關于排水砂井未打穿深厚軟土地基的固結度計算探討

陳偉平

(廣東粵水電勘測設計有限公司,廣東 佛山 528000)

1 概述

廣東珠三角地區經常因為存在深厚軟土地基需要進行地基處理[1]。預壓地基適用于處理淤泥、淤泥質土、沖填土等飽和軟黏性土地基。預壓處理地基一般分為堆載預壓、真空預壓和真空～堆載聯合預壓三類[2]。堆載預壓分塑料排水帶或砂井地基堆載預壓和天然地基堆載預壓。一般情況下，當軟土層厚度小于4.0 m時，可采用天然地基堆載預壓處理。當軟土層厚度超過4.0m時，為了加速軟土層的固結，通常在擬預壓的土層中設置豎向排水體，比如砂井、塑料排水帶等豎向排水體[3]。以砂井為豎向排水體、砂墊層為水平向排水體構成系統，在砂墊層的上部堆載作為加壓系統的預壓法稱為砂井堆載預壓法。

根據太沙基有效應力原理，在外荷載不變的條件下，隨著土體中超靜水孔壓的消散，有效應力不斷增加，土體被壓縮，直到達到穩定，這一過程稱為固結[4]。從加速土層固結的角度來看，排水砂井如能打穿整個軟土層當然是很有利的，但如果軟土層很厚，排水砂井要打穿整個壓縮土層實際上不太經濟，或施工不可能，而且對有的工程也不一定需要[5]。

當排水砂井未打穿深厚軟土地基時，地基平均固結度由打了砂井部分土層的平均固結度和砂井以下土層的豎向固結度兩部分組成。目前常見計算方法結果顯示地基平均固結度與貫入度Q值正相關，一種簡明計算方法是根據砂井貫入度值對砂井打穿軟土地基時的平均固結度乘以一個小于1的系數來確定。

2 固結度計算

關于排水豎井未打穿深厚軟土地基的固結度計算問題，眾多學者做了大量的研究工作，但至今還沒有得到一個精確又簡明實用的固結度計算方法[6]，楊光華[7]認為作為一雙層地基來簡化計算較為合理。Chen等[8]研究表明，對于豎井處理的深厚軟土地基固結度計算問題，豎井下部的固結沉降不可忽略。

(1)

(2)

式中:

α、β——與排水有關的參數，β值與土的排水距離、固結系數等因素有關，可綜合反映土層的固結速率；

下面通過工程實例來計算固結度。

2.1 豎井打穿深厚軟土地基

例1：某建筑場地為軟土地基，擬采用預壓處理地基。根據地質勘察報告，淤泥質土層厚度H=16 m，其下為黏性土層。淤泥質土層豎向和水平向固結系數相同cv=ch=1.5×10-3cm2/s，設計采用砂樁處理，砂樁直徑dw=0.3 m，樁長l=16 m，正三角形布置，間距s=1.6 m(如圖1所示)。地表設與排水砂井相連的砂墊層，在大面積上覆堆載作用下，試計算：地基在90 d時的豎向、徑向固結度和平均固結度(不考慮井阻和涂抹影響)。

圖1 地基處理斷面及平面示意(單位：mm)

解：設置了排水砂井后，固結度以徑向固結為主，豎向固結度較小。

1) 相關參數

有效排水半徑de=1.05 s=1.05×1.6=1.68 m。

單面排水，H=16 m。

平均：βrz=βz+βr=1.249×10-4+0.035 4=0.035 55/d。

2.2 豎井未打穿深厚軟土地基

當排水豎井未穿透受壓土層時，現行建筑地基處理技術規范[2]未明確規定固結度的計算方法，只是籠統地規定“豎井范圍內土層的平均固結度和豎井底面以下受壓土層的平均固結度，以及通過預壓完成的變形量均應滿足設計要求”。

圖2 砂井未打穿軟土層的情況示意

整個壓縮土層的平均固結度按下式計算：

(3)

式中:

(4)

式中:

A1——豎井部分土層起始孔隙水壓力分布曲線所包圍的面積(取附加應力σz分布曲線包圍的面積)；

A2——豎井以下土層起始孔隙水壓力分布曲線包圍的面積(取σz分布曲線包圍的面積)。

假定起始孔隙水壓力不隨深度而變化，則貫入度Q可簡化為[10]：

(5)

式中:

H1——豎井部分土層厚度；

H2——豎井以下壓縮層范圍內土層厚度。

對于豎井未穿透軟土層的地基，當豎井底面以下軟土層較厚時，豎井范圍土層平均固結度與豎井底面以下土層的平均固結度相差較大，預壓期間所完成的固結變形量也因之相差較大，若將固結度按整個受壓土層平均，則與實際固結度沿深度的分布不符，且掩蓋了豎井底面以下土層固結緩慢，預壓期間完成的固結變形量小，建筑物使用以后剩余沉降持續時間長等實際情況。同時，按整個受壓土層平均，使豎井范圍土層固結度比實際降低而影響穩定分析結果。因此，豎井范圍與豎井以下土層的固結度和相應的固結變形應分別計算，不宜按整個受壓土層平均計算。

1) 常規法

2) Hart法

3) 謝康和改進法

H′=(1-aQ)H

碧流河水庫配有主空氣壓縮機2臺，其中一臺作為備用；副空氣壓縮機1臺，其工作狀態為間歇式，即在主空氣壓縮機停止輸氣時，由副空氣壓縮機（氣泵）向管內補充氣壓，使系統內氣壓保持在0.01～0.05 MPa之間，確保管路系統始終處于有壓狀態，以防止管內產生冰阻現象。還需設置儲氣罐1個，起到緩沖氣壓作用；氣液分離器1個，起到凈化空氣作用。

(6)

下面通過工程實例來計算固結度。

例2：若砂井長度為H1=10 m，未打穿淤泥質土層，H2=6 m，其余條件同例1(如圖3所示)。試計算：地基在90 d時的豎向、徑向固結度和平均固結度。

圖3 砂井未打穿軟土層示意(單位：mm)

解法1：常規法

取豎井的長度作為豎向排水距離，砂樁長度為10 m，土層單面排水，取H=H1=10 m。

平均：βrz=βz+βr=3.198×10-4+0.035 42=0.035 74/d。

取豎井底面為排水面，按單向固結理論計算，H=H2=6 m。

解法3：H′=(1-aQ)H

排水距離H′=(1-aQ)H，βz和βrz例1相同，即βz=1.249×10-4/d，βrz=0.035 55/d。

H′=(1-aQ)H=(1-0.941×0.625)×16=6.59 m。

表2 砂井打穿軟土層平均固結度計算成果

表1 砂井未打穿軟土層平均固結度3種解法計算成果對比

圖4 砂井貫入度Q與關系示意

由圖4可見，3種方法計算結果接近，常規法最大，謝康和法次之，Hart法最小；隨著貫入度的增加，計算結果差距同步增大，但總的來說相差不大；3種方法計算結果基本上與貫入度Q值正相關。當貫入度Q≥0.9時，常規法與謝康和法在尾部有個平緩段，說明此后再增加砂井深度對提高地基平均固結度幫助不大。3種計算方法結果表明，地基平均固結度均與貫入度正相關，Hart法正相關性最好，謝康和法次之，常規法又次之。由圖4可見，當Q=0.95時，常規法計算的固結度比砂井打穿軟土地基時的固結度還大，這顯然是不合理的，對此謝康和法對常規法作了優化。相對而言Hart法比較合理。

ψ=aQ+b

(7)

式中:

a——直線斜率，與地基參數和砂井設計參數有關；

b——直線截距，為不打砂井時的地基平均固結度與砂井完全打穿時的固結度之比。

就本例而言，若采用Hart法計算，則ψ=0.7947Q+0.2053，當Q=0時，ψ=0.2053；當Q=1.0時，ψ=1.0；當0

從保守角度考慮，一般工程建議采用Hart法的計算軟土地基的平均固結度。

3 結語

一般而言，不考慮井阻和涂抹影響，當砂井未打穿深厚軟土地基時，目前常見的3種方法計算結果接近，常規法最大，謝康和法次之，Hart法最小；隨著貫入度的增加，其計算結果相差程度同步增大，但總的來說相差不是很大，3種方法計算結果表明地基平均固結度與貫入度值正相關。當砂井未打穿深厚軟土地基時，地基平均固結度的一種簡明計算方法是根據砂井貫入度Q值對砂井打穿軟土地基時的平均固結度乘以一個小于1的系數ψ來確定，ψ與Q呈線性關系，當Q=0時，ψ為不打砂井時的地基平均固結度與砂井完全打穿時的固結度之比，當Q=1.0時，ψ=1.0；當0

相對而言，Hart法比較合理，一般工程建議采用Hart法的計算軟土地基的平均固結度。

不同地區土的特性、土工參數對計算結果影響較大。目前仍需積累工程經驗，改進砂井未打穿深厚軟土地基時地基平均固結度計算方法，以期達到理論計算與實測結果大致相符、安全性和經濟性兼顧的設計目標。