圍堤軟基加固中的塑料排水板施工技術

張繼良 史可平 周定剛

（湖北長江清淤疏浚工程有限公司 430000）

1 工程概況

公司參建的常熟邊灘整治工程位于常熟市新港鎮境內，上起金涇塘口，下至白茆河口，北側與白茆小沙夾槽，南側與常熟陸地相連。工程實施后，新增邊灘圍堤長度5.633km,新增陸域面積136.8hm2。該工程是長江口綜合整治工程的一個組成部分。

2 地質情況

工程區地處長江入海口的三角洲地帶，河流沖積與濱海沉積蓋層厚度大。根據鉆孔揭露，工程區地層由第四系全新統沖積的淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土、粘土、砂壤土、粉細砂等組成。根據土體工程地質特性的差異，將其劃分為三大類土層，即①淤泥質粘土層、②粉質壤土層、③砂壤土層及砂性土層。

依據土層性質、地質成因、工程地質特征和區域地質資料對比分析，自上而下可分為以下諸層：

①砂土：灰黃色，該土層由北向南顆粒漸變細，由細砂、粉砂、漸變為輕粉質砂壤土、重粉質砂壤土，含云母片，局部夾壤土，松散—稍密狀態，中壓縮性。單層厚1～12m。

②淤泥質粉質粘土：灰色，局部為淤泥質重、中粉質壤土，偶夾砂壤土層，流塑狀態，高壓縮性。層厚2.4～20.0m，普遍分布，由西向東漸變薄。

③壤土層：包括粉質壤土與粉質砂壤土等。

③-1粉質壤土、中粉質壤土:灰色，夾砂壤土，軟塑—流塑狀，塑性高，厚度2.4～15.9m不等。

③-2粉質砂壤土:灰色，重粉質砂壤土、輕粉質砂壤土，粉砂、局部輕粉質壤土，含云母片，稍密—中密狀態，中壓縮性，場地分布不連續，最大揭露厚度16.1m。

④粉砂層：灰色，含云母，偶夾粉質粘土，壤土層薄，密實狀態，中壓縮性。局部未見底，最大揭露厚度22.8m。

3 主要工程地質問題及處理方案

3.1 主要工程地質問題

堤基土主要由第四系全新統沖積及濱海沉積的淤泥質土、一般粘性土、砂壤土、粉砂、細砂組成，淤泥質土、砂壤土呈軟塑—流塑狀，粉砂呈松散狀，均屬新近淤積的松軟土體，其工程性狀較差，承載力低，易產生滲透變形及抗沖刷淘蝕而引起堤基失穩。因此，該工程存在的主要工程地質問題圍堤及抗滑穩定、沉降變形、滲透變形及抗沖刷淘蝕等問題。堤基持力層呈軟塑—流塑狀，粉砂呈松散狀，均屬新近沉積的松散土體，其工程性狀較差，含水量大，天然孔隙比大，飽和度高，呈軟塑—流塑狀，承載力極低，壓縮性高，抗剪強度很低，若以其作為堤基持力層，極易導致出現堤身（基）沉降量過大及不均勻沉降問題，甚至在局部堤段產生堤基滑動破壞。

3.2 處理方案

綜合該工程各方面的因素考慮，采用斜坡式防波堤堤身型式，以適應堤基總體承載力較低的特點；對淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土等軟土堤基采用堆載預壓+塑料排水板的方法進行加固處理，在圍堤堤基鋪設厚50cm的砂被，起隔離、排水和固結補強的作用，以減少不均勻沉降，減少側向變形，增大堤基穩定性。

同時為加速堤基淤泥質土體排水固結，在圍堤內、外坡腳范圍內插打塑料排水板，按正方形布置，間距1.2m，排水板插入地基深度為13～20m。

根據設計要求，該工程的軟土地基主要采用塑料排水板處理。以下簡單介紹施工過程中一些關于塑料排水板處理軟基的技術措施。

3.3 采用塑料排水板法在軟基處理中的目的、工藝流程和原理及特點

3.3.1 塑料排水板法在軟基處理中的目的

增設地基土中排水通道，改善地基土的透水性和排水條件，使得施工過程中產生的超靜孔隙水壓力能夠及時消散，并轉換為有效應力（有效強度）。

當地基土的透水性和排水條件較差時，超靜孔隙水壓力無法及時消散，根據太沙基有效強度理論，它將導致圍堤地基土產生失穩破壞。該工程圍堤堤基由透水性差的粉質粘土和淤泥質粘土組成，為此，工程設計中對圍堤地基土采取了塑料排水板處理措施，以期增強地基土的透水性、改善地基土的排水條件。顯然，圍堤堆筑和圍灘吹填過程中，地基土中超靜孔隙水壓力的消散情況客觀地反映了地基土有效強度的增長過程、圍堤及其地基土的穩定性。

在該工程中主要解決地基沉降問題和穩定問題。

3.3.2 塑料排水板法的施工工藝流程和原理

a.施工工藝流程如圖1所示。

圖1 塑料排水板法施工流程圖

b.塑料排水板法的加固原理。塑料排水板法是排水固結法的一種形式。先在地基中設置塑料排水板豎向排水體，然后利用建（構）筑物本身重量分級逐漸加載；或是在建（構）筑物建造以前，在場地先行加載預壓（或者真空預壓），從而使土體中的孔隙水排出，逐漸固結，完成地基沉降，同時強度提高的方法。

塑料排水板法的加固原理是：利用插板機械在含水量大、孔隙比大、壓縮性高、深厚的軟土地基中插設具有良好透水性的塑料排水板，從而在軟土地基中形成豎向的排水通道，在其上鋪設砂墊層而形成水平排水通道，增加了土層的排水通道，如圖2所示。在上部輔加荷載（如預壓堆載、砂被，或者真空預壓等）的作用下，在軟土地基中產生附加應力。軟土地基中的孔隙水應力和附加應力引起的超孔隙水應力隨著孔隙水通過塑料排水板和砂墊層排出而降低，地基的孔隙水含水量也隨之降低，從而增加了土體密實度。根據太沙基的有效應力原理（σ′=σ-u；其中，σ′為有效應力；σ 為總應力；u為孔隙水應力）可知，由土顆粒間傳遞的有效應力σ′會隨著地基中孔隙水應力降低（即孔隙水的消散）等量增加，進而加速地基的固結，提高地基土的承載力，使軟土地基在較短時間內達到較高的固結度，大大減小圍堤的工后沉降。

圖2 地基中A點的排水路徑比較示意圖

3.3.3 塑料排水板法的特點

最早的排水固結法是砂井排水,但此法存在的問題是地基變形后,容易產生斷頸和頸縮。塑料排水板法彌補了砂井的不足,使施工工藝大大簡化,工效成倍增長,具有以下顯著特點:

a.塑料排水板由專業廠家批量生產,質量均勻且易控制,具有良好的透水和排水性能。

b.塑料排水板材料具有良好的強度及延伸率,適應地基變形的能力強。

c.重量輕(約1.5kg/m),搬運方便,施工質量易控制和保證。

d.塑料排水板的斷面尺寸小,插入時對地基土擾動小,連續性好。

e.施工機械簡單,施工速度快,勞動強度小,施工場地整潔。

4 施工機械與選材原則

4.1 施工機械設備

該工程的堤基處理總長度5000m，面積235000m2，插板數167400根，插板平均深度16.3m。施工采用ZTG30—25型軌道式插板機5臺，用于大部分相對平整部位的排水板施工；PC300履帶式專用插板機2臺，用于局部不平整部位及圍堤邊緣排水板施工。

4.2 塑料排水板材料的選定

根據設計要求,工程采用的塑料排水板應具有耐腐蝕性和足夠的柔性,卷曲、回折時不脆裂。其技術指標必須符合JTJ/T256—96《塑料排水板施工規程》及設計要求,材料進場必須經過檢驗合格后方可投入使用。

5 施工中關鍵技術控制點

該工程塑料插板施工工藝主要有三個步驟：鋪設水平排水墊層、垂直設置塑料排水板、填筑預壓荷載并觀測沉降量。這三個步驟的工藝都有其特殊要求和技術標準，因此實施效果直接關系到加固軟土地基的成敗。

5.1 鋪設水平排水墊層

首先對加固的地段清除表層草皮、石塊和雜物。然后人工鋪設并充灌砂被，厚度50～60cm。砂被充灌符合要求后，分級充填一級堤身外側袋裝砂棱體及堤身至高計高程1.05m（高出一般潮位），在袋裝砂棱體及堤身砂吹填的同時采用人工踩排進行吹填砂初期排水，塑料插板插打前采用挖掘機進行場地整平及震撼密實排水，整平后的插打場地要求表面平順，形成坡度為2～3%的倒坡，達到預拱坡面和砂墊層的效果，以利塑料插板排出的水能迅速排出。

5.2 垂直設置塑料排水板

a.機械定位。插板機就位，調正導架垂直度，空心套管中穿入塑料排水板，對中樁位。插板順序由低向高，定位時要保證樁錘中心與地面定位在同一點上，并用經緯儀或其他觀測方法控制樁錘或塔架的垂直。安設套管時，套管頂端有便于起吊的吊鉤或吊環，并在套管上畫出控制標高的刻度線。套管接長時，在打設前要試接，要求連接口平順密閉。

b.塑料板與樁尖連接。在塔架卷筒上安置塑料板，然后將塑料板通過套管從管靴穿出，固定在樁尖上，并一起貼緊管靴對準板位。

c.沉管插板。松卷揚機，將套管和排水板激振入地下至設計深度后關機。剛開始時沉管要緩慢，防止套管突然出現偏斜，套管入土深度距設計標高約2m時，要減慢沉管速度，注意觀察，防止超深或碰上硬質地基時能及時采取應變措施。

d.拔管剪斷塑料板。沉管達到設計深度后即可拔管，拔管時要連續緩慢地進行，中途不得放松吊繩，防止因套管下墜而損壞塑料板。套管拔出后，在下口露出地面20～30cm處剪斷塑料板并移位。

e.塑料板接頭處理。如需將剩余塑料板與另一卷連接使用時，將塑料板兩頭濾膜翻剝開，先搭接板芯20cm，然后把濾膜翻卷蓋住接頭，并確認泥土不能進入板芯。

5.3 填筑預壓荷載

a.分段塑料排水板驗收合格后，應及時用吹填砂料仔細填滿打設在板周圍形成的孔洞，覆蓋塑料板甩頭。

b.加載。使用合格的圍堤填料，結合圍堤分級堤身施工的工藝進行，其加載速率應控制在設計要求的標準內，不得超過地基允許承載力。

c.設置沉降觀測點。在堤身填筑加載前，在堤基坡腳外5m處設置水平位移觀測樁，縱向樁距100m，并在堤基中線上設置垂直觀測標桿，標桿的下端焊接一塊30cm×30cm的鋼板，沉降觀測點沿中線每隔100m設置一個。

d.施工加載速率。由于圍堤是在淤泥質軟土地基上填筑的，因此需要嚴格控制施工加載速率如下：Ⅰ期袋裝砂棱體施工控制時間不小于30天，加載間歇時間30天；Ⅱ期袋裝砂棱體施工控制進間不小于30天，加載間歇時間30天；Ⅲ期袋裝砂棱體施工控制時間不小于20天。施工期加載速率不超過4～10kPa/天，即每天填筑不超過0.7m，施工時應分層均勻緩填。

6 通過對圍堤的安全監測檢驗軟基處理的效果

為了確保工程的施工質量,確保軟基處理的效果,在施工過程中主要從以下幾個方面的安全監測來檢驗軟基處理的效果。

6.1 超靜孔隙水壓力監測

當地基土的透水性和排水條件較差時，超靜孔隙水壓力無法及時消散，根據太沙基有效強度理論，它將導致圍堤地基土產生失穩破壞。該工程圍堤堤基由透水性差的粉質粘土和淤泥質粘土組成，為此，工程設計中對圍堤地基土采取了塑料排水板處理措施，以期增強地基土的透水性，改善地基土的排水條件。顯然，圍堤堆筑和圍灘吹填過程中，地基土中超靜孔隙水壓力的消散情況客觀地反映了地基土有效強度的增長過程、圍堤及其地基土的穩定性以及塑料排水板處理措施的效果，并在一定程度上控制了施工進度。為此，地基土超靜孔隙水壓力及其消散過程是該項目監測的重要內容。

6.2 分層沉降監測

工程區地基土主要由新近沉積的、欠固結的、呈軟塑—流塑狀的淤泥質粉質粘土和砂壤土等組成，其承載力低、壓縮性大。在圍堤堆筑和圍灘吹填過程中，地基土中將產生較大的附加應力，沉降和不均勻沉降問題較為突出。當沉降變形過大時，會給工程施工帶來安全隱患，甚至影響工程進度。因此，在不同監測斷面布設分層沉降監測孔，以跟蹤觀測施工過程中堤身及堤基不同深度的沉降變形情況。

6.3 側向水平位移監測

由于圍堤地基由物理力學性質差的軟土組成，而圍堤的最大堆筑高度將近9m。對于透水性差的軟土，在圍堤堆筑過程中產生的附加應力不易及時轉換為有效強度，故軟土堤基存在產生側向蠕變、甚至滑動破壞的可能性。

6.4 沉降觀測

考慮到場區地基土為呈軟塑—流塑狀、欠固結的淤泥質粉質粘土和砂壤土等，沉降和工后沉降問題較為突出。為了從宏觀上掌握圍堤堆筑和圍灘內吹填過程中地基土的沉降量、沉降過程和工后沉降，根據設計圖紙、地質報告和現場實際情況，本著突出重點、兼顧全局、力求達到少而精的原則，在1+359、2+870、4+124樁號處布置三個監測斷面。共埋設11×3＝33支振弦式孔隙水壓力計；分層沉降監測點總數為8點/孔×3孔×3=72點；側向水平位移監測總數為2孔/斷面×3斷面×60點/孔×2向/點=720點；同時在圍灘內沿斷面方向各埋設3個沉降板，監測斷面一級、二級、堤頂道路各埋設一塊沉降板，共計18塊沉降板。

6.5 軟基處理效果分析

比較典型斷面1＋359的觀察結果。

6.5.1 超靜孔隙水壓力監測

圖3 1+359斷面孔隙水壓力監測過程線

圖4 分層沉降監測過程線

由圖3可以看出，監測斷面上觀測點在二級棱體施工時，加載當天會出現一個峰值，在加載停止后，孔隙水壓力即很快消散，說明排水板排水效果比較明顯。在棱體加載施工期間，孔隙水壓力主要伴隨著加荷速率上升，自5月初棱體加載完成后，超靜水壓力即逐漸消散，地基固結狀況良好。

6.5.2 分層沉降監測

根據本地工程經驗，沉降速率控制標準為10mm/天。1號斷面（1+359）觀測最大沉降速率為 9mm/天（HD1-2、4月 7日觀測），在監測時間段內沉降速率基本沒有超過控制標準。根據跟蹤監測發現，地基土沉降主要受上部棱體加載影響，棱體加載一層（約0.5～0.7m）沉降量約為7～9mm，且穩定較快。因此，在施工過程中禁止連續加載，每次以加載一層為宜。基本以表層沉降量較大，隨著深度的增加，沉降量降低。根據對施工結束后觀測數據的統計分析，當前地面沉降速率最大值為0.3mm/天，最小值為0.1mm/天。地基土變形漸趨穩定（見圖 4）。

6.5.3 側向水平位移監測

依據資料和當地施工經驗計算，深層水平位移的控制標準為5mm/天。觀測期間，1+359斷面最大水平位移速率為4.12mm/天，根據施工結束后觀測分析，當前水平位移已漸趨穩定，最大平均水平位移速率為0.12mm/天。觀測結果表明：在圍堤吹填加高期間，軟土地基內部的水平位移很小。實測的水平位移僅僅是地基土在圍堤豎向荷載作用下的側脹變形，而非滑動破壞產生的滑移。由此可以認為，圍堤的填筑施工速率控制得當。而且，塑料排水板在增強軟土透水性方面的效果良好。由于塑料排水板的設置，在較大程度上增強了地基土的豎向透水性，為超靜孔隙水的盡快排出提供了通暢的豎向通道，從而加快了地基土的排水固結，地基土的有效強度和壓縮模量得到快速增長（見圖5）。

圖5 各監測斷面水平位移—深度變化曲線

6.4 沉降觀測

從圖6中可以看出，在棱體加載期間，沉降較快，加載瞬時沉降變化量較大。至5月底棱體施工完成后，沉降曲線發展平順，沉降速率明顯減小，越到后期，沉降速率越小，說明棱體地基土層固結平穩，棱體處于穩定狀態。地基處于安全穩定狀態，且隨著地基土體的固結，地基承載能力也逐漸提高。

各項安全監測成果表明：塑料排水板法在常熟邊灘整治工程軟基處理中的應用，取得了明顯效果。

7 結 語

圖6 雙曲線擬合過程線

在邊灘整治工程塑料排水板法軟基處理施工中，由于施工準備充分、設備選型合理，施工過程控制的技術措施嚴密，從而在施工中充分體現了這一方法具有施工效果好、勞動強度小、施工速度快等特點。因此，若能選用合適的靜壓打設機械，并嚴格按照施工工藝要求組織施工,塑料排水板法施工效率會更高,經濟效益會更好,施工質量會更有保證。■