有约束边界的堆载预压法在东城车辆段软基处理中的应用

1、前言

东莞市城市快速轨道交通R2线东城车辆段工程位于东莞市东城区及茶山镇交界处，软基处理面积达到40.9公顷，工程量大、施工工期紧，软基处理时间仅为10个月，要求高。场地内土层主要包括：中粗砂、硬塑状粉质粘土、人工填土、淤泥、淤泥质粉质粘土等。如采用堆载预压法处理软土地基，除必须有压重外，工期也较长；如采用水泥系深层搅拌桩法施工，它对施工工艺的要求较高且耗费材料，致使工程成本增加。在本工程创新性地采用了有约束边界的堆载预压法，即深层搅拌桩施工与塑料排水板堆载预压相结合的处理方法，它首先利用深层搅拌桩将较大面积的软土切分成较小面积的局部区域，在每个小分块里进行排水板的堆载预压施工。每个小块区域的塑料排水板均由外围的深层搅拌桩提供一圈边界约束，即在刚性约束条件下进行塑料排水板施工以达到排水固结的目的，它有别于常规的塑料排水板堆载预压加固方法。

该技术能有效保证软土地基的工后沉降满足要求，同时采用该技术施工软土地基较常规技术工期缩短、造价降低。软土地基处理完成后，土体的最大沉降量仅为350mm，而根据计算，在相同的地质条件和上部荷载作用下，采用常规的堆载预压技术，土体的沉降量达到600mm以上。

采用该技术有效控制了工后沉降，减小对附近建筑物和地下管线的影响，节省了约半年的工期，经济效益和社会效益良好。该技术可推广到沿海地区软土地基的加固处理，为类似工程提供借鉴。

2、关键技术及施工工艺

2.1 技术特点

①该技术将搅拌桩联合塑料排水板加固软土地基的方法组合，互补不足，使得塑料排水板处理区域在刚性约束下进行排水固结。

②该技术使用机械简单，操作便捷，施工方便、快速，施工周期短，实际施工时间较原定工期节省了183天。

③软土地基处理完成后，土体的最大沉降量仅为350mm，而根据计算，在相同的地质条件和上部荷载作用下，采用常规的堆载预压技术，土体的沉降量达到600mm以上。

2.2 工艺原理

本技术的原理如下：

2.2.1 基本原理

搅拌桩和排水板堆载预压联合处理软土地基，由于搅拌桩的约束，使得排水板堆载预压区域处于刚性约束下进行预压固结。在搅拌桩的约束下，减少了地基附加应力向四周的扩散作用，加大了附加应力在竖向的传播。在外围的深层搅拌桩约束下，能大大降低加载预压区以外土体的隆起，进而有效控制了加载预压区的土体沉降量。

2.2.2 有限元分析

（1）有限元模型的建立

根据本工程淤泥的基本情况，建立搅拌桩完全打穿淤泥层（模型 1）、搅拌桩打到淤泥层一半（模型 2）和没有打设搅拌桩（模型 3）的堆载预压模型。在淤泥层中的排水板打穿淤泥层，正三角形布置，间距1.3m。搅拌桩采用1.0m间距的正三角形布置，桩体的压缩模型为200MPa。土体加载的总等效荷载为80kPa，加载总厚度为4m，分4级进行加载。

（2）分析模型

为提高孔隙水压力精确度，首级加载、恒载期间的时间步长取一天，计算步是三十步；后续加载、恒载期间的时间步长取两天，计算步为一百三十五天，预计总预压固结计算时间为三百天。

①有效应力分析

在土体的排水固结中，土体固结是在荷载施加后由于土体的有效应力增加所引起的。在本计算模型中，不考虑地下水的存在，只有把z方向的应力减去土体在该深度的自重应力则为土体的有效应力增量，可得出3种模型沿深度方向的有效应力增量分布图。

②地表沉降分析

在地表上部堆载过程中地表发生较大的沉降，在堆载完毕后土体固结过程中地表沉降随着时间慢慢减少，最后趋于稳定状态。

③孔隙水压力分析

孔隙水压力分布不均匀，主要与土体的受力和排水条件有关。

④土体内部水平位移分析

由于在堆载预压区外打设了搅拌桩，搅拌桩为堆载预压区域提供了较强的位移边界条件，限制了土体在上部荷载作用下向外发展的趋势。模型 1土体的水平位移都很少，只有10-3mm的位移量。

⑤土体固结度分析

预压区域的土体在上部荷载作用下进行排水固结，随着孔隙水压力的逐渐消散，土体的固结度不断提高。固结度是反映土体的排水固结情况的重要指标。在本文计算中，假设土体的瞬时沉降在上部荷载施加完毕时已经完成。因此，可以利用土体在预压结束时的总沉降减去土体的主固结沉降来求出土体的瞬时沉降。模型1、模型2和模型3这三个模型土体的主固结沉降，可以根据在上部荷载作用下引起的土体内部各土层的附加应力应用分层总和法来计算。

⑥结论

对比分析各个模型中附加应力分布、地表沉降、孔隙水压力消散和土体内部水平位移的情况，得出在不同搅拌桩约束条件下土体固结的规律：（如表1所示）

因此，在堆载预压区域边界上打设搅拌桩可加快预压区土体固结，缩短施工期。

2.3 施工工艺及操作要点

2.3.1 工艺流程

有约束边界的堆载预压法，即搅拌桩深层处理和塑料排水板堆载预压法联合处理方法如图1所示。

2.3.2 操作要点

①有约束边界的堆载预压法

利用深层搅拌桩将较大面积的软土切分成较小面积的小块区域，在每个小分块区域里进行排水板的堆载预压施工。

图1 联合处理方法示意图

表1 固结规律表

图2 荷载施加示意图

②深层搅拌桩的施工方法

搅拌桩采用间距1.2m的正三角形布置，桩径为 600mm。搅拌桩的桩长根据现场的地质情况采用12～14m。

搅拌桩的施工流程：

钻孔就位→喷浆预搅下沉→到达设计孔深→喷浆提升→提升喷浆成桩→重复喷浆搅拌下沉→重复提升喷浆→重复喷浆成桩

③塑料排水板施工方法

塑料排水板打穿淤泥层，打设深度约8～10m，采用正三角形布置，间距为 1.2m。在塑料排水板区域铺设了土工格栅和砂层以加强其加载效果和排水效果。

堆土加载分为四级进行，首级加载时间为10天，堆土的厚度是1m，预压时间是20天。二级加载历时 10天，加载堆土厚度为 1m，累计加载堆土厚度为 2m，预压时间为 20天。三级加载历时 10天，加载堆土厚度为 1m，累计加载堆土厚度为 3m，预压时间为 20天。四级加载历时为10天，堆土厚度是1m，累计堆土厚度是4m，预压时间是180天。堆土总厚度是4m，历时共270天，如图2所示。

3、结论

采用有约束边界的堆载预压法加固软基，可以加快堆载预压法的土体固结速度，较原定工期节省了半年时间。同时采用该技术处理完软土地基后，土体的最大沉降量仅为350mm，而根据计算，在相同地质条件和同等上部荷载作用下，采用常规的堆载预压技术，该区域土体的沉降量达到600mm以上。这表明了该技术能有效减少土体向预压区外移动，减少预压土体的沉降，有效减小对附近建筑物和地下管线的影响，控制了工后沉降。

有约束边界的堆载预压法可安全快速地完成软基处理的施工，该技术在东城车辆段软基处理工程中的成功应用，对相类似的工程施工具有借鉴作用，为软土地基处理的深入研究进一步积累数据和资料。