淤泥質軟土地基處理方案研究

于志新

(唐山曹妃甸發展投資集團有限公司，河北 唐山 063200)

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淤泥質軟土地基處理方案研究

于志新

(唐山曹妃甸發展投資集團有限公司，河北 唐山 063200)

文章介紹了真空預壓法和堆載預壓法兩種淤泥質軟土地基加固施工方案，并結合工程實例進行了方案比選，確定采用真空預壓法進行淤泥質軟土地基加固。地基處理試驗結果表明：采用真空預壓法處理軟土地基后，軟土狀態改善明顯，地基承載力有很大提高且能滿足地基處理要求，處理效果良好。

軟土地基；真空預壓；堆載預壓；處理

0 引言

淤泥質軟土地基具有天然含水量高且滲透性差、壓縮性高、承載能力低、觸變性等不良工程特點，若不做任何加固處理，直接在此不良地基上修建道路工程，嚴重的會導致機械進場無法正常開挖施工或道路路基開挖無法成槽，即使路基施工完成后，后期道路也會因淤泥質軟土地基在荷載作用下造成不均勻沉降而出現坍塌現象，故在淤泥質軟土地基上修筑道路工程，必須先進行地基加固處理。經過我國長期軟土地基處理的實踐積累，針對不同地質狀況形成了相對應的處理方法，如：排水固結法、深層攪拌法、強夯置換法、振沖法等，其中真空(堆載)預壓法在處理淤泥質軟土地基中效果十分明顯，并且技術越來越成熟，得到了廣泛的推廣與應用。

1 工程地質條件

本工程地基由天然地基和吹填土兩部分組成。根據地質報告，工程處理范圍淺層4 m范圍內主要為由淤泥、淤泥質土組成的吹填土，下部天然地基為粉土、粉質黏土。吹填軟土平均含水量W=63.93%，天然孔隙比e=1.752，處于飽和狀態，強度極低；下部天然地基土平均含水量W≤30%，土質相對較好。根據地質勘察資料和本地區相關工程經驗，場地淺層吹填軟土處于飽和狀態，承載力極低，工程性質差，若不作地基處理，不能滿足機械進場開挖施工和道路路基開挖成槽的需要。根據相關規范[1]要求，地基處理標準為：

(1)地基承載力特征值fak≥40kPa；

(2)滿足施工機械進場施工和道路路基開挖成槽的需要。

2 地基處理方案的確定

對吹填淤泥地塊區的地基處理，比較可行的方案是真空預壓法和堆載預壓法。以下對這兩個方案進行深化，并分析比較確定推薦方案，具體如下：

2.1 真空預壓法

(1)加固原理[2][3]

真空預壓法是通過將密封膜內砂墊層中的氣體抽出，在密封膜內外行形成壓力差，使得土體中的自由水沿著排水系統滲流出來，進而降低了孔隙水壓力，土體因排水固結變形而增強了有效應力，達到加固地基強度的效果。

(2)適用范圍

適用處理的土質主要為含水量較高的黏性土地基，一般加固深度可達20～25m，淺層加固效果更好。

(3)真空預壓法技術參數如表1～3所示。

表1 真空預壓控制參數表

表2 排水板制作及施工參數表

表3 密封膜性能表

(4)主要施工程序[4][5]

①鋪工作墊層：因吹填區淤泥含量較高，施工設備難以在其上部操作，需先鋪設一層土工布，再在土工布上鋪砂墊層，砂料須級配良好，無雜質，含泥量<5%。

②插塑料排水板：陸上插板機械盡量選用輕型的插板設備，以減少設備接地壓力，并防止插板施工時的排水板回帶問題。塑料排水板由砂墊層頂開始施打，排水板間距為0.7m。

③鋪設抽真空設備：同步進行主管、濾管鋪設，埋設砂墊層中的真空測頭，安裝出膜裝置和鋪設密封膜，做好密封溝、兩側圍堰等。

④監測：為保證加固效果，在抽真空前應按一定面積劃分若干標準區，每個標準區埋設真空度、地表沉降、孔隙水壓力、地下水位監測設備。在加固施工過程中，監測應嚴格按照設計要求及國家相關規范技術要求執行。

⑤抽真空：先試抽真空，確定真空度達到85kPa，并持續抽真空，滿載預壓時間約2～3個月。抽真空過程中，應保證真空泵24h不停泵。

⑥停止抽真空、平整場地：根據現場監測資料分析，達到卸載標準后，方可停止抽真空、平整場地。

(5)卸載標準

①抽真空作業完成后，實測地面連續10d沉降速率，平均沉降量≦2mm/d；

②地基處理完成后，處理土層的平均含水率應≤50%；

③固結度>70%。

2.2 堆載預壓法

(1)加固原理[6]

堆載預壓法是在地基中設置豎向、水平向排水通道，通過對軟土體進行荷載加壓，使土體中的孔隙水排出，孔隙率降低，以達到增強土體固結強度的效果。

(2)適用范圍

適用于處理淤泥質土、淤泥和沖填土等飽和黏性土地基，處理深度可達30m。

(3)地基處理參數如表4～5所示。

表4 堆載預壓控制參數表

表5 排水板制作及施工參數表

(4)主要施工程序[7][8]

①先在表層鋪設土工布和砂墊層，砂料選用中粗砂，含泥量<5%。

②選用陸用輕型插板機，以減少設備對墊層的壓力，打板時避免排水板扭曲打結，塑料排水板由砂墊層頂開始施打，正方形布置，排水板間距為0.8m。

③監測設備主要為沉降管和孔隙水壓力計，用以測量加載后的地面沉降速率。

④堆載預壓需進行逐級加載，每級荷載厚度為2m，一級與二級荷載的間隔時間>15d，二級堆載預壓≥90d。

⑤根據現場監測資料分析，當觀測沉降速率及實測沉降推算的固結度滿足設計要求后方可卸載。

2.3 地基處理方案比選

(1)方案比選的原則

①施工工藝操作性可行且加固效果良好，同時保證經濟合理的原則。

②本工程項目工期緊張，應盡量選用工期短的方案。

(2)方案比較與推薦結果如表6所示。

表6 地基處理方案技術經濟比較表

通過對上述處理方案的分析和比較，真空預壓法和堆載預壓法都可達到承載力要求，但是由于堆載預壓法的工期較長，造價較高，且需控制堆載速率，施工有一定困難。經綜合比較，推薦采用真空預壓法進行地基處理。

3 地基處理試驗與結果分析

本工程在先行施工的區域布置1組試驗區(K3+465～K4+250，K5+480～K6+830)，試驗區面積控制在20 000m2以內。試驗方案采用有砂墊層真空預壓處理，排水板間距為0.7m，成正方形布置，滿載抽真空時間約為80d，60d時進行地基處理效果中間檢測。

3.1 主要試驗參數

(1)材料重度

水容重：10.3kN/m3。

砂墊層容重：水上18.0kN/m3；水下9kN/m3。

淤泥容重：約16.01kN/m3。

(2)地基土主要參數

根據地質勘察報告成果，地基處理范圍內主要土層物理、力學參數如表7所示：

表7 地基土的物理參數匯總表

3.2 主要計算方法

3.2.1 施工期沉降計算

(1)計算方法

因本工程主要為滿足后續道路路基基槽開挖，對沉降沒有要求，因此考慮地基處理施工期沉降計算。下部未加固區域因不設水平向排水通道，且加固時間較短，壓縮量十分有限，故未計算。

施工期沉降=最終沉降量×加固區施工期的固結度。

(2)計算公式

本次設計沉降量采用e～p曲線進行計算，計算公式如下：

(1)

式中：

S——地基的最終豎向沉降量設計值(m)；

ms——經驗系數。綜合考慮本工程大面積荷載作用和真空預壓荷載作用，取1.0；

n——計算壓縮土層的分層數量；

e0i——對于第i土層初始孔隙比平均值；

e1i——第i土層在自重應力和附加應力下的孔隙比設計值。

3.2.2 固結度計算

固結度可根據《水運工程塑料排水板應用技術規程》(JTS206-1-2009)[9]分別計算徑向平均應力固結度Uri和豎向平均應力固結度Uzi，然后計算地基平均總應力固結度Urzi。

(1)徑向平均應力固結度Uri，可按下式(2)計算：

Ur=1-exp(-βrt)

(2)

式中：Ur——徑向平均應力固結度；

βr——徑向排水應力固結參數；

t——固結時間(s)。

(2)豎向平均應力固結度Uzi，可按下式(3)計算：

(3)

式中：UZ——豎向平均應力固結度；

γab——排水面應力與不透水面應力之比；

Tv——時間因子；

t——固結時間。

(3)地基平均總應力固結度Urzi，可按下式(4)計算：

Urz=1-(1-UZ)(1-Ur)

(4)

3.2.3 地基承載力計算[10]

(1)地基強度增長計算

①對于正常固結飽和黏性土地基，某點土體在某時刻的抗剪強度可按式(5)計算：

τft=τf0+Δσz×Uttanφcu

(5)

式中：τft——t時刻土的抗剪強度(kPa)；

τf0——地基土的天然抗剪強度(kPa)；

Δσz——預壓荷載引起的附加豎向應力(kPa)；

Ut——土的固結度；

φcu——三軸固結不排水壓縮試驗求得的土的內摩擦角(°)。

②對于欠固結土，因在自重下土體未完全固結，存在孔隙水壓力u0，隨著土體固結，u0值將轉化為有效應力，故增長的強度按式(6)計算：

τft=τf0+(Δσz+u0)Uttgφcu

(6)

式中：Ut——土的固結度；

φcu——三軸固結不排水剪切試驗求得的土內摩擦角(°)；

u0——自重下的孔隙水壓力(kPa)，u0=σs-pc，σs為現有自重壓力(kPa)，pc為先期自重壓力(kPa)。

(2)地基承載力計算，按以下公式(7)確定地基承載力

f=3Cu+γD

(7)

式中：f——容許承載力(kPa)；

Cu——十字板抗剪強度(kPa)，等于計算的τft；

γ——基礎底面以上土的加權平均重度(地下水位以下取浮重度)(kN/m3)；

D——基礎埋置深度(m)，本工程不考慮基礎埋置深度，D=0。

3.3 試驗結果

通過對試驗數據的整理，并按照上述公式進行計算和分析可知：使用真空預壓法對本工程淤泥質軟土地基進行預處理，土體固結度和壓縮量等技術指標得到了很大的提高，地基承載力均>40kPa，滿足地基處理要求，具體試驗結果如表8所示。

表8 試驗成果表

4 結語

經過以上分析，可以得出以下結論：

(1)對于因淤泥質軟土等不良地質影響而導致機械無法進場施工且路基成槽困難，可采用真空預壓法和堆載預壓法對軟土地基進行預處理，效果良好。但相比真空預壓法，堆載預壓法的工期較長，造價較高，且需控制堆載速率，施工有一定困難，故推薦采用真空預壓法進行地基處理。

(2)本工程采用真空預壓法對軟土地基進行處理，土體固結度和壓縮量等技術指標得到了很大的提高，軟土狀態得到了明顯的改善；處理后地基承載力均>40kPa，達到了地基處理的要求，滿足了施工機械進場施工和道路路基開挖成槽的需要。

[1]JTJ79-2012，建筑地基處理技術規范[S].

[2]方建新，陳永均.真空預壓法處理軟土地基[J].四川建筑科學研究，2003，29(2)：71-73.

[3]劉宏偉，翟征秋.直排式真空預壓技術在軟土地基處理中應用[J].交通科技，2011(2)：82-88.

[4]植培斌，梁尚華.真空預壓法軟土地基處理技術在某工程中的應用[J].廣東土木與建筑，2005(1)：29-31.

[5]張文彬，許忠發，蘇 波，等.無砂墊層真空預壓法加固大面積軟土地基的實例研究[J].水利與建筑工程學報，2012，10(3)：52-57.

[6]雷 鳴，王星華.堆載預壓法處理軟土地基機理與實踐[J].西部探礦工程，2005(7)：18-19.

[7]岳建平，吳家興，高傳偉.真空-堆載聯合預壓軟基處理技術試驗研究[J].施工技術，2005，34(5)：49-50.

[8]秦志光，周向國，李 志，等.真空-堆載預壓法處理珠三角大面積軟土地基的效果評價[J].長沙交通學院學報，2008，24(3)：13-23.

[9]JTS206-1-2009，水運工程塑料排水板應用技術規程[S].

[10]葉書麟.地基處理工程實例應用手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

Study on Mucky Soft-soil Foundation Treatment Programs

YU Zhi-xin

(Tangshan Caofeidian Development Investment Group Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei，063200)

This article introduced two mucky soft-soil foundation reinforcement construction programs of vacuum preloading method and surcharge preloading method，compared the programs in combination with engineering examples，and determined the use of vacuum preloading method for mucky soft-soil foundation reinforcement.The foundation treatment test results showed that：after the soft-soil foundation treatment by vacuum preloading method，the soft soil status is improved significantly，the foundation bearing capacity is greatly improved and can meet the foundation treatment requirements，and the treatment effect is excellent.

Soft soil foundation；Vacuum preloading；Surcharge preloading；Treatment

U416.1+6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.003

1673-4874(2016)10-0008-05

2016-09-06

于志新(1984—)，碩士研究生，工程師，研究方向：路基路面工程。