臺州市椒江污水處理廠二期工程地基真空預壓處理原位監測
摘要：臺州市椒江污水處理廠已建一期工程規模為5×104m3/d，二期擴建工程規模為10×10 m3/d，其中醫藥化工廢水設計水量約為2×104m3/d，市政污水設計水量約為8×10 m3/d。在總結一期地基基礎真空預壓經驗的基礎上，對二期工程的地基基礎的設計方案進行了優化，為達到監控施工安全、檢測加固效果、驗證地基基礎處理方案合理性和實用性的的目的，進行了施工監測。
關鍵詞：污水處理廠,真空預壓,地基基礎,原位監測
椒江二期污水處理廠位于現狀污水處理廠南側，西鄰沿海高速，東靠臺州灣。場區主要受力土層天然地基承載力低，約為40~70kPa，為高壓縮性軟土，天然地基難以滿足大部分建、構筑物承載力及變形要求，應進行地基處理。針對本工程總平面圖布置，結合一期工程的實踐經驗以及經濟比較，采用大范圍真空預壓(聯合堆載)的方案進行地基加固處理。
項目于2008年1月29日開始抽真空，7月28施工單位停泵，整個抽真空過程歷時181天。為達到監控施工安全、檢測加固效果、驗證地基處理方案合理性和實用性的目的，進行了施工監測
1、監測項目的內容和布置
1.1、原位監測目的
監測的目的主要有以下幾個方面：一是能及時發現加固過程中出現的問題，以便及時解決它;二是作為施工過程的控制，根據監測數據了解工程進展和軟基的加固效果，以判斷加固工程是否達到了預期的目的，從而決定加固工程的中止及后續工程的開始時間;三是可以為工程設計提供依據，驗證與指導施工設計，也可為理論研究提供詳實的佐證。
1.2、主要原位監測項目
1、現場監測項目包括：沉降標、孔隙水壓力、分層沉降、測斜、水位、真空度衰減。
2、加固效果的檢驗包括：鉆孔取土、現場十字板。
1.3、主要監測項目的目的
1、地表沉降標：最簡潔直觀的監測項目，可監測加固過程中何時達到了設計要求，判斷加固進程能否結束。
2、膜下真空度:了解真空壓力隨時間的變化情況。
3、分層沉降：了解各土層的壓縮情況，判斷加固達到的有效深度及各深度土層的固結程度。本項目在場地中央布置了一個分層沉降監測點。
4、水平位移：測量土體在加固過程中的側向位移情況，一方面是了解土體側向位移量的大小，判斷側向位移對土體垂直變形的影響;另外也可了解土體側向移動對鄰近建筑物的影響。
5、真空度監測：主要了解真空度沿垂直排水通道中的傳遞規律，了解真空度在垂直排水通道中的傳遞損失。
6、地基孔隙水壓力：了解在淤泥中真空度隨時間的發展過程，從而可以判斷淤泥的加固效果，推算淤泥土的固結程度。
7、水位：分場地外和場地內水位監測，設在加固區外的水位監測點主要是了解加固過程中真空度擴散對周圍地下水位的影響;設在加固區內的水位監測點主要是了解抽真空過程中加固區內地下水位的變化規律，為分析加固效果和設計計算提供資料與依據。
8、地基強度測試：在加固前后各進行一次現場十字板剪切試驗，可了解地基軟土層加固前后強度變化的狀況和地基的處理效果。
9、鉆孔取土：通過試驗結果分析加固前后土體的物理力學性質指標改善情況，判斷加固的效果。
2、監測成果分析
2.1、地表沉降分析
2.1.1、打設排水板至抽真空期間的地表沉降
打設排水板至抽真空期間的地表平均沉降為620mm，但很不均勻，地表高程有抬高和降低，相差很大，有些地方抬高了212mm，有些地方沉降了1297mm，這異常現象主要是由于場地平整前狀態極不均勻和圍堰加載地面擠淤兩個因素造成的。場地平整前，場地北側為建筑垃圾堆場，局部高程達4m，南部為水塘，平整時部分區域回填土厚達2m以上，這就造成了原垃圾堆場區域插板期間沉降小，而原水塘區域沉降大，最大達1297mm，遠遠大于一般場地插板沉降300～500mm的水平。此外，在排水板打設期間，圍堰附近一些區域地面抬高，這是因為打設排水板期間圍堰正在施工加載，由于場地內地面高程低(相對于場地外地面高程)和地基土強度小，部分區域圍堰在加載后大幅度沉降，導致場地內與圍堰相鄰部分地面抬高或降低。
2.1.2、抽真空期間地表沉降
抽真空期間，場地內平均沉降量855mm，最大沉降量(測點)值為1037mm;最小沉降量值為627mm;最大沉降點和最小沉降量點相鄰很近，位于與東南側圍堰相垂直的小監測斷面上。最大沉降和最小沉降相鄰很近是由以下原因造成的：場地東南側原為水塘，土質較軟，地基加固處理時沉降量大是正常的，但因南側圍堰的擠淤導致了場地內南側邊緣的沉降量減小，使得最大沉降點和最小沉降量值點發生在較近的區域內。
在抽真空期間，場地外沉降均勻(測點在圍堰外20m處)，在圍堰南側和西南側等有活水源區域，沉降量普遍較小，最小值僅11mm;在圍堰北側無活水源區域，沉降量普遍較大，最大達335mm。此外，在有活水源區域，場地外土體基本無開裂和不均勻沉降現象，而在無活水源區域，場地外30m范圍內土體的開裂和不均勻沉降現象很顯著(見圖1)。
在抽真空前場地內地表沉降速率約1mm/d，抽真空后沉降速率明顯增大，其中在抽真空后第20天達到最大，最大值達24mm/d，之后逐漸出現減小趨勢。此外，在抽真空過程中，沉降速率與膜下真空度密切相關，膜下真空度增高沉降速率增大，膜下真空度降低則沉降速率減小。圖2是D5-3測點地表沉降速率與真空度變化的過程曲線，從可以看出，沉降速率的變化趨勢與真空度完全一致。
抽真空結束時，場地內最大高程差達1528mm，累計總平均沉降量(包括排水板打設期間沉降量)為1447mm，卸載后最大回彈量為47mm。
2.2、膜下平均真空度隨時間變化
本項目中，膜下真空度采用孔壓計探頭監測，據現場實測數據，在真空泵停泵時，孔壓計探頭與真空表的讀數基本一致，但在真空泵運行時，孔壓計探頭比真空表讀數要小5～10kPa，而且，真空度越大，兩者差值越小。此現象在文獻中有記載，應屬正常現象。據施工單位真空表資料，內場地平均真空度大于-70kPa的累計時間有三個月左右。
圖1抽真空期間場地外土體開裂現象
2.3、分層沉降分析
據地基土分層沉降監測資料，自1月29日開始抽真空，淺層的土體在開始迅速壓縮沉降，隨著抽真空時間的增加，壓縮沉降向深層發展，各點的沉降速率逐漸變小，同時沉降曲線趨于緩和;在相同的時間，總體上淺部的沉降量大于深部的沉降量。此外，從分層沉降監測資料看，在停泵前加固土體20m以下有一定的沉降量，但較小，17m的范圍內的沉降占總沉降的約95%，11m范圍內的沉降總沉降量的約72%，固結壓縮主要發生在地表下17m的范圍內。
2.4、水平位移分析
在真空預壓期間，土體不會產生“側向擠出”現象，地基無向外擠出量，真空預壓不會產生由于側向位移而引起的瞬時沉降。據本項目的水平位移監測成果，抽真空期間在場地外側，插板深度內的地基土都出現了較大的向場地方向的水平位移，這說明負壓的深層傳遞較好。對比而言，北側20m范圍內的水平位移發展較均勻;在南側，因抽真空初期南側圍堰加載，深層土體出現了向外擠淤現象，停止加載后，隨著抽真空的進行，土體水平位移開始向場地方向發展。
水平位移的發展與膜下真空度密切相關，以北側圍堰東部X1側斜管為例：在5月18號真空度降低之前，地表下20m范圍內的水平位移速率約1mm/d，但淺層水平位移速率大于深層的速率;真空度降低一半后，淺層水平位移速率小于深層的速率，其中淺層0～5m的水平位移速率為0.36～0.41mm/d，深層5～21m的水平位移速率為0.41～0.52mm/d;真空度回復到原來水平后，淺層水平位移速率又大于深層的速率。
2.5、真空度監測分析
在穩定抽真空過程中，場地外深2～22m的土體內存在6～10kPa的負壓，其中10～20m范圍內的負壓稍大些。
關于真空度監測分析，以抽真空結束前6月30號(6月30號后膜下真空度開始減小)場地中西側z9組(排水板中探頭)和z9-1(泥中探頭)為例，在6月30號時，地表下16m范圍內的泥中負壓已有較大的消散，固結度達90%以上，而22m以下的消散程度不顯著。
2.6、水位變化分析
場地外：在開始抽真空時，場地外水位在地表下0.3～0.5m，在開始抽真空后，在西側和南側圍堰外，因有補充水源，整個抽真空過程中土體中的水位變化不大。北側圍堰外無活水源，地下水位受雨水的影響，在抽真空初期，雨水少，受場地內抽真空影響，土體中水位最高下降達0.4m，梅雨季節來臨后，土體中水位有明顯上升。
場地內：在開始抽真空時，場地內水位基本在密封膜下0～0.2m，在正常抽真空過程中，六個測點處的水位一般可降到膜面以下0.6m，地下水位面最低可降到膜面以下1.0m。
3、加固效果分析
3.1、加固前后物理性指標的變化
加固后16m以內土體的容重增大，含水量降低，孔隙比減小。
3.2、加固前后現場十字板強度的變化
本監測項目在真空預壓法加固地基前后進行了兩次微型十字板剪切強度試驗，通過這兩次的十字板剪切強度對比，可以了解地基軟土層強度變化的狀況、地基處理的效果。加固后十字板強度變化規律：
1、淺層地基土強度都有明顯增長，尤其是接近地表，強度增加了近一倍。
2、十米以下，地基土強度雖有增長，但不顯著。
3.3、加固后土體的承載力
關于加固前后的地基承載力，根據《椒江污水處理廠二期工程巖土工程勘察報告》，加固前地基承載力一般為5～6t/m2，真空預壓加固地基后，委托第三方檢測單位進行了淺層平板載荷試驗，根據該試驗報告，加固后滿足地基土承載力特征值90kPa的設計要求。
4、結語
通過對施工過程的原位監測及其成果分析，可以獲得很多寶貴的結論和經驗，對今后椒江地區真空預壓法加固軟土地基的設計施工起到較好的指導作用。
1、地基的總沉降量和固結度與單位面積上的真空作用功率及作用時間有密切關系。真空預壓法處理軟土地基不僅要確保真空壓力穩定，而且要求保證足夠的真空泵運行數量，因此地基處理設計應對膜下真空壓力、單位面積真空作用功率和加固時間全面考慮。
2、在軟土地基上修建構筑物，往往需要解決工后沉降的問題，相對于強度控制而言，工后沉降控制是軟土地基處理的難點。在真空預壓加固軟基施工中，如有經常停泵現象，則在沉降預測計算時，應修正沉降數據。
3、在真空預壓施工中，密封膜的保護是關鍵，尤其在膜上覆水時，密封膜破損過頻繁將直接導致整個加固工程的失敗。
4、分層沉降監測成果表明，在相同的時間，總體上淺部的沉降大于深部的沉降。17m的范圍內的沉降占總沉降的約95%，11m范圍內的沉降總沉降量的約72%，固結壓縮主要發生在地表下17m的范圍內。
5、本工程采用真空預壓法加固超深軟土天然地基，據十字板剪切強度試驗，淺層十字板剪切強度提高了近一倍;根據淺層平板載荷試驗后的試驗報告，地基承載力從加固前的5～6t/m提高到9t/m。總體而言，地基工程性質得到很大改善，地基加固處理效果良好。
參考文獻
1 臺州市椒江污水二期地質勘查報告 臺州市椒江建筑設計研究院2007
2 臺州市椒江污水處理二期與再生水回用工程設計方案 中國市政華北設計研究院 2007
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