塑料排水板在吹填土地基沉降控制中的應用

呂子鑫,張福海,王保田,李守德

(河海大學 巖土工程科學研究所,江蘇南京 210098)

塑料排水板在吹填土地基沉降控制中的應用

呂子鑫,張福海,王保田,李守德

(河海大學 巖土工程科學研究所,江蘇南京 210098)

吹填土地基沉降量較大,在規定的工期內如何控制好剩余沉降量(剩余主固結沉降和次固結沉降)一直是人們比較關心的問題。結合KNI項目2A島圍海吹填工程,采用巴隆(Barron)解結合太沙基(Terzaghi)一維固結理論推算排水板地基固結過程,通過在吹填土地基上打設塑料排水板來加速地基的固結過程,從而達到控制工后剩余沉降的目的,使之滿足剩余沉降量的要求,詳細研究了符合工程要求的塑料排水板的間距和深度。

吹填土地基;塑料排水板;剩余沉降;固結

0 引 言

隨著經濟的快速發展,沿海地區的建設用地越來越緊張,為此圍海造陸工程得到了迅猛發展[1]。圍海造陸工程[2]主要是先在沿海修建圍堤,然后向圍區內吹填海中的砂或淤泥,因此這就需要人們充分考慮吹填土地基的性質。吹填土地基物理力學性質差,透水性差,壓縮性高,承載力低,在荷載作用下沉降變形較大,容易產生較大的不均勻沉降,而且沉降穩定歷時較長[3],因此如何在規定的工期內能夠較好的控制剩余沉降量問題一直是人們比較關心的問題,也是工程中所不可忽視的問題。試驗和工程實踐表明,較為成熟的處理方法有三類[4]:墊層與淺層置換法(換填法[5]),豎向排水結合預壓的排水固結法(砂井[6],塑料排水板[7]等),復合地基加固法(石灰樁法[8],強夯法[9],振沖法[10]等)。其中排水固結法是應用較為廣泛、經濟的一種軟土地基的處理方法。排水固結法的原理是通過預壓荷載,使被加固土體中的孔隙水排出,有效應力增加,土體中的孔隙體積減小,密實度加大,土體強度和地基承載力得到提高,從而減小工后沉降量的目的。

本文以KNI項目2A島圍海吹填工程為例,采用塑料排水板排水固結法加快地基的固結速率,減少剩余沉降量,提高地基的強度和穩定性[11]。

1 工程概況

KNI項目位于印尼北雅加達(Pantai Indah Kapuk)地區附近海域,從紅溪河向西一直延續到Cirarab河,土地開發項目約1×104hm2,規劃建設三個人工島,島嶼周圍由圍堤圍繞防護。2A人工島圍海吹填是填海計劃中的一部分,2A島主要是采用圍堰吹填造陸的工程方案,項目區域的填料區采用附近海域的砂子,堤壩采用附近美萊克(Merak)地區的巖石,超過1000 kg的巖石采用混凝土扭工字塊體替代。工程地質勘察顯示,地基土主要為新近沉積土,持力層含水率高,壓縮性大,強度低。工程設計采用堆載預壓結合排水板加速土體排水固結的方案,以期減小工后沉降并提高地基土強度,斷面布置形式見圖1。

圖1 斷面布置圖

按照巖土體條件的變化將2A島的圍堤劃分為幾個主要區域,采用A、B、C等命名。每層土的參數由地質勘察資料確定,各種參數試驗結果見表1。

表1 2A島土層特性

2 最終沉降量計算

對于以沉降為控制條件需要進行預壓處理的吹填土地基工程,沉降計算的主要目的是估算出堆載后工程的最終的沉降量和工后剩余沉降量。

2.1 沉降計算方法

最終沉降量采用Delft Geosystems version9.8中的Msettle軟件程序進行計算,包括主固結沉降和次固結沉降[12]。

式中:e0i為第i分層的初始孔隙比,p0i為第i分層的平均自重應力,△pi為第i分層的平均附加應力,Hi為第i分層的厚度,Cci為第i分層的壓縮指數。

次固結沉降的計算公式:

式中:Ca為次固結系數,t2為建筑物的使用年限(50 a),t1為主固結完成時間。

2.2 沉降計算結果

每個計算斷面設置6個特征位置如圖2所示,按照上述沉降計算方法,由于篇幅所限,本文只列出沉降量較大的三個典型斷面(G、L、J)的沉降計算結果,計算結果見表2。

圖2 斷面特征位置分布圖

表2 各計算剖面的沉降計算成果匯總 單位:m

從表2中的數據可以明顯看出,三個斷面的圍堤和護坡區域的沉降量較大,尤其是G、I斷面的最大沉降量超過3 m,而本工程有嚴格限定的工期,為了防止由于剩余沉降量過大而導致圍堤和護坡結構的破壞,另外考慮到由于堤身設置充填砂袋加筋,并采用砂袋作為圍堰堤防主要的安全構造,堤防和護坡結構的整體性和適應變形的能力較好,本著經濟合理的原則,本工程工后剩余沉降量建議控制在0.6 m以下便可滿足工程需求,因此剩余沉降量的控制問題就成為了人們關心的主要巖土問題之一。

3 剩余沉降控制

為了很好的控制工后剩余沉降量,經綜合考慮本工程采用排水固結法進行軟基處理,設計在整個吹填區和堤防段的下面安放塑料排水板。塑料排水板的作用是提高施工期間的沉降速率和增強多余孔隙水壓力的消散,從而增加穩定性,減少剩余沉降量。塑料排水板控制工后剩余沉降主要依賴于排水板的間距和排水板的入土深度。

3.1 固結度計算方法

固結度計算擬采用砂井地基巴隆解結合太沙基一維固結理論分析排水板地基固結過程,計算模型符合工程實際情況。

(1)在線性加載條件下,若地基土是均質的,固結度可以按照(4)～(6)式來計算:

(2)在瞬時加載條件下,若地基土是均質的,固結度可以按照(7)、(8)來計算:

以上介紹是針對均質地基土,而實際工程中常遇到的是非均質地基土,將其均一化的處理方法,如式(9)、(10)。

式中:H′為均一化后用于固結計算的土層厚度,Cv為均一化后地基的固結系數,Cv1為第一層土的固結系數,Cvi為第i層土的固結系數。

(3)打排水板區域的平均固結度計算方法,如下:

式中:ˉUr為徑向平均固結度,S為涂抹區半徑與砂井半徑之比,β為涂抹區滲透系數與原狀土滲透系數之比,n為砂井的控制半徑與砂井半徑之比。

b.線性加載條件下:

式中:T為加載時間,t為固結時間。

(4)當砂井未打穿整個壓縮土層時,整個壓縮土層的平均固結度按下式計算。

3.2 排水板間距設計

本工程中塑料排水板的等效直徑為0.07 m,采用三角形格框構造,三角形中心間距為1.5 m。塑料排水板安裝在整個吹填區和堤防段的下面。排水板間距的確定一般是依據固結計算成果和當地的施工經驗來綜合確定,按照我國廣東省沿海地區采用排水固結法加固軟土地基的施工經驗,排水板的間距一般采用1.0 m～1.5m,常用的排水板間距為1.2 m和1.5 m,在排水效果難以達到設計要求時也會采用1.0 m的間距,但是為保障軟土地基的排水效果排水板間距一般不會超過1.5 m,根據上述固結度計算方法,印尼KNI工程圍海造陸工程圍堤下砂井加固區地基土體的平均固結度計算成果如表3所示。

表3 加固區地基土體的平均固結度計算成果

根據表3數據可知,從施工開始到竣工驗收時為止,排水板加固區地基的平均固結度均最小可達到99.3%以上,因此可以認定到竣工驗收時排水板加固區地基的固結已經基本完成,再減小排水板的間距對排水效果的提高幫助不會很大,整個地基土體固結變形取決于排水板插入軟土層的深度,因此本次設計中排水板的間距采用1.5 m。

3.3 排水板長度設計

排水板的入土深度主要取決于剩余沉降量的大小,經過多次調整后,設計排水板的長度情況見表4。

表4 排水板的設計參數

調整的原則主要是通過加大排水板的打設深度,使地基土體的沉降盡快完成以達到減小地基工后沉降的目的,但是根據中國國內的排水板施工經驗來看,排水板深度超過35 m后效果不理想,因此本工程中調整后排水板的最大打設深度不超過35 m。由表4可知:調整排水板入土深度后,斷面的的剩余沉降量均達到了小于60 cm的標準,符合了工程對剩余沉降量的要求。

4 結 語

在KNI項目2A島圍海吹填工程中,圍堤和護坡區域的沉降量較大,部分斷面超過3.0 m,而吹填土地基壓縮固結過程一般又較為漫長,剩余沉降量的控制問題就成為了工程中的重大問題之一,綜合考慮后通過采用排水固結法進行軟基處理,設計在整個吹填區和堤防段的下面安放塑料排水板,通過調整排水板的間距和入土深度來使工后剩余沉降量小于0.6 m,從而滿足工程需求。

根據前述的沉降和固結計算的成果來看,采用塑料排水板聯合堆載處理印尼KNI工程圍海造陸工程2A人工島吹填土地基是合適的,排水板設置適當的間距和深度能夠較好的控制沉降,保證滿足剩余沉降量的要求,有效的防止由于剩余沉降量過大而導致圍堤和護坡結構的破壞。

另外,利用塑料排水板來處理吹填土地基可以加速固結過程,減少工后沉降量,縮短施工工期。

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Application of Plastic Drain in Controlling for Dredgerfill Foundation Settlement

LV Zi-xin,ZHANG Fu-hai,WANG Bao-tian,LI Shou-de
(Geotechnical Engineering Research Institute,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China)

The settlement of dredgerfill foundation is usually large.It is important how to control the remaining settlement(the remaining primary consolidation settlement and secondary consolidation settlement)of dredgerfill foundation in the fixed period.In this paper,the Barron solution and Terzaghi one-dimensional consolidation theory are used to calculate the consolidation degree in the 2A Island reclamation engineering of KNI project.The plastic drains are set to accelerate the consolidation of foundation in order to reduce the residual settlement,which could meet the project requirement.The spacing and depth of the plastic drains that meet the project requirement are studied in detail.

dredgerfill foundation;plastic drain;residual settlement;consolidation

TU47

A

1672—1144(2012)05—0116—04

2012-03-27

2012-04-29

呂子鑫(1986—),男(漢族),遼寧大連人,碩士研究生,研究方向為軟土地基處理。