CN106049413A - 一种应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种由真空竖井排水系统、地基复合固结系统和满夯碾压系统组成的复合动力排水固结系统及施工方法，在显著改善地基承载力同时，集强排水、强挤密、高动能、超压强等效应于一体，能够有效控制饱和软土地基的工后沉降、降低工程造价、缩短施工工期，同时地基处理深度深，地基加固效果好、环保效应明显，即减少了振动、噪音、空气污染等，并且降低了后期维护费用。

Description

一种应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统及施 工方法

一、技术领域

本发明属于土木工程建筑技术领域，更具体是涉及一种应用于深层饱和软土地基的排水固结系统及施工方法，主要适用于沿海地区地下水位较高的深层饱和软土地基的排水固结处理。

二、背景技术

饱和软土地基主要分布在我国东部沿江沿海地区，具有抗剪强度低、压缩性大、孔隙比大、含水量高、流变性强等特点，随着我国沿江沿海地区港口、交通以及城市建设的迅速发展，结合施工及使用过程中暴露出来的地基处理问题，我国《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）、《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）、《港口工程地基规范》（JTS147-1-2010）等都对软土地基处理工程的承载力和沉降变形提出了新的要求。对原位地基进行加固处理以改善地基的工程特性是当前研究应用的主要趋势，具体原位地基处理技术包括真空预压法、强夯法、CFG桩等，但上述单一的软基处理方法或者提高软土地基承载力有限、或者对于软土地基的实际加固深度不能满足设计要求，或者施工成本过高，均不能较好的解决具有深层软弱下卧层的饱和软土地基加固处理问题，因此寻求一种地基处理效果良好、施工工期短、综合成本不高、适用于深层饱和软土地基的排水固结方法已经成为岩土工程领域技术人员急需解决的重要课题。

三、发明内容

为解决现有深层饱和软土地基处理技术结构的不足，本发明提供一种复合动力排水固结系统及施工方法，在显著改善地基承载力同时，集强排水、强挤密、高动能、超压强等效应于一体，能够有效控制饱和软土地基的工后沉降、降低工程造价、缩短施工工期，同时地基处理深度深，地基加固效果好、环保效应明显（减少了振动、噪音、空气污染等），降低了后期维护费用，此外，施工中大量使用工业废料作为回填料，也适应了我国的节能政策。

本发明提供的复合动力排水固结系统包括三个部分，分别是：真空竖井排水系统、地基复合固结系统和满夯碾压系统。

其中真空竖井排水系统由真空排水井以及抽真空设备组成，真空排水井由深层真空排水井和浅层真空排水井按横纵两个方向相间排列组成，其中深层真空排水井是指埋入深度抵达深层软土下卧层的真空排水井，在本发明中，深层真空排水井埋入深度不超过20m，其由深层真空排水井护壁、深层真空排水井PVC真空管、工业废料填料、封口细砂构成；浅层真空排水井是指埋入深度未抵达深层软土下卧层的真空排水井，在本发明中，浅层真空排水井埋入深度不超过10m，由浅层真空排水井护壁、浅层真空排水井PVC真空管、工业废料填料、封口细砂构成。

上述的封口细砂的厚度以50cm为最优，两种真空排水井的外径D₁相同约为0.3~0.5m，相邻两个真空排水井间的间距为8D₁~10D₁，两种真空排水井护壁均为渗水性材料，两种真空排水井的PVC真空管比两种真空排水井的埋入深度大至少1m，上述的抽真空设备在两种真空排水井布置完毕后，通过水平向集水总管与两种真空排水井的PVC真空管相连，对真空排水井进行抽气排水作业，真空度大于85kPa。

其中地基复合固结系统由与真空排水井“隔行错位”布置的强夯井以及强夯设备组成，所述强夯设备为脱钩落下的锥形夯锤，锥形夯锤横向直径D₂为0.3~0.6m，长度为2-5m，强夯井的井径D₃大于锥形夯锤的横向直径D₂，在0.5~1m之间，其埋入深度最少要抵达深层软土下卧层，但不得超过深层真空排水井的深度。作业时，通过分层回填工业废渣然后分层夯实的方式，与强夯井中夯扩至井顶设计标高。

上述的满夯碾压系统为上述的排水和夯实作业结束后，拔出PVC真空管，清理真空排水井点降水系统后，对地基处理范围内的地基进行的满夯处理，以及满夯结束用振动压路机对地基土进行碾压密实的作业。

上述复合动力排水固结系统的具体施工方法包括以下步骤：

（1）根据设计要求，按照“先深后浅”的方式进行真空排水井的测量放线定位，深层、浅层真空排水井间隔布置且外径D₁相同，D₁介于0.3m~0.5m之间，纵横向间距控制为8D₁~10D₁，桩位测放偏差不超过0.02m；

（2）采用水冲法或钻孔法在软土地基按照设计要求进行真空排水井成孔作业，桩孔的垂直度偏差不大于2%，其中深层真空排水井纵向长度穿透深层软土层，具体深度根据工程地勘资料确定，但不得超过20m，浅层真空排水井不穿透深层软土层且不超过10m，深层和浅层真空排水井护壁均选择渗透性好的材料；

（3）分别于深层、浅层真空排水井中心位置放置深层PVC真空管和浅层PVC真空管，其下部端部分别伸入两种真空排水井底部以下至少1m，且采取防淤堵措施；

（4）根据地基处理要求和现场试夯确定锥形夯锤规格，其中锥形夯锤直径为0.3m~0.6m、长为2m~5m；

（5）在真空排水井阵列之间，按照“隔行错位”的原则进行强夯井点定位放线，强夯井纵向穿透深层软土下卧层，但不得超过深层真空竖井长度；强夯井井径视实际条件确定，要比夯锤略大，在0.5~1m之间，强夯井纵横向轴线井距不超过其井径的6~10倍；

（6）将两种PVC真空管连接水平向集水总管，连接抽真空设备，进行第一次真空负压抽气排水试验，负压调试成功在井点中回填松散状工业废渣，回填完毕在距离井点地表控制标高0.5m处用封口细砂作为防漏气措施对工业废料填料封口，过程中确保PVC真空管不受扰动。回填结束进行第二次真空负压抽气排水试验，调试正常则进行真空排水井排水作业，可直接作业，也可根据场地真空排水井规模选择分阶段抽气排水方案，但要满足真空度大于85kPa要求，同时锥形夯锤采取脱钩下落的方式进行夯实作业，作业方式为从中间向四周隔2孔进行，重锤提升高度依据夯击能要求进行调整，场区待处理地基面积较大宜分段施工，井内强夯完成后，用工业废渣作为散体材料增强桩，且分层回填分层夯扩至地基表面设计标高，每次回填高度不超过2m；

（7）根据现场监测结果，当饱和软土地基区域地基平均固结度大于85％，且连续5天实测沉降速率不大于2.0mm/d可进行停止排水、夯击同步停止；

（8）拔出PVC真空管，清理排水和夯实系统，对地基处理范围内的地基进行满夯处理，满夯结束用振动压路机对地基土碾压密实。

本发明取得的有益效果有：

1、强夯井中通过分层回填分层夯实实现对井内土体置换，并同井间土体共同形成复合地基，对饱和软土地基实现复合排水加固。

2、夯击过程通过夯锤夯扩地基土体产生的高夯击能加速土中弱结合水向自由水转化，并通过真空排水井的排水系统排出，实现地基土体排水固结。

3、真空排水井在排水过程中不需要水平砂垫层，一次拔管即可完成整个排水过程，而井点内初始回填工业废料，拔管后进行夯密处理，响应国家节能号召可以实现对地基原土进行置换。

4、真空排水井护壁对回填废料存在“围箍”作用，形成的复合地基排水加固效果显著，同时可对PVC真空管起到保护作用。

5、真空排水井护壁采用渗透性好的材料，能够使软土层中的自由水顺利排出，和强夯作业达到协同效果，这也是者需同时进行的原因。

综上，本发明对深层下卧层的饱和软土地基排水加固效果显著，动静荷载耦合提高地基承载力效应明显，从时间和空间角度实现了深层饱和软土地基多种地基处理方法的有效融合，解决了传统单一地基处理方法的诸多不足，可以显著提高饱和软土地基的承载力，有效的控制软土地基的沉降变形，缩短施工工期、相比其他处理深层饱和软土地基方法经济效益明显，并且技术可靠，便于应用推广。

四、附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明实施例1提供的复合动力排水固结系统平面布置示意图。

图2为附图图1中A-A向的剖面示意图。

图3为附图图1中B-B向的剖面示意图。

图4为附图图1中C-C向的剖面强夯作业时的示意图。

上图中：1为深层真空排水井护壁；2为浅层真空排水井护壁；3为深层真空排水井PVC真空管；4为浅层真空排水井PVC真空管；5为工业废料填料；6为强夯井；7为锥形夯锤；8为封口细砂。

五、具体实施方式

实施例1

唐山市曹妃甸地区某高层民用建设项目，地上10层，地下1层，结构形式为框架—剪力墙结构，基础形式为筏板基础，项目红线范围地质主要为典型的淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土，且距离地表-14m处存在5m厚软弱下卧层，地基的土体层厚、土层变形模量、土层泊松比、土层摩擦角等具体参数详见工程地质勘察报告，该区域饱和软土地基应满足地基承载力特征值＝180kPa的地基处理要求，现采用本发明公开的复合动力排水固结系统施工方法按如下步骤施工：

（1）根据图纸设计要求及工程地质地勘报告，按照“先长后短”的方式进行深层、浅层真空排水井的测量放线定位，且深层、浅层真空排水井间隔布置，纵横向轴线间距5m，深层、浅层真空排水管径相同，外径均为0.5m，桩位测放偏差不超过0.02m。

（2）采用水冲法在软土地基按照设计要求进行真空排水井成孔作业，桩孔的垂直度偏差不大于2%，其中深层真空排水井纵向长度为20m，浅层真空排水井纵向长度为10m，深层、浅层真空排水井采用内嵌滤网的大孔径PVC管作为深层真空排水井护壁1和浅层真空排水井护壁2，其滤网开孔率均为30%、管材壁厚均为0.02m。

（3）深层、浅层真空排水井中心位置放置深层真空排水井PVC真空管3和浅层真空排水井PVC真空管4，其下部端部分别伸入深层真空排水井和浅层真空排水井井底部1m，管端头均采取防淤堵措施，其布局如图1所示，其中深层真空排水井PVC真空管3和浅层真空排水井PVC真空管4和井内工业废料填料5共同形成竖向排水通道，且由于深层真空排水井护壁1和浅层真空排水井护壁2的保护作用避免了深层真空排水井PVC真空管3和浅层真空排水井PVC真空管4受土体径向变形对管体的影响。深层真空排水井同浅层真空排水井双向轴线间距为10D₁ ，这充分考虑了真空深层、浅层真空排水井排水影响区的作用范围，同时深层真空排水井护壁1和浅层真空排水井护壁2对回填工业废料填料5存在“围箍”作用，形成的复合地基排水加固效果显著。图2、图3分别为深层、浅层真空排水井剖面示意图，深层真空排水井穿透深层软土下卧层，浅层真空排水井不穿透深层软土下卧层，可以实现对深层软土下卧层的排水固结，提高饱和软土地基的整体承载力，有效控制工后沉降。

（4）根据地基处理要求和现场试夯确定锥形夯锤7规格为：直径0.4m、长5m、质量10t。

（5）在真空排水井阵列之间，按照“隔行错位”的原则进行强夯井点定位放线，井内强夯施工纵向深度为20m，强夯井纵横向轴线井距为5m，强夯井直径为0.5m。

（6）将深层真空排水井PVC真空管3和浅层真空排水井PVC真空管4连接水平集水总管，并连接抽真空设备，进行第一次真空负压抽气排水试验，负压调试成功在井点中回填松散状工业废料填料5，回填完毕在距离井点地表控制标高0.5m处用封口细砂8作为防漏气措施对工业废料填料5封口，过程中深层真空排水井PVC真空管3和浅层真空排水井PVC真空管4不受扰动。回填结束进行第二次真空负压抽气排水试验，调试正常则进行真空排水井排水作业，真空度不小于85kPa，同时锥形夯锤采取脱钩下落的方式进行夯实作业，作业方式为从中间向四周隔2孔进行，重锤提升高度依据夯击能要求进行调整，场区待处理地基面积较大宜分段施工，井内强夯完成后，用工业废渣作为散体材料增强桩，且分层回填分层夯扩至地基表面设计标高，每次回填高度不超过2m，强夯作业示意图如图4所示，通过用锥形夯锤7在地基土深层软土中进行井内夯扩至设计夯孔底标高，然后利用散体材料增强桩地基加固原理，分层回填工业废料填料5分层夯扩至井顶设计标高，一方面通过重锤高夯击能动载反复作用可以加速地基土中弱结合水向自由水转化，并通过真空排水系统排出，有助于地基土体固结；另一方面高夯击能夯锤对地基土体和回填工业废料通过动力冲、夯、强制侧向挤压的夯击作业，实现地基土体加固，并且过程中在锤侧面上会产生极大的动态被动土压力，迫使回填工业废料向径向强制挤出，桩间土也因此被强力挤密加固，回填工业废料夯扩复合地基和井间土共同作用可以显著改善软土地基性能，而且夯扩施工过程中环保效应明显。

（7）根据现场监测结果，当饱和软土地基区域地基平均固结度大于85％，且连续5天实测沉降速率不大于2.0mm/d可进行停止排水、夯击同步停止。

（8）拔出PVC真空管，清理排水和夯实系统，对地基处理范围内的地基进行满夯处理，满夯结束用振动压路机对已处理饱和软土地基碾压密实，压实系数不小于0.95。

（9）施工结束后10d，对复合地基承载力进行静载荷分析。

根据同条件数值分析结果，在满足复合地基承载力特征值＝180kPa时，对CFG桩法、真空联合堆载预压法以及本发明进行地基处理综合比较如下：

（1）CFG桩计算假定采用长螺旋钻机压灌成桩，筏板基底满布，桩径D=0.5m，以地勘报告中地层承载力和压缩模量相对较高的土层作为桩端持力层，桩间距为3m，褥垫层为0.25m厚级配砂石，CFG桩法由p-s曲线分析沉降效果不如本发明显著，且针对超软饱和软土地基施工作业难度大，质量不易保证；

（2）真空联合堆载预压法假定先真空预压，膜下真空度要求85KPa，待真空压力达到设计要求并稳定后进行堆载预压，同时继续抽真空，分级堆载高度曲线由复合地基地载力反算确定，真空膜上覆土工织物保护层且铺设0.25m厚砂垫层。考虑软弱下卧层影响，但不考虑软土次固结、蠕变特性等因素对复合地基工后沉降的影响，真空联合堆载预压法虽然理论计算适用于处理深层软弱下卧层饱和软土地基，但联系工程实际堆载限制，地基处理加固成本太高，故不适宜；而本发明提供的饱和软土地基复合动力排水固结系统及施工方法工期短、质量容易保证且针对性强，经济效益明显，变形控制效果显著。

Claims (5)

1.一种应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统，其特征在于，由真空竖井排水系统、地基复合固结系统和满夯碾压系统三部分组成。

2.根据权利要求1所述的应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统，其特征在于，所述的真空竖井排水系统由真空排水井以及抽真空设备组成，其中真空排水井由深层真空排水井和浅层真空排水井按横纵两个方向相间排列组成，其中深层真空排水井是指埋入深度抵达深层软土下卧层的真空排水井，其埋入深度不超过20m，由深层真空排水井护壁、深层真空排水井PVC真空管、工业废料填料、封口细砂构成；浅层真空排水井是指埋入深度未抵达深层软土下卧层的真空排水井，其埋入深度不超过10m，由浅层真空排水井护壁、浅层真空排水井PVC真空管、工业废料填料、封口细砂构成；两种真空排水井的外径D₁相同约为0.3~0.5m，相邻两个真空排水井间的间距为8D₁~10D₁，两种真空排水井护壁均为渗水性材料，两种真空排水井的PVC真空管比两种真空排水井的埋入深度大至少1m；上述的抽真空设备在两种真空排水井布置完毕后，通过水平向集水总管与两种真空排水井的PVC真空管相连，对真空排水井进行抽气排水作业，真空度大于85kPa。

3.根据权利要求2所述的应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统，其特征在于，所述的封口细砂的厚度为50cm。

4.根据权利要求1所述的应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统，其特征在于，所述的地基复合固结系统由与真空排水井“隔行错位”布置的强夯井以及强夯设备组成，所述强夯设备为脱钩落下的锥形夯锤，锥形夯锤横向直径D₂为0.3~0.6m，长度为2-5m，强夯井的井径D₃大于锥形夯锤的横向直径D₂，在0.5~1m之间，其埋入深度最少要抵达深层软土下卧层，但不得超过深层真空排水井的深度。

5.根据权利要求1所述的应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统，其特征在于，所述系统的施工方法包括以下步骤：

（1）根据设计要求，按照“先深后浅”的方式进行真空排水井的测量放线定位，深层、浅层真空排水井间隔布置且外径D₁相同，D₁介于0.3m~0.5m之间，纵横向间距控制为8D₁~10D₁，桩位测放偏差不超过0.02m；

（2）采用水冲法或钻孔法在软土地基按照设计要求进行真空排水井成孔作业，桩孔的垂直度偏差不大于2%，其中深层真空排水井纵向长度穿透深层软土层，具体深度根据工程地勘资料确定，但不得超过20m，浅层真空排水井不穿透深层软土层且不超过10m，深层和浅层真空排水井护壁均选择渗透性好的材料；

（3）分别于深层、浅层真空排水井中心位置放置深层PVC真空管和浅层PVC真空管，其下部端部分别伸入两种真空排水井底部以下至少1m，且采取防淤堵措施；

（4）根据地基处理要求和现场试夯确定锥形夯锤规格，其中锥形夯锤直径为0.3m~0.6m、长为2m~5m；

（5）在真空排水井阵列之间，按照“隔行错位”的原则进行强夯井点定位放线，强夯井纵向穿透深层软土下卧层，但不得超过深层真空竖井长度；强夯井井径视实际条件确定，要比夯锤略大，在0.5~1m之间，强夯井纵横向轴线井距不超过其井径的6~10倍；

（6）将两种PVC真空管连接水平向集水总管，连接抽真空设备，进行第一次真空负压抽气排水试验，负压调试成功在井点中回填松散状工业废渣，回填完毕在距离井点地表控制标高0.5m处用封口细砂作为防漏气措施对工业废料填料封口，过程中确保PVC真空管不受扰动，回填结束进行第二次真空负压抽气排水试验，调试正常则进行真空排水井排水作业，可直接作业，也可根据场地真空排水井规模选择分阶段抽气排水方案，但要满足真空度大于85kPa要求，同时锥形夯锤采取脱钩下落的方式进行夯实作业，作业方式为从中间向四周隔2孔进行，重锤提升高度依据夯击能要求进行调整，场区待处理地基面积较大宜分段施工，井内强夯完成后，用工业废渣作为散体材料增强桩，且分层回填分层夯扩至地基表面设计标高，每次回填高度不超过2m；

（7）根据现场监测结果，当饱和软土地基区域地基平均固结度大于85％，且连续5天实测沉降速率不大于2.0mm/d可进行停止排水、夯击同步停止；

（8）拔出PVC真空管，清理排水和夯实系统，对地基处理范围内的地基进行满夯处理，满夯结束用振动压路机对地基土碾压密实。