岩土力学论文第五篇：软土地基处理中水气分离抽真空技术的运用效果
摘要：针对目前传统软土地基处理真空预压技术存在的问题，以实际工程为依托，选取4个区域，分别采用传统真空预压技术和水气分离抽真空技术进行软土地基处理，并对地基沉降进行分析，对比2种技术的施工成本，总结水气分离抽真空技术要点。研究结果表明，水气分离抽真空技术具有施工效率高、成本低、加固效果好的优点，更适用于大面积围海造地软土地基的处理。
关键词：地基处理; 软土; 水气分离; 加固; 施工技术;
Application of Water-gas Separation and Vacuum Technology in Soft Soil Foundation Treatment
CHEN Hao LI Po DAI Jinxin YANG Guofu WANG Qing
The Third Construction Engineering Co.,Ltd.of China Construction Second Engineering Bureau
Abstract：Aiming at the problems existing in the traditional vacuum preloading technology for soft soil foundation treatment,based on actual engineering,four areas are selected,and the traditional vacuum preloading technology and water-gas separation and vacuum technology are used for soft soil foundation treatment. The foundation settlement is analyzed,the construction costs of the two technologies are compared,and the main points of water-gas separation and vacuum technology are summarized. The research results show that the water-gas separation and vacuum technology has the advantages of high construction efficiency,low cost,and good reinforcement effect. It is more suitable for the treatment of soft soil foundation in large-scale sea-surrounding land.
0 引言
目前我国大面积围海造地项目较多，由此产生软土地基处理问题。软土一般孔隙比大、天然含水率高、压缩性高、强度低且渗透性小。场区工程地质条件一般较差，地基承载力和变形常无法满足设计要求，需进行软土地基处理[1]。
针对传统软土地基处理方法存在的问题，以沧州市黄骅港软土地基处理工程为依托，通过现场实测，对比分析水气分离抽真空技术的应用效果。
1 软土地基处理方案分析
软土地基处理时常采用固结排水法，包括堆载预压法、真空预压法，沿海地区大面积软土地基处理时常采用真空预压法[2]。
传统工艺抽真空设备是将密封膜下水平垫层中的水和气体逐渐抽出，在水平排水垫层中形成负压并向竖向排水体传递，使之与土中的孔隙水压力形成压差，土体孔隙中的水气由土体流向竖向排水通道，再经竖向排水通道流向水平垫层，最后汇集至真空滤管中被抽走，地基软土因此产生固结沉降，从而得以加固。传统工艺需设置多个射流泵，大量布设电缆和变压器，由于地基加固过程中膜上覆水，许多射流泵淹没在水下，易损坏，且不易被发现，给地基加固质量控制带来隐患。
水气分离设备使水气在水气分离罐内自动分离，气体通过真空泵站排出，当水达到一定量后，排水装置自动开启，将水排出罐外[3]。
水气分离设备具有良好的节能性和密封性，能使水气抽离地下，且不会造成地下真空压力的不均匀变化;具有滤管排布较密、真空泵布置较少、电子控制、用电量较小等优势;可有效降低人工成本，减少施工区域内电缆线的布置，具有良好的经济效益和生态环境效益[4]。
水气分离主要有重力沉降、拆流分离、离心力分离、丝网分离、超滤分离5种方式，每种方式各有优缺点[5,6]。重力沉降、拆流分离、离心力分离主要利用液体和气体的密度不同使水气分离，丝网分离、超滤分离主要利用液体和气体的颗粒不同使水气分离。现场使用的水气分离装置主要利用重力沉降的方式，由于气体与液体密度不同，二者一起流动时，液体受重力作用产生向下的速度，而气体仍向着原来的方向流动，即液体与气体在重力场中存在分离倾向，向下流动的液体附着在壁面上，汇集后通过排放管排出。
2 水气分离抽真空技术
为研究新型水气分离抽真空技术和传统抽真空技术的应用效果，根据工程实际情况，选取B3,B8,B10,B14区域作为研究对象，其中B3,B8区域采用传统抽真空技术，B10,B14区域采用水气分离抽真空技术，在各区域内设置不同位置的沉降观测点(6～9个)，并绘制沉降曲线，计算工后沉降和固结度，同时记录施工过程中人工、材料、机械、用电量等成本数据。
2.1 施工效果分析
B3,B8,B10,B14区域各观测点沉降曲线如图1～4所示。由图1,2可知，采用传统抽真空技术施工后，B3,B8区域地基在20d内快速固结，20～30d下降速度开始减缓，30d后缓慢下降。由图3,4可知，采用水气分离抽真空技术施工后，B10区域地基在20d内快速固结，20d后开始缓慢下降;B14区域地基在30d内快速固结，30d后下降速度开始减缓。
图1 B3区域沉降曲线
各区域平均沉降曲线如图5所示，由图5可知，B10,B14区域平均沉降明显大于B3,B8区域，可知采用传统工艺时地基初期沉降略大，随着时间的推移，新工艺沉降效果明显，可更快地到达最大沉降量。
图2 B8区域沉降曲线
图3 B10区域沉降曲线
图4 B14区域沉降曲线
图5 平均沉降曲线
按照设计要求真空预压100d后，采用经验双曲线法对监测数据进行计算分析，结果如表1所示。由表1可知，B3,B8,B10,B14区域固结度分别为85.4%,85.7%,87.8%,86.9%，均达到设计要求的85%，其中B10,B14区域固结度大于B3,B8区域，因此，采用水气分离抽真空技术可更快地提高地基固结度。
表1 沉降观测、工后沉降及固结度计算结果
2.2 施工成本分析
施工过程中分别对B3,B8,B10,B14区域进行施工成本统计，如表2所示。由表2可知，B10,B14区域施工成本在设备、材料、人工、能源消耗方面均低于B3,B8区域，共节约成本242.9万元。水气分离抽真空技术可大幅度降低变压器等电力设备的投入，同时还可减少电缆线的使用量，大量减少材料消耗;设备总功率低，用电量大幅度降低，经济效益明显。
3 软土地基处理
3.1 水气分离设备
水气分离抽真空装置包括膜下罐体、膜上罐体、1台水环泵(真空泵)、2台抽水泵及6套出膜装置。其中，水气分离罐的主要作用是接收并分离负压作用下由地下排出的气液物质，此阶段也是主要的排水过程。水气分离罐分为膜下部分与膜上部分，膜下装置内安有2台高压水泵，用于排出装置内的分离水。膜上部分设有气体缓冲罐及液位自动控制系统、排水口和吸气口(连接真空泵)。
3.2 工艺流程
水气分离抽真空技术在软土地基处理中的工艺流程如图6所示。
3.3 施工要点
1)确定罐体埋设点及盲点位置
施工区域尺寸为168m×180m，根据计算，布置4套水气分离装置较合理(每套水气分离装置抽气面积为7 000～9 000m2)。每个水气分离罐与滤管连接的盲点(即滤管与盲管的连接点)为18个。区内共均匀合理地分布72个盲点，保证全区真空度均衡分布，从而使沉降更加均匀。埋设点和盲点布置如图7所示。
2)下部罐体安装
图6 工艺流程
图7 罐体埋设点及盲点位置
塑料排水板打设完成并清泥后进行水气分离罐下部罐体的安装。每个标准预压区放置4个水气分离罐。在确定的水气分离抽真空设备布置点埋设膜下罐体部分，并放置2台抽水泵。
3)埋设滤管、盲管及出膜装置
下部罐体安装完成后，按设计图纸要求进行滤管、盲管埋设，滤管埋设间距、深度均需满足图纸要求。各盲点处盲管与主滤管通过二通连接，盲管另一端连在设备的出膜装置上。
4)合区并铺设密封膜
为更好地保证土体加固效果，做到真空预压抽气无盲区，将相邻2～4个区域合并为1个真空计时抽气区域，新合成区域水气分离抽真空设备数量及相应盲点数量为原来各区域数量之和。当完成滤管、出膜装置、盲管埋设，并开挖压膜沟、打设黏土帷幕墙后，再次进行场地清理，并排出区内积水，清除泥浆、石块等杂物，铺设1层250g/m2无纺土工布。
5)上部罐体安装
密封膜铺设完成后，进行水气分离罐上部罐体安装。上部罐体由人工搬运至现场指定位置，将膜上罐体与膜下罐体进行密闭连接，并连接抽水泵相关电缆线，安装密封盖。
6)罐体与出膜装置密封连接
出膜装置与水气分离罐之间用塑料管或PVC管进行密封连接，连接处设置止水阀门。
7)安装水环泵
水环泵由人工搬运至罐体处并安设完成，水环泵与罐体之间用塑料管或PVC管进行密封连接，架设水环泵、抽水泵相关电缆线，保证电缆线距密封膜一定高度，膜上覆水后避免电缆线浸泡，配备三级配电箱，保证用电安全。
8)试抽气
所有抽气管道及电缆线连接完成后接通电源，然后开启抽气设备进行试抽气。
9)正式抽气及卸载
达到设计真空压力值后报请监理工程师给予正式计时，达到卸载要求后进行卸载。
4 结语
通过软土地基处理工程现场施工监测与记录数据的对比分析，得出以下结论。
1)水气分离抽真空技术可保证施工区域达到膜下真空度。与传统真空预压技术相比，水气分离抽真空技术提高了设备工作效率，可更快地提高地基固结度，具有抽气效率高、抽气量大的优点。
2)水气分离抽真空技术在设备、材料、人工、能源消耗等成本指标上全面低于传统抽真空技术，经济效益明显。
3)对于沿海地区大面积软土地基处理工程而言，水气分离抽真空技术具有良好的适用性，施工成本低、效率高，可有效保证地基加固效果。
参考文献
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[2]李小红．真空预压与堆载预压的比较分析[J]．住宅与房地产，2019(6):252.
[3]史珉钰，李德修，吴学敏，等．大面积软基处理真空预压施工关键技术研究[J]．施工技术，2018,47(1):97-99.
[4]王国兴，周兆欣，李超．真空预压处理港口吹填区软土地基的应用研究[J]．海岸工程，2017,36(4):44-52.
[5]郝思东．水气分离式真空预压技术在淤泥软基处理中的应用[J]．珠江水运，2018(11):24-25.
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