长塑料排水板联合短搅拌桩加固深厚软土地基试验研究

陈尚勇

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

将塑料排水板和搅拌桩联合起来处理软土地基是地基处理的一种新方法，一般有两种处理工法:一种是塑料排水板和搅拌桩间隔布置，两者处理深度一致，即“2D”工法，刘松玉等［1-4］对该工法做了细致研究;二是塑料排水板与搅拌桩间隔布置，但是塑料排水板的处理深度大于搅拌桩的处理深度，即“长板+短桩”工法，叶官宝等［5-10］对该工法进行了研究。目前，在铁路软土地基加固中采用塑料排水板联合搅拌桩技术还处于探索阶段，中铁第四勘察设计院集团有限公司在甬台温铁路中［11］进行了长塑料排水板联合短搅拌桩处理深厚海相软土地基的试验研究，结果表明地基的工后沉降仍然较大。本文开展的长塑料排水板联合短搅拌桩试验研究［12］，处理对象不同于前面文献所述纯软土地基，短搅拌桩用来处理浅层松软的粉质黏土、粉土，以提高地基承载能力，加快施工进度，又不致产生较大的刺入变形;深层软土地基采用长塑料排水板处理，形成排水通道，加快软土固结变形。

1 试验工点概况

试验工点位于京沪高速铁路虹桥动车所北咽喉北端高速动车进段线，路堤高0.5～2.8 m，位于深厚软土地基。考虑到排水固结法稳定问题及工后沉降控制效果，以及深厚软土地基“悬浮搅拌桩”的工后沉降较大的问题，在该段采用了长塑料排水板联合短搅拌桩的方式处理地基，以求达到既减少地基总沉降，增加浅层地基的承载力和稳定性，又加快深层地基土的固结，减小工后沉降的目的。

1.1 工程地质条件

试验工点处滨海冲-海积平原区，地层为第四系地层，软土发育，地层如下:①人工杂填土，杂色，松散，稍湿;②粉质黏土，褐灰色，软塑;③粉土，灰色，稍密，饱和，夹薄层黏性土;④淤泥质粉质黏土，灰色，流塑;⑤粉质黏土，灰色，软塑。地基土物理力学指标见表1。

表1 地基土基本物理力学参数

1.2 地基处理方案

设计采用长塑料排水板联合短搅拌桩进行地基处理。塑料排水板长20.0 m，间距1.2 m，正方形布置;搅拌桩长8.0 m，间距1.2 m，正方形布置，采用 P·O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入比≥15%。试验段地基处理设计示意见图1。

图1 试验段地基处理平面示意(单位:m)

地基处理施工完毕，搅拌桩28 d龄期钻芯取样检测结果，所有试样的抗压强度为1.12～1.51 MPa，平均抗压强度为1.29 MPa;复合地基荷载试验结果，地基承载力为172～270 kPa，平均为216 kPa，均满足设计要求。

2 现场测试结果分析

2.1 地基表面沉降

两个断面监测得到的荷载-时间-沉降变化曲线如图2所示。至2010年7月16日，GDJK3+535断面桩顶最大沉降量为105 mm(C1-1)，桩间土最大沉降量为116 mm(C1-2);GDJK3+570断面桩顶最大沉降量为78 mm(C2-3)，桩间土最大沉降量为85 mm(C2-4)。2010年1月5日预压土开始卸载后，沉降速率大大减小，至2月，部分沉降板监测的沉降发生回弹，回弹量1～4 mm;3月以后，沉降基本稳定。

图2 荷载-时间-沉降变化曲线

横向，桩间土沉降出现中间大、两边小的盆形沉降，但路肩和路基中心相差甚小，其差异沉降率(中心-路肩沉降差与距离的比值)为0.18% ～0.39%，远比单纯塑料排水板处理地基的小，表明经搅拌桩处理后，可以大大减小地基横向不均匀沉降，这对防止路堤填料开裂、提高路堤填筑质量，保证砂垫层中水的顺利排出是非常有利的。

2.2 桩土差异沉降

分别将测试断面对应的3对桩、土沉降标的沉降量取差值，可得到各断面各代表位置的桩土差异沉降量，如图3所示。桩土差异沉降主要发生于上部填土的施工时期，填筑完成以后，桩土差异沉降趋于稳定，此时，桩与桩间土将共同承担上部填土荷载。GDJK3+535断面桩土差异沉降最大值约为11 mm，GDJK3+570断面最大差异沉降量约为14 mm，最终稳定在5～10 mm。

图3 荷载-时间-桩土差异沉降曲线

2.3 深层沉降

在测试断面中心位置布置深层沉降管，进行地基深层沉降观测，两断面各埋设深层沉降环22个，监测得到的深层沉降曲线见图4。GDJK3+535断面0 m深度磁环最大沉降值为115 mm，相对应桩间土沉降板C1-4的沉降量为103 mm;GDJK3+570断面深0 m深度磁环最大沉降值为97 mm，相对应桩间土沉降板C2-4沉降值为85 mm。0 m深度磁环测出的沉降量与地表沉降量基本相当，其测量值与沉降板的测量结果比较接近，两种测试方法沉降测试较吻合。

从时间方面看，随着时间的推移，各深度的沉降速率逐渐减小，卸载后深层沉降曲线基本重合，表明地基土深部的沉降已基本稳定;GDJK3+570断面卸载后还发生了回弹现象，回弹量2～6 mm。

图4 深层沉降曲线

两个断面反映出的深层沉降规律基本一致。在搅拌桩加固深度范围(8 m)内，土体压缩量较小，分别为12.1、7.5 mm，占总沉降的10.5%、7.7%，表明搅拌桩加固范围内形成了复合地基，该区域的抗变形能力有较大提高。搅拌桩深度以下排水板深度范围内(8～20 m)，土体各深度的沉降量随着深度的增加而减小。GDJK3+535断面该范围内的沉降量为65.9 mm，占总沉降的57.3%，GDJK3+570断面该范围内的沉降量为59.5 mm，占总沉降的61.4%。排水板深度以下土体的压缩量，GDJK3+535断面该范围内的沉降量为37 mm，占总沉降的32.2%，GDJK3+570断面该范围内的沉降量为30 mm，占总沉降的30.9%。地基深层各部分沉降量占总沉降量的比例汇总见表2。

2.4 水平位移

在GDJK3+535断面右侧和GDJK3+570断面左侧分別埋设水平位移监测管各一根，测试水平位移值见图5。

表2 深层沉降占总沉降比例

从图5中可以看出，水平位移主要产生于塑料排水板加固区，GDJK3+535断面最大水平位移值为14.0 mm，深度为地表以下14 m处;GDJK3+570断面最大水平位移值为12.2 mm，深度为地表以下10 m处。处理后，地基的侧向变形很小，由侧向剪切变形引起的附加沉降量也将大大减小。

图5 水平位移曲线

2.5 超孔压

超孔压的消散可以反映深部土体在路堤荷载作用下的固结过程，在测试断面布置孔隙水压力计，孔压计的埋设间距2 m。图6为测试断面荷载-时间-超孔压变化曲线。总体来讲，各测点的超孔压都比较小，最大只有31.5 kPa，远小于相应位置的附加应力，说明排水板的排水效果良好。比较而言，④层淤泥质粉质黏土中的超孔压相比其他位置要大一些。GDJK3+535断面超孔压在14、16 m和18 m深度处较大，最大值为18.2 kPa;GDJK3+570断面的超孔压在16、18 m和20 m深度处较大，最大值为31.5 kPa。在搅拌桩加固范围，超孔压很小，在10 kPa以内，除了排水板的排水作用以外，还因为荷载很大一部分由搅拌桩承担，土体仅承受部分附加应力的缘故。

图6 荷载-时间-超孔压变化曲线

根据塑料排水板处理区孔隙水压力的测试结果，可以计算该区的固结度。图7为测试断面塑料排水板处理区超孔隙水压力/附加应力-深度曲线，据此可以计算超孔压面积和附加应力面积。附加应力按Boussinesq解，固结度等于有效应力面积与附加应力面积的比值。经计算，填筑到位时，排水板加固区综合固结度约为80%;预压2.7个月后，塑料排水板加固区综合固结度达到88%左右，处理效果良好。

2.6 桩土压力比

在测试断面布置土压力计来对土体进行土压力观测，在每一断面各埋设了6个土压力盒(桩顶3个，桩间3个)。图8为各组土压力盒编号的示意。

图9为荷载-时间-桩土应力曲线。在上部填土荷载作用下，桩顶上的土压力明显大于桩周土所承受的土压力。在监测开始时，桩顶和桩间土上的土压力同时提高，桩顶上的土压力提高速率更快。当上部填土施工完成时，桩顶与桩周土上的土压力都不再发生变化，桩土应力比基本保持在一个定值。上部填土荷载卸除后，桩顶和桩间土的压力又会减小。

图7 超静孔隙水压力/附加应力-深度曲线

图8 土压力盒编号示意

经计算分析，各断面的桩土应力比随路堤填筑高度增加而增大，在上部填土完毕后，桩土应力比基本趋于稳定，说明填筑时荷载主要先由桩承担，随着桩、土、土工格栅变形的协调，荷载逐渐向土体转移。填筑到位后，桩土应力比基本稳定，形成了稳定的复合地基。表3为桩土应力比统计表，桩土应力比变化范围为1.3～3.1，平均2.1左右。

表3 桩土应力比统计

3 沉降计算方法

3.1 总沉降计算方法

总沉降计算时，搅拌桩复合地基及下卧层中的附加应力均按Boussinesq解，搅拌桩加固区压缩模量取复合模量(搅拌桩Es取80 MPa)，沉降计算方法采用《建筑地基基础设计规范》中的分层总和法，沉降计算深度取至附加应力为自重应力0.2倍处。为更直观地反映各层沉降对总沉降的贡献大小，对每层按压缩模量分别取沉降修正系数。地基各层理论计算沉降与实测推算沉降对比见表4，理论计算值地基土的沉降主要发生在塑料排水板加固区，其次为下卧层，搅拌桩+塑料排水板加固区的沉降量很小。

图9 荷载-时间-桩土应力变化曲线

表4 路堤+预压荷载作用下地基各层理论计算沉降与实测推算沉降对比

图10为GDJK3+535断面分层沉降理论计算值与实测推算值比较，由图10可知，理论计算值与实测推算值的主要差别在于塑料排水板处理区的沉降，理论值约为实测推算值的约2倍左右，这主要是由于搅拌桩复合地基的限制作用，致使该层的水平位移很小，由横向剪切变形引起的附加沉降较小。因此，建议该层的沉降量取《建筑地基基础设计规范》理论计算值的50%。

图10 GDJK3+535断面分层理论计算值与实测推算值比较

3.2 工后沉降计算方法

工后沉降的计算，需要计算预压土卸载时地基土沉降完成的比例。搅拌桩+塑料排水板加固区属于复合地基，加上浅层孔隙水容易排出，在超载预压的情况下，可将总沉降的0～10%作为残余沉降计入工后沉降。

塑料排水板处理区，按塑料排水板排水固结理论计算，预压3个月后塑料排水板加固区的综合固结度为96.1%，按实测孔隙水压力反算的综合固结度为88%，可将总沉降的10%～20%作为残余沉降计入工后沉降。

下卧层内部无排水通道，预压期完成的固结度很小，可将下卧层总沉降的90～100%计入工后沉降。

4 结论

(1)GDJK3+535、GDJK3+570测试断面，荷载大小分别为104.5、95.0 kPa，桩间土最大沉降量为116、85 mm，沉降控制效果良好。

(2)桩土差异沉降5～10 mm;搅拌桩深度以下排水板深度范围内沉降量为地基主要沉降变形区域;水平位移主要产生于塑料排水板加固区，最大水平位移值分别为14.0 mm和12.2 mm;超孔隙水压力主要产生于地基土体的④层——淤泥质粉质黏土，预压2.7个月后，塑料排水板加固区综合固结度达到88%左右，处理效果良好。

(3)测试断面的桩土应力比随路堤填筑高度增加而增大，桩土应力比变化范围为1.3～3.1，平均桩土应力比为2.1左右，与以往测试搅拌桩复合地基桩土应力比基本一致。

(4)总沉降计算方法采用分层总和法并乘以相应修正系数，其中搅拌桩+塑料排水板处理区的压缩模量取桩土复合模量，塑料排水板处理区沉降量取理论值的50%;超载预压3个月以上的情况下，建议各层总沉降按以下残余沉降比例计入工后沉降:搅拌桩处理区0～10%，搅拌桩+塑料排水板处理区10% ～20%，下卧层90% ～100%。

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