水下真空预压法应用前景浅析

陈喜宏

摘要：随着沿海滩涂的开发和港口建设向深水发展，水下真空预压技术有着广阔的应用前景和适用性，本文简要介绍了水下真空预压技术的加固机理和技术特点和技术特点，包括施工工艺、适用范围及工程实例，认为该方法具有施工工期短、软基强度增长快、地基沉降量小且造价低的优点，通过不断的实践经验积累和理论创新，水下真空预压联合堆载预压的软基处理方法必将在水利工程地基处理工程中逐步得到推广。

关键词：水下真空预压；加固机理；技术特点；施工工艺

1水下真空预压技术的发展

随着我国改革开放和社会主义建设事业的发展，大力开展沿海、沿江城市，开发海洋，兴建水力、桥梁、码头，在水中及淤泥地基上建造工程的规模和数量都越来越大，遇到的工程难点也越来越多。如何妥善解决水环境及淤泥影响，处理好各种复杂情况下的地基，已成为迫在眉睫的问题。目前水下地基处理方法主要有挤淤法、水下灌注法及水下真空预压法等。

真空预压法作为一种技术可靠、经济合理、工期较短的处理方法在众多地基处理技术中已突显出其明显的优点，受到广大工程技术人员的青睐。目前，真空预压法加固软土地基技术已广泛应用于港口、公路、水利工程等领域，取得了巨大的经济效益和社会效益。但将该项技术拓展于水下软基的技术研究及应用却一直未能实现。随着抽真空所用材料、工艺、设备的改进，陆上真空预压施工技术口臻完善，为水下真空预压的研究提供了条件。

随着沿海滩涂的开发和港口建设向深水发展，水下真空预压技术有着广阔的应用前景和适用性，一旦成功实施，至少可以解决以下几个问题[1]：（1）提高水下开挖工程的稳定性，缩短工期，降低造价；（2）避免高桩码头的岸坡处理工程桩、梁、版开裂问题；（3）在防波堤施工过程中缩小防波堤断面尺寸，有效地控制防波堤堤顶标高；（4）代替传统的换填法施工工程。

2加固机理

水下真空预压法实质仍属于排水固结法，排水固结法是设置排水系统，改善排水边界条件，缩短排水路径，加速排水，在抽真空设备作用下，将土体中的空气和孔隙水排出，孔隙水压力降低并转化为有效应力的增加，土体固结消除大部分沉降以提高密实度和强度，而且停止抽气后，土体虽会产生回弹，但大部分压缩变形为不可逆的塑性变形，土体相对于加固前处于超压密状态，从而可有效地提高地基承载力和减少沉降量[2]。

水下真空预压法加固前后土体内的总应力没有发生变化，它是靠降低原孔隙水压力中由上覆水压力和大气压力组成的初始孔隙水压力使土体排水固结的。从这一点看，水下真空预压的加固机理同陆上真空预压的加固机理相似，只是真空预压法是在总应力不变的情况下，只降低原孔隙水压力中的大气压力[3]。

真空预压法土体中任意一点M点处的预压荷载可按下式计算（水面和泥面在同一标高处）：

（1）

式中：

—预压荷载；

—水密度；

—M点距泥面的高度；

—M点初始孔隙水压力；

—M点在抽真空作用下的孔隙水压力；

由于真空预压中加固土体通过密封膜与大气隔绝，所以在抽真空作用下的真空压力最大可降至接近绝对压力零点，因此真空预压荷载的极限为一个大气压力，即100kPa。

水下真空预压法土体中任意一点M点处的预压荷载可按下式计算:

（2）

式中：

—M点初始孔隙水压力；

—水密度；

—膜上覆水的高度；

—M点距泥面的高度；

—M点在抽真空作用下的孔隙水压力；

水下真空预压的预压荷载等于预压前的孔隙水压力和预压后（完全固结）的孔隙水压力之差，当膜下砂垫层中孔隙水压力小于0时，膜上水可全部作为预压荷载起作用，这时水下真空预压的预压荷载等于膜上水压和膜下真空度之和。

图1 水下真空预压加固前土体应力图

图2 水下真空预压加固后土体应力图

3技术特点

3.1施工工艺

水下真空预压的施工工艺同陆上相比要复杂得多[4]-[5]，这也是水下真空预压技术的研究进展缓慢的主要原因，通过长时间的研究和摸索，找出了一些水下真空预压施工的可行的方法。水下真空预压的施工工序和陆上真空预压相似，主要为：铺砂垫层，打设塑料排水板、铺设滤管、铺膜、连接真空泵、抽真空。只是在水下真空预压的施工过程中，各施工工序有时是穿插进行的，具体施工程序如下：

放线—测量加固区地面高程—铺设0. 5m水平排水砂垫层（中粗砂）—测砂垫层面高程图—加固前检验—打设塑料排水板—埋设监测仪器—测插板后砂面高程—铺设真空滤管、埋膜下测头—铺设0. 5m水平排水砂垫层（中粗砂）—测砂垫层面高程图—铺膜—地基加固监测—停泵、卸载—清理现场，退场，验收。

其中测量放线、高程测量、水上抛砂垫层、水上打设塑料排水板以及加固前后的取土检验等技术目前都很成熟，水下真空预压技术的难点在于铺设滤管、水下铺膜和安装射流泵，处理效果在很大程度上取决于这三个环节。

3.2适用范围

凡是能形成负压边界条件的软粘土地基就可以用水下真空预压法来加固，目前的抽真空设备在水深10m的条件下可以在膜下砂垫层中形成明显的负压边界，加固效果显著。该方法可用于码头岸坡、防波堤和围捻等地基的加固工程，尤其是在解决用堆载预压等方法很难解决的码头岸坡稳定问题，其技术优势和经济效益更为显著[6]。

3.3工程实例

林正珍，邓昭林[7]根据厦门岛西岸线整治工程173m长岸线采用水下真空联合堆载预压处理软土地基的工程实例，通过成功地应用水下真空联合堆载预压技术，并与同等的堆载预压加固方法进行比较，认为该方法具有施工工期短、软基强度增长快、地基沉降量小且造价低的优点。

陈顺益[8]将水下真空预压技术运用到厦门岛第三码头至同益码头段岸线综合整治工程中的护岸工程基础软基处理工程中，获得了成功，证明施工工艺是可行的。

图3 施工工业图

4结语

水下真空预压技术可以解决高桩码头岸坡位移造成码头后几排桩、梁、板变形、开裂等问题，还可解决水下开挖稳定、缩小防波堤断面尺寸并缩短加载周期等问题，适用于能形成负压边界条件的软粘土地基，同时水下真空预压技术还是一种文明环保的新型软基加固技术。对水下真空预压技术进行研究，既是市场需要，也是真空预压技术进一步深入发展的必然。

然而，水下真空预压的研究尚在起步阶段，还有很多问题需要进一步研究，其施工工艺还有待于典型施工的验证。通过不断的实践经验积累和理论创新，水下真空预压联合堆载预压的软基处理方法必将在水利工程地基处理工程中逐步得到推广。

参考文献：

水下真空预压中真空产生机制、预压加固机理及其应用技术研究. 天津大学建筑工程学院.2006.11.

高志义. 真空预压法的机理分析[J]. 岩土工程学报, 1989,4(7): 45- 56.

张敬，刘爱民.水下真空预压的加固机理分析[J].岩土工程学报，2007，29（5）：645-649.

HG/T20578-95，真空预压法加固软土地基施工技术规程.

娄炎，真空排水预压法加固软土技术，北京:人民交通出版社，2002.

张敬.水下真空预压中真空产生机制、预压加固机理及其应用技术研究[D]. 硕士学位论文.天津：天津大学建筑工程学院，2006.

林正珍，邓昭林. 水下真空联合堆载预压处理潮间带软基[J]. 水运工程.2005,8(379):67~74.

陈顺益. 潮间带水下真空预压联合堆载预压软基处理施工工艺[J]. 世界桥梁.2005, (4):72~75.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。