软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统及其施工方法与流程

本发明涉及一种软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统及其施工方法（以下简称“无填料降水管夯法”），适用于对场地不能满足设计所需承载力及压实度的软弱土体加固处理，通过本方法可快速提高地基承载力，有效消除工后沉降等。属地基处理技术领域。

背景技术：

目前，沿海地区多利用吹填的方法围海造地，即用吹填方法达到建设所需标高，由于新吹填淤泥地况复杂，且无法上人及机械设备，常规吹填后需等待一年或若干年后，在场地形成一个自然的硬壳层后，机械、人员能进入施工的条件下，进行加固处理。由于自然封干的时间太久，影响和制约了沿海地区的发展。对该类土的处理，常规采用“真空预压法”或“真空堆载联合预压法”、降水强夯这几类方法对软弱地基进行加固处理。

“真空预压法”或“真空堆载联合预压法”即通过在软弱地基按一定的网格插入塑料排水板，建立垂直排水通道后，通过波纹滤管将各排水板连接后建立水平排水通道，然后在其上铺设土工布及密封密使须加固土体与大气隔绝密封；在实际施工过程中根据土质情况还需在加固土体周边打设密封墙，以确保需加固土体的密封性能，通过抽真空将土体内自由水排出，同时又利用膜下真空与大气压之间压差对土体进行压密加固，因此成本高，时间长，对真空形成的要求高。

降水强夯法则是利用插入土体的钢管形成垂直排水通道，通过支管连接各井点管，支管连接主管、主管连接真空泵进行降低地下水位，在地下水位达到一定降深的条件下，进行强夯施工，或称“高真空击密法”，该工艺加固深度受井点管插入土体限制，其地下水下降仅2m，适用于浅层加固处理，且由于井点降水与土体的渗透系数有关，难以适用大面积吹填复杂地基使用。

由于新吹填场地，特别是新吹填淤泥，含水量高，承载力低，而采用“真空预压”“真空联合堆载预压”方法后，塑料排水板留存在已加固完成的土体内，其排水通道仍然存在，因此其固结作用仍在继续，建设完成后，在使用荷载发生时，工后沉降及沉降速率仍在继续，造成工后沉降大，不均匀沉降随使用荷载的不均匀而产生，其时间将延续2年以上。排水板入土越深，排水板质量越好，其工后沉降、不均匀沉降时间越长。究其原因，主要就是塑料排水板形成的排水通道仍在发生作用造成。

“降水强夯法”则由于强夯法加固地基机理，虽然国内外学者从不同角度进行了大量的研究，至今尚未形成成熟和完善的理论，特别是关于有效加固深度的定义其影响的因素较多，除单击夯击能外，还有地基土的性质、不同土层的厚度和埋藏顺序、地下水位等，因此大量强夯施工实践表明，软土地基采用高能量的夯击能，软土的加固深度并没有得到同比例的延深，反而极易造成“弹簧土”，软土地基夯后无法恢复地基强度，甚至破坏了土体结构。究其原因，软土地基的土质条件及地下水位和夯锤作用于软土的各项触变机理与夯击能量对土体夯击过程强制压缩或击密其关系非常复杂，并不是单纯依靠提高夯击能就可以达到所需的有效加固深度，在软土中能承受的最大夯击能，也就是最佳夯击能，必须恰到好处，过则会产生击穿现象，形成“弹簧土”工程实践中形象的将此比喻为“打烂”，从而影响了有效加固深度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统及其施工方法，无需添加任何填料，通过控制其降水时间及管夯击数即可达到由深到浅振密、改变土体力学指标及地基土承载力特征值的目的。

本发明的目的是这样实现的：

一种软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统，其特征在于软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统包括阵列布置的多个集束式分层降水井点以及用于连接多个集束式分层降水井点的支管，支管连接总管，总管连接真空泵，所述集束式分层降水井点包括一个井孔内设置的多个分层井点；多个分层井点按不同层厚设置，各分层井点根据入土的层厚，同一分层井点为一回路，支管通过三通与同一层厚的各分层井点连接，每一台真空泵连接同一层厚的分层井点。

分层井点采用32mm的管材，每个分层井点下端500mm设置滤孔，滤孔间距为250mm一个，滤孔处包100目尼龙滤网1~2层，并用铁丝扎紧，分层井点管底封堵。

一种软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统的施工方法，其特征在于它包括以下工艺步骤：

步骤一、布置软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统

对大面积软弱地基进行管夯加固时，先通过布置软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统进行真空降水，利用夯管入土对土体产生的挤压作用，使管夯点周边土体大部分自由水和结合水排入集束式分层降水井点，从而解决了真空抽水由于真空度的限制而产生的无法对深层进行降水的缺陷；

步骤二、无填料管夯加固

步骤三、管夯后浅层加固处理。

步骤二、无填料管夯加固中的具体步骤为：

振动锤通过法兰连接钢管形成夯管，夯管下端设置有多片可开合的活瓣组成的管尖，主要利用振动锤将夯管打入所需深度，管夯锤在夯管内根据需要提升或下落，对夯管以下土体进行夯击，达到挤密夯实的目的。

步骤三、管夯后浅层加固处理中的具体步骤为：

经管夯加固后，根据设计所需加固指标以及不同的地基土承载力特征值（fak)要求，采取满夯或振动碾压或点夯，进行浅层处理且即可交付检测；

如设计所需地基土承载力特征值（fak）≥80kpa，则可继续进行分层真空降水，至超静孔隙压力消散至90%以上时，进入推土机平整夯坑，采用满夯或振动碾压的方法，进行浅层处理后即可交付检测；

如设计所需地基土承载力特征值（fak）≥100kpa时，可根据现场条件进行选择以下作业步骤：

如管夯后能满足推土机、夯机进入，则可进入推土机推平夯坑后，进行强夯设备，进行点夯，在不破坏分层井点降水的条件下，夯点布置在管夯点上；

如管夯后场地无法满足推土机、夯机进入，则需保持分层真空降水，直至超静孔隙压力消散至90%以上时，进入推土机平整夯坑，进行点夯施工，在不破坏分层井点降水的条件下，夯点布置在管夯点上，每点2~4击即可；

经点夯施工后，继续保持分层真空降水直至超静孔隙压力消散至90%以上时，进行最后一遍满夯，交付第三方检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、突破有效加固深度瓶颈：

强夯法适用性广、效果好、造价低、工期短等特点，成为我国地基处理的一项重要技术。但其有效加固深度受夯击能、地基土的性质、不同土层的厚度和埋藏顺序、地下水位等的影响，制约了强夯法的有效加固深度。

将强夯“以点带面”的特点改为“以纵带面”的管夯加固法，将强夯工艺由面层夯实改变为由纵向深层夯起，由深到浅的加固，达到深层加固的效果。从而为软土地基强夯创造了一个全新的方法，不但改变了加固深度对强夯夯击能的依赖，从而摆脱了高能量强夯所需的大吨位起重机；而且通过管夯的方法可对不同层厚、不同土质进行有效的加固处理。

2、集束分层降水，适用不同土质降低土体含水率

针对软土地基“高含水率、高孔隙比、高灵敏度、低强度”的特点，本发明还通过夯管入土过程中对土体的挤压排水、真空排水、迫使深层土体内结合水被设置在管夯点之间的真空井管排出，既达到深层降水强夯，又能快速消散夯后土体的超静孔压，为加快土体加固奠定坚实的基础；

解决了现有真空设备对4m以下土体因真空负压衰减而无法对深层产生真空负压的困难，也即无法进行深层真空降水的困难；通过夯管入土对土体产生的挤压排水以及深层夯击过程对土体产生的压力排水，利用土体扰动产生的超静孔隙压力强迫土体结合水排入集束式分层降水井点内而被真空泵抽出土体，为降低土体含水率奠定了条件。

3、有效加固深度可控

首创深层加固技术，其加固深度可通过夯管的置入深度及集束式分层降水井点控制，由深到浅的加固方法，其工后沉降及沉降速率不随使用荷载的变化而变化，达到改变土性的效果，解决了现行工艺对软土地基深层加固的困难。

4、一种工法可适用不同软土地基的加固处理

无填料降水管夯加固法是一种快速加固软土地基的新技术，它是建立在强夯密实、挤压排水、分层降水的施工工艺基础上，通过三种工艺集成，有效解决淤泥质土的固结困难。在实施过程中，根据土质条件及设计要求，综合采用夯击对土体深层的加密作用，利用夯管入土挤压排水、并通过真空降水达到接力降水，使周边土体降低含水量及对夯后土体产生的超静孔隙水压力的快速消散，对不同层厚的不同土质采取不同的夯击方式，达到软土加固所需的各项技术指标，解决了淤泥质土的固结的难题。一种工法就能满足复杂地基不同层厚、不同深度、不同地质条件的复杂软土地基的加固处理。

综上所述，本发明软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统及其施工方法施工步骤简单，施工周期短，成本低，本方法通过由深到浅的加固方法，可使需加固范围内的地基土承载力特征值成倍提高，从而改变软土的物理力学指标。通过控制夯管提升速度以及抽水时间，可适用于任何性质的软土进行加固处理，其加固层厚可达20～30m。

附图说明

图1、集束式分层降水井点设置示意图。

图2、管夯设备结构示意图。

图3、软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统结合管夯点平面布置示意图。

图4、集束式分层降水井点设置剖面示意图。

图5、无填料夯管入土排水和挤土效果示意图。

图6、无填料管夯过程中水土挤压效果示意图。

图7、无填料管夯最后一击效果示意图。

其中：

实线箭头是侧向挤土效果示意；

虚线箭头是土体自由水和结合水挤压排水效果示意；

曲线是夯击下的淤泥土状态。

具体实施方式

参见图1-图7，本发明涉及的一种软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统施工方法，它包括以下工艺步骤：

步骤一、布置软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统

软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统包括阵列布置的多个集束式分层降水井点以及用于连接多个集束式分层降水井点的支管，支管连接总管，总管连接真空泵，所述集束式分层降水井点包括一个井孔内设置的多个分层井点；多个分层井点按不同层厚设置。各分层井点根据入土的层厚，同一分层井点为一回路，分别连接支管，支管采用500mm的pvc管，通过三通与同一层厚的各分层井点连接，并连接主管，主管连接真空泵，每一台真空泵连接同一层厚的分层井点。

分层井点采用32mm的管材（pvc管或者铁管或者尼龙管），每个分层井点下端500mm设置滤孔，滤孔间距为250mm一个，也即每个分层井点下端设置2~4个滤孔即可，滤孔处包100目尼龙滤网1~2层，并用铁丝扎紧，分层井点管底封堵。

分层井点入土时应根据入土深度做好标注，在井壁灌入中粗砂填实。

对大面积软弱地基进行管夯加固时，先通过布置软弱地基集束式分层降水无填料管夯系统进行真空降水，利用夯管入土对土体产生的挤压作用，使管夯点周边土体大部分自由水和结合水排入集束式分层降水井点，从而解决了真空抽水由于真空度的限制而产生的无法对深层进行降水的缺陷。

步骤二、无填料管夯加固

振动锤（优选为双电机激振锤）通过法兰连接钢管形成夯管，夯管长度一般为20m，夯管采用600无缝钢管制作。主要利用振动锤将夯管打入所需深度，通过管内的夯锤对夯管以下土体进行夯击，达到挤密夯实的目的。利用振动沉拔桩机双电机激振桩的中孔，设置一个柱状的管夯锤，通过桩机卷扬机连接钢绳，使管夯锤在夯管内根据需要提升或下落。夯管下端设置有多片可开合的活瓣（优选为4~6片）组成的管尖，其主要作用是当夯管入土时管尖闭合，当夯管上拔时管尖张开，以利管夯锤对下卧层土体进行夯击。

步骤三、管夯后浅层加固处理

经管夯加固后，根据设计所需加固指标以及不同的地基土承载力特征值（fak)要求，采取满夯或振动碾压或点夯，进行浅层处理且即可交付检测。

经管夯加固后，根据设计所需指标要求，如设计所需地基土承载力特征值（fak）≥80kpa，则可继续进行分层真空降水，至超静孔隙压力消散至90%以上时，进入推土机平整夯坑，采用满夯或振动碾压的方法，进行浅层处理后即可交付检测；

如设计所需地基土承载力特征值（fak）≥100kpa时，可根据现场条件进行选择以下作业步骤：

如管夯后能满足推土机、夯机进入，则可进入推土机推平夯坑后，进行强夯设备，进行点夯，在不破坏分层井点降水的条件下，夯点布置在管夯点上，每点2~4击即可（注意保持真空降水）；

如管夯后场地无法满足推土机、夯机进入，则需保持分层真空降水，直至超静孔隙压力消散至90%以上时，进入推土机平整夯坑，进行点夯施工，在不破坏分层井点降水的条件下，夯点布置在管夯点上，每点2~4击即可（注意保持真空降水）；

经点夯施工后，继续保持分层真空降水直至超静孔隙压力消散至90%以上时，进行最后一遍满夯，交付第三方检测。

实施案例：

1、根据地勘报告揭示的地质条件，确定集束式分层降水井点布置，确定井点间距、井点排距、需加固深度以及井点分层。以下为主要软土层分布情况为例，从上至下依次为耕土、第四系冲洪积层（q4al+pl）粉质黏土以及第四系海陆交互相沉积层（qmc），其中第四系海陆交互相沉积层（qmc）从上至下又分为淤泥、粉质黏土以及中砂：

（1）耕土（q4pd）：灰褐、浅黄色，以粘性土为主，富含有机质土及植物根系，呈湿，松散状态。本次勘察各钻孔均遇见该层，层厚0.4~2.2m。

（2）第四系冲洪积层（q4al+pl）粉质黏土：浅黄色、灰色、浅褐色，不均匀含少量石英砂，可塑为主，湿，干强度及韧性中等，切面稍有光泽，摇振无反应。本次勘察除zk5、zk8、zk10未遇该层外，其余各钻孔均遇见该层，其顶面埋深0.4~0.8m，相当于标高2.77~4.22m，层厚0.7~1.9m。

（3）第四系海陆交互相沉积层（qmc）

淤泥：深灰，灰黑色，略具臭味，饱和，流塑状态，含少量腐殖质及有机质，不均匀含5～10%的中粗砂。光泽反应有光泽，摇振无反应，干强度及韧性中等。本次勘察各钻孔均遇见该层，其顶面埋深1.5~2.5m，相当于标高1.76~2.34m，层厚6.3~16.8m。

粉质黏土：灰黄色，不均匀含少量石英砂，可塑~硬塑状态，饱和，光泽反应稍有光泽，摇振无反应，干强度及韧性中等。本次勘察各钻孔均遇见该层，其顶面埋深8.5~19.5m，相当于标高-15.24~-4.35m，层厚0.8~10.4m。

中砂：褐黄色、灰褐色，不均匀含10~25%的粘性土，砂的主要成份为石英，很湿～饱和，稍密状态。本次勘察仅在钻孔zk8、zk9遇见该层，其顶面埋深18.1~22.8m，相当于标高-19.23~-13.84m，层厚1.4~3.4m。

2、设计技术标准

（1）地基表层承载力特征值不小于80kpa；

（2）处理土层及深度：重点处理对象是淤泥，地基处理平均深度15m左右；

（3）处理深度范围内土体压缩模量平均值不低于5mpa。

步骤一、根据土层的主要物理力学性质指标统计及设计所需技术标准，该地勘中砂层承载力特征值fak≥180(kpa)。据此，确定降水井点布置为（附图三）；

1.1、集束式分层降水井点埋深为粉质黏土土层，不准插穿中砂层。

1.2、集束式分层降水井点分层为15m、12m、8m、4m四层（附图四）。

1.3、集束式分层降水井点布置网格为4m×4m，中间加插一点，呈梅花型布置。

1.4、由于本工程表层0.4m~2.2m为耕土，且周边无大型建筑，因此采用设置外围管井，外围管井设置两排，间距为10m×5m，入土深为15m，插入至中砂层0.2m即可。其主要作用是隔断外围水源对施工区域的影响。

1.5、集束式分层降水井点布置完成后，即可按同一分层为一真空降水回路的原则，连接各分层降水井点，按一万平方为一个施工小区，分别设置15m、12m、8m、4m四个真空降水回路，每一台真空泵连接井点控制在80~100根。

1.6、外围管井降水与内层集束式分层降水井点同时进行，一般在地下水位下降至4~6m即可进行管夯加固施工。

步骤二、无填料管夯施工：

2.1、管夯布点在两根井点中间，布置网格为4m×4m，中间加插一点，呈梅花型布置（附图五）。

2.2、管尖对准夯点位置，注意管尖呈闭合状，开启振动锤，穿过表层0.4m~2.2m耕土层后，尽量不开启振动锤，利用振动沉拔桩机的反压装置，使夯管达到粉质黏土层（即压不下的位置），注意不得打穿中砂层（附图六）。

2.3、提起夯管，下落管夯锤，使管尖张开后用夯锤轻击粉质黏土层土2~3击，再拔起夯管3~4m，下落管夯锤，轻击2~3击，如此每拔起夯管3~4m，即用夯锤轻击2~3击，直至夯管拔出地面后，再用夯锤轻击2~3击，即可完成该夯点的管夯施工（附图七）。

2.4、后续夯点施工同2.3，在管夯期间，确保集束式分层降水井点正常降水。

利用夯管入土对土体产生的挤压排水以及夯管提升过程对土体的夯击扰动使土体内产生大量的超静孔隙压力水被排入集束式分层降水井点，通过真空泵而汲出土体，因此可用于桩基础设计集束式分层降水井点，对桩间土物理力学性质的改善具有明显效果，处理后土体含水率降低，孔隙比减少，内摩擦角增大，这是真空抽吸降水、振动沉管侧向挤密以及填充置换等多种机制共同作用的结果。

步骤三、管夯后浅层加固处理

3.1、经管夯加固后，根据设计所需指标要求，如地基土承载力特征值（fak）≥80kpa，则可继续进行分层真空降水，至超静孔隙压力消散至90%以上时，进入推土机平整夯坑，采用满夯或振动碾压的方法，进行浅层处理后即可交付检测。

3.2、如设计所需地基土承载力特征值（fak）≥100kpa时，可根据现场条件，如管夯后能满足推土机、夯机进入，则可进入推土机推平夯坑后，进行强夯设备，进行点夯，在不破坏分层井点降水的条件下，夯点布置在管夯点上，每点2~4击即可（注意保持真空降水）；如管夯后场地无法满足推土机、夯机进入，则需保持真空降水，直至超静孔隙压力消散至90%以上时，进入推土机平整夯坑，进行点夯施工，在不破坏分层井点降水的条件下，夯点布置在管夯点上，每点2~4击即可（注意保持真空降水）。

3.3、经管夯施工后，继续保持分层井点降水直至超静孔隙压力消散至90%以上时，进行最后一遍满夯，交付第三方检测。