真空联合堆载预压法在人工岛地基处理中的应用

徐婷婷，李连明

（广州南华工程管理有限公司，广东 广州 510230）

真空联合堆载预压法是在真空预压法和堆载预压法的基础上发展形成的一种软土地基处理方法，具有真空预压和堆载预压的双重效果，适用于设计荷载大、承载力要求高、工后沉降少、工期要求紧的工程[1]。

1 工程概况

港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程位于珠海市九州港码头南约2 500 m、情侣南路东约2 000 m的拱北湾，自然水深-2.5～-3.0 m，原泥面以下为15～18 m厚的淤泥，东南护岸为大开挖清除淤泥抛石护岸，西北护岸为半直立式护岸，即对原地基进行处理，然后其上安装预制的空心方块（小沉箱）。西、北护岸真空联合堆载预压范围：长2 551.6 m、宽110 m带状，面积266 123 m2，分11个区域施工；其中北标段7个区域，面积171 524 m2。北标段岛内区由于陆域形成吹填施工造成原泥面变形，局部淤泥相对集中，原泥面挤压抬高，淤泥层变深，为保证地基处理的效果及工期要求，原设计的堆载联合降水法改为真空联合堆载预压法进行地基处理，面积511 235.6 m2，分18个区域施工[2]。

2 施工工艺及应用

2.1 真空预压法施工工艺

真空预压法：是在需加固的软土地基表面铺设1层不小于1.0 m透水砂垫层，在砂垫层顶面打设垂直塑料排水板，排水板间距在0.7～1.3 m，并穿透淤泥0.3 m以上，保证淤泥中垂直和水平方向的排水；在需加固的软土地基周围进行连续泥浆搅拌墙或其它形式不透气密封；然后在砂垫层上覆盖1层不透气的密封膜（塑料薄膜或橡胶布），覆盖密封膜前在砂垫层内埋设渗水不漏砂的滤管以及各种监测设备并引出密封膜外，管道及各种监测设备与密封膜连接保证不透气；管道与真空泵连通进行抽气，以大气压力作为预压载荷，在土体孔隙水中产生负压力，使透水砂垫层中保持较高的真空度，将土体中孔隙水和空气逐渐吸出，从而使土体固结。

2.2 堆载预压法施工工艺

堆载预压法：是在软土地基中形成垂直、水平方向的排水后，再在地面上堆载预压，使软土体中孔隙水沿塑料排水板沟槽排至砂垫层，以加速软土地基的沉降，使软土地基密实固结。

2.3 真空联合堆载预压法施工工艺

真空联合堆载预压法，是将真空预压法和堆载预压法整合并同时进行。真空预压期间，受真空预压荷载的影响，加固土体产生侧向收缩变形；而在堆载预压期间，土体受堆载影响，加固土体产生侧向挤出变形。上述两种变形在施工过程中可相互抵消，从而可使地基处理的预压速度加快，且地基在预压过程中不会产生变形失稳。

2.4 在人工岛填海工程中的应用

港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程半直立式的西、北护岸及岛内区部分采用了真空联合堆载预压法进行地基处理。具体方法如下：

1） 西、北护岸陆域回填到+1.0 m标高后，西、北护岸铺设1层1.0 m厚中粗砂垫层；岛内区陆域回填到±0.0 m标高后，铺设1层2.0 m厚中粗砂垫层。以保证水平方向的透水，在中粗砂垫层顶面按1.0 m间距打设塑料排水板，以保证淤泥土体中垂直方向排水。

2）砂垫层铺设完成后，按划分区域打设泥浆搅拌墙进行竖向密封，根据JTS 147-2—2009《真空预压加固软土地基技术规程》规定区域划分宜为20 000～40 000 m2。泥浆搅拌墙按照设计技术标准和要求，外侧采用双排桩，直径φ700 mm，纵横两桩彼此搭接200 mm，间距500 mm；分区之间采用单排桩，直径φ700 mm，两桩彼此搭接200 mm，间距500 mm。

3）在铺设密封膜前在砂垫层中埋设各种监测和检测设备，包括地表沉降监测、分层沉降监测、孔隙水压力监测、水位观测和深层侧向位移观测及真空度观测测头，所有监测和检测设备在区域内均匀布置，并引出密封膜外。

沉降监测需监测塑料排水板打设期间的沉降和真空联合堆载预压期间的沉降，沉降监测杆底盘面积不小于0.5 m×0.5 m，测杆接出堆载顶面1.0 m，按75 m间距正方形布置。

分层沉降监测按间距150 m布置，埋入不变形土层1.0 m以下，软土层中大致按每3.0 m间距埋设1个测环。

孔隙水压力监测按间距150 m布置，在软土层中大致每3.0 m间距埋设1个测头，与分层沉降相对应。

水位观测按间距100 m布置，水位观测管需进入稳定水位以下2.0 m，且进入原泥面3.0 m以上。

深层侧向位移观测沿护岸按200 m布置，观测管底部进入强风化岩层1.0 m。

同时按每600～800 m2均匀埋设真空度测头，测头埋设两滤管中间离边界5.0 m处砂垫层顶面以下0.25 m，引出密封膜与真空表连接。

4）铺设真空滤管道，真空滤管道采用UPVC塑料花管，花管管壁上每隔5～8 cm有直径φ5～7 mm的小孔；外包1层质量为90 g/m2的无纺土工布作为过滤层，过滤层只透水气不透砂；滤管按间距6.0 m布置，并埋入砂垫层0.25 m深。真空滤管道与四周的主干管连接，主干管采用通径为76 mm的UPVC管（壁厚δ=3.5～4.0 mm，能承受400 kPa的压力），主干管伸出密封膜0.3 m与真空泵连接。

5）铺设密封膜，在铺设密封膜前全面检查和清除砂垫层顶面的尖锐杂物，并在砂垫层顶面先铺1层土工布或纺织布，防止对密封膜的损坏；密封膜双层铺设，每层铺设均仔细检查密封膜的完好情况，不得有破损；采用人工将密封膜踩入四周的泥浆搅拌墙顶面0.2 m以上，密封膜与泥浆搅拌墙将真空联合堆载区域围成完全封闭的整体。

6）真空泵安装与连接，真空泵按每800～1 000 m2均匀布置1台在需预压处理区域的边界四周，与主干管出膜口连接抽气。

7）真空联合堆载预压，真空泵与出膜口连接完成后，开始抽气，当膜下真空度达到85 kPa开始恒载计时；恒载计时15 d后，在密封膜上铺设1层土工布或纺织布，防止堆载料破坏密封膜，然后分级上料堆载；西、北护岸堆载厚度为3.6 m，分1.5 m、1.5 m、0.6 m三级加载，预计堆载预压时间105 d；岛内区堆载厚度为5.6 m，分1.5 m、1.5 m、1.5 m、1.1 m四级加载，预计堆载预压时间135 d。为保证岛内陆域形成与堆载上料的平衡，真空联合堆载预压区域的堆载料需借用其它区域的堆载料，根据现场实际情况，部分区域先期采用真空预压，待有堆载料时再行加载，以减少真空联合堆载预压的时间。

3 地基处理效果分析

3.1 地表沉降分析

真空联合堆载预压法通过地表沉降速率观测指导堆载施工的速度，通过地表沉降观测推算土体固结度和残余沉降量，以及确定堆载预压的卸载时间。设计要求满载期间膜下真空度85 kPa以上，残余沉降不大于250 mm，差异沉降按坡度不大于1/400，西、北护岸固结度80%以上、岛内区固结度85%以上。以西、北护岸B5区、岛内5区作为典型施工区域进行分析。

B5区满载有效时间114 d，总沉降量为1 717 m，固结度90.7%，残余沉降107～250 mm，差异沉降按坡度1/2 884，达到设计的卸载要求。实测地表沉降时间曲线如图1。

图1 B5区地表平均沉降-荷载-时间曲线图Fig.1 Curve of average settlement-loading-time of ground surface in B5 area

5区满载有效时间82 d，总沉降量为2 429 mm，固结度94.4%，残余沉降169～250 mm，差异沉降按坡度1/862，达到设计的卸载要求。实测地表沉降荷载时间曲线如图2。

图2 5区地表平均沉降-荷载-时间曲线图Fig.2 Curve of averagesettlement-loading-time of ground surface in No.5 area

3.2 孔隙水压力分析

真空预压法在软土体中产生负压力，使软土体中的孔隙水吸出；堆载预压法在荷载的作用下，使软土体中孔隙水沿排水板沟槽排出；土体中的孔隙水压力不断消散，有效应力不断增加，从而使土体固结。5区、B5区实测孔压与荷载、时间曲线如图3、图4。

图3 5区孔隙水压力-荷载-时间曲线Fig.3 Curve of pore water pressure-loading-timeof No.5 area

图4 B5区孔隙水压力-荷载-时间曲线Fig.4 Curveof pore water pressure-loading-time of B5 area

可以看出：抽真空的前期，在负压的作用下，孔压迅速减小；随着堆载荷载的增加而孔压有所增大，满载后又逐渐消散。且观测测头附近土体中孔隙水消散良好，说明真空联合堆载预压区域均取得较好的效果。

3.3 地基处理效果检验

真空联合堆载区域卸载后进行了室内土工试验及现场十字板试验，并与地基处理前勘察资料进行对比[3]。

1） 室内土工试验

B5区和5区卸载后分别进行原状取土钻孔，进行室内主要力学指标土工试验，并与该区域真空联合堆载预压前勘察的力学指标进行对比，详见表1。

从表1分析：软土地基经真空联合堆载预压后，软土层的含水量w、孔隙比e、液性指数IL、压缩系数a1-2等指标均变小；剪切强度指标（C、φ）、无侧限抗压强度qu等指标均有所增大；土质明显改善，压缩性降低、强度增加，由淤泥已改变为黏土。

2）十字板原位试验

B5区和5区卸载后分别进行现场十字板强度试验，并与该区域真空联合堆载预压前勘察的十字板强度进行对比，详见表2。

表1 地基处理前后主要物理力学指标对照表Table 1 Comparison of the main physico-mechanical indexesbefore and after foundation treatment

表2 地基处理前后十字板强度对照表Table 2 Comparison of the vane shear strengths before and after foundation treatment

从表2分析：十字板抗剪强度明显提高，处理后的十字板抗剪强度比处理前提高5.6～6.2倍。

4 施工出现问题及解决办法

由于港珠澳大桥珠澳口岸人工岛位于离陆地较远，四周海域宽阔，受风浪、潮水影响大，同时施工时间跨越台风和雨季，台风及降雨对施工影响很大。本工程真空联合堆载预压法进行地基处理的施工过程中出现了以下情况，对施工进度造成了一定的影响。

1）西、北护岸地基处理区域外围采用砂袋临时围堰防护，在高潮位大风浪时，临时围堰容易受风浪影响而被破坏，影响真空联合堆载预压的正常施工，需经常性修复临时防护围堰。

2） 2012年“韦森特”台风，造成正在真空联合堆载预压期间的北护岸B7（东端）东北角堆载砂料全部流失、坍塌，真空泵被坍塌的砂全部淹埋，密封膜与泥浆搅拌墙连接处全部损坏，这个区域的真空度下降为0 kPa；沿线其它6个施工区域的真空泵不同程度遭到损坏，膜下真空度部分下降到50 kPa以下。经近1个月时间的真空泵抢修，沿线6个区域的膜下真空度才恢复到85 kPa以上；北护岸B7东北角，经全力抢修真空泵、修补密封膜及与泥浆搅拌墙的连接、重新进砂分级堆载，前后花去两个多月时间才全部恢复抽气，使膜下真空度达到85 kPa以上。西、北护岸地基处理拖延两个多月时间。

3）岛内区真空联合堆载预压区域施工期间，遭遇2013年4—6月珠海市特大雨季，强降雨造成岛内区严重积水。548台真空泵连续两次近50%的真空泵被积水淹没损坏，膜下真空度下降到60 kPa以下；一次全部被积水淹没损坏，膜下真空度下降到30 kPa以下。为恢复膜下真空度，前后更换真空泵近200台，抢修真空泵500多台次。为有效排除降雨的积水，保证真空泵不被积水淹没，根据现场情况，在西、北护岸开挖5处、每处埋设3根φ700 mm排水管道，与岛内连通以利及时排水；适当抬高真空泵安放位置，但真空泵水箱进水口高出了出膜口，真空泵的功效就会降低，也就会延长预压时间，因此只能适当抬高真空泵。

4） 岛内8区在真空联合堆载预压恒载89 d、满载施工至3 d时，膜下真空度在布设的43台真空泵全部开启的情况下突然全部下降为40 kPa以下。该区为直角三角形，东边与7区相临、南边与9区相临成垂直状，西北向为三角形斜边。

经对现场排查分析：所有43台真空泵运行正常；相临的7区、9区真空度未下降，说明竖向泥浆搅拌墙密封完好；可能是因满载产生荷载应力，对三角形的密封膜产生不均匀拉力，致使密封膜大面积破裂，其它区域为直角四边形或近似直角四边形，荷载应力对密封膜产生的拉力较为均匀，未出现类似情况。

由于堆载砂已全部完成，不可能开挖检查和修补密封膜，经设计同意该区域由真空联合堆载预压改为堆载预压，并由设计计算堆载预压的加载厚度，在原满载基础上再加载3.9 m厚的堆载砂，就能满足预压效果和工期要求。该区加载3.9 m堆载砂预压101 d后达到卸载要求。

5 结语

真空联合堆载预压法进行软土地基处理，在港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程中得到较好的应用，地基处理效果良好。施工过程中由于大风浪、台风、强降雨的影响，真空泵多次遭遇积水淹没、堆载砂的淹埋，对工期造成了一定影响；因此，采用真空联合堆载预压法进行软土地基处理施工时，必须做到场地内排水畅通，做好大风浪、台风季节关键部位的防护，防止损坏真空泵等设备而影响工期；同时区域划分尽可能呈直角四边形布置，长宽比控制在1/3之内，避免三角形等异型布置，防止密封膜受力不均拉裂。

[1]港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程施工图设计技术标准和要求[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2009.Technical standards and requirements for the reclamation project construction-diagram design of Zhuhai-Macao Port in the HZMB[R].CCCC-FHDIEngineering Co.，Ltd.，2009.

[2]JTS147-2—2009，真空预压加固软土地基技术规程[S].JTS147-2—2009，Technical specification for cacuum preloading techniquetoimprovesoft soils[S].

[3]JTS257—2008，水运工程质量检验标准[S].JTS 257—2008，Standard for quality inspection of port and waterway engineeringconstruction[S].