塑料排水板堆載預壓法在寧德王坑路的應用

■鄭劍鋒

（重慶市市政設計研究院有限公司福建分公司， 廈門 361000）

1 工程概況

1.1 工程背景

寧德市王坑路道路工程位于寧德市漳灣南片區，寧德市動車站東側，沈海高速復線西側，連接招賢路與天山路中間地塊的重要通道。 路線起點始于天山路，中間交叉規劃路、拱嶼路后，由西向東延伸，下穿沈海高速復線、交叉連城路，終點止于招賢路。 道路總長約2.2 km，道路寬度24/30 m，設計速度30 km/h，城市支路標準。

1.2 工程地質條件

根據勘察資料，場地類型屬第四系濱海沉積地貌單元，自上而下分為3 個主層：（1）淤泥：深灰色，流塑，飽和，揭示層厚19.20～26.70 m。 （2）粉質粘土：淺灰色，可塑，飽和，揭示層厚3.20～13.50 m。（3）殘積粘性土：黃褐色，硬塑，飽和，層厚大于5.40 m。場地高低起伏較小，整體平緩，空間開闊。上部淤泥層分布不均勻，高含水率，高壓縮性，低承載力、其工程性能差，路堤筑填后在其荷載作用會產生不均勻沉降及失穩等問題，軟基需進行處理。

2 軟基加固方案

2.1 總體方案

排水固結法指利用地基排水固結性能，對增設豎向排水體的地基施加預壓荷載，使土體固結沉降加速發展，從而提高地基承載力和穩定性的一種加固方法。

在寧德市王坑路道路工程中，考慮地上、地下構筑物、施工難度、經濟成本、工期條件及相交道路軟基加固方案的銜接性等因素，一般軟土路段擬定塑料排水板-堆載預壓（預壓期9 個月），板頂鋪設砂墊層及土工格柵。 為確保軟基施工穩定，坡腳兩側各設置寬度10 m 反壓護道， 反壓護道填土高度按設計邊坡填土高度的一半控制。 特殊路基處理設計見圖1。

圖1 特殊路基處理設計

2.2 塑料排水板參數

詳勘揭示淤泥層厚19.20～26.70 m （大于25 m），采用SPB100-C 型塑料排水板， 斷面尺寸 （100×4.5）mm，塑料排水板外觀質量要求和規格及技術要求見表1、2。

表2 塑料排水板規格及技術要求

排水板間距依據軟土固結特性、預壓期固結度指標確定，且考慮緊湊有效，采用正三角形排列（D=1.2 m）。排水板深度應打穿淤泥層，進入控制下臥層不小于0.5 m，且板頭漏出砂墊層20～30 cm。

2.3 堆載預壓

本研究計算路段中心填高4.142 m （取最不利斷面）。 分五級堆載，第1 級堆載厚度1.0 m，第2 級堆載厚度1.0 m，第3 級堆載厚度1.0 m，第4 級堆載厚度0.522 m，第5 級堆載厚度0.62 m，堆載預壓法加載曲線見圖2。

圖2 堆載預壓法加載曲線

堆載預壓力應與設計荷載匹配，每級堆載下地基穩定安全驗算，推薦有效固結應力法，依據規范[2]可按下式計算：

式中：cqi—地基填料粘聚力；φqi—地基填料內摩擦角；φcqi—地基土內摩擦角；Ui—地基平均固結度；αi—土條底面與水平面交角；Li—土條底面弧長；WⅠi—土條地基部分重力；WⅡi—土條路堤部分重力。 安全系數計算圖見圖3。

圖3 安全系數計算圖

穩定計算目標： 自動搜索最危險滑裂面；條分法的土條寬度：1.000 m； 搜索時的圓心步長：1.000 m；搜索時的半徑步長：0.500 m；各級堆載地基穩定安全系數見表3。

表3 地基穩定安全系數

從表3 可知，經穩定計算（直接快剪、考慮固結），最小穩定安全系數為1.25（穩定安全系數容許值1.2），滿足規范要求。

堆載指標：最大下沉量≤10 mm/d；水平位移≤5 mm/d；孔隙水壓力小于預壓荷載應力50%～60%。

卸載標準：（1）總沉降量達預壓荷載計算最終沉降量90%以上；（2）理論計算總固結度＞90%；（3）沉降速度＜0.5～1.0 mm/d。

3 理論計算

3.1 固結度計算

考慮變速加荷時地基排水固結（輻射向、垂直向），地基平均固結度推薦改進高木俊介法，依據規范[2]可按下式計算：

式中：Ut′—t 時刻修正后地基平均固結度；qi—第i 級荷載加載速度；Σ△pt—各級荷載累加值；ti-1、ti—每級荷載加載起終止時間（從0 起算）；α、β—參數，在豎向和徑向排水固結（砂井貫穿土層）時。

式中：Cv—土體豎向固結系數；Cr—土體徑向固結系數；de—單個排水豎井有效影響范圍直徑；H—土層豎向排水的距離；F—系數。

考慮塑料排水板井阻、涂抹作用影響時，F 用下式表示：

式中：kh、ks—天然土層、 涂抹區土徑向滲透系數；s—涂抹比 （ds/dw）；L—塑料排水板深度；qw—縱向通水量。

根據以上方法計算不同時刻的平均固結度，求得 加 載60、120、180、240、276 d 的 固 結 度 分 別 為U60=19.5%、U120=41.9%、U180=64.9、U240=79.1%、U276=91.9%。

填土-時間-固結度曲線見圖4。 從圖4 可知：加載過程中固結度曲線呈臺階變化，滿載后期曲線平滑、 變化速率漸緩，300 d 后固結度趨于穩定，按照工期要求，軟土固結度＞90% ，滿足規范要求。

圖4 填土-時間-固結度曲線

3.2 沉降計算

最終沉降S∞包括主固結沉降Sc、次固結沉降Ss及瞬時沉降Sd（即S∞=Sd+Sc+Ss），由于計算參數（彈性模量、泊松比）較難確定，瞬時沉降Sd不單計。 結合國內外建筑物實測資料分析，實際工程中，常用修正分層總和法。

主固結沉降Sc推薦分層總和法，計算參數選用壓縮試驗e-p 曲線，依據規范[2]可按下式計算：

式中：n—壓縮土層內分層數；e0i—各分層自重作用的穩定孔隙比；e1i—各分層自重和附加應力共同作用的穩定孔隙比；Δhi—各分層初始厚度（m）。

最終沉降S∞采用修正分層總和法，依據規范[2]可按下式計算：

式中：Sc-主固結沉降；ms-沉降修正系數（取1.2）。

根據以上方法計算不同時刻的沉降量，考慮沉降影響，路堤實際計算高度=5.685 m，最終地基總沉降=1.20×1.543=1.852 m。

填土-時間-沉降曲線見圖5。 從圖5 可知：沉降曲線呈臺階式，初始加載沉降大、速度快，預壓期沉降變緩直至路面竣工，520 d 后沉降趨于穩定。基準期內殘余沉降0.06 m（一般路段路基容許工后變形≤0.5 m），滿足規范要求。

圖5 填土-時間-沉降曲線

3.3 地基承載力驗算

考慮土體天然固結狀態，地基中某點的某一時刻抗剪強度τft，依據規范[1]可按下式計算：

式中：τf0—某點加荷前天然抗剪強度；△σz—給定點由外荷引起豎向應力增量；Ut—固結度 （%）；φcu—有效內摩擦角。

對于堤壩地基或條形基礎，依據規范[1]按Fellenius（費萊紐斯）公式計算地基承載力：

式中：K—安全系數（取1.3）。

承載力驗算參數如下：

式中：pc-附加應力（軟弱層頂面處）；pcz-土體自重壓力（軟弱層頂面處）；vR-承載抗力系數（取1.0）；驗算點至中線距離：0.000 m。

驗算給定點下臥土層承載力見表4。

表4 下臥土層承載力

4 主要施工順序

場地平整→鋪設0.3 m 砂墊層（工作墊層和排水作用）→打設塑料排水板 （打穿淤泥層進入下臥層0.5 m，砂墊層以上預留外露長度≮0.2 m；再鋪設上層0.5 m 砂墊層）→設置地面水平排水系統（盲溝間隔40 m，交匯處布置集水井，外側設置排水溝，通過涵洞排入溝渠）→布置、埋設檢測設施，鋪設雙向土工格柵→分層填筑至各道路滿載預壓頂面靜態標高（砂墊層以上預壓土碾壓厚度0.4 m，碾壓容重≮18 kN/m3）→集水井抽水（滿載預壓，沉降觀測補方，保證堆載預壓頂面靜態標高）→沉降觀測（根據實測推算工后沉降，驗證預壓效果，確定卸載時間）→檢測驗收（卸預壓土至路床設計標高）→交由土建施工。

5 結論

本研究通過寧德市王坑路軟基處理實例，闡述設計思路，計算分析軟基處理全過程固結度、沉降及穩定性變化規律，目前項目已投產運營，達到預期效果。 研究表明，通過設計相應堆載量及預壓計劃， 塑料排水板-堆載預壓法能有效控制地基不均勻沉降，具有一定的經濟和社會雙重效益，可為類似工程提供借鑒價值。