塑料排水板堆載預壓法處理溫州軟基的研究

蔡 烽

(溫州設計集團有限公司,浙江 溫州 325000)

1 工程概況

浙江東方職業技術學院位于東海之濱的溫州經濟技術開發區濱海園區丁山墾區；原場地深度約30 m范圍內均為沖填土以及淤泥質土,經一次真空預壓處理之后效果并不是很理想,故提出再次進行地基處理,使其承載力有所提高并減小后期沉降。現地面高程3.70～5.00 m ,場地設計高程約為5.50 m。

本次軟基處理面積約3萬m2,設計處理時間為18個月。

根據地質勘察報告顯示,本次地基處理范圍內土層自上而下描述如下：沖填土(①2層),灰色,為東海涂灘浮泥、砂沖填而成,其物理力學性質呈現為淤泥質土性狀,夾(混)少量粉細砂,層厚1.10～2.50 m；黏土(①3層),灰褐、灰黃色,為原地表硬殼層,含鐵錳質斑點和半碳化物,層厚0.50～1.10 m；淤泥夾粉砂(②1層),青灰、灰色,含少量腐殖質及腐爛植物根系,不均勻地夾有少量粉砂,粉砂含量5%～10%,層厚8.70～10.30 m；淤泥(②2層),青灰色,含少量粉細砂、腐殖物碎屑、貝殼殘片,部分具水平微層理結構,土性呈流塑,高壓縮性,高靈敏度,層厚13.10～16.70 m； 粉質黏土(③2層),灰色,含少量腐殖質,局部見有灰黃色泥質結核,軟塑,中—高壓縮性,層厚3.60～8.30 m；黏土(④2層)灰、淺灰色，含少量腐殖物,夾少量粉細砂,局部為粉質黏土，層厚11.60～22.60 m。

2 軟基處理方案對比

目前對軟土地基的處理方法較多[1],主要有水泥攪拌樁、砂樁法或碎石樁法、強夯法、排水固結法等等,其優缺點如下。

2.1 砂樁法或碎石樁法

無須預壓,加固后可形成復合地基,施工速度快,承載力高,但其承載力與內摩擦角及周圍土的強度有密切關系。該工程②1以及②2土層均為淤泥質土,土體抗剪承載力低,單樁承載力有限,若提高置換率則會大大增加工程成本。

2.2 強夯法

強夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和土的粉土與黏性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基,若直接用來加固軟土地基是有待商榷的。由于該工程土層在30 m左右處深度以上均為飽和軟土,強夯后土中孔隙水壓力升高,地基土強度可能較強夯前更加低。

2.3 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁最大限度利用原土,攪動時無振動、無噪音、無污染,可快速施工,適用于加固淤泥、黏性土和粉土等地基,但其施工成本較高,在淤泥中需提高置換率才能達到既定的承載力。

2.4 排水固結法

排水固結法是通過設置豎向以及水平向的排水體,通過表面施加一定壓力,使地基中的超孔隙水壓力通過排水體排出而使地基受到壓縮,強度得到提高的一種方法。排水固結法中的堆載預壓法是一種應用較為成熟的方法,可將本例中①2沖填土以及②1層淤泥質粉砂的承載力以及穩定性逐步得到提高,并預先消除部分沉降。

排水固結法中目前使用較多的主要包括塑料排水板預壓堆載法、袋裝砂井預壓堆載法以及塑料排水板聯合真空預壓堆載法。將上述方案的優缺點匯總見表1。

從表1中可以看出,塑料排水板堆載預壓的方案雖然所需時間長但效果保險且較優[2],對本工程較為適用,其加固機理、作用設計、施工設備類似于砂井地基,一般是采用插板機將帶狀塑料排水板插入軟土中,在上部預壓荷載作用下,軟土中的孔隙水通過塑料排水板的通道逸出,在較短時間內達到較高的固結度,以提高軟土地基的承載力和抗剪能力,從而保證地基的穩定。該工法特別是用于大面積超軟弱地基土上進行機械化施工,可縮短地基加固周期,加固效果與袋裝砂井相同,加固費用比袋裝砂井節省10%左右,布置圖見圖1。

表1 各方案的優缺點

圖1 塑料排水板布置示意圖

3 塑料排水板堆載預壓的設計計算

3.1 材料要求

3.1.1 土石料、砂墊層及土工布

“土石料”是指土石混和料,用于地基處理的堆載預壓材料,要求填土重度大于18 kN/m3,石骨料最大粒徑不大于200 mm,石骨料含量大于70%,含泥量小于30%,級配良好。根據場地實際情況,設計堆土厚度為2 m。

砂墊層在施工排水板前場地表面鋪設,以使軟土頂面增加一個排水面,在堆載作用下促使地基土排水固結,提高固結速度。砂墊層厚度取0.5 m,伸出坡腳1 m。采用滲水性好、潔凈、級配良好的中砂混碎石,中砂含泥量不大于3%,滲水系數不小于10-2cm/s,干密度不宜小于15 kN/m3,并將其中的植物、雜物除盡。

土工布使用無紡土工布,具有抗拉強度高、滲透性好、耐高溫、抗冷凍、耐老化、耐腐蝕等特性。

3.1.2 塑料排水板

塑料排水板采用原生板,選用型號為B型,板寬100 mm。板芯采用高密度全新料聚乙烯制作,濾膜采用滌綸、丙綸等無紡布濾膜。整個復合體柔軟且有一定強度,以適應地基沉降引起排水板彎曲變形時仍能正常發揮排水作用。

3.2 塑料排水板的間距

塑料排水板間距是一個極其重要的技術參數。間距小則固結速度加快,但工程造價高；間距大效果則相反。按照《建筑地基處理技術規范(JGJ 79—2012)》[3],對塑料排水板間距可按n=15～22選用,取井徑比n=19。將塑料排水板換算成相當于砂井的直徑,直徑Dp按下式計算：

(1)

式(1)中：b為塑料排水板寬度；

δ為塑料排水板厚度；

a為換算系數，取1.0。

3.3 塑料排水板打設不同深度對比

在塑料排水板堆載預壓過程中,若塑料排水板打設過短,將影響地基處理效果且后期沉降較大；反之,若塑料排水板打設過長則會浪費。

根據該工程土質情況,本工程地基較為均勻且軟弱土層很厚,設計堆土高度為2 m,附加應力影響深度有限,故采用將塑料排水板穿過②1淤泥夾粉砂層,本文先計算土層最終總沉降量,18個月后計算排水板長度為15 m和20 m土體沉降,并進行對比。

3.3.1 最終總沉降量計算對比

未處理場地高程為3.70～5.00 m,工程設計高程約為5.50 m,設計堆土厚度2 m。假設大面積受均布荷載作用下,地基中的任意深度附加應力沿深度不變,計算總堆土為2 m(荷載約36 kPa)的總沉降量。

沉降計算一般采用單向壓縮分層總和法[4],計算深度至④2黏土層,按e-б曲線計算,將地基分成若干薄層,如分為n層,其中第i層的壓縮量為：

ΔSi=(e0i-e1i)/(1+e0i)×Δhi

(2)

總壓縮量為：

S0=∑ΔSi

(3)

式(2)中：e0i為第i層中點土自重應力所對應的孔隙比；

e1i為第i層中土的自重應力和附加應力之和相對應的孔隙比；

hi為第i層的厚度。

查地質資料各土層的e-p曲線,將各土層數據代入計算得到土體最終沉降，見表2。

表2最后得出土表最終總沉降量約為S=911.5 mm,考慮瞬時沉降時,采用經驗系數,據查溫州機場的經驗系數為1.12,故最終總沉降量S=1.12×911.5=1 020.9 mm。

表2 土體沉降量

現計算18個月后,塑料排水板打設深度15 m和20 m的沉降量進行比較。從表2中可以看到,②2層以下土層的沉降量相對上部較小,為簡化計算,將計算深度確定在②2層底部28.3 m處。

3.3.2 18個月后沉降量計算對比

由于堆土加載時間相對于總預壓時間較小可忽略,故假設荷載為一次性加載。按照《建筑地基處理技術規范(JGJ 79—2012)》[3]中5.2.8條規定計算,當排水豎井采用擠土方式施工時,應考慮涂抹對土體固結的影響；當豎井的縱向通水量qw與天然土層水平向滲透系數kh的比值較小,且長度又較長時,同時考慮井阻及涂抹效應。由于固結時間僅有18個月,故土體以主固結為主,忽略次固結的影響。沉降量計算考慮兩部分,包括塑料排水板貫穿軟土層內的固結沉降量St1計算和塑料排水板未貫穿軟土層內的固結沉降量St2計算。

3.3.2.1 塑料排水板打設15 m

1)塑料排水板貫穿軟土層內的固結沉降計算

水平向固結

(4)

式中:Ur為t時刻地基的徑向排水平均固結度。

當考慮涂抹和井阻效應、豎井穿透受壓土層時,按照《建筑地基處理規范(JGJ 79—2012)》中5.2.8條考慮井阻以及涂抹作用,取

F=Fn+Fs+Fr

(5)

Fn=ln(n)-0.75

(6)

(7)

(8)

式(4～8)中Cv=kv(1+e)/rw/a,將土體各參數代入并取平均值可得到,Cv=6.685×104cm2/s,同樣可得到Ch=8.968×10-4cm2/s,qw為排水板由試驗測定的容許通水量,取25 cm3/s；kh為地基原狀的水平向滲透系數0.55×10-6cm3/s；H為排水板深度,取15 m；ks為涂抹區土的水平向滲透系數,可取ks=0.25kh;s為涂抹區直徑ds與豎井直徑dw的比值,可取s=2～3,對中等靈敏黏性土取低值,對高靈敏黏性土取高值,本工程s取2.5。將上述參數代入上式可得到：F=5.065,代入求得Ur=0.998。

豎向固結：

根據太沙基的一維固結理論：

m=1,3,5,7,…(2n-1)

(9)

Uv為豎向固結度,其中Tv=Cv×t/H2,Cv=kv(1+e)/rw/a,將土體各參數代入并取平均值可得到Cv=6.777×10-4cm2/s,Tv=0.014 05,代入上式得到Uv=0.216。

平均固結度Urv=1-(1-Ur)(1-Uv)=0.998,則歷經時間t的固結沉降為：

St1=Urv·S1

(10)

則排水板貫穿軟土層內的固結沉降St1=Ut·S1=0.998×40.63=405.4 mm。

2)塑料排水板未貫穿軟土層內的固結沉降計算。

未打穿軟土層內的固結沉降由于土層沉降量較小,可采用太沙基的一維固結理論。在塑料排水板未貫穿軟土層內,假設塑料排水板底部15 m為排水面,土體為單面排水,按豎向固結進行計算。將土體各參數代入式(9)并取平均值可得到,Cv=5.6×10-4cm2/s,Tv=0.014 77,最后得到Ur=0.218。

則排水板未貫穿軟土層內的固結沉降St2=Ur×S2=0.218×30.77 =6.71 mm。

則18個月后的地基總固結沉降量S=St1+St2=6.71+40.54=47.25 cm。

3.3.2.2 塑料排水板打設20 m

同樣采用上述方法,按照《建筑地基處理技術規范(JGJ 79—2012)》[3]中規定計算,計算塑料排水板打設20 m,18個月后土體的沉降量。

根據式(4)至式(10),計算得到排水板貫穿軟土層內的固結沉降St1=405.9 mm,式中得到排水板未貫穿軟土層內的固結沉降St2=80.5 mm。則可以得到18個月后,塑料排水板打設20 m的地基總固結沉降量S=St1+St2=8.05+40.59=48.84 cm。

現將計算得到的18個月內塑料排水板打設15 m和20 m,沉降隨時間變化的曲線見圖2。

圖2 塑料排水板打設15 m和20 m的比較

從圖2中可以看出,兩者的沉降量相差僅為15.9 mm,則得出當塑料排水板由15 m增加至20 m,增加25%的長度時,土體的沉降量僅增加了3.4%。事實上,在計算堆土為2 m的情況下,大面積受均布荷載作用地基中的任意深度附加應力是不可能沿深度不變的,應為遞減的趨勢,且塑料排水板過長也可能導致淤泥堵孔的現象發生。故從經濟和排水效率的角度出發,采用15 m的塑料排水板較為合理。

4 與實際工程對比

由于受條件和時間所限,目前工程實測到的沉降數據僅有近5個月左右的時間,且大面積的堆載情況下局部區域的沉降數據相差較大,故取沉降較為平均的兩個點與理論計算所得的沉降曲線進行比較。

圖3 理論值與實測值對比

從圖3中可以看出,理論計算值與實測值相差較小,且沉降速率較為一致。一般情況而言,理論計算值要較實測值大,分析原因是各方面的,但筆者認為主要原因可能是計算中假設地基的任意深度附加應力沿深度不變,但由于堆載土高僅有2 m,附加應力影響深度是有限且應是沿深度逐漸遞減的一個過程[4]。

5 結 語

綜上所述,采用塑料排水板堆載預壓方案處理溫州濱海園區的土質情況是較為合理的,且達到了預期要求的效果。文中的計算方法和設計要求將對未來溫州軟基處理的發展具有重要的實際意義和價值。