用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法

专利名称：用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的地基加固方法，尤其是一种用带盒塑料 排水板进行真空预压固结的方法。
技术背景自1952年瑞典科学家杰尔曼(Kjellman)提出使用大气压(抽真空预压)的方 法对软土地基进行排水固结处理后，世界上许多国家的工程师针对各自国家的软土地 基条件开发了各种技术方案，形成了各有特点的真空预压技术。传统的真空预压技术 是首先在地基中打入塑料排水板；其次，在软土地基上铺设砂垫层及网状排水滤管组 成水平通道，然后在其上覆盖不透气的密封膜。采用真空装置进行抽气将膜内地基中 空气排出。在地基中打入塑料排水板是为了加快水分从地基中排出，加速软粘土地基 的排水效果，但是需配套设置不透气的气水隔离薄膜，这种配套薄膜存在以下缺陷 (1)如果表层存在有透气、透水性良好的地基，为了防止漏气，密封薄膜必须埋入 其下更深的低渗透性的地基，或在这层土中设置至下层的隔断泥浆墙；且该隔断墙必 须沿需预压处理区域的全部周边设置。这样的施工方法很不经济，而且有时还不能保 证密封效果；(2)对于用路堤荷载与真空荷载相结合的方法，虽然可以减小地基在 预压固结中的侧向位移与地表裂缝，但一旦路堤覆盖薄膜后，任何对薄膜的损伤漏气 就无从检测与修复，有时反而大大降低真空效率。在打入塑料排水板时，需确定地基中的土层分布与土性特征，1992年Robertson 等(Estimating coefficient of consolidation from piezocone test, Canadian Geotechnical Journal, 29(4)， 551-557;加拿大国家科学研究委员会主办的《加拿大岩土工程学报》， "用孔隙水压式的静力触探测定的成果推算土层的固结系数")通过应用孔隙水压式的 静力触探测定土层中的孔隙水压力的分布规律；然后，利用孔隙水压力的分布规律来 确定土层分布及土层的固结性状与相关计算公式(以下简称Robertson方法)。而且， 为防止真空密封失效，当粘土层下有渗透性良好的砂性土层时，塑料排水板不能打穿 粘土层；这时需确定塑料排水板打入粘土层中的最优插入深度(或离下卧砂层的最小 距离)。2006年，Chai等(Chai, J,C.， Carter, J. P. and Hayashi， S. (2006): Vacuum consolidation and its combination with embankment loading, Canadian Geotechnical Journal, 43(10)， 985-996;加拿大国家科学研究委员会主办的《加拿大岩土工程学报》， "真空预压固结及其与路堤荷载的组合效应")根据处理的技术要求与土层的固结性 状，提出了确定塑料排水板打入粘土层中最优插入深度的计算公式(以下简称Chai 等的方法)。这些为进一步开发真空预压技术提供了条件。经对现有的技术文献检索发现，为了克服上述缺陷并增加对软土地基的密封固结 效果，中国专利名称低位真空预压软土地基加固抬高法，专利申请号97100652.0， 该专利技术为"在软土地基上预埋复式滤水管网，向软土地基围堰内吹入吹填土并通 过密封集水井抽水排气，使滤水管网中造成负压而使软土地基和吹填土体向滤水管网 中强制释水固结，待吹填土体表层干裂后再在其表面覆盖塑料膜并继续抽水排气，直 至软土地基达到设计高程和加固要求为止。"。该发明虽也提出了用吹填土代替密封 薄膜的方法，在一定程度上解决了密封膜破损的问题。但该法需构筑集水井，不仅使 成本升高而且，集水井的密封也需要很好地解决。发明内容本发明针对现有技术的不足或缺陷，提供一种能克服上述几种施工缺陷的用带盒 塑料排水板进行真空预压固结的方法，使其通过对塑料排水板的改良实现对软土地基 加固的优化处理。本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括以下步骤(1) 设计带盒土工塑料排水板将软管和土工塑料排水板通过塑料顶盒连接，并用导向胶带连接固定土工塑料排 水板，软管内安装锥形单向阔，构成带盒土工塑料排水板。(2) 以孔隙水压式的静力触探检测地层分布的深度与厚度在将要进行真空预压处理的现场，根据Robertson方法，利用孔隙水压式的静力 触探检测地层的贯入阻力与孔隙水压力计上的压力变化，得到贯入阻力与孔隙水压力 随深度的变化曲线(称为贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线)；然后再用测得的贯 入阻力与初始地层应力之比为纵轴，以测得的孔隙水压力与贯入阻力之比为横轴作相 互关系图，该关系图分为若干个不同的土性特征区，每一个特征表示一种土的类型， 将静力触探测得的结果标于该图，以测试数据所在的特征区确定土层的类型；再以土
的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线确定土层的分布深度与厚度，包括粘 性土层下砂性土的存在深度。(3)选择土工塑料排水板的最优插入深度对于粘性土层下有砂性土层存在时，为了保持真空度，塑料排水板不能打穿粘性 土层，这时需要确定塑料排水板的最优插入深度，具体可以采用Chai等的方法确定， 即将含有塑料排水板的土层看成宏观上使土层的竖向渗透性加大，然后把该土层当作 无塑料排水板的土层来进行固结效果分析，可以得到塑料排水板加固土层的等效竖向 渗透系数，这样可以将加固土层分为上下两层，根据渗透流连续性的原理得到塑料排 水板的最优插入深度。具体公式X//。"为最优插入深度；^塑料排水板插入范围内的竖向等效渗透系数；^为未加固深度范围内的竖向渗透系数； 〃为软粘土层的厚度。根据计算得到的塑料排水板的插入深度，制作有足够长度的各预制带盒塑料排水板。(4) 打设带盒土工塑料排水板，具体步骤如下① 整平场地，使中间部分略高；② 插板机就位将带盒塑料排水板装入空心套管中，并将塑料排水板端部与预 制的锚板(可以钢制，也可以用塑料制作)相连接；将空心套管移到塑料排水板的设 计位置；③ 插板将空心套管(连同锚板与排水板)插入粘性土层至预定标高。如粘性土 层的下面存在透水性良好的砂层，塑料排水板的最优插入深度应用上述Chai等提出 的确定塑料排水板打入粘土层中最优插入深度的计算公式确定； 拔出空心套管，这时塑料排水板留在软土层中；◎在塑料排水板一个单元的软管与排水板相接处切断塑料排水板；(5) 顶盒应埋入低渗透性(渗透系数小于10—7m/s)的粘性土层中，这时为保证 密封效果应采取如下措施①顶盒底部距地表的最小距离用盒内的目标真空压、土层透气系数、目标加固面积、空气流量及水的重度为参数进行计算确定。具体公式/^=^Lj;私为顶厶a 盒底部距地表的最小距离；A。c为盒内的目标真空压；^,为土层透气系数；J为目标 加固面积；g。为空气流量； 为水的重度。② 当表层土为透水系数大于10—7m/s时，应当用低渗透性粘土更换该土层或用粘 性土泥浆铺于地表后将顶盒埋入。③ 在顶盒与粘土层接触的界面处，注入水泥膨润土形成泥浆加以密封。(6) 在表层土上铺设一根集水管，将集水管与各带盒塑料排水板的软管相接，将 集水管与射流真空泵相连接；(7) 抽真空。启动射流真空泵通过集水管、软管将塑料排水板顶盒中的水气抽出， 在顶盒中形成负压加到软土地基中。抽真空时，自动打开软管中的单向锥形阀；停泵 时，自动关闭锥形阀。保持顶盒中的真空度。本发明在步骤(7)结束后，根据需要可以进行重复加压与重复抽真空。 与现有技术相比，本发明采用一种带盒塑料排水板来替代一般真空预压法中采用 的塑料排水板，其主要技术特点在于在一般的塑料排水板顶端设置塑料盒，盒的上部 与软管相连，软管中设置锥形单向阀；软管通过集水管连接到射流真空泵。采用表层 土及表层土以下土层直接作为密封层，不需单独铺垫砂垫层及覆盖密封薄膜。顶盒、 塑料排水板及软管之间粘接紧密以保证系统的真空度。这种方法既能减少施工环节， 提高施工效率，又能提高软土地基的加固质量，施工方法简单可靠，经济实用。使用 本发明的方法可以节省密封薄膜与表面砂垫层，可以大大降低施工总成本。使用本发 明的方法还可以提高真空预压地基的真空度，可以使每根带盒塑料排水板单独工作。


图1为本发明的带盒塑料排水板构成示意图。图2为本发明的带盒塑料排水板插设步骤示意图。图3为本发明的带盒塑料排水板的真空预压法使用示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。实施例实施例按下列步骤进行 (1) 确定带盒塑料排水板的设计参数并制作排水板选择带"门"形槽口芯板的排水板，其厚度为8mm，宽度为lOOmm，设计年排水能力为1580m3/a。带盒塑料排 水板的构造如附图l所示，由土工塑料排水板l、顶盒2、导向胶带3、软管4、锥形 单向密封阀5等五个部分构成。软管4和土工塑料排水板1通过塑料顶盒连接，软管 4同时与抽真空装置相连。导向胶带3连接并固定土工塑料排水板1，锥形单向阀5 设置于软管4内。顶盒的内部尺寸为8xl00xl90mm，壁厚1.5mm;软管内径为10mm， 软管内安装锥形单向阀。(2) 某需进行真空预压的地基，经现场用孔压式静力触探检测确认软弱粘土层 总厚度为28m。其中下部为初始堆积的软弱粘土层，厚为llm， 土层顶面标高为 -12.0m;上部为后期堆积的淤泥质粘土层，厚17m， 土层顶面标高为+5.00m。初始水 位位于地表，即地下水位标高为+5.0m。用Robertson方法确定各土层的固结系数很 低，粘土层下面为含砾砂性土层，g卩利用孔隙水压式的静力触探检测地层的贯入阻 力与孔隙水压力计上的压力变化，得到贯入阻力与孔隙水压力随深度的变化曲线(称 为贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线)；然后再用测得的贯入阻力与初始地层应力 之比为纵轴，以测得的孔隙水压力与贯入阻力之比为横轴作相互关系图，该关系图分 为若干个不同的土性特征区，每一个特征表示一种土的类型，将静力触探测得的结果 标于该图，以测试数据所在的特征区确定土层的类型；再以土的类型对照贯入阻力曲 线与孔隙水压力分布曲线确定土层的分布深度与厚度，包括粘性土层下砂性土的存在 深度。(3) 现场采用一种带盒塑料排水板的真空预压固结法对土体进行加固处理，加 固的平面范围为250mx42m，经用Chai等的方法，即下述公式<formula>formula see original document page 8</formula>最优插入深度；々w塑料排水板插入范围内的竖向等效透水系数；^2为未加固深度范围内的竖向透水系数；//为软粘土层的厚度。即将含有塑料排水板的土层看成宏观上使土层的竖向渗透性加大，然后把该土层 当作无塑料排水板的土层来进行固结效果分析，可以得到塑料排水板加固土层的等效 竖向渗透系数为^=4.45xl(y2m/day;而&2=1.31xl04m/day， /f=28m代入上述公式， 计算确定塑料排水板的长度为约26.5米，即排水板至砂层顶面的距离为约(28-26.5) =1.5米，间距为1.2米；将空心套管(连同锚板与排水板)插入地下至预定标高-21.5m。
(4)带盒塑料排水板的插入步骤如附图2所示，具体说明如下① 将现场250mX42m的区域平整好，并分为6个区，每个区的面积约为1750m2; 将各区场地整平，并使各区中间部分略高；② 将插板机移至设计位置，在空心套管中装入带盒塑料排水板，并将塑料排水 板端部与预制的锚板相连接；③ 将空心套管(连同锚板与排水板)插入粘性土层至预定标高一21. Om。
拔出空心套管，这时塑料排水板留在软土层中；⑤在塑料排水板一个单元的软管与排水板相接处切断塑料排水板。(5) 由于现场地表土层为低渗透性土层(透水系数小于l(T7m/S),顶盒直接埋入 到该粘土层中。顶盒底部距地表的最小距离(/。用盒内的目标真空压Prac、 土层透气 系数&&、目标加固面积J、空气流量^。及水的重度)V为参数，用下面的公式计算确 定J _ ^e。取P認二85kPa， yt",r=l(r5m/s， j=1750m2， Q。=0.1m3/s， )^=10kN/m3，确定顶盒底部至地表厚度约为1.5m。在顶盒与粘土层接触处，注入水泥膨润土形成泥浆加以密封。 带盒塑料排水板的真空预压法的构筑如图3所示。(6) 在地表铺设一根集水管，如图3所示，将集水管与各带盒塑料排水板的软管 相接；将集水管与射流真空泵相连接。(7) 启动射流真空泵通过集水管、软管将塑料排水板顶盒中的水气抽出，连续抽 取真空133天，顶盒内的气压稳定在-85kPa，地基内真空度可达到-80 -65kPa。在固结过程中根据需要进行重复加压与重复抽真空直至施工结束。通过固结计 算，在采用带盒塑料排水板的真空预压固结施工300天后，围垦地的填土固结程度达 到了 80%。
权利要求
1、 一种用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其特征在于，包括以 下步骤(1) 将软管和土工塑料排水板通过塑料顶盒连接，并用导向胶带连接固定土 工塑料排水板，软管内安装锥形单向阀，构成带盒土工塑料排水板；(2) 以孔隙水压式的静力触探检测地层分布的深度与厚度；(3) 选择土工塑料排水板的最优插入深度；(4) 打设带盒土工塑料排水板，具体为①整平场地，使中间部分高于其 余部分，②在空心套管中装入带盒塑料排水板，并将塑料排水板端部与预制的锚 板相连接，③将空心套管连同锚板与排水板插入地下至预定标高，④拔出空心套 管，这时塑料排水板留在软土层中，⑤在塑料排水板一个单元的软管与排水板相 接处切断塑料排水板；(5) 顶盒埋入渗透系数小于l(T7m/S的粘性土层中，采用如下措施来保证密封 顶盒底部距地表的最小距离用用公式7/,=^^」计算确定；私为顶盒底部距地表的最小距离；A。c为盒内的目标真空压；U,为土层透气系数；^为目 标加固面积；g。为空气流量； 为水的重度；②当表层土为透水系数大于l(T7m/S 时，用低渗透性粘土更换该土层或用粘性土泥浆铺于地表后将顶盒埋入；③在顶 盒与粘土层接触的界面处，注入水泥膨润土形成泥浆加以密封；(6)在表层土上铺设一根集水管，将集水管与各带盒塑料排水板的软管相 接，将集水管与射流真空泵相连接； (7)抽真空。
2、 根据权利要求1所述的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其 特征是，步骤(2)中，所述以孔隙水压式的静力触探检测地层分布的深度与厚度， 是指在将要进行真空预压处理的现场，用孔隙水压式的静力触探检测地层的贯 入阻力与孔隙水压力计上的压力变化，得到贯入阻力与孔隙水压力随深度的变化 曲线称为贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，然后再用测得的贯入阻力与初始 地层应力之比为纵轴，以测得的孔隙水压力与贯入阻力之比为横轴作相互关系 图，该关系图分为若干个不同的土性特征区，每一个特征表示一种土的类型，将 静力触探测得的结果标于该图，以测试数据所在的特征区确定土层的类型，再以 土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线确定土层的分布深度与厚度， 包括粘性土层下砂性土的存在深度。
3、根据权利要求1所述的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其 特征是，步骤(3)中，所述选择土工塑料排水板的最优插入深度，是指将含有 塑料排水板的土层看成宏观上使土层的竖向渗透性加大，然后把该土层当作无塑 料排水板的土层来进行固结效果分析，得到塑料排水板加固土层的等效竖向渗透 系数，这样将加固土层分为上下两层，用以下公式得到塑料排水板的最优插入深 度，根据计算得到的塑料排水板的插入深度，制作各预制带盒塑料排水板，公式<formula>formula see original document page 3</formula>， 7^为最优插入深度，^为塑料排水板插入范围内的竖向等效透水系数，^2为未加固深度范围内的竖向透水系数，//为软粘土层的厚 度。
4、根据权利要求1或者3所述的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方 法，其特征是，所述③中，当下层土为砂层时，塑料板底的最优插入深度用 "- /F"F、&1 _女v2 乂x/f公式确定，/^为最优插入深度，^i为塑料排水板插入范围内的竖向等效透水系数，&2为未加固深度范围内的竖向透水系数，//为软粘 土层的厚度。
5、 根据权利要求1所述的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其 特征是，步骤(7)中，所述抽真空，具体为启动射流真空泵通过集水管、软管 将排水板顶盒中的水气抽出，在顶管中形成负压加到软土地基中，抽真空时，自 动打开软管中的锥形单向阀，停泵时，自动关闭锥形单向阀，保持顶盒中的真空 度。
6、 根据权利要求1所述的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的方法，其 特征是，在所述步骤(7)结束后，进行重复加压与重复抽真空。
全文摘要
一种建筑工程技术领域的用带盒塑料排水板进行真空预压固结的施工方法，步骤为(1)设计带盒土工塑料排水板；(2)以孔隙水压式的静力触探检测地层分布的深度与厚度；(3)选择土工塑料排水板的最优插入深度；(4)打设带盒土工塑料排水板，步骤为①整平场地；②插板机就位；③插板；④拔管；⑤切断；(5)顶盒埋入渗透系数小于10^-7m/s的粘性土层中必须保证密封；(6)在表层土上铺设一根集水管，将集水管与各带盒塑料排水板的软管相接，将集水管与射流真空泵相连接；(7)抽真空。本发明既能减少施工环节，提高施工效率，又能提高软土地基的加固质量，施工方法简单可靠，经济实用。
文档编号E02D3/00GK101144274SQ20071004714
公开日2008年3月19日 申请日期2007年10月18日 优先权日2007年10月18日
发明者杜延军, 柴锦春, 沈水龙, 洪振舜 申请人:上海交通大学