预压期间的固结压密变化，并根据所反应的数字信息及时调整真空度，加载时间以及装卸载时间，确保分离预压的成功。 

2.3、监测仪器的埋设： 

2.3.1、膜下真空表的埋设：为了解膜下真空度的传递效果，在预压区密封膜7下埋设4~8块真空表，

2.3.2、通过在土体中垂直布置孔隙水压力消散情况，可了解真空度在传递过程中对土体荷载时，土体内超静孔隙水压力变化情况。

2.3.3、在密封膜上设置沉降标，通过观测分析分离预压过程中土体的沉降速率及沉降效果，并随时调整加载或卸载时间。 

2.3.4、周边布置水平位移观测仪，以了解预压区周边水平向变形情况。 

步骤三、水气分离真空预压及控制标准 

3.1、上述步骤完成后，即可开启真空泵进行水气分离预压，根据预压原理，膜上大气压力pa作用于膜上，膜下由于抽气产生真空压力po，使膜下压力降至pv（pv=pa-pv），膜内外存在压力差pa-pv，使密封膜紧贴土工布。由于土工布垫层与水气分离管井间的压差，土体内自由水发生渗流，水气分离管井水力释重，汇聚土体孔隙水，并由井内置潜水泵通过水气分离控制端排出土体，使孔隙水压力降低，有效应力增加，土体固结，强度增长。

3.2、在预压过程中，需观测管井沉降值，如发现产生管井与土体沉降不同步沉降，则可将覆盖在管井控制端的土工布和密封膜调整为与管井周边密封，用橡胶圈将密封膜固定在管井壁上的方法，以保证土体密封性能。 

3.3、控制标准：当满足下列条件之一时，则可停止抽真空，进行装卸载： 

3.3.1、连续五天实测沉降速率≦2mm/d时。

3.3.2、满足设计要求对沉降、承载力、有效压力强度时。 

3.3.3、固结度达到80%以上时。 

步骤四、留置需利用管井，回填其他管井 

4.1、在设计本发明时，可根据需加固区域的建设要求，预设计上部结构所需基础；利用管井预压结束后，留置管井作为基坑降水或利用管井回填不同的建筑材料以形成桩体。

4.2、分离预压抽真空结束后，则可拔除控制端，取出集成管井内置潜水泵，利用集成管井周边的软土填入集成管井内，在此环节需注意的是在回填集成管井的同时，采用插板机边回填边振实，直到回填到场地平。如管井入土深度在6.0m以上时，则可采用振捣棒边回填边振实，直到回填到场地平。 

Claims (4)

1.一种软弱地基快速分离预压法，其特征在于该方法包括以下工艺步骤：

步骤一、水气分离集成管井设置

管井在需加固区域进行网络布置，管井内设置潜水泵，然后在管井口安装控制端（2），控制端（2）包括控制端安装管（2.1），控制端安装管（2.1）的顶部设置盖板（2.2），盖板（2.2）上设置上下贯通布置的排水管（2.3）、抽真空管（2.4）、电缆线潜水泵固定绳穿管（2.5）以及水气分离调节管（2.6），水气分离调节管（2.6）上设置有调节阀（2.7），水气分离调节管（2.6）的顶部设置有真空表（2.8），控制端周边中间部位设置多个真空连接管（2.9）； 

步骤二、建立水平抽真空网络及设置监测仪器

使用步骤一中的水气分离集成管井进行水土分离降水直至土体表层龟裂，土体呈蜂窝状态，在水气分离集成管井进行水土分离降水的同时在土体上依次下层土工布（3）、水平排水管道（5）、上层土工布（6）以及密封膜（7），在真空预压施工区域四周开挖压膜沟（4），密封膜（7）周边压入压膜沟沟底内，各个集成管井的真空连接管（2.9）通过水平排水管道（5）连接起来形成回路，密封膜（7）下埋设真空表，在密封膜上设置沉降标，预压区域周边布置水平位移观测仪；

步骤三、水气分离真空预压

开始预压，当满足下列条件之一时，则停止抽真空，进行装卸载：

1）、连续五天实测沉降速率≦2mm/d时，

2）、满足设计要求对沉降、承载力、有效压力强度时，

3）、固结度达到80%以上时；

步骤四、留置需利用管井，回填其他管井

分离预压抽真空结束后，拔除控制端，取出集成管井内置潜水泵，利用集成管井周边的软土填入集成管井内。

2.根据权利要求1所述的一种软弱地基快速分离预压法，其特征在于管井底部设置一段锥形底。

3.根据权利要求1或2所述的一种软弱地基快速分离预压法，其特征在于管井外围设置多根加强筋，加强筋外设置滤网，滤网与管井之间灌入中粗砂。

4.根据权利要求1或2所述的一种软弱地基快速分离预压法，其特征在于多个管井的抽真空管（2.4）共同连接一根抽真空总管，抽真空总管连接外置的真空泵。