新型独立井点集排水联合真空预压加固方法及加固系统与流程

本发明涉及土木工程地基与基础的软基处理技术领域，特别涉及一种新型独立井点集排水联合真空预压加固方法及加固系统。

背景技术：

目前，真空预压方法已逐渐发展成为一项成熟的地基加固方法。对于天然形成的软土地基而言，真空预压具有非常显著的效果。然而对于新近吹填土地基，尤其是深厚吹填土，传统真空预压往往难以将深层的地下水有效地排出。因为在真空预压的后期，由于地基中的水部分已经被排出，在真空作用下剩余的水无法在抽水管路中形成连续水流，因此排水板和抽水管中往往会存在一部分水无法抽出，深层土体中仍有没排出的水。孔隙水压力的存在减小了土体颗粒间的有效应力，这将导致真空预压加固效果在深层土体中大打折扣，而且加固后的地基通常为表层强度高而深层加固效果不佳的“硬壳层”效果。研究证明，真空预压后土体残余沉降大部分发生在深层土体，因此，若能将此部分水排出，将会从根本上解决真空预压后深厚吹填土地基使用期残余沉降的问题，减少使用期因地基沉降导致的维修费用。同时地基中滞留水的存在，严重影响后期深基坑开挖的稳定性。

现有技术的改进措施有水气分离方法等。水气分离方法，是利用一个中转站(水气分离器)将抽气和抽水运用两套系统分别进行，抽气耗费的能量较低但能够维持真空预压所需的真空度，而抽水时只有当中转站中的水达到一定程度时才进行。由于深层土体中的水通过此方法不能被排出，因此上述方法主要起到了节约能源的作用，但没有从根本上解决深层土体中的水滞留问题。

对于降低深层地下水，井点降水法是一种成熟的技术，通过在地基中打设井点，使地基中的自由水在重力的作用下汇集到井点之中，在地基土中形成井点降水漏斗。随着井中的水不断地被抽出，井周围的水逐步地汇集到井中，地下水位随之下降。随着地下水的排出，土粒间的有效应力增加，地基土因此而得到加固。

根据井点降水的工作原理，尤其对于深层地下水具有良好的降水效果，在真空预压中引入井点降水将能弥补传统真空预压工艺的缺陷，因此尝试真空预压联合井点降水的加固方法，如采用轻型井点等，运用同一套抽排系统，通过井点和排水板同时向地基土中施加真空作用。在这种做法中，井点中的真空度与排水板中是一样的，此时的井点仅仅相当于通水量较大的排水板而已，其本质上与传统真空预压差别不大。由于仅在理念上进行了创新和施工中进行了尝试，未深入分析和研究真空预压联合井点降水的加固机理和具体的操作方法，因此并不能从根本上解决真空预压的工艺缺陷，不能显著增强加固效果。因此，到目前为止，真空预压联合井点降水的加固方法还未取得突破性的进展，实际工程中加固效果比真空预压无明显增强。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种以独立井点集、排水系统为主的真空预压联合井点降水加固方式，将井点抽气和排水系统分离为两套相互独立的工作系统，充分利用土中天然透水层将排水板和井点组合成“连通器”，通过潜水泵将井点中汇集的地下水抽出井外，增加土中的有效应力，增强地基加固效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型独立井点集排水联合真空预压加固方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤一，选择陆域，设定真空预压范围；步骤二，在步骤一选择的陆域内采用正方形或三角形平面布置多个独立井点，井点底部打入或打穿透水层中；设置多个与井点平行的排水板，且排水板顶部与水平集水管相连通；在井壁上设置浅层、深层启动感应器和停止感应器三组感应器，控制潜水泵的开启、停止；步骤三，安装潜水泵和抽气设备：每个井点底部均放置两个潜水泵；连接抽气管与集成式抽气泵站，当集成式抽气泵站开始抽气时，真空作用将被施加在井点中；步骤四，布置水平排水管：水平集水管设置在地基土顶部，根据排水板的位置布设成网状，当地基土顶部有砂垫层时，水平集水管埋置于砂垫层中，并连通水平集水管与排水板；步骤五，密封阻隔：铺设密封膜，将该密封顶盖和井点顶部托盘均用土工布和密封膜应覆盖住；在加固区四周布置防渗粘土帷幕墙，且压膜沟深度应满足：(1)对于较硬的土体，压膜沟为2.5～3m深；(2)对于较软的土体，压膜沟为1～2m深；步骤六，开启抽真空设备进行真空预压，抽气过程贯穿整个加固过程，直到达到卸载标准后停止抽气，抽气时保证负压水平维持在-80～-95kpa；

步骤七，进行真空井点降水：井点的降水过程中潜水泵自动开启与停止；步骤八，当地基强度达到卸载标准(1)连续五天实测沉降速率小于1.5～4mm/d，(2)土体固结度达85％～90％后，停止抽气，完成加固。

所述步骤二的多个独立井点，间距r为50m～100m。

所述步骤二的排水板，当土层中浅层含有潜在透水层(粉土、粉砂层等)时，打穿该透水层。

所述步骤二，井点底部打入或打穿透水层深度大于排水板底部深2～3m。

所述步骤三的潜水泵抽水效率q应满足：

式中，q为单位时间内潜水泵的排水量，单位为m3/s；k为地基中透水层的渗透系数，单位为m/s；h为透水层厚度，单位m；r为各井点的布置间距，单位m；h为井点中水位，单位m；hv为井点中真空度对应的高度，单位m；h透为透水层底部水位高度，单位m；l为地基外水源到潜水泵的水平距离，单位m。

一种实现权利要求1所述的新型独立井点集排水联合真空预压加固方法的加固系统，包括：集成式抽气泵站、抽气管、抽水管、多个独立井点、由上至下位于多个独立井点的土工布密封膜层、软弱地基土层和地基中透水层，所述独立井点设有围成井上部的伸缩式井壁和下部的大孔透水井壁、井密封顶盖、顶部托盘、井壁外周的护壁黄砂滤层，所述独立井点井内水层上设有感应浮标，井壁上依次设有浅层抽水启动感应器、深层抽水启动感应器和抽水停止感应器，井底部设有潜水泵，所述抽水管一端深入井底部水层、另一端于所述密封顶盖伸出，所述抽气管穿过所述密封顶盖一端位于密封顶盖外部与集成式抽气泵站相连接、另一端位于密封顶盖内下端；水平集水管设置在所述软弱地基土层上面，水平连通所述独立井点的井壁；所述软弱地基土层设有多个与所述独立井点平行的排水板，所述平行的排水板上部与所述水平集水管连通，所述平行的排水板底部打入地基中透水层中；所述伸缩式井壁长为1～4m，所述大孔透水井壁的孔径d等于大孔透水井管径d与两倍滤层厚度r之和。

所述软弱地基土层上设有砂垫层厚度为30cm～50cm。

所述井壁外周与护壁黄砂滤层之间设有土工布密封膜。

所述浅层启动感应器所在平面设在由原始地面起算的3～4m深度处，所述深层启动感应器所在平面设在比排水板底部高2～3m处，所述停止感应器与潜水泵顶部齐平。

所述独立井点集、排水系统形成的陆域加固区四周设有防渗粘土帷幕墙；所述伸缩式井壁长为1～4m，所述大孔透水井壁的孔径d等于大孔透水井管径d与两倍滤层厚度r之和。

本发明的有益效果是：充分利用土层中的透水层将各独立井点与排水板有机结合成“连通器”，利用独立井点集、排水系统作为深层土体主要的集、排水体，通过两套相互独立的系统分别进行抽气和排水工作，将地基中的深层地下水汇集到井点中排出地基外，从根本上解决传统真空预压由于工艺缺陷导致的深层土体加固效果不佳的问题，增强加固效果的同时起到节约能量、缩短工期的作用；地基中的排水层将井点系统与排水板系统有机结合成“连通器”，使各个排水板成为若干个“小井点”，能够更有效地提高集水效率，让更多地下水在井点效应下汇集到井点中。当井中的水积聚到一定程度后(到达一定水位后)，通过感应系统自动控制潜水泵的启动和停止，间歇地、主动地将井点中的水抽排出地基外，使井点漏斗效应持续不断作用于地下水，节能而高效地提高出水效率，增加地基中的有效应力，从而使得地基由浅层至深层均能得到有效加固，缩短工期，节约资源和成本，环保经济。

附图说明

图1是本发明独立井点立面示意图，

图2是本发明独立井点集排水联合真空预压加固系统立面示意图，

图3是本发明独立井点集排水联合真空预压加固系统平面示意图。

其中：

1、土工布密封膜2、砂垫层3、抽气管

4、抽水管5、止水阀门6、密封顶盖

7、井点顶部托盘8、水平集水管9、排水板

10、原始土体或工作垫层表面11、伸缩式井壁12、井壁连接接头

13、护壁黄砂滤层14、外裹土工布的大孔透水井壁

15、软弱地基土层16、浅层抽水启动感应器

17、深层抽水启动感应器18、地下水水位线19、感应浮标

20、抽水停止感应器21、水22、潜水泵

23、地基中透水层24、独立井点

25、防渗粘土帷幕墙26、地基中潜在含水透水层

27、集成式抽气泵站28、配电箱

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1至图3所示，一种新型独立井点集排水联合真空预压加固方法的加固系统，包括：配电箱28、集成式抽气泵站27、抽气管3、抽水管4、多个独立井点24、由上至下位于多个独立井点24的土工布密封膜层、软弱地基土层15和地基中透水层23，所述独立井点24设有围成井上部的伸缩式井壁11和下部的大孔透水井壁14、井密封顶盖6、顶部托盘7、井壁外周的护壁黄砂滤层13，所述独立井点井内水层上设有感应浮标19，井壁上依次设有浅层抽水启动感应器16、深层抽水启动感应器17和抽水停止感应器20，井底部设有潜水泵22，所述抽水管4一端深入井底部水层、另一端于所述密封顶盖6伸出，所述抽气管3穿过所述密封顶盖6一端位于密封顶盖6外部与集成式抽气泵站27相连接、另一端位于密封顶盖6内下端；水平集水管8设置在所述软弱地基土层15上面，水平连通所述独立井点24的井壁上端；所述软弱地基土层15设有多个与所述独立井点24平行的排水板9，所述平行的排水板9上部设有连接器与所述水平集水管8连通，所述平行的排水板9底部打入地基中透水层23中。

一种新型独立井点集排水联合真空预压加固方法，包括步骤一，选择陆域，设定真空预压范围；步骤二，在步骤一选择的陆域内设置独立井点集、排水系统和排水板，采用正方形或三角形平面布置多个独立井点；多个与井点平行的排水板其顶部与水平集水管相连接，底部打入透水层23中，在透水层与井点一同组成“连通器”；在井壁上设置浅层、深层启动感应器和停止感应器三组感应器，控制潜水泵的开启、停止；步骤三，安装潜水泵和抽气设备：每个井点底部均放置两个潜水泵，一备一用，潜水泵22的扬程应为35m以上；连接抽气管与集成式抽气泵站，当集成式抽气泵站开始抽气时，真空作用将被施加在井点中；步骤四，布置水平排水管：水平集水管根据排水板的位置而布设成网状，当地基土顶部有砂垫层时，水平集水管直接与排水板连接；步骤五，密封阻隔：铺设密封膜，除了预留井点的抽气管、井点抽水管的出口之外，将该密封顶盖和井点顶部托盘均用土工布和密封膜应覆盖住，当井点需要维护时，将密封膜和土工布移除后，打开该密封顶盖进行井点维护；在加固区四周布置防渗粘土帷幕墙，且压膜沟深度应满足：(1)对于较硬的土体，压膜沟为2.5～3m深；(2)对于较软的土体，压膜沟为1～2m深；步骤六，开启抽真空设备进行真空预压，抽气过程贯穿整个加固过程，直到达到卸载标准后才停止抽气，完成加固，抽气时保证负压水平维持在-80～-95kpa；步骤七，进行真空井点降水：井点的降水过程中潜水泵自动开启与停止；步骤八，当地基强度达到卸载标准(1)连续五天实测沉降速率小于1.5～4mm/d，(2)土体固结度达85％～90％后，停止抽气，完成加固。

步骤一中粗砂垫层2厚度应为30cm～50cm；也可采用无砂法真空预压、二次预压等，凡是真空预压范围皆适用。

步骤二中，井点底部应打入透水层23中，或者打穿透水层23并进入透水层下层土体中，其深度应至少比之后打设的排水板9底部深2～3m。当土层中含有较浅的透水层26(粉土、粉砂层等)时，井点应打穿该透水层。

井点24的平面布置采用正方形或三角形，间距r应根据现场抽水试验确定。出于经济性的考虑，井点数目不宜过多，因此间距r不宜过小，优选50m～100m之间。

单个独立井点24结构由密封顶盖6、顶部托盘7、护壁黄砂滤层13、伸缩式井壁11和大孔透水井壁14组成，如图1所示。顶部托盘7和密封顶盖6固定成一体，防止伸缩井壁11沉入软弱地基中。密封顶盖6主要用于将井点密封起来，在抽气后井中将形成真空。井点上部1～4m范围内井壁设计为伸缩式，当表层土体沉降时可以随着土体一起下沉。大孔透水井壁14具有透水性，可以有效地收集周围的地下水。各节井壁间通过接头12连接，如此可以将井点安装至较深的土中。井壁外侧用土工布包裹，并用黄砂滤层13护壁，可以起到透水防土的作用。

安装井点大孔透水井壁14时，先在指定位置钻孔，孔径d应等于大孔透水井管径d与两倍滤层13厚度r之和，即d＝d+2r。成孔完毕后，先在孔底填入5～10cm厚的黄砂，然后将透水土工布包裹好的大孔透水井壁14居中放入孔中，再将黄砂填入井壁四周作为滤层。

排水板9为塑料材质，设计按相关规范进行，其顶部与水平集水管8相连接。排水板9底部打入透水层23中，通过透水层23与井点一同组成“连通器”。

当土层中浅层含有潜在透水层26(粉土、粉砂层等)时，排水板9应打穿该透水层26。潜在透水层26可以提高集水效率，更有效地将浅层的地下水汇集到井点中。

为了实现抽水过程中潜水泵22自动启动和停止，在井壁上设置三组感应器16、17和20，同时在井中放置感应浮标19。其中，浅层启动感应器16和深层启动感应器17用于控制潜水泵的开启，停止感应器20用于控制潜水泵的停止。设置两组启动感应器的目的在于，加固初期，地下水位较高，地基出水量大，设置深度较浅的启动感应器16可以降低开泵频率，节约资源。加固后期，地下水位较低，设置深层启动感应器17能够更有效地抽取深层地下水。

在加固初期至中期，地下水水位线18位于土中较浅位置处，井点24中水位较高时，采用浅层井点抽水启动感应器16控制潜水泵的开启。当井点中水位升至与浅层启动感应器16一样高时，感应浮标19与启动感应器16相互感应而令潜水泵22开启，潜水泵22开始主动地将井点中汇集的地下水抽出地基之外。当井点中的水位降至与停止感应器20等高时，感应浮标19与停止感应器20相互感应而将潜水泵22停止，抽水过程暂停，井点中的地下水继续积聚，直至感应浮标19随水位上升至浅层启动感应器16处，潜水泵22再次开启并进行抽水。如此循环往复，直至井点24中水位降至较低的位置。

在加固中、后期，地下水水位线18位于土中较深位置处，井点24中水位已降至比较低的水平时，采用深层井点抽水启动感应器17控制潜水泵的开启。当井点中水位升至与深层启动感应器17一样高时，感应浮标19与启动感应器17相互感应而令潜水泵22开启，潜水泵22开始主动地将井点中汇集的地下水抽出地基之外。当井点中的水位降至与停止感应器20等高时，感应浮标19与停止感应器20相互感应而将潜水泵22停止，抽水过程暂停，井点中的地下水继续积聚，直至感应浮标19随水位上升至深层启动感应器17处，潜水泵22再次开启并进行抽水。如此循环往复，直至加固工程结束。

步骤三中，在井点施工完毕后，每个井点底部均放置两个潜水泵22，一备一用。潜水泵22的扬程应为35m以上，以保证在真空状态下仍可以主动、高效地排水。潜水泵22通过一根引出地面的出水管4将水从井中抽出，出水管4引出地表后装上止水阀5。

选用的潜水泵22抽水效率q应满足一下条件：

式中，q为单位时间内潜水泵22的排水量，单位为m3/s；k为地基中透水层23的渗透系数，单位为m/s；h为透水层23厚度，单位m；r为各井点24的布置间距，单位m；h为井点中水位，单位m；hv为井点中真空度对应的高度，单位m；h透为透水层23底部水位高度，单位m；l为地基外水源到潜水泵22的水平距离，单位m。当潜水泵的排水效率q满足上式时，外部水源流入地基中的水才不会完全干扰到地基的加固，有效地将地基中的地下通过潜水泵22排出。若不满足上述条件，则潜水泵22抽出的水完全是由外部水源经由透水层23流入井点中的，地基中的水仍然保留在地基中，完全达不到加固的目的。

另外，从井点上部引出一根抽气管3，与集成式抽气泵站27相连接。当集成式抽气泵站27开始抽气时，真空作用将被施加在井点中。

步骤四中的水平集水管8应根据排水板的位置而布设成网状，其埋设位置分为以下两种情况考虑：

(1)地基土顶部有砂垫层2时，水平集水管4埋置于砂垫层2中；

(2)地基土顶部无砂垫层2时，水平集水管4直接与排水板连接。

水平集水管的作用在于将排水板9顶部与井点24顶部连接在一起，由此将地基浅层的地下水通过排水板9由顶部汇集至井点24中。另外，在加固的后期，排水板9顶部与井点24顶部相连接，使排水板9与井点24组合形成“连通器”。

步骤五中，铺土工布和密封膜1时，除了预留井点的抽气管3出口之外，还应预留出井点抽水管4的出口，同时保证出口处密封良好不漏气。土工布和密封膜应将该密封顶盖6和井点顶部托盘7均覆盖住。当井点需要维护时，将密封膜和土工布移除后，可打开该密封顶盖6进行井点维护。

加固区四周应布置防渗粘土帷幕墙25，且压膜沟深度应满足如下要求：

(1)对于较硬的土体，压膜沟应做到2.5～3m深；

(2)对于较软的土体，压膜沟应做到1.5m左右。

步骤六中，所有准备工作做好以后，开始抽气。开启集成式抽气泵站27，向地基中施加真空荷载。抽气过程贯穿整个加固过程，直到达到卸载标准后才停止抽气。其中，抽气时保证负压水平维持在-80～-95kpa。

步骤七中，井点的降水过程中潜水泵22自动开启与停止，通过感应浮标19、浅层启动感应器16、深层启动感应器17和停止感应器20实现。

在加固初期至中期，当井点中水位升至与浅层启动感应器16一样高时，感应浮标19与浅层启动感应器16相互感应而令潜水泵22开启，潜水泵22开始主动地将井点中汇集的地下水抽出地基之外。当井点中的水位降至与停止感应器20等高时，感应浮标19与停止感应器20相互感应而将潜水泵22停止，抽水过程暂停，井点中的地下水继续积聚，直至感应浮标19随水位上升至浅层启动感应器16处，潜水泵22再次开启并进行抽水。如此循环往复，直至水位降至较低水平。

在加固中期至后期，当井点中水位升至与深层启动感应器17一样高时，感应浮标19与深层启动感应器17相互感应而令潜水泵22开启，潜水泵22开始主动地将井点中汇集的地下水抽出地基之外。当井点中的水位降至与停止感应器20等高时，感应浮标19与停止感应器20相互感应而将潜水泵22停止，抽水过程暂停，井点中的地下水继续积聚，直至感应浮标19随水位上升至深层启动感应器17处，潜水泵22再次开启并进行抽水。如此循环往复，直至加固工程结束。

优选的，浅层启动感应器16所在平面设在由原始地面起算的3～4m深度处，深层启动感应器17所在平面设在比排水板底部高2～3m处，停止感应器20与潜水泵22顶部齐平。

步骤八中，当加固进行到如下程度时，说明地基强度已经满足承载要求，可停止加固过程：

(1)连续五天实测沉降速率小于1.5～4mm/d；

(2)土体固结度达85％～90％。

本发明所述指标取值并非限制性说明，仅作为建议值，可根据实际情况和相关规范进行适当调整。但凡依据本发明内容及申请范围做等同的修饰或变化的，皆应属于本发明涵盖的内容。