一种应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统及施工方法
【专利摘要】本发明提供一种由真空竖井排水系统、地基复合固结系统和满夯碾压系统组成的复合动力排水固结系统及施工方法，在显著改善地基承载力同时，集强排水、强挤密、高动能、超压强等效应于一体，能够有效控制饱和软土地基的工后沉降、降低工程造价、缩短施工工期，同时地基处理深度深，地基加固效果好、环保效应明显，即减少了振动、噪音、空气污染等，并且降低了后期维护费用。
【专利说明】-种应用于深层饱和软±地基的复合动力排水固结系统及施 工方法
[0001] 一、技术领域 本发明属于±木工程建筑技术领域，更具体是设及一种应用于深层饱和软±地基的排 水固结系统及施工方法，主要适用于沿海地区地下水位较高的深层饱和软±地基的排水固 结处理。
[000^ 二、【背景技术】 饱和软±地基主要分布在我国东部沿江沿海地区，具有抗剪强度低、压缩性大、孔隙比 大、含水量高、流变性强等特点，随着我国沿江沿海地区港口、交通W及城市建设的迅速发 展，结合施工及使用过程中暴露出来的地基处理问题，我国《建筑地基基础设计规范》 化850007-2011)、《建筑地基处理技术规范》(化179-2012)、《港口工程地基规范》(1了5147- 1-2010)等都对软±地基处理工程的承载力和沉降变形提出了新的要求。对原位地基进行 加固处理W改善地基的工程特性是当前研究应用的主要趋势，具体原位地基处理技术包括 真空预压法、强巧法、CFG粧等，但上述单一的软基处理方法或者提高软±地基承载力有限、 或者对于软±地基的实际加固深度不能满足设计要求，或者施工成本过高，均不能较好的 解决具有深层软弱下邸层的饱和软±地基加固处理问题，因此寻求一种地基处理效果良 好、施工工期短、综合成本不高、适用于深层饱和软±地基的排水固结方法已经成为岩±工 程领域技术人员急需解决的重要课题。
[0003] S、
【发明内容】
为解决现有深层饱和软上地基处理技术结构的不足，本发明提供一种复合动力排水固 结系统及施工方法，在显著改善地基承载力同时，集强排水、强挤密、高动能、超压强等效应 于一体，能够有效控制饱和软±地基的工后沉降、降低工程造价、缩短施工工期，同时地基 处理深度深，地基加固效果好、环保效应明显(减少了振动、噪音、空气污染等），降低了后期 维护费用，此外，施工中大量使用工业废料作为回填料，也适应了我国的节能政策。
[0004] 本发明提供的复合动力排水固结系统包括=个部分，分别是:真空竖井排水系统、 地基复合固结系统和满巧娠压系统。
[0005] 其中真空竖井排水系统由真空排水井W及抽真空设备组成，真空排水井由深层真 空排水井和浅层真空排水井按横纵两个方向相间排列组成，其中深层真空排水井是指埋入 深度抵达深层软±下邸层的真空排水井，在本发明中，深层真空排水井埋入深度不超过 20m，其由深层真空排水井护壁、深层真空排水井PVC真空管、工业废料填料、封口细砂构成； 浅层真空排水井是指埋入深度未抵达深层软±下邸层的真空排水井，在本发明中，浅层真 空排水井埋入深度不超过10m，由浅层真空排水井护壁、浅层真空排水井PVC真空管、工业废 料填料、封口细砂构成。
[0006] 上述的封口细砂的厚度W50cm为最优，两种真空排水井的外径化相同约为0.3~ 0.5m，相邻两个真空排水井间的间距为8Di~10化，两种真空排水井护壁均为渗水性材料，两 种真空排水井的PVC真空管比两种真空排水井的埋入深度大至少Im，上述的抽真空设备在 两种真空排水井布置完毕后，通过水平向集水总管与两种真空排水井的PVC真空管相连，对 真空排水井进行抽气排水作业，真空度大于85kPa。
[0007]其中地基复合固结系统由与真空排水井"隔行错位"布置的强巧井W及强巧设备 组成，所述强巧设备为脱钩落下的锥形巧键，锥形巧键横向直径化为0.3~0.6m，长度为2- 5m，强巧井的井径化大于锥形巧键的横向直径化，在0.5~Im之间，其埋入深度最少要抵达深 层软±下邸层，但不得超过深层真空排水井的深度。作业时，通过分层回填工业废渣然后分 层巧实的方式，与强巧井中巧扩至井顶设计标高。
[000引上述的满巧娠压系统为上述的排水和巧实作业结束后，拔出PVC真空管，清理真空 排水井点降水系统后，对地基处理范围内的地基进行的满巧处理，W及满巧结束用振动压 路机对地基±进行娠压密实的作业。
[0009] 上述复合动力排水固结系统的具体施工方法包括W下步骤： (1) 根据设计要求，按照"先深后浅"的方式进行真空排水井的测量放线定位，深层、浅 层真空排水井间隔布置且外径化相同，Di介于0.3m~0.5m之间，纵横向间距控制为8Di~10化， 粧位测放偏差不超过0.02m; (2) 采用水冲法或钻孔法在软±地基按照设计要求进行真空排水井成孔作业，粧孔的 垂直度偏差不大于2%，其中深层真空排水井纵向长度穿透深层软±层，具体深度根据工程 地勘资料确定，但不得超过20m，浅层真空排水井不穿透深层软±层且不超过10m，深层和浅 层真空排水井护壁均选择渗透性好的材料； (3) 分别于深层、浅层真空排水井中屯、位置放置深层PVC真空管和浅层PVC真空管，其下 部端部分别伸入两种真空排水井底部W下至少Im，且采取防渺堵措施； (4) 根据地基处理要求和现场试巧确定锥形巧键规格，其中锥形巧键直径为0.3m~ 0.6m、长为2m ~5m; 巧)在真空排水井阵列之间，按照"隔行错位"的原则进行强巧井点定位放线，强巧井纵 向穿透深层软±下邸层，但不得超过深层真空竖井长度;强巧井井径视实际条件确定，要比 巧键略大，在0.5~Im之间，强巧井纵横向轴线井距不超过其井径的6~10倍； (6) 将两种PVC真空管连接水平向集水总管，连接抽真空设备，进行第一次真空负压抽 气排水试验，负压调试成功在井点中回填松散状工业废渣，回填完毕在距离井点地表控制 标高0.5m处用封口细砂作为防漏气措施对工业废料填料封口，过程中确保PVC真空管不受 扰动。回填结束进行第二次真空负压抽气排水试验，调试正常则进行真空排水井排水作业， 可直接作业，也可根据场地真空排水井规模选择分阶段抽气排水方案，但要满足真空度大 于85kPa要求，同时锥形巧键采取脱钩下落的方式进行巧实作业，作业方式为从中间向四周 隔2孔进行，重键提升高度依据巧击能要求进行调整，场区待处理地基面积较大宜分段施 工，井内强巧完成后，用工业废渣作为散体材料增强粧，且分层回填分层巧扩至地基表面设 计标局，每次回填局度不超过2m; (7) 根据现场监测结果，当饱和软±地基区域地基平均固结度大于85%，且连续5天实 测沉降速率不大于2. Omm/d可进行停止排水、巧击同步停止； (8) 拔出PVC真空管，清理排水和巧实系统，对地基处理范围内的地基进行满巧处理，满 巧结束用振动压路机对地基±娠压密实。
[0010] 本发明取得的有益效果有： 1、强巧井中通过分层回填分层巧实实现对井内±体置换，并同井间±体共同形成复合 地基，对饱和软±地基实现复合排水加固。
[0011] 2、巧击过程通过巧键巧扩地基±体产生的高巧击能加速±中弱结合水向自由水 转化，并通过真空排水井的排水系统排出，实现地基±体排水固结。
[0012] 3、真空排水井在排水过程中不需要水平砂垫层，一次拔管即可完成整个排水过 程，而井点内初始回填工业废料，拔管后进行巧密处理，响应国家节能号召可W实现对地基 原±进行置换。
[0013] 4、真空排水井护壁对回填废料存在"围髓"作用，形成的复合地基排水加固效果显 著，同时可对PVC真空管起到保护作用。
[0014] 5、真空排水井护壁采用渗透性好的材料，能够使软±层中的自由水顺利排出，和 强巧作业达到协同效果，运也是者需同时进行的原因。
[0015] 综上，本发明对深层下邸层的饱和软±地基排水加固效果显著，动静荷载禪合提 高地基承载力效应明显，从时间和空间角度实现了深层饱和软±地基多种地基处理方法的 有效融合，解决了传统单一地基处理方法的诸多不足，可W显著提高饱和软±地基的承载 力，有效的控制软±地基的沉降变形，缩短施工工期、相比其他处理深层饱和软±地基方法 经济效益明显，并且技术可靠，便于应用推广。
[0016] 四、【附图说明】 下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0017] 图1为本发明实施例1提供的复合动力排水固结系统平面布置示意图。
[001引图2为附图图1中A-A向的剖面示意图。
[0019] 图3为附图图1中B-B向的剖面示意图。
[0020] 图4为附图图1中C-C向的剖面强巧作业时的示意图。
[0021 ]上图中：1为深层真空排水井护壁;2为浅层真空排水井护壁;3为深层真空排水井 PVC真空管;4为浅层真空排水井PVC真空管;5为工业废料填料;6为强巧井;7为锥形巧键;8 为封口细砂。
[00。]五、【具体实施方式】 实施例1 唐山市曹妃甸地区某高层民用建设项目，地上10层，地下1层，结构形式为框架一剪力 墙结构，基础形式为俊板基础，项目红线范围地质主要为典型的渺泥质粘±和渺泥质粉质 粘±，且距离地表-14m处存在5m厚软弱下邸层，地基的±体层厚、±层变形模量、±层泊松 比、±层摩擦角等具体参数详见工程地质勘察报告，该区域饱和软±地基应满足地基承载 力特征值/a = 180k化的地基处理要求，现采用本发明公开的复合动力排水固结系统施工 方法按如下步骤施工： (1)根据图纸设计要求及工程地质地勘报告，按照"先长后短"的方式进行深层、浅层真 空排水井的测量放线定位，且深层、浅层真空排水井间隔布置，纵横向轴线间距5m，深层、浅 层真空排水管径相同，外径均为0.5m，粧位测放偏差不超过0.02m。
[0023] (2)采用水冲法在软±地基按照设计要求进行真空排水井成孔作业，粧孔的垂直 度偏差不大于2%，其中深层真空排水井纵向长度为20m，浅层真空排水井纵向长度为10m，深 层、浅层真空排水井采用内嵌滤网的大孔径PVC管作为深层真空排水井护壁1和浅层真空排 水井护壁2，其滤网开孔率均为30%、管材壁厚均为0.02m。
[0024] (3)深层、浅层真空排水井中屯、位置放置深层真空排水井PVC真空管3和浅层真空 排水井PVC真空管4,其下部端部分别伸入深层真空排水井和浅层真空排水井井底部Im，管 端头均采取防渺堵措施，其布局如图1所示，其中深层真空排水井PVC真空管3和浅层真空排 水井PVC真空管4和井内工业废料填料5共同形成竖向排水通道，且由于深层真空排水井护 壁1和浅层真空排水井护壁2的保护作用避免了深层真空排水井PVC真空管3和浅层真空排 水井PVC真空管4受±体径向变形对管体的影响。深层真空排水井同浅层真空排水井双向轴 线间距为10化，运充分考虑了真空深层、浅层真空排水井排水影响区的作用范围，同时深 层真空排水井护壁1和浅层真空排水井护壁2对回填工业废料填料5存在"围髓"作用，形成 的复合地基排水加固效果显著。图2、图3分别为深层、浅层真空排水井剖面示意图，深层真 空排水井穿透深层软上下邸层，浅层真空排水井不穿透深层软上下邸层，可W实现对深层 软±下邸层的排水固结，提高饱和软±地基的整体承载力，有效控制工后沉降。
[0025] (4)根据地基处理要求和现场试巧确定锥形巧键7规格为：直径0.4m、长5m、质量 lot。
[0026] 巧)在真空排水井阵列之间，按照"隔行错位"的原则进行强巧井点定位放线，井内 强巧施工纵向深度为20m，强巧井纵横向轴线井距为5m，强巧井直径为0.5m。
[0027] (6)将深层真空排水井PVC真空管3和浅层真空排水井PVC真空管4连接水平集水总 管，并连接抽真空设备，进行第一次真空负压抽气排水试验，负压调试成功在井点中回填松 散状工业废料填料5，回填完毕在距离井点地表控制标高0.5m处用封口细砂8作为防漏气措 施对工业废料填料5封口，过程中深层真空排水井PVC真空管3和浅层真空排水井PVC真空管 4不受扰动。回填结束进行第二次真空负压抽气排水试验，调试正常则进行真空排水井排水 作业，真空度不小于85kPa，同时锥形巧键采取脱钩下落的方式进行巧实作业，作业方式为 从中间向四周隔2孔进行，重键提升高度依据巧击能要求进行调整，场区待处理地基面积较 大宜分段施工，井内强巧完成后，用工业废渣作为散体材料增强粧，且分层回填分层巧扩至 地基表面设计标高，每次回填高度不超过2m，强巧作业示意图如图4所示，通过用锥形巧键7 在地基±深层软±中进行井内巧扩至设计巧孔底标高，然后利用散体材料增强粧地基加固 原理，分层回填工业废料填料5分层巧扩至井顶设计标高，一方面通过重键高巧击能动载反 复作用可W加速地基±中弱结合水向自由水转化，并通过真空排水系统排出，有助于地基 ±体固结；另一方面高巧击能巧键对地基±体和回填工业废料通过动力冲、巧、强制侧向挤 压的巧击作业，实现地基±体加固，并且过程中在键侧面上会产生极大的动态被动±压力， 迫使回填工业废料向径向强制挤出，粧间±也因此被强力挤密加固，回填工业废料巧扩复 合地基和井间±共同作用可W显著改善软±地基性能，而且巧扩施工过程中环保效应明 思〇
[00%] (7)根据现场监测结果，当饱和软±地基区域地基平均固结度大于85%，且连续5 天实测沉降速率不大于2.Omm/d可进行停止排水、巧击同步停止。
[0029] (8)拔出PVC真空管，清理排水和巧实系统，对地基处理范围内的地基进行满巧处 理，满巧结束用振动压路机对已处理饱和软±地基娠压密实，压实系数不小于0.95。
[0030] (9)施工结束后lOd，对复合地基承载力进行静载荷分析。
[0031] 根据同条件数值分析结果，在满足复合地基承载力特征值么:=180k化时，对CFG 粧法、真空联合堆载预压法w及本发明进行地基处理综合比较如下： (1 )CFG粧计算假定采用长螺旋钻机压灌成粧，俊板基底满布，粧径D=0.5m，W地勘报告 中地层承载力和压缩模量相对较高的±层作为粧端持力层，粧间距为3m，稱垫层为0.25m厚 级配砂石，CFG粧法由P-S曲线分析沉降效果不如本发明显著，且针对超软饱和软±地基施 工作业难度大，质量不易保证； (2)真空联合堆载预压法假定先真空预压，膜下真空度要求85KPa，待真空压力达到设 计要求并稳定后进行堆载预压，同时继续抽真空，分级堆载高度曲线由复合地基地载力反 算确定，真空膜上覆±工织物保护层且铺设0.25m厚砂垫层。考虑软弱下邸层影响，但不考 虑软±次固结、蠕变特性等因素对复合地基工后沉降的影响，真空联合堆载预压法虽然理 论计算适用于处理深层软弱下邸层饱和软±地基，但联系工程实际堆载限制，地基处理加 固成本太高，故不适宜；而本发明提供的饱和软±地基复合动力排水固结系统及施工方法 工期短、质量容易保证且针对性强，经济效益明显，变形控制效果显著。
【主权项】
1. 一种应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统，其特征在于，由真空竖井 排水系统、地基复合固结系统和满夯碾压系统三部分组成。2. 根据权利要求1所述的应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统，其特征 在于，所述的真空竖井排水系统由真空排水井以及抽真空设备组成，其中真空排水井由深 层真空排水井和浅层真空排水井按横纵两个方向相间排列组成，其中深层真空排水井是指 埋入深度抵达深层软土下卧层的真空排水井，其埋入深度不超过20m，由深层真空排水井护 壁、深层真空排水井PVC真空管、工业废料填料、封口细砂构成;浅层真空排水井是指埋入深 度未抵达深层软土下卧层的真空排水井，其埋入深度不超过l〇m，由浅层真空排水井护壁、 浅层真空排水井PVC真空管、工业废料填料、封口细砂构成;两种真空排水井的外相同 约为0.3~0.5m，相邻两个真空排水井间的间距为SDdODi，两种真空排水井护壁均为渗水性 材料，两种真空排水井的PVC真空管比两种真空排水井的埋入深度大至少lm;上述的抽真空 设备在两种真空排水井布置完毕后，通过水平向集水总管与两种真空排水井的PVC真空管 相连，对真空排水井进行抽气排水作业，真空度大于85kPa。3. 根据权利要求2所述的应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统，其特征 在于，所述的封口细砂的厚度为50cm〇4. 根据权利要求1所述的应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统，其特征 在于，所述的地基复合固结系统由与真空排水井"隔行错位"布置的强夯井以及强夯设备组 成，所述强夯设备为脱钩落下的锥形夯锤，锥形夯锤横向直径〇 2为0.3~0.6m，长度为2-5m， 强夯井的井径D3大于锥形夯锤的横向直径D2,在0.5~lm之间，其埋入深度最少要抵达深层软 土下卧层，但不得超过深层真空排水井的深度。5. 根据权利要求1所述的应用于深层饱和软土地基的复合动力排水固结系统，其特征 在于，所述系统的施工方法包括以下步骤： (1) 根据设计要求，按照"先深后浅"的方式进行真空排水井的测量放线定位，深层、浅 层真空排水井间隔布置且外径〇:相同，Di介于0.3m~0.5m之间，纵横向间距控制为SDplODi， 粧位测放偏差不超过0.02m; (2) 采用水冲法或钻孔法在软土地基按照设计要求进行真空排水井成孔作业，粧孔的 垂直度偏差不大于2%，其中深层真空排水井纵向长度穿透深层软土层，具体深度根据工程 地勘资料确定，但不得超过20m，浅层真空排水井不穿透深层软土层且不超过10m，深层和浅 层真空排水井护壁均选择渗透性好的材料； (3) 分别于深层、浅层真空排水井中心位置放置深层PVC真空管和浅层PVC真空管，其下 部端部分别伸入两种真空排水井底部以下至少lm，且采取防淤堵措施； (4) 根据地基处理要求和现场试夯确定锥形夯锤规格，其中锥形夯锤直径为0.3m~ 0 · 6m、长为2m~5m; (5) 在真空排水井阵列之间，按照"隔行错位"的原则进行强夯井点定位放线，强夯井纵 向穿透深层软土下卧层，但不得超过深层真空竖井长度;强夯井井径视实际条件确定，要比 夯锤略大，在0.5~lm之间，强夯井纵横向轴线井距不超过其井径的6~10倍； (6) 将两种PVC真空管连接水平向集水总管，连接抽真空设备，进行第一次真空负压抽 气排水试验，负压调试成功在井点中回填松散状工业废渣，回填完毕在距离井点地表控制 标高0.5m处用封口细砂作为防漏气措施对工业废料填料封口，过程中确保PVC真空管不受 扰动，回填结束进行第二次真空负压抽气排水试验，调试正常则进行真空排水井排水作业， 可直接作业，也可根据场地真空排水井规模选择分阶段抽气排水方案，但要满足真空度大 于85kPa要求，同时锥形夯锤采取脱钩下落的方式进行夯实作业，作业方式为从中间向四周 隔2孔进行，重锤提升高度依据夯击能要求进行调整，场区待处理地基面积较大宜分段施 工，井内强夯完成后，用工业废渣作为散体材料增强粧，且分层回填分层夯扩至地基表面设 计标高，每次回填高度不超过2m; (7) 根据现场监测结果，当饱和软土地基区域地基平均固结度大于85%，且连续5天实 测沉降速率不大于2.0_/d可进行停止排水、夯击同步停止； (8) 拔出PVC真空管，清理排水和夯实系统，对地基处理范围内的地基进行满夯处理，满 夯结束用振动压路机对地基土碾压密实。
【文档编号】E02D3/10GK106049413SQ201610619086
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月2日
【发明人】温欣, 朴健, 徐强东, 贺玉娜, 张健新
【申请人】唐山工业职业技术学院