真空联合堆载预压法在大连港的应用
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摘要：本文主要介绍真空联合堆载预压法的原理和施工工艺，并通过在大连港大窑湾工程地基处理中的应用，显示真空联合堆载预压工艺对于处理吹填土等软土地基是有效可行的。
关键词：真空联合堆载预压法，地基处理，软基加固，监测与检验
当前，港口建设中普遍采用海底软土作为造陆吹填料，而后对其进行处理。吹填土通常都具有含水量高、压缩性大、渗透性差、灵敏度高、强度低和厚度不均等特点，对其进行处理的常用方法有：真空联合堆载预压法、堆载预压法、振冲法、高压旋喷注浆法等。由于不同区域吹填土的岩土力学性质差异，通常在同一工程中，会采用不同的地基处理方法对地基土进行处理。在大窑湾二期续建工程中，采用了真空联合堆载预压法、堆载预压法、振冲加强夯法、强夯法等多种地基处理方法，本文主要对真空联合堆载预压法在大连港地区的应用表述作者的见解。
1．真空联合堆载预压法加固机理
真空联合堆载预压法是在真空排水预压法和常规的堆载排水预压法基础上联合发展起来的软基加固方法。真空联合预压法通过真空压力（负压）和堆载（正压）使土体中的超孔隙水压力在压力差的作用下通过竖向排水体逐渐排入水平向排水体，并由抽真空装置抽出，从而使土体产生固结变形。
2．工程概述
大连港大窑湾港区二期续建工程17#、18#泊位后方场地由取自港池土吹（回）填形成陆地，总面积约75万平方米。在吹填施工时，由于吹填管口分布及吹（回）填工艺所致，形成土质情况不同区域的陆地。地质资料显示，管口区土质以中粗砂、粉细砂、粘土、粉质粘土及粉土为主；管尾区主要以浮泥、淤泥及淤泥质粘土等土质为主，面积约为28.9万平方米，厚度为12～14m，该区域作为集装箱等构筑物场地使用，所以必须进行加固处理。在考虑工期、技术经济性、陆域围堤的安全等因素后，设计采用真空联合堆载预压方法进行地基加固处理。
地基处理技术要求：① 在预压荷载下，地基土的平均固结度达到85％；② 加固后的地表经碾压处理后复合地基承载力特征值不小于180kPa；③ 在使用荷载下，使用期内最终沉降量小于30cm；④ 膜下真空度不小于80kPa。
卸载时需达到以下要求：① 按实测沉降曲线推算的地基固结度大于85％；② 连续10天实测沉降速率不大于2mm/d；③ 按实测沉降推算的使用期内沉降量小于30cm；④ 加固后的地表经碾压处理后承载力不小于180kPa；⑤ 加固后的地表经碾压处理后地基回弹模量大于60MPa。
3. 施工工艺
形成排水通道
首先在泥面铺设两层无纺布，一层土工格栅，然后上面再铺设40cm厚的碎石垫层，30cm厚的砂垫层；打设塑料排水板，排水板间距0.8m，正方形布置，打设深度为12～14m。
铺设滤管
滤管采用φ75mm的PVC管，滤管间接头采用三通、四通联接，呈井状布置埋入砂垫层下20cm，并通过出膜器与真空泵连接。
分层铺盖密封膜
待埋设完真空表测头及其它观测仪器后，铺设第一层编织布，再将三层薄膜盖整个预压区，并将膜体四周埋人粘土密封墙内进入淤泥50 cm以上。
出膜装置与真空泵系统安装
通过出膜装置与射流泵联接，每台射流泵控制面积约 600 ～ 800 m2。连接管路时应注意接头牢固、密封，并有一定的柔性。
抽气并进行膜上堆载
当铺盖好密封膜接好射流泵后，开始试抽真空，随时检查是否漏气。约 7d左右膜内真空度可达80 kPa及以上。真空度稳定10d后开始进行膜上堆载，进行真空联合堆载预压。
满载预压及停泵卸载
真空联合堆载预压期间真空度必须保持在80 kPa 及以上，期间如果发现真空度下降，必须及时查找原因，迅速解决，确保整个预压期间的预压荷载。一般经过5个月左右的预压处理，通过监测达到设计卸载指标后，停泵卸载至设计要求的地基处理面标高，进行后续的强夯施工处理。
4．监测结果分析及效果检验
由于本工程地基处理面积约28.9万m2，根据使用要求共分为13个加固分区，每个区的处理方法均一样。现仅以D09区为例对真空联合堆载预压的监测结果及效果检验进行分析：
地表沉降观测
地表沉降观测分为插板期间地表沉降和预压期间地表沉降。
插板期地表沉降
插板前的砂垫层标高与插板后铺膜前标高之差可得出该时期的地表沉降。计算结果表明，D09区的平均地表沉降为626mm。
预压期地表沉降
预压期地表沉降观测截止到各区真空卸载日期，地表沉降观测结果：预压期D09区平均沉降为1717mm，最后10天的平均沉降速率为0.17cm/d。D09区实测预压期地表沉降曲线见图1。
图1荷载~地表沉降~时间变化曲线
从荷载~地表沉降~时间变化曲线上可以看出，在真空预压的前期及堆载加载过程中，沉降曲线较陡，斜率较大，加载结束后，静载满载期间，沉降曲线斜率逐渐变小，并趋于平缓。
孔隙水压力
预压期孔隙水压力观测截止到各区真空卸载日期。D09区孔隙水压力变化曲线见图2。
图3荷载~分层沉降~时间变化曲线
分层沉降
预压期分层沉降观测截止到各区真空卸载日期，预压期分层沉降观测结果表明： D09区土层总压缩量为1850mm。分层沉降曲线如图3。
侧向位移
侧向位移观测：D09区最大位移是89.40mm。受真空预压施工的影响，最大位移发生在表层且向着加固区内侧。观测点侧向位移曲线见图4。
地下水位
各预压区外侧地下水位变化监测结果表明，地下水位基本在标高+3.0m～+5.5m处变化，受区外挖沟等因素影响较大，水位变化规律性不明显。
固结度及工后沉降计算
依据预压期实测地表沉降曲线及分层沉降曲线推算最终沉降、工后沉降、固结度，最终沉降计算公式：
式中：S1、S2、S3为实测曲线t1、t2、t3时刻所对应的沉降值（或压缩量），且满足t2- t1＝ t3- t2。
工后沉降值计算公式：
式中：S----推算工后沉降值
S∞--推算最终沉降值
St----预压期t时刻沉降值
固结度计算公式：
式中：Ut---预压期t时刻地基固结度
根据地表沉降曲线，经计算，得D09区最终沉降量S∞=195.89cm，工后沉降S=24.2cm，固结度，Ut=85.29%；
根据分层沉降曲线，经计算，得D09区最终沉降量S∞=213.4cm，工后沉降S=28.4cm，固结度，Ut=89.6%；
可以看出，由地表沉降曲线推算的地基固结度、最终沉降、工后沉降和由分层沉降曲线推算的地基固结度、最终沉降、工后沉降是相互吻合的，能够反应了实际情况。
加固效果检验
卸载后对地基土进行预压加固效果检验。加固前后十字板强度对比如图5所示，加固前后土性主要指标对比如表1所示。
从表1加固前后土性指标对比情况及图5加固前后十字板对比图可以看出：①淤泥层含水量显著降低；②各土层力学指标均有明显提高。
预压加固后地基土的容许承载力
综合原状取土孔、十字板试验孔及监测资料，加固后各土层地基承载力特征值如表2所示。
5 结论与建议
① 实践证明，总的来说利用真空联合堆载预压处理后软土地基在大连港大窑湾港区二期续建工程中的应用效果是显著的，但由于吹填软土土性的原因，部分区域处理效果欠佳。
② 本方法可以大大缩短工期。土体利用单一的真空预压或堆载预压的方法进行软土地基处理，时间一般比较长或不能满足设计要求，而利用真空联合堆载预压进行地基处理，堆载产生的超孔隙水压力能短时间内消散，大大加快了土体的排水固结，缩短工期，同时增强了地基抗失稳能力；
③ 通过本工程的实践，真空联合堆载预压施工工艺对于处理地质情况为吹填土、淤泥的区域具有较好的效果，施工工艺较为成熟，成本上也比较合理，具有一定的推广价值。
参考文献：
工程地质手册；
港口工程地质勘察规范（JTJ240－97）；
建筑地基处理技术规范（JGJ79－2002）；
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。