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真空预压法在软基处理中的施工运用

XXX防洪及景工程项目部

摘要：结合珠海横琴某排洪渠项目，详细介绍了真空预压法的施工工艺，随后介绍了关键施工工艺的控制措施。实践证明，该区段软基处理情况良好，工程取得了良好的社会和经济效益。

关键词：真空预压法软基砂垫层塑料排水板密封膜

一、施工原理

真空预压是一种地基处理方法，该方法的技术原理是在软粘土中设置竖向塑料排水带或砂井，上铺砂层，再覆盖薄膜封闭，抽气使膜内排水带、砂层等处于部分真空状态，排除土中的水分，使土预先固结以减少地基后期沉降。其造价经济、技术成熟、施工简便，被广泛地应用到软粘土的地基处理工程中。

二、工程概况

XXXX排洪渠项目，工程范围内土层自上而下可分为：第四系填土层、第四系海陆交互相的淤泥，中部为陆相的粉质粘土，中下部为冲湖积、陆相粉质粘土、冲洪积相粘土，下部为燕山三期花岗岩。本工程设计要求的地基承载力不高，但场区内淤泥层分布范围广且深度大，承载力低，且属高压缩性、欠固结性土层，直接作为地基持力层不满足要求，且加固区周边未发现粉土、砂土等透水、透气层，淤泥层的塑性指数小于25且含水量小于85% 。加固土层上覆盖回填士或承载力较高的黏性土层厚度不大于5m 。故设计采用真空预压法进行软基处理，该方法适用于处理以黏性土为主的软弱地基。

图1 排洪渠真空预压平面布置示意图

三.施工工艺

3.1施工工艺流程

图2 施工工艺流程图

主要施工工序和施工顺序为：（1）场地准备：清表、场地平整——（2）铺设砂垫层—

按照施工图要求的平面尺寸和厚度铺设水平垫层50cm。

（2）当地基表层具有一定厚度的硬壳层，能承受施工机械运行时，采用机械分堆摊铺法铺砂，汽车运进的砂料先卸成若干砂堆，然后采用推土机摊平。

（3）当硬壳层承载力不足时，采用顺序推进摊铺法，即汽车倒进卸料，推土机向前推赶推平。

（4）排水砂垫层施工过程中，避免对软土表层的过大扰动造成隆起，以免造成砂垫层与软土混合，影响垫层的排水效果。

（5）排水砂垫层的含泥量不能超过5%。

3.2.3插打塑料排水板（SPB-C型）

（1）完成砂垫层施工后根据格网角点和主轴线控制点，采用50m的钢卷尺用内插内分法放样插板点定位。排水板为正三角形布置，点位间距为100cm，列间距为86.6cm。定位精度应控制在±5cm之内，并用小竹片桩（10mm×10mm×200mm）插入点位处标识。

（2）插塑料排水板的施工方法

①采购塑料排水板，并取样送到有资质的检测部门进行质量检验，合格后方可用于工程。

图6 排水板点位放样图7 排水板插打

②插板机进入施工区，按设计施工路线就位。

③设备试运行，试探地层情况与设计深度是否一致。发现异常及时向业主和监理单位汇报，研究处理方案。

④将塑料排水板带安装在插板机的轴托架上，并将塑料排水板带穿进内置式插板力轴的腹腔中。启动液压卷带传动系统，用180mm左右的￠10钢筋头（或排水板或铁皮）锁紧插板头下端。

⑤调节插板机力轴的调节系统，使插板机的力轴下端中心对准已放样好的插板桩位标志桩（即对中）。

⑥通过两个正交方向的重锤吊线指挥操机手调节插板机主力轴垂直度偏差≤1.5%，确保塑料排水板施工的垂直度≤1.5%。

⑦启动插板机的液压下沉系统，使插板机主力轴与塑料排水板带同步下沉，直到插板深度达到设计长度（深度）即可停止插板机液压下沉系统，并注意观察插板机的油压表压力变化。如果油压突然增大，说明插板下端已进入粘土层，保证其进入粘土层的深度不小于0.5m 或达到设计标高。

⑧启动液压插板机的提升系统，慢速将主力轴提出地面。并注意提升过程中，塑料排水板带不被拨出或局部拨起，确保排水板的插入深度符合设计要求。

⑨插板机的力轴拨出地面50cm～80cm后及时剪板（即将塑料排水板自地以上25cm左右处剪断，剪板工具用镰刀或大剪刀均可。）并随手用短钢筋头锁固下一根插板桩的底端。如此往复插板，直到完成任务。

3.2.4粘土密封墙施工

（1）搅拌桩采用双搅拌头深层搅拌机进行施工，搅拌桩直径为700mm，桩长8m，两桩彼此咬合200mm，桩中心距500mm，如“”状。

（2）施工工艺

①施工机械和人员进场。所有施工机械和人员进场，并按指定间距布置和驻位。

②制备泥浆。泥浆池设在加固区中间，采用挖掘机开挖，底部铺设塑料薄膜和土工布，防止淤泥浆渗透到周边的砂垫层中。密封墙墙体土的渗透系数应小于1.0×10-5cm/s，采用粘土或淤泥作为拌和材料，掺入量为搅拌土体重量的20%，配置的泥浆含砂率小于5％，比

重大于1.30，泥浆胶体率大于45％。泥浆池可以多台搅拌机共用，尽量减少泥浆池的数量。完工后对泥浆池进行清理，淤泥全部运至密封沟内，用中粗砂回填，场地内保持清洁。

③桩机就位。搅拌桩机就位，桩机钻头对准事先标记好的桩心位置。

喷浆搅拌。开启泥浆泵和搅拌桩机进行喷浆搅拌，控制下搅速度初定为0.7m/min，上搅速度初定为0.5m/min。桩长必须穿透透气层进入淤泥层不小于3m，桩长采用人工控制，通过观察设备电流表读数，根据在砂层与淤泥层交界处由于阻力不同，在桩机上仪表能够得于反应，在仪表数值变小后继续下搅50cm。同时派专人做好施工记录并报监理工程师验收。

图8 泥浆比重监测图9 泥浆搅拌墙施工

3.2.5真空滤管、出膜装置和检测仪器的埋设

组织人工把砂层表面杂物及有可能刺破密封膜的硬物和垃圾杂物清理出区外，再由人工找平。

按设计施工图要求，布置滤管和膜下测头，然后用人工刮平砂面。滤管采用符合设计或规范要求的带孔波纹塑料滤管，外包土工织物滤水层，捆扎结实，并使滤水层只透水不透砂。滤管连接采用胶管，胶管套入滤管约10cm，用铁丝绑紧，铁丝接头严禁朝上，以免扎破滤膜。滤管相交叉处采用二通、三通或四通连接。滤管横向间距6.5m，纵向间距15m。

图10 滤管连接图11 滤管埋设

在埋设滤管前先由测量人员按设计图纸放线定位，将滤管放到埋设位置附近，然后按滤管设计位置在砂垫层上开沟，将滤管放入沟中埋好，要求其上覆200mm厚的砂层。注意处理好接头及出膜口。

3.2.6土工布的铺设及密封膜

（1）真空预压前砂垫层表面应平整，表面无尖石、硬块及其他尖利杂物。密封膜铺设时，需防止抽真空时膜间未清理干净的砂、石子等颗粒将膜穿破引起漏气。

（2）为了保护真空膜，在真空膜下铺设一层200g/m2针刺无纺土工布。待真空管路、

真空测头及其它观测仪器埋设完后，在其上铺设土工布，铺设面积略小于密封膜（收边2～3米），铺设范围略大于加固区，每边约加宽1m。根据场地情况，按一定方向将土工布展开并铺设平整。土工布搭接部位采用缝接处理，用手提缝纫机进行缝接，缝接时搭接宽度不少于20cm。

（3）密封膜根据真空预压区域大小，由生产厂家预先定做加工，整幅密封膜的大小要能够保证一次性全部覆盖整个真空预压区。加工时膜的大小考虑埋入密封沟的部分，留有足够的富余。密封膜接缝粘结牢固，双热合逢平搭接接缝宽度不得小于20cm。

（4）密封膜按先后顺序依次铺设，先检查土工布的平顺性，去除尖锐的杂物，然后将

图12 土工布、密封膜铺设图13 密封膜压入密封沟

两层聚氯乙烯薄膜依次铺放覆盖整个预压区。铺设时自一边开始，分层依次由近及远铺设，将膜的四周放到沟底，沿密封沟内壁将膜边插入土中。铺设时膜不得拉的太紧，适当放松，每边比图纸尺寸放出3m左右。

（5）膜下真空度测头均匀布置在四周角点和加固区中心区域的砂垫层内，观测点和观测断面按设计要求的数量、位置埋设，距离滤管不小于2米。

（6）封闭式隔水墙及沟内覆水，既保证了整个加固区的密封性，又减缓了膜的老化。

3.2.7密封沟的开挖回填

（1）密封沟必须符合盖膜闭气要求，采

用人工配合挖掘机开挖，沟底宽1.5m左右，

沟深不小于2.0m，随挖随铺随填。铺膜时挖

出的土堆在外侧便道上，不得堆在砂垫层上，

避免砂粒滑入沟中。沟中回填的粘土要密实

且不夹杂砂石。若密封沟底或两侧有碎石或

砂层等渗透性好的夹层存在，将该夹层挖除

干净，并回填软土。开挖时紧贴密封墙开挖，

回填时靠密封墙一侧必须采用灌水造浆，人

工踩压密实。

（2）密封沟内侧沟壁必须平顺，挖好图14 密封沟开挖

后将密封膜顺沟壁内侧铺放入沟中，紧贴沟的内壁，将密封膜放至沟底，沿密封沟内壁将膜边插入坑底土中10cm左右，然后以细粒土分层回填，回填至周边密封墙墙顶以下50cm左右，作为汇水沟覆水之用。特别要注意第一层的填压，要用淤泥质粘土把密封膜压好，使膜能紧贴沟壁和沟底，沟底密封好后，采用挖掘机挖土分层回填，在每一层填土上都给予适当的压实，边回填边向沟内灌水，以增加密封效果。

3.2.8真空泵安装

抽真空装置由离心泵、射流喷嘴、循环水箱组成。抽真空装置的安装可在密封沟施工完

后进行，并在抽真空之前检验空载时的真空度是否满足设计要求。工作时先将循环水箱装满水，开动离心泵，水箱中的水被泵打入喷嘴，此时水的压力、流速都很大，在喷射水流的带动下，喷嘴周边的真空吸管内形成负压，在螺纹钢丝橡胶软管内的气体随之被射流走，形成一定真空，并由此逐步延伸到加固区内。

各项抽真空设备安置就位后，开始进行试抽真空。开始阶段控制真空加压的速率，以抽出砂垫层中的空气，真空压力从20kPa逐级增加，随着膜下空气的排出及土层排水固结度的提高，膜内真空度逐渐增大并稳定在80kPa之上。在开始抽真空阶段，随着空气及水的排出，全面检查密封膜及密封沟的密封状态，如有漏气，对漏气部分及时修补和密封，防止影响真空效果。

图15 射流泵试抽图16 射流泵试抽

根据抽真空情况，做好开、停泵计划。加固区内所有射流真空泵是否同步运转视预压过程而定，一般在预压初期，因排水量大，射流真空泵同时运转，在预压中后期，在保证膜下真空度的80kpa前提下，可停一部分泵并采取各泵交替运转，适当减少开泵数量。

3.2.9卸载要求

（1）加固深度范围内地基平均总应变固结度不宜小于90%；

（2）连续5d平均沉降量不大于2mm/d，即可停泵卸载。

四、施工监测项目与布置

4.1 现场施工监测

为了更好的指导施工组织，验证软基的加固效果，施工前选两个断面进行观测，进行原状土的各种物力力学指标及真空试验，并做十字板剪切强度试验，真空预压加固完成后在相近位置进行相同试验，并对加固前后物力力学指标进行对比分析。两个断面的仪器埋设位置见下图。

压沉降稳定而有规律的增长，到6 月1 日平均沉降速率均小于1.5mm/d ，该段软基表面平均沉降量最大为766mm ，最小为696mm ，实际表面平均沉降量为724mm 。

4.3十字板强度变化

从加固前后地基土的十字板强度试验结果得出，真空预压后不同深度的土体强度均有很大的提高，详细数据见下图。

图18 加固前后地基土十字板强度变化曲线

4.4表面沉降分析

从图上可以看出抽真空几天，真空度就上升到80kPa以上，此后一直维持在80KPa以上，最大达到90KPa，再加上膜面覆水，整个当量加固荷载超过90KPa。另外还可以看距加固区边缘的总沉降量相对较小，而加固区中心内的总沉降量相对较大。随着真空预压时间的增长，表面沉降量逐渐增大，在真空度上升阶段，沉降速率变化较大，随后沉降速率逐渐变缓。说明真空预压阶段，土体的固结变化速率是一个渐变收敛过程。典型的沉降曲线如图所示。

图19 膜下真空压力—地表沉降时程变化曲线

4.5分层沉降分析

图20 分层沉降—时间关系曲线

抽真空阶段各土层的压缩曲线的沉降速率变化很快，说明真空预压的效果是明显的，而且随着时间的延长，其曲线的拐点在不断下移，说明土体加固的深度在不断延伸，影响深度可以达到塑料排水板底部以下约2-3m处。

4.6孔隙水压力分析

从图6上看，各测点孔隙水压力的消散度呈上升变化趋势，开始孔隙水压力消散较快，随后消散速率逐渐较缓，预压90天时，其各土层中的孔隙水压力消散度均达到90%以上，说明塑料排水板排水固结效果明显。

图21 孔隙水压力平均消散度—时间关系曲线

4.7水平位移分析

图22 水平位移随深度变化曲线

通过观测发现由于测斜管埋设位置不同其水平位移有所差异，埋在填土边缘的测斜管其水平位移量要比埋在填土中间的大。从图上看水平位移最大位置在地面以下6～10.5米的淤泥质粘土层，典型的水平位移—深度过程曲线见上图。整个抽真空过程中侧向水平位移速率大多在0.5～1.8mm/天，最大水平位移速率为4.5mm/天，停止抽真空后位移速率降为1mm/天。

4.8固结度分析

真空预压结束后该段路基实际表面平均总沉降量为724mm，根据实测沉降过程曲线推算最终沉降量为727mm，实际计算固结度为98.6％，已经达到设计要求的固结度达90％以上。

根据预压前后相关试验计算出各土层的加固效果，具体数值如表2所示。从表中可以看出，理论计算的沉降量和通过仪器实测沉降量基本接近。

表1 软基加固固结度分析表

五、关键工序控制

（1）砂垫层

砂垫层采用中粗砂，材料要求为：粒径大于0.25mm的颗粒超过总质量的50％，粒径小于0.075mm的颗粒含量小于5％，可用海砂。砂垫层干重度不小于15.0kN/m3，渗透系数不小于5×10-3cm/s。

整个垫层厚度最好是大于50cm的，科学的平面尺寸是在加固区四周各往外扩大1m，这样能有效的保证水分能够从垫层排除。在施工中，如果沙料不足，可以用砂沟代替砂垫层；砂沟的宽度为2-3倍砂井直径，通常的深度是40-60cm。

（2）塑料排水板

①在施工前要考察地质情况，在安排排水孔的场地范围内作必要的触探(探孔)检查，以尽量避免施打排水孔时碰到地下障碍物。(探孔深度不要超过设计孔深60cm)。②排水板在装运和储存期间，要包上厚保护层，在施工现场存放要注意防晒及泥浆、灰尘污染或其它物体的碰撞破坏。③排水孔的施打过程要采用定载振动压入的方法，一直打到设计要求的深度，不允许重锤夯击。④施打从护坡道向路中心推进，每排可打设7根，打完一排再向前移动门架，直至处理长度方向讫点。然后横移门架，返回施打下一幅。

（3）虑管的布置

主管和滤管的管材可以是自来水管或PVC管，目前使用较多的为后者，PVC材料在水中不会锈蚀，重量轻，价格便宜，容易清洗，可重复使用，外包无纺布后不会粘连。

主、滤管的平面布置一般采用条形或鱼刺形排列，本工程中的主、滤管布置形式为单排排鱼刺形。各管之间的连接采用橡胶软管软连接，以适应场地的不均匀沉降。滤水管布置最好能形成回路，滤水管埋设在水平排水砂垫层的中部，其上有0.15~0.20m砂覆盖层，防止滤水管上尖利物体刺破密封膜。

（4）密封膜的设置

密封是真空预压工程成功的关键。密封膜应具备重量轻、强度大、韧性好、抗老化、耐腐蚀等特性。工程可选用聚氯乙烯薄膜，密封膜的面积大于加固场地面积和密封沟面积之和。

密封沟设于密封墙顶，深度不小于2.0m，如有渗透性高的夹层，应将夹层挖除并回填30～50cm厚的软粘土。沟的表面应顺滑，密封沟摊铺在沟的表面后回填粘性土，土料中不得有块石、杂物等尖锐物品。密封膜的拼接采用热合法，两块膜的搭接宽度不小于20cm，无热合不紧或热穿现象，有孔洞时及时修补。试抽气期间应经常检查密封膜，有破损时应及

时修补。

（5）抽真空

抽真空设备主要包括出膜装置和真空射流泵。抽真空设备的好坏直接决定真空预压的成败和效果，通常采用射流真空泵，因其真空度高、设备轻便、易于操作。空抽时必须达到

96kPa以上的真空吸力，本工程采用功率为8.0kw的射流泵，每台加固面积控制在900-1100m2。

在施工过程中，须保持射流箱内满水和低温，射流装置空载情况下均应超过90kPa；铺膜前应用砂料把砂井空填充密实，密封膜破裂后，可用砂料把井孔填充密实至砂垫层顶面，然后分层把密封膜稳定好，要预防砂井孔处下沉，从而导致密封膜的破裂；要经常检查各项计录，发现异常现象，如膜内真空度值小于80kPa等，应尽快分析原因并才取措施补救；（6）预压卸载

预压后卸载需满足以下几个标准：

（1）真空预压满载（真空度稳定在-80kpa以上）后持续120天左右。

（2）加固深度范围内地基平均总应变固结度不宜小于90％。

（3）连续5天实测平均沉降速率不大于2mm/d。

（4）实际卸载时间应该根据设计预压时间、实测沉降推算工后沉降量、实测沉降速率等综合确定。

六、总结

（1）通过场区周边密封墙处理后，加固区抽真空效果非常明显，抽真空开始后2～7

天内，真空度基本都能达到80kPa以上，加快了抽真空的沉降速度。沉降区域主要为真空预压加固单元内沉降，加固区域外的沉降趋为零。由于有场区周边密封墙的密封，使抽真空时能有效的起到止水效应，抽真空设备能耗得到降低，大大提高了抽真空的工作效率。

（2）由于地层呈现“上硬下软”状态，第一层地基为人工填土，再以下为淤泥质土。塑排板插打引孔后，与含水量大、压缩性高的淤泥质土形成上下排水通道，在上部“硬壳”地层的作用下，超孔隙水应力随着孔隙水排出得到消散，引起地基整体向下急速沉降，且沉降量均在300mm左右，瞬时沉降占地基总沉降（根据观测统计在700mm左右)的40%左右，说明塑料排水板插打本身就会产生很大的地基沉降，打插面积越大，沉降面积越大。

（3）真空预压排水固结过程中，土体内孔隙水大量流出，随着孔隙压力的消散，水流速率降低，最后孔隙压力消散基本完成，达到不变的有效应力状态。随着土的固结，软土的强度逐渐增大，地基承载力能达到240kPa以上，提高了地基强度和承载力，提高幅度达到

2倍以上。

（4）通过对检测资料结果分析得出：加固范围内各土层固结度均达到设计要求，加固前后各土层物力力学指标有显著提高，加固效果都很明显，达到了预期目的。预压结束后实际计算平均固结度为98.6％，这在其它方法软基处理施工中是从来没有达到过的。

（5）利用真空预压作为超载荷载，可以一次性在最早期加载，预压时间长，而且荷载数值大大超过设计运营荷载，使得路堤软土地基压缩层土层在预压期内（预压期为3个月）完成95%以上的沉降，可以较好的解决软土路基工后沉降国大的问题。

（6）侧向位移量和位移速率与荷载大小有明显的相关性，随着预压荷载的增加，位移量和位移速率逐渐增大，在达到预压荷载后，位移量和位移速率显著减小，与堆载预压不同的是随着预压荷载的增加，水平位移不是向外位移，因为抽真空不仅使土体固结，而且使土体产生向内收缩变形，因此对路堤稳定非常有利。

（7）在工程造价方面，比其它传统的搅拌桩、碎石桩法等可节约50%～60%。例如我

标段同样两段软基，一段采用真空预压法处理，一段采用旋喷桩处理，两种处理方法单价分别为：采用旋喷桩处理为1250元/m2；而真空预压法处理则仅180元/m2。

（8）真空预压施工噪音少、场地干净、环境污染小，可以文明施工，真空预压设备简单、轻便、容易操作。相比，缩短了施工周期，提高了施工建设速度，具有较高的社会效益和经济效益。

参考文献：

【1】真空预压加固软土地基技术规程（JTS 147-2-2009）；

【2】龚晓南，地基处理手册（第三版），中国建筑工业出版社；

【3】《中小企业管理与科技》2010年6月下旬刊供稿作者：陈二明