浅谈塑料排水板堆载预压法处理深厚软土路基

郑朝炜

（广州市市政工程设计研究总院，广东 广州 510060）

浅谈塑料排水板堆载预压法处理深厚软土路基

郑朝炜

（广州市市政工程设计研究总院，广东 广州 510060）

首先，介绍了塑料排水板堆载预压法处理深厚软土路基的设计。接着，阐述了堆载预压法的要素和原理，以及竖向排水体的设计要点；并通过工程实例，论述了塑料排水板和预压荷载的设计及地基固结度计算。计算结果表明：塑料排水板堆载预压法处理深厚软土路基具有良好的效果，而涂抹和井阻作用对土体固结的影响比较显著。

深厚软土；塑料排水板；堆载预压；排水固结；固结度；设计

0 引言

软土是指在静水或缓慢的流水环境中沉积，天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于1.0的细粒土。其特点是含水量高、孔隙比大、抗剪强度很低、压缩性高、渗透性小、灵敏度高、具有明显的触变性和流变性、自然固结程度低，固结变形持续时间长；在外荷载作用下或降低地下水位，容易产生固结变形和较大不均匀沉降。在软土路基，特别是深厚软土路基，如果不对软基作加固处理或处理方法不当，会出现路基工后沉降过大和较大不均匀沉降，造成路面平整度差或出现裂缝、滑移错台，排水管道下沉、断裂，甚至出现地基失稳、路堤滑塌等病害。

软土地基的加固处理方法有很多，但目前对深厚软土路基加固处理最常用的方法主要有深层水泥搅拌桩法和竖向排水（袋装砂井或塑料排水板）堆载预压法。深层水泥搅拌桩法，其优点是施工速度快、工期短，无地面隆起，不污染环境和对相邻建筑物影响小。但施工质量较难管理和控制，常出现断桩、缩径或桩长达不到设计要求。

竖向排水体的袋装砂井或塑料排水板的作用是缩短软土中的排水距离。软土中的水通过砂井或塑料排水板及顶部的砂垫层和排水沟排走，使软土中孔隙水压力得以较快地消散，从而加速地基固结，地基强度迅速提高。袋装砂井加固软土地基法是在一般砂井法的基础上发展起来的一种工艺、技术，与普通砂井相比，其井径小，更能体现“细而密”的设计原则，其排水固结效果更好；施工质量易于保证，不会出现缩颈、或砂井不连续等质量问题；设备轻便，可以在更软弱的地基上施工；节省砂料，施工进度快，工程造价较低。

塑料排水板是一种人工排水体，其结构由芯板和滤膜组成。芯板由不易产生压缩变形且有较高强度的聚乙烯或聚丙烯塑料制成两面有间隔槽的板体；滤膜则由渗透性好且耐腐蚀的涤纶衬布制成。采用塑料排水板作为竖向排水体，地基土层中的孔隙水在固结压力作用下渗流通过滤膜层进入芯板沟槽，并通过沟槽从排水砂垫层中排出，其作用与原理和袋装砂井相同。塑料排水板因系工厂生产，质量稳定可靠；质量轻、强度高、耐久性好；而且单孔过水断面大，透水性好，通水量大，排水固结效果好；具有加固深度大、施工简便快捷、造价低、对土层扰动小，施工质量易于保证；在技术、性能和经济上比袋装砂井更具有很大优势。其缺点与袋装砂井一样，相较于深层水泥搅拌桩法的施工期长，必须有足够的堆载预压工期。在工期允许的前提下，塑料排水板堆载预压法处理深厚软土路基是一种经济、有效、可行的加固方法，其排水固结原理与天然土层的固结过程相同，只要精心设计、认真施工、预压时间充裕，就可以达到比较理想的处理效果。处理后的地基一般较均匀，差异沉降小，因而道路修建成后路面的平整度较好，可提高行车质量和道路运行寿命与安全性。所以，塑料排水板堆载预压法处理深厚软土路基得到了广泛应用。

1 堆载预压法的要素和原理

1.1 堆载预压法要素

堆载预压法是堆载预压排水固结法的简称，是运用地基排水固结规律，对天然地基进行堆载预压，或先在地基中设置竖向排水体（砂井或塑料排水板），然后进行堆载预压，使土体中的孔隙水排出而发生固结，提高地基承载力的一种方法。其要素主要由加压系统和排水系统两部分组成。排水系统则由竖向排水体、横向排水砂垫层、盲沟和排水沟构成。在竖向排水体施工之前，应先在地表面铺设厚度不小于50 cm的中粗砂垫层、设置排水盲沟，并在预压区边缘设置排水沟，以便将地基中排出的水引出预压区。对于道路工程的加压系统，即预压荷载一般利用路堤等载自重或路堤超载自重。

1.2 堆载预压法原理

软土地基在压力作用下，土层中孔隙水以渗流形式慢慢汇入竖向排水体（砂井或塑料排水板），经竖向排水体向上流入横向排水砂垫层，再经砂垫层注入排水沟，使软土中孔隙水压力得以消散，孔隙体积减小而土体发生压缩固结，地基强度相应提高。根据有效应力原理，在荷载作用下，土层的固结过程就是孔隙水压力消散和有效应力增加的过程，假设某点的总应力为σ，有效应力为σ′，孔隙水压力为μ，则三者关系为σ＝σ′＋μ。从关系式中可以看出，堆载预压法处理软土地基必须满足压力和排水两个条件，排水固结效应与固结压力的大小成正比。

根据固结理论，在达到同一固结度时，固结所需的时间与排水距离的长短的平方成正比。为了加速固结，最有效的办法就是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离。在天然地基中设置竖向排水体（砂井或塑料排水板）的作用就是优化排水条件，缩短排水距离，加速地基的固结，加速抗剪强度的增长，加速沉降的发展。从而达到缩短堆载预压工期，减小软土地基的工后沉降量和沉降差；提高地基承载力，满足建（构）筑物荷载对地基稳定性的要求。

2 竖向排水体设计要点

（1）竖向排水体砂井或塑料排水板的设计均相同，平面布置一般采用等边三角形和正方形两种形式，直径和间距宜采用“细而密”的设计原则；而竖向排水体的直径过小、间距过密，则将加大土体扰动影响，增加井阻和涂抹作用，增加施工工期和提高造价。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012），塑料排水板或袋装砂井的间距按井径比n=15～22选用。

（2）由于预压荷载在地基中引起的附加应力是随深度而逐渐减少，在地基深处，竖向排水体的排水固结作用将很小，因此竖向排水体不一定要打穿整个压缩层。当软土层不太厚时，竖向排水体应打穿；如软土层较厚，而土层中夹有砂层时，则应尽量打到砂夹层中，以利于排水固结。

（3）对于以地基抗滑稳定性控制的工程，竖向排水体深度应大于最危险滑动面以下2.0 m。

（4）竖向排水体的长度、直径和间距可根据工程对预压固结时间的要求，通过固结理论计算确定，一般要求在预压期内能完成80%的固结度。竖向排水体的设计，一般是先给定竖向排水体的长度、直径和间距，然后计算拟达到设计固结度所需的预压时间，如不符合要求，再予以修正调整。

3 工程实例

3.1 工程概况

广州南沙开发区某道路工程，路宽60 m，设计荷载100 kPa，路堤填土高3.20 m。道路某里程段路基的地层情况及岩土参数见表1所列，地下水位埋深1.20 m。

表1 路基地层情况表

3.2 塑料排水板设计

由表1可知，地表面以下软土层厚度为14.0 m，其下卧为细砂层。地基处理拟采用B型塑料排水板，塑料排水板宽度b=100 mm，厚度δ=4 mm，渗透系数kw=5×10-4cm/s，纵向通水量qw≥25 cm3/s。塑料排水板平面布置采用等边三角形，间距1.2 m，插入细砂层作双面排水固结。预压荷载与设计荷载相等，根据工期要求，预压加荷时间定为4个月，预压时间定为3个月。为简化计算，设预压荷载是等速施加，则堆载预压历时可按5个月计算。

3.3 预压荷载设计

该项道路工程设计荷载为100 kPa，需要施加预压荷载为100 kPa，取填土重度γ=19.5 kN/m3,则需要填土高度为5.13 m。由于淤泥层的强度低，为了使之施加预压荷载后，不致造成地基失稳破坏，因此采用分级施加荷载。填土极限高度可按下式计算：

式中：Hc为极限高度，m；Cu为十字板剪切强度，kPa；γ为填土重度，kN/m3。

根据上述已知：Cu=11.5 kN/m3，γ=19.5 kN/m3，代入公式（1）计算得：填土极限高度Hc=3.26 m。取安全系数为1.2，则填土容许高度为2.72 m。所以该项道路工程可分二级施加预压荷载，首级填土高度为2.72 m，第二级填土高度为2.41 m。

3.4 地基固结度计算

3.4.1 竖向固结度

根据竖向平均固结度计算公式：

根据上述已知：Cv=0.792×10-3cm2/s，t=150 d, H=700 cm，代入公式（2）计算得：z=23%。

3.4.2 径向固结度

根据径向平均固结度计算公式：

理想井时：

根据上述已知：l=120 cm，dw=6.62 cm，de= 126 cm，n=19，Fn=2.2（理想井时），Ch=1.728×10-3，代入公式（3）计算得：理想井时，径向平均固结度Ur=99.4%。

当考虑涂抹和井阻作用对土体固结的影响时:

式中：kn为天然土水平渗透系数，cm/s；ks为涂抹区土的水平渗透系数，取为涂抹区直径ds与竖井直径dw的比值，取s=3.0；L为竖井深度，cm；qw为竖井纵向通水量，为单位水力梯度下单位时间的排水量，cm3/s。

3.4.3 平均固结度

根据总平均固结度计算公式：

当竖向排水体未穿透软土层时，可按下式计算地基平均固结度：

4 结论

（1）该路基工程的软土厚度大，其含水量高、孔隙比大、压缩性极高、地基承载力很低，采用了塑料排水板堆载预压法进行地基处理，软土地基经历时5个月的堆载预压后，理想井时地基的总平均固结度fffffbrz=99.5%，考虑了涂抹和井阻作用时地基的总平均固结度fffffbrz=89.3%，表明了塑料排水板堆载预压法处理深厚软土路基具有良好的效果。

（2）从地基固结度计算结果可以看出，地基以径向固结为主。软土路基经历时5个月的堆载预压后，理想井时地基的径向平均固结度已达99.4%，而竖向平均固结度只有23%，径向平均固结度与总平均固结度只差0.1%。这主要是由于该路基工程的软土厚度大，竖向固结系数小，水平向固结系数较大，且塑料排水板的间距较密，所以竖向固结度很小，完全可以忽略竖向排水引起的固结度。

（3）从理想井与考虑涂抹和井阻作用的地基固结度计算结果分析，涂抹和井阻作用对土体固结效果的影响比较显著。该项工程因涂抹和井阻作用使土体的总平均固结度降低了10.2%，其考虑涂抹和井阻作用的地基固结度仅为按理想井计算的固结度0.87倍。

（4）经典型断面沉降估算，工后沉降基准期按20 a计算，在100 kPa荷载作用下，该路基最终沉降量为1.75 m，工后沉降量为18.2 cm，满足规范要求。

TU447

A

1009-7716（2017）03-0057-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.017

2017-01-17

郑朝炜（1986-），男，广东揭阳人，工程师，从事道路桥梁工程设计工作。