一次性免堆載預壓技術研究與應用

馮士廣，紀燕祥，尹春播，丁寧寧，趙志杰，孫宇佳，何若梅，戚 霽，侯永革，邸凱強

(河北省地礦局第二地質大隊，河北 唐山 063000)

0 引言

眾所周知，地基與建(構)筑物的關系極為密切，建(構)筑物的安全與正常使用，地基基礎起著非常重要的作用。世界各國各種土建、水利、交通等類的工程事故中，因地基問題造成的工程事故的比例最大。其中軟土地基處理恰當與否，關系到整個工程質量、投資和進度，其重要性已越來越多的被人們所認知[1-2]。筆者通過一次性免堆載預壓技術的應用與研究，較真空預壓有效減少了排水固結的時間，較堆載預壓節省了大量堆載材料。

1 軟土地基的特性及危害

軟(弱)土是指淤泥、淤泥質土、充填土、雜填土或其他高壓縮性土。其中淤泥是在靜水或緩慢流水環境中沉積并經生物化學作用而形成，為天然含水量大于液限、天然孔隙比≥1.5的粘性土;天然含水量大于液限而天然孔隙比<1.5、但≥1.0的粘性土或粉土稱為淤泥質土[3]。

1.1 軟土地基的特性

軟土的性質與地基土的成層構造、沉積年代、成因類型有密切關系。不同年代和成因的軟土，其物理性質指標盡管可能相近，但作為地基，工程性質卻可能相差很大，其基本特點總結如下[4]：

(1)含水量較高。因為軟土的成分主要是由粘土粒組和粉土粒組組成，并含少量的有機質。粘粒的礦物以蒙脫石、高嶺石和伊利石為主，這些礦物晶粒很細，呈薄片狀，表面帶負電荷，它與周圍介質的水和陽離子相互作用，形成偶極水分子，并吸附于表面形成水膜，在不同的地質環境下沉積形成各種絮狀結構，因此這類土的含水量比較高。

(2)透水性差。軟土的滲透系數一般為1×10-8～1×10-6cm/s，所以在荷載作用下固結速度很慢。當地基中有機質含量較大時，土中可能產生氣泡，堵塞滲流通道而降低其滲透性。所以在軟土層上的建筑物基礎的沉降拖延很長時間才能穩定，同樣在荷載作用下地基土的強度增長也是很緩慢的。

(3)壓縮性較高。一般正常固結的軟土層的壓縮系數為0.5～1.5 MPa-1，最大可達到4.5 MPa-1；壓縮指數為0.35～0.75。天然狀態的軟土層大多數屬于正常固結狀態，但也有部分是屬于超固結狀態，近代海岸灘涂沉積為欠固結狀態。欠固結狀態土在荷重作用下產生較大沉降。超固結狀態土，當應力未超過先期固結壓力時，地基的沉降很小。

(4)流變性強。在荷載的作用下，軟土承受剪應力的作用產生緩慢的剪切變形，并可能導致抗剪強度的衰減，在主固結沉降完畢之后還可能繼續產生可觀的次固結沉降。

1.2 軟土地基的危害

軟土地基的危害是承載力低，變形大，特別是不均勻變形大，而且變形穩定時間很長，達幾年甚至幾十年。往往造成建筑物沉降大且不均勻，造成建筑物開裂、傾斜等[5]。

2 常用的軟土地基處理方法及其局限性

傳統的軟土地基處理方法主要有根據排水固結原理而形成的真空預壓、堆載預壓、聯合預壓，以及及各類樁基、復合地基等[6-7]。

2.1 真空預壓法

真空預壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設砂墊層，然后埋設垂直排水管道，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過砂墊層內埋設的吸水管道，用真空裝置進行抽氣，使其形成真空，增加地基的有效應力。當抽真空時，先后在地表砂墊層及豎向排水通道內逐步形成負壓，使土體內部與排水通道、墊層之間形成壓差。在此壓差作用下，土體中的孔隙水不斷由排水通道排出，從而使土體固結[8]。

真空預壓過程主要反映在以下幾個方面：

(1)薄膜上面承受等于薄膜內外壓差的荷載。

(2)地下水位降低，相應增加附加應力。

(3)封閉氣泡排出，土的滲透性加大。

真空預壓是通過覆蓋于地面的密封膜下抽真空，使膜內外形成氣壓差，使粘土層產生固結壓力。即是在總應力不變的情況下，通過減小孔隙水壓力來增加有效應力的方法。

真空預壓利用大氣壓力作為荷載，各方向均有壓力，相當于三維固結排水，可一次加壓，但由于大氣壓力有限(100 kPa左右)，真空預壓處理后地基承載力特征值僅能達到80 kPa左右[9]。

2.2 堆載預壓法

堆載預壓法[10]是利用地表堆載作為預壓荷載實現軟土的排水固結。通過堆載預壓，使土體中的孔隙水產生超空隙壓力，在水力差作用下孔隙水沿排水板(砂井、砂袋)排出地表，土層逐漸固結，地基發生沉降，同時土體強度逐步提高[11]。

(1)機理:在軟基通過填土堆載預壓，使地基土壓密、沉降、固結，從而提高地基強度，減少建筑物建成后的沉降量。

(2)特點及適用范圍:堆載預壓法對各類軟弱地基均有效;使用材料和機具簡單，施工操作方便。但堆載預壓需要一定的時間，適合工期要求不緊的項目。對于深厚的飽和軟土，排水固結所需要的時間很長，同時需要大量的堆載材料，在使用上會受限。

(3)方式:進行預壓的荷載超過設計工程的荷載，稱為超載預壓；預壓荷載等于工程荷載，稱為堆載預壓[12]。

堆載預壓主要為垂向壓力，由于軟土強度較小，為防止軟土剪切破壞(側向擠出)需分級加載，待前一級荷載達到一定固結度，承載力有所提高后，才能加載下一級，為達到承載力要求往往需要3～4級加載。因此工期長，且需大量堆載物，應用受到一定限制。

各類樁基復合地基則需大量建筑材料及人員、設備，費用較高。

3 一次性免堆載預壓技術研究

3.1 原理

根據三維排水固結原理及樁體自身側阻力(抗拔力)，實現飽和軟土在無外來荷載條件下的一次性快速加載、排水、固結，提高地基土抗剪強度、降低壓縮性、改善透水性及動力特征。

3.2 三維固結筒的結構及特性

三維固結筒是實現一次性免堆載預壓的關鍵構件，主要由：內排水筒、外筒、反力梁、承壓板、千斤頂及筒間排水管等組成。具體結構見圖1，實物見圖2。

1-高壓氣泵；2-排水管；3-進氣管；4-反力梁；5-千斤頂；6-承壓板；7-法蘭盤(與振搗器連接)；8-銷體；9-原狀土體；10-排水內筒；11-外筒；12-活瓣體；13-噴漿口；14-砂礫石排水材料

圖1三維固結筒體結構
Fig.1Structure of3-D consolidating cylinder

圖2 三維固結筒體實物Fig.2 3-D consolidating cylinder

內排水筒由?820 mm橋式濾水管組成，孔隙率>15%，外包2層規格為100～120目的無紡土工布；外桶由?1000 mm×8 mm的鋼管組成。筒體頂部設置了反力梁及加壓板，反力梁與筒體相連，利用筒體與周圍土體摩阻力通過千斤頂承壓板對內筒中土體進行加壓(也可利用沉管時振搗錘輔助加壓)。

在千斤頂及振搗錘的壓力下筒內土體實現排水固結。由于筒體側向約束、下部土體以及上部加壓蓋的限制，筒內土體形成三維壓力，大大提高了土體抗剪強度，可實現對土體的一次加載(不必分級加載)，減少了固結排水時間。內、外筒間隙充填輕型排水材料并設置了排水管，排水管與外部空氣泵連接可以保證土體中滲出的水順利排出地表，增加土體有效重度，也使下部土體荷載相對加大。

內排水筒直徑820 mm，徑向排水半徑410 mm,內外筒間隙構成排水邊界，與傳統排水板、砂井等排水體相比，排水距離大大減小，排水邊界成倍增加。可極大地提高排水效率，減少排水固結時間，大大縮短工期。利用筒體摩阻力(或振搗力)作為反力，大大減少了堆載所用材料。工程成本相對降低。

3.3 施工過程(見圖3)

圖3 施工過程Fig.3 Construction process

(1)首先進行場地平整，確保施工設備能夠順利進場施工。

(2)根據提供的坐標點及樁位坐標利用全站儀或GPS進行鉆孔定位。

(3)設備到達鉆孔位置并使三維固結筒與鉆孔位置重合。

(4)利用振搗錘或沖擊設備使三維固結筒下沉至設計深度。

(5)將三維固結筒體作為反力裝置(或振搗錘)，利用千斤頂對筒體內土體進行預壓，同時在內外筒間隙進行排水作業，實現軟土的排水固結。

(6)利用振搗錘拔出固結筒，打開底部活瓣，將砂礫石排水材料留于土中。

3.4 研究意義

一次性免堆載預壓技術的研究應用國內外尚未見到報道。本次試驗應用的一次性免堆載預壓技術，利用土體在三維壓力條件下可一次性加壓(無需分級)排水固結及筒體自身側阻力實現快速加壓，無需外來堆載體。較傳統真空預壓可縮短工期，較堆載預壓可減少外來堆載物。

4 工程應用

試驗場區位于唐山市曹妃甸工業園區濱海道北側，和韻路東側。場地交通便利。

4.1 工程地質條件

根據本場地巖土工程勘察報告，場區主要由軟弱的粉質粘土及砂土層構成。各土層分布及性質見表1[13-15]。地下穩定水位標高2.60 m，即埋深1.30 m。

表1 土層分布及其性質Table 1 Soil stratification and characterization

4.2 試驗前后土壤對比

本次試驗以120型振動機為動力，進行固結筒體的沉入、起拔。筒體與振搗錘采用法蘭盤連接，沉入土中深度6 m(至③層粉砂)，千斤頂采用50 t(500 kN)液壓千斤頂，一次加載至500 kN。試驗過程見圖4。由于工期較緊，預壓時間僅24 h，預壓前后土層對比見表2。

圖4 一次性免堆載試驗現場Fig.4 Once-for-all surcharge-free preloading test site

S1鉆孔為天然地基土體，S2鉆孔為一次性免堆載預壓試驗后土體。通過試驗對比，一次性免堆載預壓后樣品的天然含水率ω、孔隙比e、液性指數IP均有不同幅度的降低，內摩擦角φ、粘聚力c、標貫基數有所提高。通過預壓，軟土層的土工試驗指標有所改善，工程地質性質得到了提高。

5 解析分析

假設均以徑向排水為主，固結度最后均達到95%以上，且不考慮井阻和涂抹的影響，計算如下[2]：

根據：

得：

情況一：采用B型塑料排水板，正三角形排列，間距1.0 m，達到固結度時所需時間為t1；

情況二：采用一次性免堆載預壓試驗方法，計算時簡化成塑料排水板，如圖5所示。

圖5 簡化塑料排水板示意Fig.5 Schematic of simplified draining plastics plank

即相當于正方形排列，間距0.57 m，達到固結度時所需時間為t2。

情況一：

情況二：

即：

通過對比計算可以得到，一次性免堆載預壓技術可大大縮減軟土固結時間,較傳統排水板、砂井提高效率10倍以上。

6 結論

一次性免堆載預壓是利用土體在三維壓力條件下一次性加壓(無需分級)排水固結，利用筒體自身側阻力實現快速加壓，環狀排水可減少固結時間，無需外來堆載物。

施工中利用大功率振搗器做為三維固結筒的沉入與起拔動力，遇到較硬(密實)地層存在下沉與起拔困難的問題。利用外筒摩阻力(或振搗力)作為預壓反力，也存在作用力隨深度遞減等問題。

據筆者所知，本試驗尚無應用先例，試驗應用中不免存在各樣問題，需在實踐中不斷改進提高，也希望起到拋磚引玉的作用，對廣大同仁有所啟發，共同探討。