井点降水联合动力排水固结法加固吹填土路基的试验研究

徐新星，李冠泽，张季超

（1.广州大学土木工程学院，广东 广州 510006；2.广州市白云区建设工程质量安全监督站，广东 广州 510605；3.江苏省地质工程勘察院，江苏南京 211102）

井点降水联合动力排水固结法加固吹填土路基的试验研究

徐新星1，2，李冠泽1，3，张季超1

（1.广州大学土木工程学院，广东 广州 510006；2.广州市白云区建设工程质量安全监督站，广东 广州 510605；3.江苏省地质工程勘察院，江苏南京 211102）

针对某海滨城市围海造陆区域内吹填路基加固的难题，采用插板堆载+井点降水+强夯法的新型工艺进行加固处理，开展试验研究.通过孔隙水压力、表层沉降及土工试验、静载荷试验等指标对试验区进行监测和检测，试验结果表明，该方法可以满足路基对工后沉降的要求，大幅提高地基承载力，而且砂土液化问题也得以解决.

吹填土；路基；井点降水；排水固结；现场试验

对于沿海吹填造陆形成的新城，市政道路的建设是最先面临的工程难题，大面积深厚软土处理加固问题已经成为岩土工程领域的难题之一［1］.单一的加固技术已不能完全满足地基处理的需要，综合考虑多种加固技术已成为解决该难题的主要方法.井点降水联合动力排水固结法自1990年初开始在我国推广使用后，已经在上海、深圳、广州等沿海城市得到成功应用，尤其适合于大面积吹填区、软粘土的机场、道路、码头等地基处理［2-3］.本文采用井点降水联合动力排水固结法进行软基加固试验，根据实测数据分析联合化加固技术的处理效果，可为后续类似工程设计和施工提供指导.

1 井点降水联合动力排水固结法

井点降水联合动力排水固结法是由降水系统、排水系统和动力荷载3者共同组成的，在加固吹填后的饱和粘土时，一般还需要设置软土覆盖层，如砂垫层或人工填土等，见图1.

图1 井点降水联合动力排水固结法示意图Fig.1 Schematic diagram of well-point dewatering combined with dynamic compaction method

强夯法不适用于饱和软粘土地基、渗透性较差的淤泥或淤泥质土，因为该类软土在夯击能的作用下，会在土层中产生超孔隙水压力，孔隙水压力无法消散则土体强度得不到有效提高［4］.而井点降水可以通过真空力的作用，将孔隙水由所形成的排水通道从井点系统抽走，降低地下水面以下软土层中的含水量和饱和度，增加原地下水位面以下软土层的有效应力，土体因而产生固结沉降并得到加固［5-6］.强夯法配合井点降水法可以充分发挥强夯和降水两者的优势，形成一套“上—下”双层加固模式.通过降水来加速地基土中超孔压的消散，不仅提高了软土的固结度，避免像“橡皮土”等现象的出现，还缩短了工期与投入，扩大了应用范围［7］.

2 工程概况

本工程位于广东省汕头市，井点降水联合动力排水固结法试验区面积为10 500 m2（150 m× 70 m），地下水在地面以下0.5 m.本工程抗震设防烈度为8度，场地土类别为Ⅲ类，属对抗震不利地段.根据地勘报告，各层描述见表1.

表1 土层物理力学参数Table 1 The soil physical and mechanical parameters

不良地质条件分析：

（1）填土

场地内广泛分布填土层，因人工回填形成，填料来源多以附近海域上部砂层及土层为主.其主要问题为回填料不均匀、未经处理、密实度差异大，泥沙混杂、层位较复杂，局部存在少量淤泥夹层等，其不均一性会对后续软基处理造成影响.

（2）软土

场地广泛分布②1淤泥～淤泥质土、④1淤泥质土～粘土等软土层，上述软土层分布广、厚度大、物理力学性指标差、地基承载力低，需要对其进行加固，另外依据建筑抗震设计规范及岩土工程勘察规范，本工程需考虑软土震陷影响.

（3）液化砂土

场地20 m深度内等效剪切波速Vse＜140 m·s-1，建筑场地的覆盖层厚度在15～80 m，故场地土类别为Ⅲ类，属对抗震不利地段.按标准贯入试验结果对场地液化进行判别，对粘粒含量百分率，标贯锤击数基准值击，地震设计分组调整系数经统计，可判别本试验段场地内中等液化钻孔共3个，轻微液化钻孔有1个，从工程安全角度考虑，需对松散砂土进行处理.

3 试验方案及技术参数

3.1 地基处理方案

（1）竖向排水系统

塑料排水板采用SPB-B型原生板，断面尺寸为100 mm×4 mm，正方形布置，间距为1 m×1 m，按打穿④1淤泥质土～粘土层底板并进入砂层或粘土层0.5 m施工，长度约为19.0 m.

（2）堆载设计

采用动力固结法加固吹填土时，为避免出现“掉锤”事故，设计在表层土上填筑一定高度的砂土垫层，不仅有利于应力扩散，还可以起到堆载预压的作用，有利于软土排水固结.根据固结度和工后沉降的要求，本区采用厚3.0 m的海砂进行堆载，相当于在表层施加54 kPa的荷载，堆载料分两级施工，堆载高度分别为1.0 m和2.0 m.

（3）降水方案

为了配合强夯施工，并且对土层形成预压，试验区采用降水的方法配合施工.降水井井径0.3 m，长14～15 m，降水井和截水井均采用φ≥500 mm孔径机械成井后洗井，然后采用PVC硬质波纹管下井，管外回填约10 cm厚粗砾砂或圆砾，地面以下1.0 m用粘性土封堵.

（4）动力固结设计

动力固结首先在第1级填土后普夯1遍，之后进行第1、2遍点夯，第3、4遍点夯在第2级填土后进行，满夯后振动碾压4～5遍，并进行整平，相关参数见表2.

3.2 监测方案

试验A区在施工过程中进行了沉降监测、孔隙水压力监测、水位监测、分层沉降监测及测斜监测等，在预压前、点夯后、卸载后开展了部分土工试验、静载荷和静力触探试验，而且对路基填土的压实度进行了检测，以确保施工质量达到设计要求.试验A区监测项目平面布置见图2.

表2 强夯参数表Table 2 Dynamic compaction parameter table

图2 A区监测项目布置Fig.2 Monitoring project layout of zone A

4 监测及结果分析

4.1 表层沉降

试验A区共布设了9个地表沉降监测点，选取中心线上4～6号沉降板的监测数据作为分析依据，地基土的总沉降量需考虑插板过程中发生的沉降量，根据高程测量数据，可得表层总沉降量见表3.

表3 表层沉降量Table 3 The surface subsidence scale

由表3监测数据（2012年12月1日～2013年6月27日）可得出以下结论：

（1）根据高程测量数据，塑料排水板施工期间沉降量达220 mm，约占总沉降量的1/3，为地基处理期间发生的最大沉降量，平均沉降速率为11 mm ·d-1.

（2）从试验区沉降板监测数据来看，第1级堆载时地表沉降速率较快，平均累计沉降量为145 mm，沉降速率为7.3 mm·d-1，第2级堆载时地表沉降速率较慢，平均累计沉降量为66.3 mm，沉降速率为3.3 mm·d-1，井点降水联合动力排水固结法加固软土产生的地面平均沉降量为659 mm.

（3）在第1、2遍点夯过程中，夯击引起的平均沉降量（约80.3 mm）大于第3、4遍点夯引起的平均沉降量（约23.1 mm），而最后满夯阶段沉降板沉降量很小，这是因为随着堆载和降水预压的作用，以及强夯次数的增加，土层中的孔隙水迅速排出，软土的孔隙比和含水量大幅降低，地基承载力和压缩模量等参数逐渐增大，因此沉降量变得越来越小.另外，堆土的高度和后续形成的硬壳层也在一定程度上影响了冲击应力向土层深层传递，强夯施工也给沉降点的准确监测带来一定难度.

4.2 孔隙水压力

试验区内布置了3组孔隙水压力监测点，编号为KY1～KY3，由于施工进展的原因，孔压监测开始于2012年12月20日，因此无法观测到第1次填土和降水时的变化情况.选取试验区中部的监测点KY-2分析从②1淤泥～淤泥质土层以下3.0 m深度处的孔压曲线，其他类比.由监测资料可知：

（1）孔隙水压力大小受地下水压力影响较大，由于在2013年2月20日（第60 d）开始第2次降水的缘故，孔隙水压力曲线随降水开始迅速下降，之后停止抽水，孔隙水压力又随之上升，曲线较为平缓，各孔隙水压力计大小随其埋设深度的增加而增加.

（2）在第1、2遍点夯过程中，埋置于浅层淤泥中的孔压计数值有较大幅度的增长，之后又恢复为正常值.第3、4遍强夯过程也有一定的孔压增长和消散，但因为降水的影响而不明显.

4.3 地下水位

（1）场地原始水位为1.3 m左右，经过第1次降水，水位维持在-0.5 m左右，上下波动，降深1.8 m；第2次降水，水位又从-0.5 m降至-2.0 m，降深1.5 m.

（2）由于管井降水工作的进行，地下水位迅速下降，说明截水井和抽水井效果良好.在停泵后，地下水位逐渐上升，最终回复到原始水位.

（3）在第2级堆载加载过程中，孔隙水压力上升，水位管中的水位随之上升，之后孔隙水压力消散，水位逐渐恢复正常.在两次点夯过程中，由于强夯破坏了土体的结构，使得一部分区域土体产生液化，地基土由此产生的裂隙增加了排水通道，孔隙水得以顺利逸出，从而引起水位上升，待超孔隙水压力消散后，水位恢复下降的趋势［8］，这表明夯击作用会引起地下水位的骤然升降.具体地下水位变化图见图3.

图3 试验区地下水位变化图Fig.3 Underground water level variation of experimental zone

5 检测及结果分析

5.1 静力触探与标贯试验

试验区采用了WJCL机动履带式液压静力触探车进行静力触探检测，结果见图4.

经井点降水联合动力排水固结法处理过的试验区，有以下几点特征：

（1）表面砂层（0～6 m）加固效果最明显，其比贯入阻力增长幅度大部分超过100%，最大值为594%，这说明强夯施工可提高表层吹填粗砂的密实度.

（2）处理前后②1淤泥～淤泥质土层（6～10 m）比贯入阻力有较大幅度的提高，而④1淤泥质土～粘土层（13～17m）比贯入力也有所提高，但小于浅层淤泥，说明井点降水联合动力排水固结法对于提高深层软土的强度是有限的.

5.2 标贯试验

根据现场典型钻孔标贯数据，吹填土（0～6 m）范围内标贯击数实测值见表4，经处理后，钻孔平均标贯击数为24击，试验A区场地砂土液化问题已消除.其中粘粒含量百分率ρc＝3%，标贯锤击数基准值No＝12击，地震设计分组调整系数β＝0.8.

5.3 室内土工试验

加固前后表层淤泥②1层物理力学指标（见表5）出现明显的改变，其含水率降低了18.9%，孔隙比降低了18.3，粘聚力、内摩擦角和压缩模量则分别提高了117.0%、81.0%和42.1%.在塑料排水板插设深度范围内，软土层的含水量、孔隙比、粘聚力和内摩擦角等均发生了较大的变化，说明井点降水联合动力排水固结法对淤泥层的加固效果非常明显.

图4 静力触探检测结果图Fig.4 The static cone penetration test results

表4 砂土液化判别表Table 4 Sandy soil liquefaction discrimination

5.4 静载荷试验

采用1 m×1 m载荷板进行慢速维持荷载法加载，加载至240 kN，地基承载力特征值均未出现明显拐点，比例界限无法确定，承载力特征值必定大于120 kPa，完全满足设计要求.经推算，试验点的回弹率为30.1%，浅层土体变形模量为31.8 MPa，表明处理后吹填砂层的塑性变形小，密实度高，刚度大.具体静载试验P-S曲线见图5.

表5 ②1淤泥层的物理力学指标对比表Table 5 ②1physical and mechanical index of silt layer contrast table

图5 静载P-S曲线图Fig.5 Static load P-S curve

6 结 论

（1）试验A区地面平均沉降量为659 mm，塑料排水板施工期间的沉降量达220 mm，占地基处理期间发生总沉降量的1/3左右.强夯施工期间地基土的沉降较小，分析原因如下：①由于强夯施工影响了监测点的正常沉降；②受到填土的影响，减弱了强夯对吹填土的加固效果［9-10］.

（2）根据静力触探、静载荷及压实度试验，可知浅层土体变形模量为28.7 MPa，比贯入阻力为15.48 MPa，分别较处理前提高了200%左右；标贯击数由处理前的12击提高至24击，涨幅为100%.以上数据表明强夯施工提高了浅表砂层的密实度，有利于消除砂土液化.

（3）分析土工试验及静力触探试验的数据可知，②1淤泥～淤泥质土层（6～10 m）的含水率和孔隙比分别降低了约18.9%、18.3%，粘聚力、内摩擦角和压缩模量均有大幅度提高，且④1淤泥质土～粘土层（13～17 m）物理力学性质指标也有一定程度的改善，但幅度略高于②1层，这说明排水板排水形成的排水通道在冲击荷载下对深层软土的加固效果良好.

（4）井点降水联合动力排水固结法可以消除场地的工后沉降（小于30 cm）和砂土液化问题，并且处理后路床顶面下的压实度可以满足规范要求，该方法加固效果好，对周边环境影响小，适用于围海造陆工程中对吹填土路基的加固处理.

［1］ 肖策.静力排水固结法在软土路基处理中的应用研究［J］.施工技术，2015，44（8）：102-108.XIAO C.Application and research of static drainage consolidation method in soft soil subgrade［J］.Constr Tech，2015，44（8）：102-108.

［2］ 陈一平，张季超，蓝维，等.地基处理新技术与工程实践［M］.北京：科学出版社，2010.CHEN Y P，ZHANG J C，LAN W，et al.A new ground treatment technology and engineering practice［M］.Beijing：Science Press，2010.

［3］ 李彰明.软土地基加固的理论、设计与施工［M］.北京：中国电力出版社，2006.LI Z M.Soft soil foundation reinforcement theory，design and construction［M］.Beijing：China Power Press，2006.

［4］ JGJ79-2012：建筑地基处理技术规范［S］.JGJ79-2012：Building foundation treatment technology specification［S］.

［5］ 王建.动力排水固结法在软土地基处理中的应用［J］.工业建筑，2013，43（S1）：493-496，561.WANG J.The application of dynamic drainage consolidation method in soft ground treatment［J］.Ind Constr，2013，43（S1）：493-496，561.

［6］ 张大军，李彰明，刘俊雄.超软土地基静动力排水固结法处理的竖向排水体系影响因素分析［J］.施工技术，2014，43（4）：97-100.ZHANG D J，LI Z M，LIU J X.Study on vertical drainage system of static-dynamic drainage consolidation method for super soft soil foundation［J］.Constr Tech，2014，43（4）：97-100.

［7］ 商淑杰，陶振营，齐辉.强夯-井点降水处治技术在滨海黄泛区的应用［J］.中外公路，2014，34（4）：41-44.SHANG S J，TAO Z Y，QI H.Application of the well point precipitation combined dynamic method on the coastal flood area［J］.J China Foreign Highway，2014，34（4）：41-44.

［8］ 白冰，刘祖德.冲击荷载作用下饱和软黏土孔压增长与消散规律［J］.岩土力学，1998，19（2）：33-38.BAI B，LIU Z D.Growth and dissipation of pore water pressure in saturated soft clay under impact loading［J］.Rock Soil Mech，1998，19（2）：33-38.

［9］ 刘勇健，李彰明，张丽娟.动力排水固结法在大面积深厚淤泥软基加固处理中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（A02）：4000-4007.LIU Y J，LI Z M，ZHANG L J.Application of dynamic drainage consolidation method to reinforcement and treatment of deep and thick silt foundation of large area［J］.Chin J Rock Mech Eng，2010，29（A02）：4000-4007.

［10］王珊珊，李丽慧，刘凯，等.动力排水固结法加固吹填黏性土的机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2011（S1）：906-912.WANG S S，LI L H，LIU K，et al.Research on mechanism of dredged clayey soil improved by dynamic drainage consolidation method［J］.Chin J Rock Mech Eng，2011（S1）：906-912.

The experimental study on the well point precipitation combined dynam ic drainage consolidation method in the reclaimed soil roadbed reinforcement

XU Xin-xing1，2，LI Guan-ze1，3，ZHANG Ji-chao1
（1.School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Baiyun District Construction Engineering Quality Safety Surveillance of Guangzhou，Guangzhou 510605，China；3.Environmental Geology Exploration Institute of Jiangsu Province，Nanjing 211102，China）

The well point precipitation combined dynamic drainage consolidation method is used to solve the problem of reinforced hydraulic fill roadbed foundation in a coastal city reclamation project.On the basis of water pressure monitoring，surface settlement monitoring，laboratory soil test and static load test，the results show that well point precipitation combined dynamic drainage consolidation method not only meets the requirement of design and enhances the bearing strength of foundation，but solves the prediction of sand liquefaction.

reclaimed soil；subgrade；the well point precipitation；drainage consolidation；field test

TU 472

A

1671-4229（2016）01-0051-06

【责任编辑：孙向荣】

2015-09-11；

2015-12-22

徐新星（1981-），男，博士研究生.E-mail：13707508＠qq.com