CN112144504A - 深层软土路基真空联合堆载预压处理施工系统和工法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深层软土路基真空联合堆载预压处理施工系统和工法。该施工系统包括间隔排布的降水井和排水板，降水井和排水板上各自连接有抽真空管道，降水井和/或排水板上设有汲水流道，汲水流道的底部连通有朝向相互交叉的注气口和入水口，汲水流道的顶部连通有相互交叉的负压口和出水口，负压口高于出水口，并且在注气口上罩设固定有在充气后堵上入水口、在放气后让开入水口的气囊，气囊的注气口与注气口相通。本发明以气囊改变汲水流道的入水口通流截面，但地层压力不变的情况下，该处的水流流速会加快，从而改善真空预压排水的排水效果，实现快速排水。

Description

深层软土路基真空联合堆载预压处理施工系统和工法

技术领域

本发明涉及软土路基处理领域，特别是涉及一种深层软土路基真空联合堆载预压处理施工系统和工法。

背景技术

近几年来中国高等级公路发展迅速，从已建软土地基高等级公路运行情况看，施工后沉降特别大，造成"桥头跳车"和路基沉降是目前存在的主要问题。

罗戍、周云章等人针对真空联合堆载预压法是一种较为有效的软基处理方法，提出可以很好地解决软基的沉降和稳定问题，并能缩短工期。该法广泛应用于高速公路、港口、码头等工程建设中，取得了良好的加固效果，但是在加固机理研究方面还存在许多问题，制约了该法的进一步推广和应用。

刘声向、姚志斌、陈平等人基于高速公路，研究表明真空联合堆载预压法是软土地基处理中一种实用、经济、适应性广的大面积软基处理的有效方法，在高速公路软土地基加固处理中具有广阔的应用前景。

周平就真空联合堆载预压法加固特性及软基稳定性分析研究。真空联合堆载预压法在加固机理、设计理论、数值模拟等方面的研究已经取得了很大的进步，但理论研究仍落后于工程实践。目前仍有一些学术界关心的问题有待于研究与解决，包括真空度在土体中的分布规律、真空联合堆载预压地下水位的变化规律及其对孔隙水压力的影响、真空联合堆载预压过程中的稳定性、数值模拟分析中真空荷载的模拟方法、在预压过程中完成砂土液化的处理等问题，这些问题制约了真空联合堆载预压法进一步发展的空间。

真空预压技术是用专门的设备，通过抽真空在地基中产生负压，使土体孔隙中的水分排出。从有效应力原理可知：孔隙水排出，孔隙水压力减小后，有效应力就相应增加，在压力差作用下，土体中的水分被排出。抽气过程中，土体得到固结。因为真空预压在水平方向产生了一个向着负压源的压力，使四周土体向着预压区移动，产生等向固结，土体强度得到提高，从而达到软基处理的效果。这种通过抽真空而达到预压效果的方法称为真空预压。真空联合堆载预压的实质是真空预压和堆载预压的迭加。

如在先专利202010148178.6公开的一种低位降水真空联合堆载预压加固深厚软基方法及系统，包括软土地基、堆载、塑料排水板、吸水管道、降水井、滤布、砂垫层、密封膜、真空泵、汲水坑、汲水箱、离心泵。采用低位倒虹吸降水真空联合堆载预压加固深厚软基的方法，提出了真空汲水箱的低水位设计思路，结合倒虹吸的理念，将系统水位零点下移，以有效降低加固场地地下水位。在降水井和汲水箱之间形成倒虹吸效应，不仅系统降低场地的地下水位，还能大幅度提升下卧软土的真空压力。该处理方法对深厚软土的地基加固有着较大的改进，可以缩短工期，降低施工维护成本。且该方法工艺简单，实施方便，可用于实际工程。

但是，堆载预压固结或真空预压固结时，软土中应力差的产生以及传递很慢，难以迅速实现下层的软土固结。造成工期长、造价高、工后沉降幅度大等问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种可实现快速排水的深层软土路基真空联合堆载预压处理施工系统，其技术方案如下：

深层软土路基真空联合堆载预压处理的施工系统，包括间隔排布的降水井和排水板，降水井和排水板上各自连接有抽真空管道，降水井和/或排水板上设有汲水流道，汲水流道的底部连通有朝向相互交叉的注气口和入水口，汲水流道的顶部连通有相互交叉的负压口和出水口，负压口高于出水口，并且在注气口上罩设固定有在充气后堵上入水口、在放气后让开入水口的气囊，气囊的注气口与注气口相通。

优选地，降水井的汲水流道为降水井的井筒，入水口为井筒的下端开口，注气口位于井筒底部的筒壁上，注气口连通有位于井筒一侧的注气管道。

优选地，井筒为方形筒，注气口位于井筒的一侧筒壁上，该侧筒壁上还铰接有铰接端位于底部、并与气囊连接的门闸，门闸顶部在气囊放气时贴合在气囊侧的筒壁上、在气囊充气后搭接在气囊相对侧的筒壁上，门闸与气囊相邻侧的筒壁滑动密封配合。

优选地，注气管道和井筒之间设有配气仓，配气仓的内腔自上而下逐渐增大，并在配气仓的内腔设有隔板而将配气仓分隔为自上而下依次间隔的第一仓、第二仓和第三仓，其中

第三仓和第二仓之间的隔板上设有控制气流单向流入第二仓的第三泄压阀，第二仓和第一仓之间的隔板上设有控制气流单向流入第一仓的第二泄压阀；

注气口包括与第三仓连通的第三注气口、与第二仓连通的第二注气口以及与第一仓连通的第一注气口；

气囊包括位于第三注气口上的第二气囊和位于第二注气口上的第一气囊，第二气囊与门闸粘接；

第一注气口上设有控制气流单向流入井筒内的第一泄压阀，第三泄压阀、第二泄压阀和第一泄压阀的设定压力依次增大。

优选地，井筒内上下活动的安装有饼状的悬浮件，悬浮件的外周和井筒的筒壁之间具有供流体通过的过流环空，悬浮件的底部嵌装有上磁环，井筒的底部固定有与上磁环相向端极性相同的下磁环。

优选地，排水板包括一纵向板体及其两侧间隔排布的多个横向板体，相邻两横向板体与纵向板体围成排水通道，纵向板体的纵向两侧分别设有注气管道和抽真空管道，纵向板体内开设有纵向连通在注气管道和抽真空管道之间的纵向孔道，纵向孔道的孔壁上开设有与排水通道相通的横向孔道，所述注气口为纵向孔道连通注气管道的孔口，所述入水口为横向孔道连通纵向孔道的孔口，负压口和出水口位于抽真空管道的顶部。

优选地，纵向孔道有多个，并在上下方向间隔排布，并且纵向孔道以两两相邻的方式成对设置，同对中两纵向孔道中靠下者的下侧孔壁为从注气管道向抽真空管道逐渐升高的上斜孔壁、上侧孔壁为水平孔壁，靠下者的上侧孔壁为从注气管道向抽真空管道逐渐降低的下斜孔壁，下侧孔壁为水平孔壁。

本发明的另一目的是提供一种专用于上述深层软土路基真空联合堆载预压处理施工系统的工法，其技术方案如下：

深层软土路基真空联合堆载预压处理的工法，包括：

S100，在待加固软基上交替设置降水井和排水板；

S200，向降水井和排水板的汲水流道注入带色标的引流水；

S300，在待加固软基上施加堆载；

S400，真空预压排水，直至排空引流水；

S500，在引流水排空后，向注气口注入压缩空气，依靠气囊膨胀在汲水流道中形成缩颈喉部，继续真空预压排水。

优选地，步骤S500还包括：

真空预压排水采用间歇方式进行，并在第一次停止排水时，向排水井的井筒中放入饼状的悬浮件，悬浮件悬浮在井筒内水面下方。

本发明的有益效果是：

本发明以气囊改变汲水流道的入水口通流截面，但地层压力不变的情况下，该处的水流流速会加快，从而改善真空预压排水的排水效果，实现快速排水。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的降水井的示意性结构图；

图2是A处局部放大图；

图3是根据本发明一个实施例的排水板的示意性结构图；

图4是图3的俯视图。

附图中使用的附图标记如下：

100 降水井，

110 井筒，

111 注气口，

112 入水口，

113 负压口，

114 出水口，

120 注气管道，

130 气囊，

140 门闸，

150 配气仓，

151 第一仓，

152 第二仓，

153 第三仓，

161 第三泄压阀，

162 第二泄压阀，

163 第一泄压阀，

170 悬浮件，

181 上磁环，

182 下磁环，

200 排水板，

210 纵向板体，

211 纵向孔道，

212 横向孔道，

220 横向板体，

230 排水通道，

240 注气管道，

250 抽真空管道，

260 气囊，

271 注气口，

272 入水口，

273 负压口，

274 出水口。

具体实施方式

本发明通过深入了解沿海沿河地区深层软土地基处理施工工艺，对同类型、同性质工程路基工程软基处理方案、方法进行调研和分析。在综合考察的基础上，结合实际情况及广东省施工标准化指南（路基工程），研究软基处理真空联合堆载预压施工工艺的优良特性并针对中山至开平高速公路工程TJ-6标段路基工程工程量较少，分散性的特点，考虑到项目所在地地质结构复杂，特殊性较大，综合考虑将软基处理真空联合堆载预压施工工艺应用到中开高速公路工程的匝道路基软基处理工程中。

本发明就从以下几个方面展开研究：

1.塑料排水板的选型与施工工艺对本项目深层软土路基固结效果的研究

根据本项目真空联合堆载预压设计要求，本发明就所选用的塑料排水板型号、插打工艺及排水板间距展开研究，通过项目实施分析数据论证塑料排水板的相关施工参数是否满足软基处理要求，并进行数据收集总结。

2.真空联合堆载预压软基处理资源投入与施工效率关系的研究

本发明所述软基处理真空联合堆载预压施工工艺依托于中开高速公路江门段第6项目经理部的大鳌互通匝道路基工程，具有工程量较少，施工场地分散，作业面交叉影响的特点，通过试验段的实施，收集相关数据并记录施工过程，分析资源投入与施工效率的最优比，确定相关试验参数并整理总结汇总，为后续施工做好经验总结，并为本发明研究提供相关参数和依据。

3.针对本发明依托的环境对多种软基处理方案进行对比研究

发明所依托的中开高速公路江门段第6项目经理部的大鳌互通匝道路基工程根据设计要求，需采取真空联合堆载预压、塑料排水板+欠载预压、预应力管桩等多种软土路基处治方案，本发明就针对本工程上述几种软基处理方案进行对比研究，包括工期、安全质量管控难度等、以及资源投入及经济性多个方面。

4.针对采取真空联合堆载预压处治后的软土路基沉降结果的研究

本项目地处沿海沿江地区，地基结构复杂多为淤泥层，针对高速公路特殊路基处理施工难度较大，对路基工程和建成通车后质量要求较高。本发明就针对采取了真空联合堆载预压处治过的路基进行研究分析，观测引用数据分析研究特殊路基沉降状态，为本发明提供相关依据。

5．针对软土地质中存在粉砂层采用真空联合堆载预压处治方案的研究

本项目地理位置特殊，位于西江流域的内陆岛大鳌岛上，根据地质结构层分析自上而下分别是粉质粘土层、粉砂层、淤泥质粉砂粘土层，地质结构复杂多变，本发明就针对特殊地质结构中的粉砂层塑料排水板施工、真空预压实施展开相关研究。

下面结合附图，对本发明的深层软土路基真空联合堆载预压处理施工系统进行解释和说明。

该施工系统与现有技术CN111535293A一致，包括：软土地基、堆载、塑料排水板200、吸水管道、降水井100、滤布、砂垫层、密封膜、真空泵、汲水坑、汲水箱、离心泵；软土地基内设有降水井100和排水板200；地基的顶部设有堆载；在软土地基周边中设置一块汲水区域，在软土地基表面和汲水区域表面分别铺设排水砂垫层，排水管道布设在砂垫层中，埋设深度不小于20cm；密封膜布设在砂垫层上；在降水井100内布设吸水管道，吸水管道连接真空泵；汲水区域开挖后布设汲水箱；汲水箱设有进水口和出水口，进水口与真空泵连接，出水口与汲水箱底部的离心泵相连接。

该施工系统与现有技术CN111535293A的区别主要在于降水井100和排水板200的结构，以及施工系统的施工方法。下面对该三处区别进行重点说明。

图1和图2是根据本发明一个实施例的降水井100的示意性结构图。该降水井100包括井筒110，该井筒110的筒腔形成了竖向设置的第一汲水流道，第一汲水流道的底部连通有朝向相互交叉的注气口111和入水口112，第一汲水流道的顶部连通有相互交叉的负压口113和出水口114，负压口113高于出水口114，并且在注气口111上罩设固定有在充气后堵上入水口112、在放气后让开入水口112的气囊130，气囊130的注气口111与注气口111相通。具体而言，入水口112为井筒110的下端开口，注气口111位于井筒110底部的筒壁上，注气口111连通有位于井筒110一侧的注气管道120。

优选地，井筒110为方形筒，注气口111位于井筒110的一侧筒壁上，该侧筒壁上还铰接有铰接端位于底部、并与气囊130连接的门闸140，门闸140顶部在气囊130放气时贴合在气囊130侧的筒壁上、在气囊130充气后搭接在气囊130相对侧的筒壁上，门闸140与气囊130相邻侧的筒壁滑动密封配合。注气管道120和井筒110之间设有配气仓150，配气仓150的内腔自上而下逐渐增大，并在配气仓150的内腔设有隔板而将配气仓150分隔为自上而下依次间隔的第一仓151、第二仓152和第三仓153，其中

第三仓153和第二仓152之间的隔板上设有控制气流单向流入第二仓152的第三泄压阀161，第二仓152和第一仓151之间的隔板上设有控制气流单向流入第一仓151的第二泄压阀162；

注气口111包括与第三仓153连通的第三注气口111、与第二仓152连通的第二注气口111以及与第一仓151连通的第一注气口111；

气囊130包括位于第三注气口111上的第二气囊130和位于第二注气口111上的第一气囊130，第二气囊130与门闸140粘接；

第一注气口111上设有控制气流单向流入井筒110内的第一泄压阀163，第三泄压阀161、第二泄压阀162和第一泄压阀163的设定压力依次增大。

优选地，井筒110内上下活动的安装有饼状的悬浮件170，悬浮件170的外周和井筒110的筒壁之间具有供流体通过的过流环空，悬浮件170的底部嵌装有上磁环181，井筒110的底部固定有与上磁环181相向端极性相同的下磁环182。

图3和图4是根据本发明一个实施例的排水板200的示意性结构图。该排水板200包括一纵向板体210及其两侧间隔排布的多个横向板体220，相邻两横向板体220与纵向板体210围成排水通道230，纵向板体210的纵向两侧分别设有注气管道240和抽真空管道250，纵向板体210内开设有纵向连通在注气管道240和抽真空管道250之间的纵向孔道211，纵向孔道211的孔壁上开设有与排水通道230相通的横向孔道212，纵向孔道211和抽真空管道250组合形成了第二汲水流道，第二汲水流道的上段是指抽真空管道250，下段是指纵向孔道211，对应的第二汲水流道的底部是指纵向孔道211和横向孔道212相通的位置，顶部是指抽真空管道250的顶部。第二汲水流道的底部连通有朝向相互交叉的注气口271和入水口272，第二汲水流道的顶部连通有相互交叉的负压口273和出水口274，负压口273高于出水口274，并且在注气口271上罩设固定有在充气后堵上入水口272、在放气后让开入水口272的气囊260，气囊260的注气口271与注气口271相通。具体而言，注气口271为纵向孔道211连通注气管道240的孔口，入水口272为横向孔道212连通纵向孔道211的孔口，负压口273和出水口274位于抽真空管道250的顶部。

优选地，纵向孔道211有多个，并在上下方向间隔排布，并且纵向孔道211以两两相邻的方式成对设置，同对中两纵向孔道211中靠下者的下侧孔壁为从注气管道240向抽真空管道250逐渐升高的上斜孔壁、上侧孔壁为水平孔壁，靠下者的上侧孔壁为从注气管道240向抽真空管道250逐渐降低的下斜孔壁，下侧孔壁为水平孔壁。

本实施例的施工系统在使用时，按照如下施工工法进行阶段性施工：

第一阶段：

在待加固软基中外围设有一块汲水区域，区域面积根据汲水箱埋深而定；塑料排水板200按设定间距竖向布设在软土地基和汲水区域中，塑料排水板200打设范围、深度和间距应符合设计要求；降水井100按设计要求的范围、深度和间距打设，使其与塑料排水板200之间形成均匀布设，降水井100下端配有过滤网，降水井100管表面有滤孔，外侧裹有滤布；降水井100和塑料排水板200呈交替方式排布；在软土地基表面和汲水区域表面分别铺设排水砂垫层，排水管道布设在砂垫层中，埋设深度不小于20cm；密封膜布设在砂垫层上。

然后，向降水井100和排水板200的汲水流道注入带色标的引流水，优选地，该色标选用红色或绿色的色标，以更加醒目的区别引流水与地面颜色、地下水颜色。

其次，在待加固软基上施加堆载，并开始在降水井100内布设吸水管道，并在第一阶段和塑料排水板200一起联结在真空泵上，用作常规的真空预压排水。

之后，在引流水排空后，向注气口注入压缩空气，依靠气囊膨胀在汲水流道中形成缩颈喉部，继续真空预压排水。

第二阶段：

当真空预压效果显著下降时，进入第二阶段。此时，开挖汲水区，开挖范围、深度和坡度应符合设计要求。同时，停止真空预压排水，并向排水井的井筒110中放入饼状的悬浮件，使得悬浮件悬浮在井筒110内水面下方。

第三阶段：

在开挖后汲水区域底部，布设密封的汲水箱、在汲水箱内部布设离心泵；汲水箱连通进水管道和出水管道，进水管道与真空泵连通，出口端在汲水箱中悬空。出水管道与离心泵相连，负责向外部排水；汲水坑底部布设完毕后，回填汲水坑。将降水井100内的吸水管道与真空泵相连后，联通到汲水箱的进水管道，从而使降水井100内的水排到汲水箱中。在降水井100排水施工过程中，降水井100内水的积蓄需要一定的时间，因此离心泵工作是周期性的。当降水井100内水积蓄到预设深度时，离心泵开始工作，从而保证降水井100和汲水管道之间能够形成预设的虹吸效应。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.深层软土路基真空联合堆载预压处理的施工系统，包括间隔排布的降水井和排水板，降水井和排水板上各自连接有抽真空管道，其特征在于，降水井和/或排水板上设有汲水流道，汲水流道的底部连通有朝向相互交叉的注气口和入水口，汲水流道的顶部连通有相互交叉的负压口和出水口，负压口高于出水口，并且在注气口上罩设固定有在充气后堵上入水口、在放气后让开入水口的气囊，气囊的注气口与注气口相通。

2.根据权利要求1所述的施工系统，其特征在于，降水井的汲水流道为降水井的井筒，入水口为井筒的下端开口，注气口位于井筒底部的筒壁上，注气口连通有位于井筒一侧的注气管道。

3. 根据权利要求2所述的施工系统，其特征在于，井筒为方形筒，注气口位于井筒的一侧筒壁上，该侧筒壁上还铰接有铰接端位于底部、并与气囊连接的门闸，门闸顶部在气囊放气时贴合在气囊侧的筒壁上、在气囊充气后搭接在气囊相对侧的筒壁上，门闸与气囊相邻侧的筒壁滑动密封配合。

4.根据权利要求3所述的施工系统，其特征在于，注气管道和井筒之间设有配气仓，配气仓的内腔自上而下逐渐增大，并在配气仓的内腔设有隔板而将配气仓分隔为自上而下依次间隔的第一仓、第二仓和第三仓，其中

第三仓和第二仓之间的隔板上设有控制气流单向流入第二仓的第三泄压阀，第二仓和第一仓之间的隔板上设有控制气流单向流入第一仓的第二泄压阀；

注气口包括与第三仓连通的第三注气口、与第二仓连通的第二注气口以及与第一仓连通的第一注气口；

气囊包括位于第三注气口上的第二气囊和位于第二注气口上的第一气囊，第二气囊与门闸粘接；

第一注气口上设有控制气流单向流入井筒内的第一泄压阀，第三泄压阀、第二泄压阀和第一泄压阀的设定压力依次增大。

5.根据权利要求2所述的施工系统，其特征在于，井筒内上下活动的安装有饼状的悬浮件，悬浮件的外周和井筒的筒壁之间具有供流体通过的过流环空，悬浮件的底部嵌装有上磁环，井筒的底部固定有与上磁环相向端极性相同的下磁环。

6.根据权利要求1所述的施工系统，其特征在于，排水板包括一纵向板体及其两侧间隔排布的多个横向板体，相邻两横向板体与纵向板体围成排水通道，纵向板体的纵向两侧分别设有注气管道和抽真空管道，纵向板体内开设有纵向连通在注气管道和抽真空管道之间的纵向孔道，纵向孔道的孔壁上开设有与排水通道相通的横向孔道，所述注气口为纵向孔道连通注气管道的孔口，所述入水口为横向孔道连通纵向孔道的孔口，负压口和出水口位于抽真空管道的顶部。

7.根据权利要求1所述的施工系统，其特征在于，纵向孔道有多个，并在上下方向间隔排布，并且纵向孔道以两两相邻的方式成对设置，同对中两纵向孔道中靠下者的下侧孔壁为从注气管道向抽真空管道逐渐升高的上斜孔壁、上侧孔壁为水平孔壁，靠下者的上侧孔壁为从注气管道向抽真空管道逐渐降低的下斜孔壁，下侧孔壁为水平孔壁。

8.基于权利要求1-7任意一项所述的施工系统的深层软土路基真空联合堆载预压处理的工法，其特征在于，包括：

S100，在待加固软基上交替设置降水井和排水板；

S200，向降水井和排水板的汲水流道注入带色标的引流水；

S300，在待加固软基上施加堆载；

S400，真空预压排水，直至排空引流水；

S500，在引流水排空后，向注气口注入压缩空气，依靠气囊膨胀在汲水流道中形成缩颈喉部，继续真空预压排水。

9.根据权利要求8所述的工法，其特征在于，步骤S500还包括：

真空预压排水采用间歇方式进行，并在第一次停止排水时，向排水井的井筒中放入饼状的悬浮件，悬浮件悬浮在井筒内水面下方。

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