利用抽真空技术加固沙性土并改良其工程特性的方法与流程

本发明属于土木工程、水利工程和交通工程等领域，具体涉及一种利用抽真空技术加固改良沙性土的新方法。

背景技术：

在中国西北、华北和东北地区，包括新疆、内蒙古、青海、宁夏、甘肃、陕西、黑龙江、辽宁和吉林等地，分布有众多沙漠、戈壁和沙地，其组成物质主要为风积沙，风积沙具有粒径较细且均匀、级配不良、粉粘粒含量低、含水率低、渗透系数大等特殊工程性质，风积沙内的水分以向下渗透和表面蒸发的方式散失。由于这些地区采用当地风积沙作为天然建筑及填筑材料存在上述不良特性，且自然条件恶劣，以往被认为不适合开展工程建设项目，其工程应用成功范例寥寥无几。

风积沙作为典型沙性土，是干旱、半干旱沙漠气候环境下形成的一种特殊地质材料，也是沙漠地区分布广泛、储量丰富、取材方便的廉价工程材料。但风积沙结构松散、粘粒含量低、粘聚性差、稳定性差、压缩特性差，采用常规施工碾压后难以碾压密实、承载力低、强度差，碾压后无结构性，难以长期保持碾压后的密实水平。因此在沙漠地区直接利用风积沙等沙性土作为建筑材料开展工程建设难度大、成本高，难以保证工程质量。由于风积沙作为建设材料自身的工程特性，已开展的一些在建工程在工程质量、进度和造价等方面存在不同程度的问题。如目前中国西北地区在建的某输水工程，采用风积沙建设渠堤，当地可利用的风积沙在强度、渗透性、保水性、砂粒间粘结性等方面不能满足正常填筑施工要求，严重影响工程的正常建设。首先，该工程地处新疆地区，风积沙级配不良较为严重，且渠堤填筑施工多在高温干燥的夏秋季节进行，摊铺沙层和碾压后的沙层均失水较快，难以满足最优含水率和压实系数的压实要求，填筑质量也难以满足设计要求，渠堤的稳定安全和渠道的运行安全难以得到有效保障；其次该工程位于高地震烈度区，地震作用对压实度差的风积沙渠堤安全将产生严重不良影响；再次，由于填筑施工中风积沙砂层失水较快，上层摊铺前已完成碾压的下层砂呈现明显失水松散状态，无法满足运输上料重载工程车正常作业的要求，导致上料困难，严重影响渠堤的填筑施工。

随着中国社会经济的发展以及“一带一路”和西部大开发战略的实施，越来越多具有战略意义和关系国计民生的重大工程和基础建设项目包括沙漠公路、输气管道、输水渠道、水工建筑物和输变电线路正在规划和建设中，中国西北、华北地区的大型油气田开发及其配套化产业工程、西气东输工程、西电东送工程、长距离引调水工程、河流治理工程、西部高速公（铁）路网工程、通讯和航天航空工程均需在沙漠和沙性土中大量开展。展望未来，中国在沙漠和沙化地区进行工程建设会越来越多，而风积沙具有分布广泛、储量丰富、取材方便的特点，是沙漠和沙化地区最丰富和最廉价的建筑材料，具有成为该类地区工程建设中重要基础材料的可行性。因此提出一种能够对沙漠和沙化地区风积沙等沙性土进行加固改良的新方法，从而降低施工难度并提升加固后风积沙等沙性土建筑材料的长期可靠性，改善其物理特性，提升其力学性质，使其在不同特性的工程建设项目中均能得到较好的应用。新方法将会产生良好的质量效益、经济效益和社会效益，对服务于中国“一带一路”和西部大开发战略实施具有重要的意义。但是现有技术中尚未有这类技术方案公开。目前现有技术中的各种方案都很难满足这类工程的需要。

技术实现要素：

本发明所需要解决的技术问题是提供一种利用抽真空技术加固沙性土并改良其工程特性的方法。本发明充分利用沙性土本身具备良好的渗透通气特性，通过抽真空在沙性土内部形成负压，使沙性土承受三向等值压力，在三向压力作用下沙性土被压缩，其孔隙率降低，密实度提高，其强度和承载力从而得以提高，沙性土得到加固；同时还利用抽真空技术下浆液在沙性土中灌入性水平高和流动性好的特点，进一步对密实后的沙性土进行改良，在保持沙性土内部真空负压状态下，对预压密实后的沙性土孔隙灌入泥浆或水泥浆等胶凝或固化材料，变沙性散粒无粘性土为具有粘聚或胶凝力的建筑材料，进一步降低其孔隙率，提高其粘聚力或胶凝强度，从而更好地改善其压缩特性，进一步提升其强度和承载力，满足工程建设的需要，解决沙漠沙化地区重大工程和基础建设工程中沙性土建筑材料的使用难题，服务于中国“一带一路”和西部大开发发展战略。

完成上述发明任务的技术方案是，一种利用抽真空技术加固沙性土并改良其工程特性的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1）、2）是对沙性土建筑物填筑前对其基础进行密封处理；

1）设置封底，包括沥青封底或铺设土工布保护的两层塑料密封膜封底；

2）设置塑料膜密封系统：塑料膜密封系统采用两层膜进行密封以保证密封效果，在两层塑料膜密封系统上布设一层土工布，防止抽真空压实过程中沙性土颗粒戳坡密封膜。如采用沥青封底，该塑料膜密封系统与上述沥青封底密封性连接。如采用塑料密封膜封底，该塑料膜密封系统和封底塑料密封膜连接成为一个整体，形成全表面积的大型密封膜系统；

3）基础密封处理完成后，在沙性土建筑物底部布设管路系统，包括布设主管和滤管；该管路系统同时可作为沙性土建筑物（渠道或路堤等）的排水管路，能够加速排走建筑物内的渗水，从而提升其安全性能与排水功效；

4）在所述沙性土建筑物内填筑沙性土；

5） 沙性土填筑至设计计算确定的高程和外形现状后，首先用保护层土工布对其进行包裹，然后采用与封底密封连接好的双层塑料密封膜进行密封包裹；

6）对需同时进行抽真空加固并注浆改良的沙性土填筑工程，在其顶部按设计布置安装可密封注浆管，注浆管采用出膜密封装置引出并临时封闭管口；

7）将布设于沙性土填筑体底部引出的抽真空出膜管连接到抽真空设备进行试抽真空；

在确保密封系统完整后可开始对沙性土建筑物密封系统进行抽真空压缩加固处理；

8）根据沉降和压缩变形监测数据评估加固处理进度，抽真空压缩加固处理满足要求后进入下一步工程施工；

9）对仍需注浆改良的工程，将顶部注浆管接入注浆管路，保持沙性土内部真空状态下将浆液注入建筑物孔隙内，通过监测和检测数据评估注浆改良效果，满足要求后进入下一步工程施工；

10）将抽真空出膜管与抽真空设备的连接同时去除，以发挥建筑物底部抽真空管路系统用于排走建筑物可能出现渗水之功效。

本发明根据沙性土作为填筑材料建设的渠道基础、渠堤或路堤等建筑物的轮廓特性及其基础密封条件，采用塑料密封膜或塑料密封膜联合沥青封底的密封结构对拟填筑的沙土建筑物进行包裹密封，塑料密封膜内衬土工布进行保护以避免抽真空作用下塑料密封膜被沙土颗粒的棱角刺破，沿沙土建筑物底部布设抽真空管网系统并每隔一定间距引出一套抽真空连接管路，若抽真空加固后的沙土需进一步采用注浆方式改良其特性，可沿沙土建筑物顶部按一定间距设置具有密封装置的注浆预留孔。抽真空加固时将抽真空连接管路连接到抽真空设备上，利用抽真空设备将包裹的沙性土构筑物内部抽成真空，使其在抽真空作用下孔隙率变小并压缩密实，从而提高其强度和承载力特性；抽真空预压加固密实后的沙性土填筑的建筑物需进行注浆改良时，可利用预留在沙性土建筑物顶部的注浆管密闭连接上膜外由注浆管路、注浆池和浆液等组成的注浆系统，同时开启抽真空设备，继续保持加固改良后沙性土建筑物内部孔隙的真空状态并加速将浆液注入沙性土内部孔隙中进行填充，使得浆液在沙性土内部孔隙中凝固后将沙性土颗粒胶接在一起，从而完成对真空预压密实后沙性土的改良，提高其粘聚力或胶凝强度，更好的改善其压缩特性，进一步提升其强度和承载力。

本发明所述的利用抽真空技术加固沙性土并改良其工程特性的方法，其特征和功能如下：

1） 沙性土建筑物填筑前对其基础进行密封处理，可采用沥青封底或铺设土工布保护的塑料密封膜。如采用沥青封底进行密封，先通过可靠胶接方式将塑料密封膜与沥青封底四周胶接在一起，然后将塑料密封膜临时摆放在不影响沙性土建筑物填筑施工的临近区域；如采用塑料密封膜封底，先将塑料密封膜制作成可包裹沙性土建筑物全表面积的大型密封膜，建筑物基础处理并完成整平后先铺设底膜部分，然后将塑料密封膜的周边部分临时摆放在不影响沙性土建筑物填筑施工的临近区域；

2） 塑料密封膜厚度为0.3～0.5mm，拉伸强度不小于20MPa，伸长率应大于200％，直角撕裂强度应大于50kN/mm，渗透系数小于2×10^－10cm/s；塑料膜密封系统采用两层膜进行密封以保证密封效果，在两层塑料膜密封系统上布设一层土工布，防止抽真空压实过程中沙性土颗粒戳坡密封膜，土工布质量大于60g/m²；

3） 基础密封处理完成后，在沙性土建筑物底部布设管路系统，包括布设主管和滤管，管路系统技术特征指标可沿用真空预压加固软土地基技术中管路系统的技术指标。管路系统每隔20～30m接出一套出膜管，出膜管采用出膜密封装置引出密封系统（膜）外并与抽真空设备连接。该管路系统同时可作为沙性土建筑物（渠道或路堤等）的排水管路，能够加速排走建筑物内的渗水，从而提升其安全性能与排水功效；

4） 沙性土建筑物填筑沿用传统填筑方式，采用自卸车运输、推土机整平和挖掘机修坡相结合的施工方法进行填筑。建筑物的填筑高程和外形现状需考虑抽真空加固后沙性土建筑物所产生的沉降和侧向变形的最大限值，由设计计算确定其初始填筑高程和外形现状；

5） 沙性土填筑至设计计算确定的高程和外形现状后，首先用保护层土工布对其进行包裹，然后采用与封底密封连接好的双层塑料密封膜进行密封包裹；

6） 对需同时进行抽真空加固并注浆改良的沙性土填筑工程，在其顶部按设计布置安装可密封注浆管，注浆管采用出膜密封装置引出并临时封闭管口；

7） 将布设于沙性土填筑体底部引出的抽真空出膜管连接到抽真空设备（抽真空设备可采用射流泵或真空泵）进行试抽真空，试抽真空以检查密封系统的完整性，通过试抽真空可以处理密封系统可能出现的漏气问题，在确保密封系统完整后可开始对沙性土建筑物密封系统进行抽真空压缩加固处理；

8） 根据沉降和压缩变形监测数据评估加固处理进度，抽真空压缩加固处理满足要求后进入下一步工程施工；

9） 对仍需注浆改良的工程，将顶部注浆管接入注浆管路，保持沙性土内部真空状态下将浆液注入建筑物孔隙内，通过监测和检测数据评估注浆改良效果，满足要求后进入下一步工程施工；

10）将抽真空出膜管与抽真空设备的连接同时去除，以发挥建筑物底部抽真空管路系统用于排走建筑物可能出现渗水之功效。

换言之，本发明的方案是：利用抽真空加固改良沙性土的新技术和方法的主要特点是通过抽真空形成真空负压，利用沙性土本身具备良好的通气特性在被密封加固沙性土内部快速形成全面负压状态，使沙土承受三向等压力，在三向压力作用下沙性土被压缩密实，从而解决风积沙等不良沙性土难以碾压密实的难题，使我国西北、东北和华北沙漠地区工程建设采用当地丰富沙性土作为建筑材料成为可能，同时利用抽真空降低在沙性土内的注浆难度和降低注浆工程费用，并通过注浆进一步改良沙性土填筑体的工程特性，更好满足工程建设需要，解决沙漠地区重大工程和基础建设工程中沙性土建筑材料的使用难题，服务于中国“一带一路”和西部大开发发展战略。

本发明所提出的利用抽真空技术加固改良沙性土的新方法是将当前成熟且在工程实际中广泛应用的“软土地基真空排水预压技术”引入沙性土的加固和改良工作中，沿用“软土地基真空排水预压技术”形成的成熟密封技术和真空传递管路布设技术，同时充分发挥沙性土良好的透气性能，可以更好发挥真空预压技术优越性，提升对沙性土的加固和改良效果，本发明提出的新技术具有良好的经济性；本发明提出的新技术用于沙性土渠堤和路堤的建设中，抽真空技术设置的塑料密封膜及其密封系统在工程运行中可以提升渠堤路堤及其基础防渗效果，提高建筑物的防渗水平，而其内部设置的抽真空管路系统在工程运行中可作为内部排水管路，形成良好的排水系统并加速渗水的排出，从而降低工程运行中发生渗流破坏的风险，提高工程运行的安全水平。本发明提出的是一种对沙性土建筑材料压密和改良的高效、经济性能指标优良的新技术和方法。

申请者团队前期完成的模型试验研究表明，由于风积沙透气性好，抽真空后真空荷载能迅速在风积沙内部传递，真空作用后模型桶内风积沙沉降变形在初期（1天内）快速发展并趋于稳定，1天内完成总沉降90％以上，真空荷载能迅速转化为风积沙受力使风积沙压缩密实，真空预压后风积沙的密实性提升10％以上，其强度从而大大提高；申请者团队前期完成的真空注浆加固处理试验显示采用真空注浆低掺量水溶性固化材料（固化材料为风积沙质量的2％）改良后风积沙改良体其强度指标（凝聚力c）值从小于5kPa提高到超过25kPa，而其强度指标（摩擦角φ）基本保持不变。

附图说明

图1为应用本发明的方法施工处理单层沙性土建筑物示意图；

图2为应用本发明的方法施工小型沙性土输水渠道建筑物示意图；

图3为应用本发明的方法以分层填筑方式建设大型沙性土输水渠道示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，结合以下附图及具体实施案例，对本发明方法作进一步详细说明。此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，沙性土建筑物单层填筑体施工（以图1为例）

1） 对填筑体下部基础及其工作面进行处理，下部为原始基础时，对其进行碾压密实并整平后，完成封底结构1，此时封底结构1可采用沥青封底或双层塑料密封膜封底；当下部为已完成层面时，封底结构1使用其下部层面的顶部塑料膜密封体；

2） 在封底结构1上铺设土工布对其进行保护；

3） 完成底部抽真空管路系统2布设，包括主管和滤管，管路系统每隔20～30m接出一套出膜管3，出膜管3可采用单侧或双侧引出，视构筑物尺寸大小而定；

4） 按设计要求建筑物现状和尺寸完成沙性土堆填体6的堆填，单层堆填厚度以2～3m为宜；

5） 在完成堆填的沙性土堆填体6后，在沙性土堆填体外表面铺设土工布5对其进行保护，土工布同时起到对上层塑料密封膜4的保护作用，防止抽真空压实过程中沙性土颗粒戳坡密封膜；

6） 将表面密封用双层塑料密封膜4与封底密封结构1进行密封连接，拉紧并包裹覆盖在铺设好保护土工布5的沙性土堆填体外表面，外表面密封膜4所有接头采用胶接方式进行密封；

7） 后续需要对真空压密沙性土建筑物进行注浆改良时，在已密封的沙性土堆填体表面密封膜4的合适位置引出出膜注浆连接管7，注浆连接管设置有控制阀门；

8） 将抽真空出膜管3连接抽真空设备，通过试抽检查沙性土堆填体的密封性，对存在的密封缺陷进行修补，在确保密封良好的情况下开始正式对沙性土堆填体进行抽真空压实加固，根据监测和检测结果评估加固效果并确定加固完成时间；

9） 对需注浆改良的沙性土建筑物工程实体，将注浆连接管7连接在注浆系统上，开启注浆连接管控制阀门，同时继续开启抽真空设备，保持沙性土内部处于真空状态下实施对其注浆改良，所注浆液材料由设计确定，根据监测和检测结果评估改良效果并确定改良施工完成时间。

10）将抽真空出膜管3与抽真空设备的连接去除，使建筑物底部抽真空管路系统可用于排走建筑物可能出现的渗水。

实施例2，小型沙性土输水渠道建设（以图2为例）

1） 实施步骤同实施例1，与实施例1不同是沙性土堆填体现状的区别，实施例1中沙性土堆填体全断面同步上升，实施例2中沙性土堆填体分别按渠底基础、渠堤分区堆填。

实施例3，大型沙性土输水渠道建设（以图3为例）

按实施例1步骤1）～10）分别完成渠道基础层8和渠堤第9、10、11、12……分层施工，至堤体填筑到设计高程止。