真空预压地基
真空预压法是以大气压力作为预压载荷,它是先在需加固的软土地基表面铺设一层透水砂垫层或砂砾层,再在其上覆盖一层不透气的塑料薄膜或橡胶布,四周密封好与大气隔绝,在砂垫层内埋设渗水管道,然后与真空泵连通进行抽气,使透水材料保持较高的真空度,在土的孔隙水中产生负的孔隙水压力,将土中孔隙水和空气逐渐吸出,从而使土体固结(图7-36)。对于渗透系数小的软粘土,为加速孔隙水的排出,也可在加固部位设置砂井、袋装砂井或塑料板等竖向排水系统。
图7-36 真空预压地基
1-砂井;2-砂垫层;3-薄膜;4-抽水、气;5-粘土
1.加固机体
真空预压在抽气前,薄膜内外均承受一个大气压Pa的作用,抽气后薄膜内气压逐渐下降,薄膜内外形成一个压力差(称为真空度),首先使砂垫层,其次是砂井中的气压降至Pv,使薄膜紧贴砂垫层,由于土体与砂垫层和砂井间的压差,从而发生渗流,使孔隙水沿着砂井或塑料排水带上升而流入砂垫层内,被排出塑料薄膜外;地下水在上升的同时,形成塑料带附近的真空负压,使土内的孔隙水压形成压差,促使土中的孔隙水压力不断下降,有效应力不断增加,从而使土体固结,土体和砂井间的压差,开始时为Pa-Pv,随着抽气时间的增长,压差逐渐变小,最终趋向于零,此时渗流停止,土体固结完成。故真空预压过程,实质为利用大气压差作预压荷载(当膜内外真空度达到600mmHg,相当于堆载5m高的砂卵石),使土体逐渐排水固结的过程。
同时,真空预压使地下水位降低,相当于增加一个附加应力,抽气前地下水
离地面高h1,抽气后地下水位降至h2,在此高差范围内的土体从浮重度变为湿重度,使土骨架相应增加了水高h1-h2的固结压力作用,使土体产生固结。此外,在饱和土体孔隙中含有少量的封闭气泡,在真空压力下封闭气泡被排出孔隙,因而使土的渗透性加大,固结过程加速。
2.特点及适用范围 真空预压法的特点是:
(1)不需要大量堆载,可省去加载和卸载工序,节省大量原材料、能源和运输能力,缩短预压时间;
(2)真空法所产生的负压使地基土的孔隙水加速排出,可缩短固结时间;同时由于孔隙水排出,渗流速度的增大,地下水位降低,由渗流力和降低水位引起的附加应力也随之增大,提高了加固效果;且负压可通过管路送到任何场地,适应性强;
(3)孔隙渗流水的流向及渗流力引起的附加应力均指向被加固土体,土体在加固过程中的侧向变形很小,真空预压可一次加足,地基不会发生剪切破坏而引起地基失稳,可有效缩短总的排水固结时间;
(4)适用于超软粘性土以及边坡、码头、岸边等地基稳定性要求较高的工程地基加固,土愈软,加固效果愈明显;
(5)所用设备和施工工艺比较简单,无需大量的大型设备,便于大面积使用;
(6)无噪声、无振动、无污染,可作到文明施工;
(7)技术经济效果显著,根据国内在天津新港区的大面积实践,当真空度达到600mmHg,经60d抽气,不少井区土的固结度都达到80%以上,地面沉降达57cm,同时能耗降低1/3,工期缩短2/3,比一般堆载预压降低造价1/3。
真空预压法适于饱和均质粘性土及含薄层砂夹层的粘性土,特别适于新淤填土、超软土地基的加固。但不适于在加固范围内有足够的水源补给的透水土层,以及无法堆载的倾斜地面和施工场地狭窄的工程进行地基处理。
3.机具设备
真空预压主要设备为真空泵,一般宜用射流真空泵,它由射流箱及离心泵所组成。射流箱规格为φ48mm,效率应大于96kPa,离心泵型号为3BA-9、φ50mm,
每个加固区宜设两台泵为宜(每台射流真空泵的控制面积为1000m2)。配套设备有集水罐、真空滤水管、真空管、止回阀、阀门、真空表、聚氯乙烯塑料薄膜等。滤水管采用钢管或塑料管材,应能承受足够的压力而不变形。滤水孔一般采用φ8~10mm,间距5cm,梅花形布置,管上缠绕3mm铁丝,间距5cm,外包尼龙窗纱布一层,最外面再包一层渗透性好的编织布或土工纤维或棕皮即成。
4.工艺流程
真空预压法为保证在较短的时间内达到加固效果,一般与竖向排水井联合使用,其工艺布置及流程如图7-37和图7-38。
图7-37 真空预压工艺流程
图7-38 真空预压工艺与设备
1-袋装砂井;2-膜下管道;3-封闭膜;4-砂垫层;5-真空装置;6-回填沟槽
5.施工工艺方法要点
(1)真空预压法竖向排水系统设置同砂井(或袋装砂井、塑料排水带)堆载预压法。应先整平场地,设置排水通道,在软基表面铺设砂垫层或在土层中再加设砂井(或埋设袋装砂井、塑料排水带),再设置抽真空装置及膜内外管道。
(2)砂垫层中水平分布滤管的埋设,一般宜采用条形或鱼刺形(图7-39),铺设距离要适当,使真空度分布均匀,管上部应覆盖100~200mm厚的砂层。
图7-39 真空分布管排列示意图
(a)条形排列;(b)鱼刺形排列 1-真空压力分布管;2-集水管;3-出膜口
(3)砂垫层上密封薄膜,一般采用2~3层聚氯乙烯薄膜,应按先后顺序同时铺设,并在加固区四周,在离基坑线外缘2m开挖深0.8~0.9m的沟槽,将薄膜的周边放入沟槽内,用粘土或粉质粘土回填压实,要求气密性好,密封不漏气,或采用板桩覆水封闭(图7-40),而以膜上全面覆水较好,既密封好又减缓薄膜的老化。
图7-40 薄膜周边密封方法
(a)挖沟折铺;(b)板桩密封;(c)围捻内面夜水密封;(d)板桩墙加沟内覆水
1-密封膜;2-填土压实;3-钢板桩;4-覆水
(4)当面积较大,宜分区预压,区与区间隔距离以2~6m为佳。
(5)做好真空度、地面沉降量、深层沉降、水平位移、孔隙水压力和地下水位的现场测试工作,掌握变化情况,作为检验和评价预压效果的依据。并随时分析,如发现异常,应及时采取措施,以免影响最终加固效果。
(6)真空预压结束后,应清除砂槽和腐殖土层,避免在地基内形成水平渗水暗道。
6.质量控制
(1)施工前应检查施工监测措施、沉降、孔隙水压力等原始数据,排水设施,砂井(包括袋装砂井)或塑料排水带等位置及真空分布管的距离等。
(2)施工中应检查密封膜的密封性能,真空表读数等。泵及膜内真空度应达到96kPa和73kPa以上的技术要求。
(3)施工结束后应检查地基土的十字板剪切强度,标贯或静力触探值及要求达到的其他物理力学性能,重要建筑物地基应进行承载力检验。
(4)真空预压地基的质量标准如表7-30所示。