高真空排水法在机场浅基处理中的应用

高真空排水法在机场浅基处理中的应用1绪论浅层地基处理就是利用合适的处理措施，使原本含水量高，压缩性大，强度低、透水性小、处于饱和状态下的浅层土中的孔隙水排出，从而使土体固结，提高土体的承载力和改善其不均匀性，使地表一定深度范围内土层的强度得到有效提高，形成一定厚度的硬壳层，增强土体的整体变形协调性，满足地面结构对地基强度的要求。我国目前常用的浅层地基处理方法主要有排水固结法、振冲挤密法、置换法、加筋法、强夯法和碾压法等。由于各工程现场条件的复杂性、地质情况分布的不均匀性，加上各种地基处理方法的适用性和局限性，因此地基处理方案应该因地制宜，需要分析场地的工程地质情况，提出相应的处理方案，并通过现场试验，最终确定工程的地基处理方案。并且要注重综合应用多种地基处理技术，使施工方案更加合理，更为经济。本文主要结合上海浦东国际机场二期飞行区地基处理的工程实例，着重分析工程地质情况，对比各主要浅基处理工艺对该工程的适应性，通过工程试验对拟采用的浅基处理方案进行对比研究，确定最终施工方案。重点对比了强夯法、高真空排水击密法两种浅基处理施工方案。通过开展施工试验，分析对比两种浅基处理方案对该工程的适应性。工程最终确定采用高真空排水击密法进行机场浅基处理。通过试施工，确定出相关施工参数。因高真空排水击密法实际上是将高真空排水法与强夯法结合进行综合地基处理，而强夯法在地基处理中已较为常用，工法比较成熟，因此本文着重介绍高真空排水法在工程施工中的实际应用，强夯法施工工艺不再赘述。当前，我国基础设施建设飞速发展，基础处理是各类设施建设中的首要工程。而我国东南沿海地区普遍存在软土地基，这些软土层具有水量高，压缩性大，强度低、透水性小等特性，如何加强软土地基处理，为地面结构物提供良好的地基条件，是开展工程建设需要解决的首要任务。高真空排水法在上海浦东国际机场二期飞行区地基处理工程中的成功应用，可为今后类似软基处理工程施工提供借鉴。福州大学本科生毕业设计（论文）2第一章工程地质分析及浅基处理要求1.1工程概况我国东南沿海地区，普遍存在软土地基，这些软土层具有含水量高、压缩性大、强度低、透水性差等特性。机场道面是为飞机提供起降、滑跑的结构物，飞机运行需要道面必须具备足够的强度、刚度。因此，软土地基处理重点在于慎重研究决策合理的地基处理方案和优化地基处理施工工艺，确保地基处理工程的质量，为道面结构提供良好的地基条件。上海浦东国际机场位于长江三角洲冲积平原前缘，濒临东海，属长江河口--滨海砂嘴相地貌类型，为数百年前新淤积而成的新海滨平原。浦东国际机场二期规划用地系1996年前后围海造地形成。场区东北部原来主要是围涂筑塘而形成的滩地，有较多的杂草及芦苇，地势较为平坦；西南部分布有较为发育的河、沟、塘和少量耕地，除河埂处地势较高外，其余地势较为平坦。工程施工前在二期飞行区内结合堆载预压进行了吹砂补土工作，完成后的地面高程有一定的起伏变化。场地内15m深度范围内存在饱和砂（粉）土层。第②-3层、第③-2层砂质粉土为液化土层，场地液化指数为1.45～8.18，液化等级为轻微～中等。场区地下水主要类型为孔隙潜水及孔隙承压水二种。浅部孔隙潜水主要补给来源为大气降水、地表径流和潮水，并受控于机场围场河。场区大部分土层具有高压缩性，是典型的超大型软土地基（详见图1-1）。图1-1工程场地原貌1.2工程地质分析根据上海岩土工程勘察设计研究院编制的《上海浦东国际机场二期飞行区场地岩土工程勘察报告》资料分析，二期飞行区场区的主要工程地质问题是:1.场区浅部层组由粉质粘土、砂质粉土等组成，其表层主要为近年围海促淤所形成，结构松散，处于欠压密状态，属低强度型土基。2.埋深、厚度较大的深层软土地层（淤泥、淤泥质土），具有含水量高、压缩性高的特点。尤其是在场区中存在数量较多、赋存状态复杂的古河道，在结构荷载作用下的沉降量大，是场区中存在的主要工程地质问题，是需要重点解决的问题。高真空排水法在机场浅基处理中的应用33.古河道的切割使土层在厚度上变化较大，土层不均匀，其中部层组的主固结沉降、次固结沉降和不均匀性沉降对场地地基稳定性的影响很大，是地基处理方案设计中需要重点考虑的区段。1.3浅层地基处理的目的及要求上海浦东国际机场二期飞行区土层厚约9～11m，主要由粘质粉土夹粉质粘土、砂质粉土、淤泥、粉质粘土等组成。浅部层组土层结构松散，处于欠压密状态，属低强度型土基。这些土层物理力学性能差异较大，相同荷载作用下，会产生不均匀变形；其次，对于同一土层的不同位置，其物理力学性能也有较大的差异。另外，整个表层土的地基反应模量和强度均较低，在飞机荷载作用下容易产生累积塑性变形。同时，由于大部分场区处于围海造地的滩地、沟、河、塘内，土质极不均匀，且标高较低，工程施工前场地内进行吹砂补土堆载预压工作。卸载后部分吹填粉细砂将作为地基填土，存在强度低和液化问题，作为场道地基使用时不能满足要求。为此，浅层地基处理的目的就是通过选取合适的处理方案对浅层土进行加固，将处于饱和状态下土体中的孔隙水排挤出去，预压沉降，使土体固结，把由原来孔隙水承担的压力，随着水的排除转变为由土骨架承受，从而提高土体的承载力，改善其不均匀性，使地表一定深度范围内土层的强度得到有效提高，形成一定厚度的硬壳层，增强“土体-道面”结构的整体变形协调性，满足道面结构对地基强度的要求，最终给道面结构提供均匀稳定坚实的基槽。福州大学本科生毕业设计（论文）4第二章浅基处理主要方案比选及试施工由于工程现场条件的复杂性、地质情况分布的不均匀性，加上各种地基处理方法的适用性和局限性，因此，地基处理方案选择时应该因地制宜，需要在分析场地工程地质勘察资料的基础上提出地基浅层处理方案并进行现场试验，检验各种处理方案的有效性和适用性，通过对试验结果的综合比较，最后确定工程的地基处理方案，并且要注重综合应用各种地基处理技术，使方案选用更为合理。上海浦东机场二期飞行区软土地基处理时，着重对强夯法和高真空排水击密法的软土加固处理方案进行了比选。2.1主要软基处理方案分析比较2.1.1强夯法强夯法（国际上也称动力压实法）处理地基是六十年代由法国Menard公司首创，该方法利用夯锤自由下落产生的冲击性能和振动反复夯击地基，在地基中形成冲击波和动应力，从而提高土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化特性和消除湿陷性黄土的湿陷性，同时，夯击能还能提高土层的均匀程度，减少建筑物可能出现的差异沉降。强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土及黏性土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基，其加固效果显著、施工设备简单、简单方便、节省劳力、施工期短、节约材料、施工文明和施工费用低等优点。经过40多年的应用，强夯法地基处理方法施工渐趋成熟，尤其对于处理砂土、粘性土和粉性土及含水量低于25%的杂填土地基，效果较好；但对于处理饱和软（粘）土地基时却极易产生“橡皮土”现象，往往处理效果不显著，难以达到预期效果。2.1.2高真空排水击密法高真空排水法的加固机理是：先在膜下抽真空形成负压(相对大气压力而言)。此时地基中仍为大气压力状态，负压沿井管向下传递，土体与井管的不等压状态又使负压向土体中传递，在负压作用下土体中的孔隙水向井管中汇集，通过井管流向集水管并通过管道抽出。孔隙水的排出使土体中孔隙压力降低，由于土体总应力不变，根据有效应力原理，孔隙压力的降低即为有效应力的增加，土体在有效应力增量的作用下固结，土的抗剪强度也随之得以提高。高真空排水击密法，即是利用专用高真空设备强制改变土体中的含水量，使土体达到最佳含水量，同时采用大型击振设备击实土体，使土体达到最佳密实度。该方法具有施工工期短、造价低的特点。高真空击密法比一般轻型井点降水的深度大、真空度高的特点，可有效地调整和改善土体中的含水量，特别适合于含水量高的软弱地基的加固处理。2.2浅层地基处理试验方案高真空排水法在机场浅基处理中的应用5为分析对比两种浅基处理工艺对该工程的适应性，确定出最佳施工方案，根据二期飞行区场地的具体情况，设置浅层地基处理试验区。试验区分为2个强夯试验区和1个高真空排水击密试验区。2.2.1强夯法试验方案强夯法方案分为2个试验小区，每个试验小区尺寸均为30mx30m，试验前设置地表排水系统，以起到降低地下水位的作用。强夯I区方案：施工时前三遍均为点夯，单击夯击能由500kN·m逐渐增强至1500kN·m;第四遍采用满夯，单击夯击能500kN·m。夯后铺设30cm厚的垫层，并进行碾压。强夯Ⅱ区方案：施工时前三遍也为点夯，但每一遍点夯后及时铺设山皮土或碎石垫层，垫层厚0.4m，再进行下一次夯击。第四遍为满夯。2.2.2高真空排水击密法试验方案高真空排水击密法试验设1个试验小区，首先采用高真空降水法调整土层中的含水量，然后采用强夯法进行致密，试验小区的尺寸也为30mx30m。第一遍高真空降水:时间为10天，砂土、粉土中孔距6.0m，孔点按梅花形布置，孔点滤头最大入土深度8～9m;软土中另设孔点，孔距3.5m。第一遍击密:强夯，夯击能量约3000kN·m，点距5.Om，8～10击，具体根据试夯时的每击贯入量、夯坑深度、隆起量确定。第二遍高真空降水:时间为3天，与第一遍相同工艺，孔点按梅花形布置，有软土时真空排水时间为8天。第二遍击密:强夯夯击能量约3000kN·m，8～10击，点距5.0m，同第一遍。第三遍击密:超大功率振动击密。2.3试验方案质量检测成果所有试验小区在地基处理过程中及地基处理后均进行了专项工程勘察及取芯检测，为确定合理的基础处理方案及优化施工参数提供理论依据。试验小区的勘察及检测工作主要包括钻孔取样及室内试验、标准贯入试验、静力触探试验、波速测试、地基反应模量试验、地基因弹模量试验、CBR试验等。各试验小区的勘察及检测情况见表2-1。表2-1试验区勘察及检测数量分布表单位：点勘察及检测项目标准贯入试验静力触探试验反应模量试验回弹模量试验波速试验取土孔现场CBR强夯I区6x5次6x5次61246强夯Ⅱ区6x5次6x5次61246高真空排水+强夯区6x5次6x5次61246福州大学本科生毕业设计（论文）6各试验小区的勘察及检测结果见表2-2。表2-2试验区勘察及检测数据成果表勘察及检测项目标贯击数当量值N63.5(击)比贯入阻力当量值PS(Mpa)地基反应模量值K0(MN/m3)地基回填模量值E0(Mpa)现场CBR(%)沉降量(cm)试验前5.502.3320.8043.020.89/强夯I区10.44.3038.8260.276.7130.2强夯Ⅱ区10.24.4846.5064.778.1935.7高真空排水+强夯区12.44.6261.3271.738.8355.72.4地基处理方案比较通过上述两种地基处理试验方案的检测数据表明，强夯法、高真空排水击密法均能提高土体强度和土基的承载力，各种加固方法各有特点。其中，强夯法地基土强度增加较大，加固深度范围大，但表面处理较差；高真空排水击密法加固后地基土强度增加较大，且地基土均匀提高，对于较软弱区域地基土强度变化效果较为明显，但相对施工工艺复杂，成本大。2.5浅层地基处理方案确定由于二期飞行区地基处理是在卸载后的条件下进行，地下水位较高，土体基本呈饱和、高压缩性和低强度，施工时极易扰动土体使之液化，造成施工困难、增加弃土量、影响土方的充分利用和调配。因此，根据场区工程地质条件及存在的主要工程地质问题、堆载预压的效果和地基浅层处理试验的技术总结，确定“高真空排水+强夯”方案作为首选方案。高真空排水工艺与强夯工艺结合起来，很大程度上提高了强夯的效果和效率，对浅部土层强度的提高非常有效，且加固后的土基比较均匀，处理深度较大、强度高，在施工中消除的沉降量较多，可以达到比较理想的地基加固处理效果。2.6高真空排水试施工为更好地指导大面积的工程施工，工程施工前进行了工艺性试验，以判定初步设定的施工方法的合理性，并在满足设计要求的各项质量技术指标的条件下，对各项施工参数进行优化。高真空排水试施工的目的及内容是:验证设计高真空井管布设网度、深度；确定高真空排水施工的