围堤软基加固中的塑料排水板施工技术

张继良 史可平 周定刚

（湖北长江清淤疏浚工程有限公司 430000）

1 工程概况

公司参建的常熟边滩整治工程位于常熟市新港镇境内，上起金泾塘口，下至白茆河口，北侧与白茆小沙夹槽，南侧与常熟陆地相连。工程实施后，新增边滩围堤长度5.633km,新增陆域面积136.8hm2。该工程是长江口综合整治工程的一个组成部分。

2 地质情况

工程区地处长江入海口的三角洲地带，河流冲积与滨海沉积盖层厚度大。根据钻孔揭露，工程区地层由第四系全新统冲积的淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粘土、砂壤土、粉细砂等组成。根据土体工程地质特性的差异，将其划分为三大类土层，即①淤泥质粘土层、②粉质壤土层、③砂壤土层及砂性土层。

依据土层性质、地质成因、工程地质特征和区域地质资料对比分析，自上而下可分为以下诸层：

①砂土：灰黄色，该土层由北向南颗粒渐变细，由细砂、粉砂、渐变为轻粉质砂壤土、重粉质砂壤土，含云母片，局部夹壤土，松散—稍密状态，中压缩性。单层厚1～12m。

②淤泥质粉质粘土：灰色，局部为淤泥质重、中粉质壤土，偶夹砂壤土层，流塑状态，高压缩性。层厚2.4～20.0m，普遍分布，由西向东渐变薄。

③壤土层：包括粉质壤土与粉质砂壤土等。

③-1粉质壤土、中粉质壤土:灰色，夹砂壤土，软塑—流塑状，塑性高，厚度2.4～15.9m不等。

③-2粉质砂壤土:灰色，重粉质砂壤土、轻粉质砂壤土，粉砂、局部轻粉质壤土，含云母片，稍密—中密状态，中压缩性，场地分布不连续，最大揭露厚度16.1m。

④粉砂层：灰色，含云母，偶夹粉质粘土，壤土层薄，密实状态，中压缩性。局部未见底，最大揭露厚度22.8m。

3 主要工程地质问题及处理方案

3.1 主要工程地质问题

堤基土主要由第四系全新统冲积及滨海沉积的淤泥质土、一般粘性土、砂壤土、粉砂、细砂组成，淤泥质土、砂壤土呈软塑—流塑状，粉砂呈松散状，均属新近淤积的松软土体，其工程性状较差，承载力低，易产生渗透变形及抗冲刷淘蚀而引起堤基失稳。因此，该工程存在的主要工程地质问题围堤及抗滑稳定、沉降变形、渗透变形及抗冲刷淘蚀等问题。堤基持力层呈软塑—流塑状，粉砂呈松散状，均属新近沉积的松散土体，其工程性状较差，含水量大，天然孔隙比大，饱和度高，呈软塑—流塑状，承载力极低，压缩性高，抗剪强度很低，若以其作为堤基持力层，极易导致出现堤身（基）沉降量过大及不均匀沉降问题，甚至在局部堤段产生堤基滑动破坏。

3.2 处理方案

综合该工程各方面的因素考虑，采用斜坡式防波堤堤身型式，以适应堤基总体承载力较低的特点；对淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土等软土堤基采用堆载预压+塑料排水板的方法进行加固处理，在围堤堤基铺设厚50cm的砂被，起隔离、排水和固结补强的作用，以减少不均匀沉降，减少侧向变形，增大堤基稳定性。

同时为加速堤基淤泥质土体排水固结，在围堤内、外坡脚范围内插打塑料排水板，按正方形布置，间距1.2m，排水板插入地基深度为13～20m。

根据设计要求，该工程的软土地基主要采用塑料排水板处理。以下简单介绍施工过程中一些关于塑料排水板处理软基的技术措施。

3.3 采用塑料排水板法在软基处理中的目的、工艺流程和原理及特点

3.3.1 塑料排水板法在软基处理中的目的

增设地基土中排水通道，改善地基土的透水性和排水条件，使得施工过程中产生的超静孔隙水压力能够及时消散，并转换为有效应力（有效强度）。

当地基土的透水性和排水条件较差时，超静孔隙水压力无法及时消散，根据太沙基有效强度理论，它将导致围堤地基土产生失稳破坏。该工程围堤堤基由透水性差的粉质粘土和淤泥质粘土组成，为此，工程设计中对围堤地基土采取了塑料排水板处理措施，以期增强地基土的透水性、改善地基土的排水条件。显然，围堤堆筑和围滩吹填过程中，地基土中超静孔隙水压力的消散情况客观地反映了地基土有效强度的增长过程、围堤及其地基土的稳定性。

在该工程中主要解决地基沉降问题和稳定问题。

3.3.2 塑料排水板法的施工工艺流程和原理

a.施工工艺流程如图1所示。

图1 塑料排水板法施工流程图

b.塑料排水板法的加固原理。塑料排水板法是排水固结法的一种形式。先在地基中设置塑料排水板竖向排水体，然后利用建（构）筑物本身重量分级逐渐加载；或是在建（构）筑物建造以前，在场地先行加载预压（或者真空预压），从而使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，完成地基沉降，同时强度提高的方法。

塑料排水板法的加固原理是：利用插板机械在含水量大、孔隙比大、压缩性高、深厚的软土地基中插设具有良好透水性的塑料排水板，从而在软土地基中形成竖向的排水通道，在其上铺设砂垫层而形成水平排水通道，增加了土层的排水通道，如图2所示。在上部辅加荷载（如预压堆载、砂被，或者真空预压等）的作用下，在软土地基中产生附加应力。软土地基中的孔隙水应力和附加应力引起的超孔隙水应力随着孔隙水通过塑料排水板和砂垫层排出而降低，地基的孔隙水含水量也随之降低，从而增加了土体密实度。根据太沙基的有效应力原理（σ′=σ-u；其中，σ′为有效应力；σ 为总应力；u为孔隙水应力）可知，由土颗粒间传递的有效应力σ′会随着地基中孔隙水应力降低（即孔隙水的消散）等量增加，进而加速地基的固结，提高地基土的承载力，使软土地基在较短时间内达到较高的固结度，大大减小围堤的工后沉降。

图2 地基中A点的排水路径比较示意图

3.3.3 塑料排水板法的特点

最早的排水固结法是砂井排水,但此法存在的问题是地基变形后,容易产生断颈和颈缩。塑料排水板法弥补了砂井的不足,使施工工艺大大简化,工效成倍增长,具有以下显著特点:

a.塑料排水板由专业厂家批量生产,质量均匀且易控制,具有良好的透水和排水性能。

b.塑料排水板材料具有良好的强度及延伸率,适应地基变形的能力强。

c.重量轻(约1.5kg/m),搬运方便,施工质量易控制和保证。

d.塑料排水板的断面尺寸小,插入时对地基土扰动小,连续性好。

e.施工机械简单,施工速度快,劳动强度小,施工场地整洁。

4 施工机械与选材原则

4.1 施工机械设备

该工程的堤基处理总长度5000m，面积235000m2，插板数167400根，插板平均深度16.3m。施工采用ZTG30—25型轨道式插板机5台，用于大部分相对平整部位的排水板施工；PC300履带式专用插板机2台，用于局部不平整部位及围堤边缘排水板施工。

4.2 塑料排水板材料的选定

根据设计要求,工程采用的塑料排水板应具有耐腐蚀性和足够的柔性,卷曲、回折时不脆裂。其技术指标必须符合JTJ/T256—96《塑料排水板施工规程》及设计要求,材料进场必须经过检验合格后方可投入使用。

5 施工中关键技术控制点

该工程塑料插板施工工艺主要有三个步骤：铺设水平排水垫层、垂直设置塑料排水板、填筑预压荷载并观测沉降量。这三个步骤的工艺都有其特殊要求和技术标准，因此实施效果直接关系到加固软土地基的成败。

5.1 铺设水平排水垫层

首先对加固的地段清除表层草皮、石块和杂物。然后人工铺设并充灌砂被，厚度50～60cm。砂被充灌符合要求后，分级充填一级堤身外侧袋装砂棱体及堤身至高计高程1.05m（高出一般潮位），在袋装砂棱体及堤身砂吹填的同时采用人工踩排进行吹填砂初期排水，塑料插板插打前采用挖掘机进行场地整平及震撼密实排水，整平后的插打场地要求表面平顺，形成坡度为2～3%的倒坡，达到预拱坡面和砂垫层的效果，以利塑料插板排出的水能迅速排出。

5.2 垂直设置塑料排水板

a.机械定位。插板机就位，调正导架垂直度，空心套管中穿入塑料排水板，对中桩位。插板顺序由低向高，定位时要保证桩锤中心与地面定位在同一点上，并用经纬仪或其他观测方法控制桩锤或塔架的垂直。安设套管时，套管顶端有便于起吊的吊钩或吊环，并在套管上画出控制标高的刻度线。套管接长时，在打设前要试接，要求连接口平顺密闭。

b.塑料板与桩尖连接。在塔架卷筒上安置塑料板，然后将塑料板通过套管从管靴穿出，固定在桩尖上，并一起贴紧管靴对准板位。

c.沉管插板。松卷扬机，将套管和排水板激振入地下至设计深度后关机。刚开始时沉管要缓慢，防止套管突然出现偏斜，套管入土深度距设计标高约2m时，要减慢沉管速度，注意观察，防止超深或碰上硬质地基时能及时采取应变措施。

d.拔管剪断塑料板。沉管达到设计深度后即可拔管，拔管时要连续缓慢地进行，中途不得放松吊绳，防止因套管下坠而损坏塑料板。套管拔出后，在下口露出地面20～30cm处剪断塑料板并移位。

e.塑料板接头处理。如需将剩余塑料板与另一卷连接使用时，将塑料板两头滤膜翻剥开，先搭接板芯20cm，然后把滤膜翻卷盖住接头，并确认泥土不能进入板芯。

5.3 填筑预压荷载

a.分段塑料排水板验收合格后，应及时用吹填砂料仔细填满打设在板周围形成的孔洞，覆盖塑料板甩头。

b.加载。使用合格的围堤填料，结合围堤分级堤身施工的工艺进行，其加载速率应控制在设计要求的标准内，不得超过地基允许承载力。

c.设置沉降观测点。在堤身填筑加载前，在堤基坡脚外5m处设置水平位移观测桩，纵向桩距100m，并在堤基中线上设置垂直观测标杆，标杆的下端焊接一块30cm×30cm的钢板，沉降观测点沿中线每隔100m设置一个。

d.施工加载速率。由于围堤是在淤泥质软土地基上填筑的，因此需要严格控制施工加载速率如下：Ⅰ期袋装砂棱体施工控制时间不小于30天，加载间歇时间30天；Ⅱ期袋装砂棱体施工控制进间不小于30天，加载间歇时间30天；Ⅲ期袋装砂棱体施工控制时间不小于20天。施工期加载速率不超过4～10kPa/天，即每天填筑不超过0.7m，施工时应分层均匀缓填。

6 通过对围堤的安全监测检验软基处理的效果

为了确保工程的施工质量,确保软基处理的效果,在施工过程中主要从以下几个方面的安全监测来检验软基处理的效果。

6.1 超静孔隙水压力监测

当地基土的透水性和排水条件较差时，超静孔隙水压力无法及时消散，根据太沙基有效强度理论，它将导致围堤地基土产生失稳破坏。该工程围堤堤基由透水性差的粉质粘土和淤泥质粘土组成，为此，工程设计中对围堤地基土采取了塑料排水板处理措施，以期增强地基土的透水性，改善地基土的排水条件。显然，围堤堆筑和围滩吹填过程中，地基土中超静孔隙水压力的消散情况客观地反映了地基土有效强度的增长过程、围堤及其地基土的稳定性以及塑料排水板处理措施的效果，并在一定程度上控制了施工进度。为此，地基土超静孔隙水压力及其消散过程是该项目监测的重要内容。

6.2 分层沉降监测

工程区地基土主要由新近沉积的、欠固结的、呈软塑—流塑状的淤泥质粉质粘土和砂壤土等组成，其承载力低、压缩性大。在围堤堆筑和围滩吹填过程中，地基土中将产生较大的附加应力，沉降和不均匀沉降问题较为突出。当沉降变形过大时，会给工程施工带来安全隐患，甚至影响工程进度。因此，在不同监测断面布设分层沉降监测孔，以跟踪观测施工过程中堤身及堤基不同深度的沉降变形情况。

6.3 侧向水平位移监测

由于围堤地基由物理力学性质差的软土组成，而围堤的最大堆筑高度将近9m。对于透水性差的软土，在围堤堆筑过程中产生的附加应力不易及时转换为有效强度，故软土堤基存在产生侧向蠕变、甚至滑动破坏的可能性。

6.4 沉降观测

考虑到场区地基土为呈软塑—流塑状、欠固结的淤泥质粉质粘土和砂壤土等，沉降和工后沉降问题较为突出。为了从宏观上掌握围堤堆筑和围滩内吹填过程中地基土的沉降量、沉降过程和工后沉降，根据设计图纸、地质报告和现场实际情况，本着突出重点、兼顾全局、力求达到少而精的原则，在1+359、2+870、4+124桩号处布置三个监测断面。共埋设11×3＝33支振弦式孔隙水压力计；分层沉降监测点总数为8点/孔×3孔×3=72点；侧向水平位移监测总数为2孔/断面×3断面×60点/孔×2向/点=720点；同时在围滩内沿断面方向各埋设3个沉降板，监测断面一级、二级、堤顶道路各埋设一块沉降板，共计18块沉降板。

6.5 软基处理效果分析

比较典型断面1＋359的观察结果。

6.5.1 超静孔隙水压力监测

图3 1+359断面孔隙水压力监测过程线

图4 分层沉降监测过程线

由图3可以看出，监测断面上观测点在二级棱体施工时，加载当天会出现一个峰值，在加载停止后，孔隙水压力即很快消散，说明排水板排水效果比较明显。在棱体加载施工期间，孔隙水压力主要伴随着加荷速率上升，自5月初棱体加载完成后，超静水压力即逐渐消散，地基固结状况良好。

6.5.2 分层沉降监测

根据本地工程经验，沉降速率控制标准为10mm/天。1号断面（1+359）观测最大沉降速率为 9mm/天（HD1-2、4月 7日观测），在监测时间段内沉降速率基本没有超过控制标准。根据跟踪监测发现，地基土沉降主要受上部棱体加载影响，棱体加载一层（约0.5～0.7m）沉降量约为7～9mm，且稳定较快。因此，在施工过程中禁止连续加载，每次以加载一层为宜。基本以表层沉降量较大，随着深度的增加，沉降量降低。根据对施工结束后观测数据的统计分析，当前地面沉降速率最大值为0.3mm/天，最小值为0.1mm/天。地基土变形渐趋稳定（见图 4）。

6.5.3 侧向水平位移监测

依据资料和当地施工经验计算，深层水平位移的控制标准为5mm/天。观测期间，1+359断面最大水平位移速率为4.12mm/天，根据施工结束后观测分析，当前水平位移已渐趋稳定，最大平均水平位移速率为0.12mm/天。观测结果表明：在围堤吹填加高期间，软土地基内部的水平位移很小。实测的水平位移仅仅是地基土在围堤竖向荷载作用下的侧胀变形，而非滑动破坏产生的滑移。由此可以认为，围堤的填筑施工速率控制得当。而且，塑料排水板在增强软土透水性方面的效果良好。由于塑料排水板的设置，在较大程度上增强了地基土的竖向透水性，为超静孔隙水的尽快排出提供了通畅的竖向通道，从而加快了地基土的排水固结，地基土的有效强度和压缩模量得到快速增长（见图5）。

图5 各监测断面水平位移—深度变化曲线

6.4 沉降观测

从图6中可以看出，在棱体加载期间，沉降较快，加载瞬时沉降变化量较大。至5月底棱体施工完成后，沉降曲线发展平顺，沉降速率明显减小，越到后期，沉降速率越小，说明棱体地基土层固结平稳，棱体处于稳定状态。地基处于安全稳定状态，且随着地基土体的固结，地基承载能力也逐渐提高。

各项安全监测成果表明：塑料排水板法在常熟边滩整治工程软基处理中的应用，取得了明显效果。

7 结 语

图6 双曲线拟合过程线

在边滩整治工程塑料排水板法软基处理施工中，由于施工准备充分、设备选型合理，施工过程控制的技术措施严密，从而在施工中充分体现了这一方法具有施工效果好、劳动强度小、施工速度快等特点。因此，若能选用合适的静压打设机械，并严格按照施工工艺要求组织施工,塑料排水板法施工效率会更高,经济效益会更好,施工质量会更有保证。■