台州市椒江污水处理厂二期工程地基真空预压处理原位监测
摘要：台州市椒江污水处理厂已建一期工程规模为5×104m3/d，二期扩建工程规模为10×10 m3/d，其中医药化工废水设计水量约为2×104m3/d，市政污水设计水量约为8×10 m3/d。在总结一期地基基础真空预压经验的基础上，对二期工程的地基基础的设计方案进行了优化，为达到监控施工安全、检测加固效果、验证地基基础处理方案合理性和实用性的的目的，进行了施工监测。
关键词：污水处理厂,真空预压,地基基础,原位监测
椒江二期污水处理厂位于现状污水处理厂南侧，西邻沿海高速，东靠台州湾。场区主要受力土层天然地基承载力低，约为40~70kPa，为高压缩性软土，天然地基难以满足大部分建、构筑物承载力及变形要求，应进行地基处理。针对本工程总平面图布置，结合一期工程的实践经验以及经济比较，采用大范围真空预压(联合堆载)的方案进行地基加固处理。
项目于2008年1月29日开始抽真空，7月28施工单位停泵，整个抽真空过程历时181天。为达到监控施工安全、检测加固效果、验证地基处理方案合理性和实用性的目的，进行了施工监测
1、监测项目的内容和布置
1.1、原位监测目的
监测的目的主要有以下几个方面：一是能及时发现加固过程中出现的问题，以便及时解决它;二是作为施工过程的控制，根据监测数据了解工程进展和软基的加固效果，以判断加固工程是否达到了预期的目的，从而决定加固工程的中止及后续工程的开始时间;三是可以为工程设计提供依据，验证与指导施工设计，也可为理论研究提供详实的佐证。
1.2、主要原位监测项目
1、现场监测项目包括：沉降标、孔隙水压力、分层沉降、测斜、水位、真空度衰减。
2、加固效果的检验包括：钻孔取土、现场十字板。
1.3、主要监测项目的目的
1、地表沉降标：最简洁直观的监测项目，可监测加固过程中何时达到了设计要求，判断加固进程能否结束。
2、膜下真空度:了解真空压力随时间的变化情况。
3、分层沉降：了解各土层的压缩情况，判断加固达到的有效深度及各深度土层的固结程度。本项目在场地中央布置了一个分层沉降监测点。
4、水平位移：测量土体在加固过程中的侧向位移情况，一方面是了解土体侧向位移量的大小，判断侧向位移对土体垂直变形的影响;另外也可了解土体侧向移动对邻近建筑物的影响。
5、真空度监测：主要了解真空度沿垂直排水通道中的传递规律，了解真空度在垂直排水通道中的传递损失。
6、地基孔隙水压力：了解在淤泥中真空度随时间的发展过程，从而可以判断淤泥的加固效果，推算淤泥土的固结程度。
7、水位：分场地外和场地内水位监测，设在加固区外的水位监测点主要是了解加固过程中真空度扩散对周围地下水位的影响;设在加固区内的水位监测点主要是了解抽真空过程中加固区内地下水位的变化规律，为分析加固效果和设计计算提供资料与依据。
8、地基强度测试：在加固前后各进行一次现场十字板剪切试验，可了解地基软土层加固前后强度变化的状况和地基的处理效果。
9、钻孔取土：通过试验结果分析加固前后土体的物理力学性质指标改善情况，判断加固的效果。
2、监测成果分析
2.1、地表沉降分析
2.1.1、打设排水板至抽真空期间的地表沉降
打设排水板至抽真空期间的地表平均沉降为620mm，但很不均匀，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，这异常现象主要是由于场地平整前状态极不均匀和围堰加载地面挤淤两个因素造成的。场地平整前，场地北侧为建筑垃圾堆场，局部高程达4m，南部为水塘，平整时部分区域回填土厚达2m以上，这就造成了原垃圾堆场区域插板期间沉降小，而原水塘区域沉降大，最大达1297mm，远远大于一般场地插板沉降300～500mm的水平。此外，在排水板打设期间，围堰附近一些区域地面抬高，这是因为打设排水板期间围堰正在施工加载，由于场地内地面高程低(相对于场地外地面高程)和地基土强度小，部分区域围堰在加载后大幅度沉降，导致场地内与围堰相邻部分地面抬高或降低。
2.1.2、抽真空期间地表沉降
抽真空期间，场地内平均沉降量855mm，最大沉降量(测点)值为1037mm;最小沉降量值为627mm;最大沉降点和最小沉降量点相邻很近，位于与东南侧围堰相垂直的小监测断面上。最大沉降和最小沉降相邻很近是由以下原因造成的：场地东南侧原为水塘，土质较软，地基加固处理时沉降量大是正常的，但因南侧围堰的挤淤导致了场地内南侧边缘的沉降量减小，使得最大沉降点和最小沉降量值点发生在较近的区域内。
在抽真空期间，场地外沉降均匀(测点在围堰外20m处)，在围堰南侧和西南侧等有活水源区域，沉降量普遍较小，最小值仅11mm;在围堰北侧无活水源区域，沉降量普遍较大，最大达335mm。此外，在有活水源区域，场地外土体基本无开裂和不均匀沉降现象，而在无活水源区域，场地外30m范围内土体的开裂和不均匀沉降现象很显著(见图1)。
在抽真空前场地内地表沉降速率约1mm/d，抽真空后沉降速率明显增大，其中在抽真空后第20天达到最大，最大值达24mm/d，之后逐渐出现减小趋势。此外，在抽真空过程中，沉降速率与膜下真空度密切相关，膜下真空度增高沉降速率增大，膜下真空度降低则沉降速率减小。图2是D5-3测点地表沉降速率与真空度变化的过程曲线，从可以看出，沉降速率的变化趋势与真空度完全一致。
抽真空结束时，场地内最大高程差达1528mm，累计总平均沉降量(包括排水板打设期间沉降量)为1447mm，卸载后最大回弹量为47mm。
2.2、膜下平均真空度随时间变化
本项目中，膜下真空度采用孔压计探头监测，据现场实测数据，在真空泵停泵时，孔压计探头与真空表的读数基本一致，但在真空泵运行时，孔压计探头比真空表读数要小5～10kPa，而且，真空度越大，两者差值越小。此现象在文献中有记载，应属正常现象。据施工单位真空表资料，内场地平均真空度大于-70kPa的累计时间有三个月左右。
图1抽真空期间场地外土体开裂现象
2.3、分层沉降分析
据地基土分层沉降监测资料，自1月29日开始抽真空，浅层的土体在开始迅速压缩沉降，随着抽真空时间的增加，压缩沉降向深层发展，各点的沉降速率逐渐变小，同时沉降曲线趋于缓和;在相同的时间，总体上浅部的沉降量大于深部的沉降量。此外，从分层沉降监测资料看，在停泵前加固土体20m以下有一定的沉降量，但较小，17m的范围内的沉降占总沉降的约95%，11m范围内的沉降总沉降量的约72%，固结压缩主要发生在地表下17m的范围内。
2.4、水平位移分析
在真空预压期间，土体不会产生“侧向挤出”现象，地基无向外挤出量，真空预压不会产生由于侧向位移而引起的瞬时沉降。据本项目的水平位移监测成果，抽真空期间在场地外侧，插板深度内的地基土都出现了较大的向场地方向的水平位移，这说明负压的深层传递较好。对比而言，北侧20m范围内的水平位移发展较均匀;在南侧，因抽真空初期南侧围堰加载，深层土体出现了向外挤淤现象，停止加载后，随着抽真空的进行，土体水平位移开始向场地方向发展。
水平位移的发展与膜下真空度密切相关，以北侧围堰东部X1侧斜管为例：在5月18号真空度降低之前，地表下20m范围内的水平位移速率约1mm/d，但浅层水平位移速率大于深层的速率;真空度降低一半后，浅层水平位移速率小于深层的速率，其中浅层0～5m的水平位移速率为0.36～0.41mm/d，深层5～21m的水平位移速率为0.41～0.52mm/d;真空度回复到原来水平后，浅层水平位移速率又大于深层的速率。
2.5、真空度监测分析
在稳定抽真空过程中，场地外深2～22m的土体内存在6～10kPa的负压，其中10～20m范围内的负压稍大些。
关于真空度监测分析，以抽真空结束前6月30号(6月30号后膜下真空度开始减小)场地中西侧z9组(排水板中探头)和z9-1(泥中探头)为例，在6月30号时，地表下16m范围内的泥中负压已有较大的消散，固结度达90%以上，而22m以下的消散程度不显著。
2.6、水位变化分析
场地外：在开始抽真空时，场地外水位在地表下0.3～0.5m，在开始抽真空后，在西侧和南侧围堰外，因有补充水源，整个抽真空过程中土体中的水位变化不大。北侧围堰外无活水源，地下水位受雨水的影响，在抽真空初期，雨水少，受场地内抽真空影响，土体中水位最高下降达0.4m，梅雨季节来临后，土体中水位有明显上升。
场地内：在开始抽真空时，场地内水位基本在密封膜下0～0.2m，在正常抽真空过程中，六个测点处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、加固前后物理性指标的变化
加固后16m以内土体的容重增大，含水量降低，孔隙比减小。
3.2、加固前后现场十字板强度的变化
本监测项目在真空预压法加固地基前后进行了两次微型十字板剪切强度试验，通过这两次的十字板剪切强度对比，可以了解地基软土层强度变化的状况、地基处理的效果。加固后十字板强度变化规律：
1、浅层地基土强度都有明显增长，尤其是接近地表，强度增加了近一倍。
2、十米以下，地基土强度虽有增长，但不显著。
3.3、加固后土体的承载力
关于加固前后的地基承载力，根据《椒江污水处理厂二期工程岩土工程勘察报告》，加固前地基承载力一般为5～6t/m2，真空预压加固地基后，委托第三方检测单位进行了浅层平板载荷试验，根据该试验报告，加固后满足地基土承载力特征值90kPa的设计要求。
4、结语
通过对施工过程的原位监测及其成果分析，可以获得很多宝贵的结论和经验，对今后椒江地区真空预压法加固软土地基的设计施工起到较好的指导作用。
1、地基的总沉降量和固结度与单位面积上的真空作用功率及作用时间有密切关系。真空预压法处理软土地基不仅要确保真空压力稳定，而且要求保证足够的真空泵运行数量，因此地基处理设计应对膜下真空压力、单位面积真空作用功率和加固时间全面考虑。
2、在软土地基上修建构筑物，往往需要解决工后沉降的问题，相对于强度控制而言，工后沉降控制是软土地基处理的难点。在真空预压加固软基施工中，如有经常停泵现象，则在沉降预测计算时，应修正沉降数据。
3、在真空预压施工中，密封膜的保护是关键，尤其在膜上覆水时，密封膜破损过频繁将直接导致整个加固工程的失败。
4、分层沉降监测成果表明，在相同的时间，总体上浅部的沉降大于深部的沉降。17m的范围内的沉降占总沉降的约95%，11m范围内的沉降总沉降量的约72%，固结压缩主要发生在地表下17m的范围内。
5、本工程采用真空预压法加固超深软土天然地基，据十字板剪切强度试验，浅层十字板剪切强度提高了近一倍;根据浅层平板载荷试验后的试验报告，地基承载力从加固前的5～6t/m提高到9t/m。总体而言，地基工程性质得到很大改善，地基加固处理效果良好。
参考文献
1 台州市椒江污水二期地质勘查报告 台州市椒江建筑设计研究院2007
2 台州市椒江污水处理二期与再生水回用工程设计方案 中国市政华北设计研究院 2007
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