塑料排水板在吹填土地基沉降控制中的应用

吕子鑫,张福海,王保田,李守德

(河海大学 岩土工程科学研究所,江苏南京 210098)

塑料排水板在吹填土地基沉降控制中的应用

吕子鑫,张福海,王保田,李守德

(河海大学 岩土工程科学研究所,江苏南京 210098)

吹填土地基沉降量较大,在规定的工期内如何控制好剩余沉降量(剩余主固结沉降和次固结沉降)一直是人们比较关心的问题。结合KNI项目2A岛围海吹填工程,采用巴隆(Barron)解结合太沙基(Terzaghi)一维固结理论推算排水板地基固结过程,通过在吹填土地基上打设塑料排水板来加速地基的固结过程,从而达到控制工后剩余沉降的目的,使之满足剩余沉降量的要求,详细研究了符合工程要求的塑料排水板的间距和深度。

吹填土地基;塑料排水板;剩余沉降;固结

0 引 言

随着经济的快速发展,沿海地区的建设用地越来越紧张,为此围海造陆工程得到了迅猛发展[1]。围海造陆工程[2]主要是先在沿海修建围堤,然后向围区内吹填海中的砂或淤泥,因此这就需要人们充分考虑吹填土地基的性质。吹填土地基物理力学性质差,透水性差,压缩性高,承载力低,在荷载作用下沉降变形较大,容易产生较大的不均匀沉降,而且沉降稳定历时较长[3],因此如何在规定的工期内能够较好的控制剩余沉降量问题一直是人们比较关心的问题,也是工程中所不可忽视的问题。试验和工程实践表明,较为成熟的处理方法有三类[4]:垫层与浅层置换法(换填法[5]),竖向排水结合预压的排水固结法(砂井[6],塑料排水板[7]等),复合地基加固法(石灰桩法[8],强夯法[9],振冲法[10]等)。其中排水固结法是应用较为广泛、经济的一种软土地基的处理方法。排水固结法的原理是通过预压荷载,使被加固土体中的孔隙水排出,有效应力增加,土体中的孔隙体积减小,密实度加大,土体强度和地基承载力得到提高,从而减小工后沉降量的目的。

本文以KNI项目2A岛围海吹填工程为例,采用塑料排水板排水固结法加快地基的固结速率,减少剩余沉降量,提高地基的强度和稳定性[11]。

1 工程概况

KNI项目位于印尼北雅加达(Pantai Indah Kapuk)地区附近海域,从红溪河向西一直延续到Cirarab河,土地开发项目约1×104hm2,规划建设三个人工岛,岛屿周围由围堤围绕防护。2A人工岛围海吹填是填海计划中的一部分,2A岛主要是采用围堰吹填造陆的工程方案,项目区域的填料区采用附近海域的砂子,堤坝采用附近美莱克(Merak)地区的岩石,超过1000 kg的岩石采用混凝土扭工字块体替代。工程地质勘察显示,地基土主要为新近沉积土,持力层含水率高,压缩性大,强度低。工程设计采用堆载预压结合排水板加速土体排水固结的方案,以期减小工后沉降并提高地基土强度,断面布置形式见图1。

图1 断面布置图

按照岩土体条件的变化将2A岛的围堤划分为几个主要区域,采用A、B、C等命名。每层土的参数由地质勘察资料确定,各种参数试验结果见表1。

表1 2A岛土层特性

2 最终沉降量计算

对于以沉降为控制条件需要进行预压处理的吹填土地基工程,沉降计算的主要目的是估算出堆载后工程的最终的沉降量和工后剩余沉降量。

2.1 沉降计算方法

最终沉降量采用Delft Geosystems version9.8中的Msettle软件程序进行计算,包括主固结沉降和次固结沉降[12]。

式中:e0i为第i分层的初始孔隙比,p0i为第i分层的平均自重应力,△pi为第i分层的平均附加应力,Hi为第i分层的厚度,Cci为第i分层的压缩指数。

次固结沉降的计算公式:

式中:Ca为次固结系数,t2为建筑物的使用年限(50 a),t1为主固结完成时间。

2.2 沉降计算结果

每个计算断面设置6个特征位置如图2所示,按照上述沉降计算方法,由于篇幅所限,本文只列出沉降量较大的三个典型断面(G、L、J)的沉降计算结果,计算结果见表2。

图2 断面特征位置分布图

表2 各计算剖面的沉降计算成果汇总 单位:m

从表2中的数据可以明显看出,三个断面的围堤和护坡区域的沉降量较大,尤其是G、I断面的最大沉降量超过3 m,而本工程有严格限定的工期,为了防止由于剩余沉降量过大而导致围堤和护坡结构的破坏,另外考虑到由于堤身设置充填砂袋加筋,并采用砂袋作为围堰堤防主要的安全构造,堤防和护坡结构的整体性和适应变形的能力较好,本着经济合理的原则,本工程工后剩余沉降量建议控制在0.6 m以下便可满足工程需求,因此剩余沉降量的控制问题就成为了人们关心的主要岩土问题之一。

3 剩余沉降控制

为了很好的控制工后剩余沉降量,经综合考虑本工程采用排水固结法进行软基处理,设计在整个吹填区和堤防段的下面安放塑料排水板。塑料排水板的作用是提高施工期间的沉降速率和增强多余孔隙水压力的消散,从而增加稳定性,减少剩余沉降量。塑料排水板控制工后剩余沉降主要依赖于排水板的间距和排水板的入土深度。

3.1 固结度计算方法

固结度计算拟采用砂井地基巴隆解结合太沙基一维固结理论分析排水板地基固结过程,计算模型符合工程实际情况。

(1)在线性加载条件下,若地基土是均质的,固结度可以按照(4)～(6)式来计算:

(2)在瞬时加载条件下,若地基土是均质的,固结度可以按照(7)、(8)来计算:

以上介绍是针对均质地基土,而实际工程中常遇到的是非均质地基土,将其均一化的处理方法,如式(9)、(10)。

式中:H′为均一化后用于固结计算的土层厚度,Cv为均一化后地基的固结系数,Cv1为第一层土的固结系数,Cvi为第i层土的固结系数。

(3)打排水板区域的平均固结度计算方法,如下:

式中:¯Ur为径向平均固结度,S为涂抹区半径与砂井半径之比,β为涂抹区渗透系数与原状土渗透系数之比,n为砂井的控制半径与砂井半径之比。

b.线性加载条件下:

式中:T为加载时间,t为固结时间。

(4)当砂井未打穿整个压缩土层时,整个压缩土层的平均固结度按下式计算。

3.2 排水板间距设计

本工程中塑料排水板的等效直径为0.07 m,采用三角形格框构造,三角形中心间距为1.5 m。塑料排水板安装在整个吹填区和堤防段的下面。排水板间距的确定一般是依据固结计算成果和当地的施工经验来综合确定,按照我国广东省沿海地区采用排水固结法加固软土地基的施工经验,排水板的间距一般采用1.0 m～1.5m,常用的排水板间距为1.2 m和1.5 m,在排水效果难以达到设计要求时也会采用1.0 m的间距,但是为保障软土地基的排水效果排水板间距一般不会超过1.5 m,根据上述固结度计算方法,印尼KNI工程围海造陆工程围堤下砂井加固区地基土体的平均固结度计算成果如表3所示。

表3 加固区地基土体的平均固结度计算成果

根据表3数据可知,从施工开始到竣工验收时为止,排水板加固区地基的平均固结度均最小可达到99.3%以上,因此可以认定到竣工验收时排水板加固区地基的固结已经基本完成,再减小排水板的间距对排水效果的提高帮助不会很大,整个地基土体固结变形取决于排水板插入软土层的深度,因此本次设计中排水板的间距采用1.5 m。

3.3 排水板长度设计

排水板的入土深度主要取决于剩余沉降量的大小,经过多次调整后,设计排水板的长度情况见表4。

表4 排水板的设计参数

调整的原则主要是通过加大排水板的打设深度,使地基土体的沉降尽快完成以达到减小地基工后沉降的目的,但是根据中国国内的排水板施工经验来看,排水板深度超过35 m后效果不理想,因此本工程中调整后排水板的最大打设深度不超过35 m。由表4可知:调整排水板入土深度后,断面的的剩余沉降量均达到了小于60 cm的标准,符合了工程对剩余沉降量的要求。

4 结 语

在KNI项目2A岛围海吹填工程中,围堤和护坡区域的沉降量较大,部分断面超过3.0 m,而吹填土地基压缩固结过程一般又较为漫长,剩余沉降量的控制问题就成为了工程中的重大问题之一,综合考虑后通过采用排水固结法进行软基处理,设计在整个吹填区和堤防段的下面安放塑料排水板,通过调整排水板的间距和入土深度来使工后剩余沉降量小于0.6 m,从而满足工程需求。

根据前述的沉降和固结计算的成果来看,采用塑料排水板联合堆载处理印尼KNI工程围海造陆工程2A人工岛吹填土地基是合适的,排水板设置适当的间距和深度能够较好的控制沉降,保证满足剩余沉降量的要求,有效的防止由于剩余沉降量过大而导致围堤和护坡结构的破坏。

另外,利用塑料排水板来处理吹填土地基可以加速固结过程,减少工后沉降量,缩短施工工期。

[1]董志良,张功新,李 燕,等.大面积围海造陆创新技术及工程实践[J].水运工程,2010,10(10):54-67.

[2]何清举.围海造陆工程地基快速处理关键技术研究[J].河南水利与南水北调,2011,(18):55-57.

[3]陈坚荣.应用地基沉降和排水固结理论的计算实例[J].港工技术,1994,(4):51-56.

[4]《地基处理手册》编委会.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998:8-13.

[5]周青春,李海波,刘亚群.用换填法及刚性桩复合地基处理桩基质量事故[J].岩土工程,2003,(5):845-848.

[6]房营光.层状饱和粘性土砂井路基的同结变形分析[J].土木工程学报,1997,(5):49-57.

[7]孔庆伟,王士林.沪杭高速公路(上海段)软土地基处理设计[C]//沪杭高速公路(上海段)学术论文集.上海:上海公路出版社,1998:26-32.

[8]罗志强.深层搅拌石灰桩加固公路软基的应用研究[J].中南公路工程,2000,12(4):28-30.

[9]夏玉斌,刘 莹.青岛前湾港软土地基处理方法及效果分析研究[J].长春科技大学学报,1999,29(7):106-109.

[10]周 健,姚 浩,贾敏才.大面积软弱地基浅层处理技术研究[J].岩土力学,2005,(10):1685-1688.

[11]张 超,王 峰,孙金坤.机场软土地基常见的三种处理方法[J].地质与勘探,2003,(8):239-241.

[12]卢廷浩.土力学[M].南京:河海大学出版社,2005:127-152.

[13]赵维柄,施建勇.地基处理及基础工程[M].北京:中国水利水电出版社,2000:69-74.

Application of Plastic Drain in Controlling for Dredgerfill Foundation Settlement

LV Zi-xin,ZHANG Fu-hai,WANG Bao-tian,LI Shou-de
(Geotechnical Engineering Research Institute,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China)

The settlement of dredgerfill foundation is usually large.It is important how to control the remaining settlement(the remaining primary consolidation settlement and secondary consolidation settlement)of dredgerfill foundation in the fixed period.In this paper,the Barron solution and Terzaghi one-dimensional consolidation theory are used to calculate the consolidation degree in the 2A Island reclamation engineering of KNI project.The plastic drains are set to accelerate the consolidation of foundation in order to reduce the residual settlement,which could meet the project requirement.The spacing and depth of the plastic drains that meet the project requirement are studied in detail.

dredgerfill foundation;plastic drain;residual settlement;consolidation

TU47

A

1672—1144(2012)05—0116—04

2012-03-27

2012-04-29

吕子鑫(1986—),男(汉族),辽宁大连人,硕士研究生,研究方向为软土地基处理。