软土地基砂井排水堆载预压处理方案设计

2018-03-22李卫鹏

水科学与工程技术 2018年1期

李卫鹏

（水利部新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

我国沿海地区、内河两岸地区和湖泊地区广泛分布着软弱黏性土，尤其是饱和淤泥和淤泥质黏土，此类软土都具有以下特征：含水量高、压缩性大、渗透性差、灵敏度高、强度低和厚度不均匀等特点[1]。此类软土地基不经过处理，在工后建筑物荷载作用下地基会发生较大沉降量，且沉降持续时间长，严重影响建筑物的正常使用，甚至会导致建筑物失稳破坏。

预先施加荷载进行堆载预压，同时辅以竖向排水系统，能够排出饱和软土地基中的水分，加速土体固结，具有使地基承载能力和稳定性显著提高等优点，是一种行之有效的软土地基加固处理方法。以往的工程实践证明，这也是一种比较经济合理的方法[2-5]。本文结合新疆某平原水库供水兼退水建筑物地基堆载预压加固的实际工程，采用分层总和法等理论方法，对预压荷载下天然地基的最终沉降量、预压处理后砂井范围土层的平均固结度、砂井底部下卧层的平均固结度和工后地基沉降量等进行了计算，可为今后类似地基处理提供借鉴。

1 工程与地质概况

新疆某平原水库依托山前洪积扇前沿天然地形，通过东、西、南、北四面筑坝而成。坝顶高程689m，最大坝高18m，坝轴线长6.0km，总库容2700万m3。坝顶宽8.0m，上游坝坡1∶2.5，下游坝坡1∶2.0。水库主要组成建筑物包括水库大坝、入库建筑物、供水兼退水建筑物等。该水库位于洪积扇前沿的洼地内，库区地形较平坦，地势开阔，总地势西高东低，地面高程672～688m，地下水位埋深2.5～11.8m。水库库盘内覆盖层巨厚，岩性主要为第四系全新统～上更新统洪积含土角砾和低液限黏土，夹中-粉细砂和粉土层。含土角砾和低液限黏土在库盘内分布不均一，其中含土角砾主要分布于西库盘，低液限黏土广泛分布于东库盘。供水兼退水建筑物坐落于水库东坝段低液限黏土地基上，黏土层巨厚，地勘资料显示80m深钻孔覆盖层未揭穿。

2 预压法原理

堆载预压法遵从Terzaghi有效应力原理。饱和软土地基在施加外部荷载后，土层中孔隙水通过渗流逐渐排出，使土中孔隙体积随着时间推移逐渐减小，土层出现压缩变形，地基承载能力逐渐得到提高。根据Terzaghi有效应力原理，在总应力保持不变的情况下，由于超静孔隙水压力的缓慢消散，作用在土体骨架上的有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。经过预压或超载预压，卸除预压荷载后再造建筑物，可显著减小工后建筑物的沉降量。根据有效应力原理，假设地基中某点的总应力为σ，有效应力为σ′，孔隙水压力为μ，则三者关系为：

根据式（1）可以看出，预压法处理软土地基必须满足外加载系统和排水系统两个条件。外加载系统是软弱地基土层在一定荷载作用下固结所对应的荷载大小；排水系统主要起到改变地基原有排水边界条件、缩短排水距离、提高排水效率的作用。

3 排水系统设计[6]

根据JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》的表述，竖向排水系统主要包含：普通砂井、袋装砂井、塑料排水板等。排水系统涉及到需要确定的内容主要包括深度、直径、间距、平面布置形式、砂垫层材料及厚度等项目。

3.1 深度

砂井深度一般宜穿透受压土层，以10~25m为宜。本工程由于地基低液限黏土层巨厚，80m深钻孔覆盖层未揭穿，因而本工程砂井采用未打穿砂井，砂井深度结合施工能力和施工效率确定为25m。

3.2 直径

普通砂井直径一般为300~500mm，本工程砂井直径采用300mm。

3.3 平面布置

普通砂井的平面布置主要有等边三角形和正方形两种布置形式。不同的砂井平面布置形式所对应的等效直径de与砂井间距L的关系为：

等边三角形布置：de=1.05L；

正方形布置：de=1.13L。

本工程砂井平面布置采用正方形布置，砂井间距初拟为2000mm，则等效直径de=1.13×2000=2260mm，最终间距根据砂井的井径比计算确定。

3.4 砂井的井径比

砂井的井径比n=de/dw=7.53，普通砂井的井径比n一般可按6~8选用，因而对于所选300mm的砂井而言，初拟的砂井间距2000mm是合理的。

4 预压加载过程设计

根据工期要求，倒排施工计划初拟预压加载过程如下：本工程预压荷载分3级施加，其中1级预压荷载120kPa（根据地勘资料提供的地基承载能力确定），加载历时60d，恒载预压时间300d；2级预压荷载120kPa，加载历时60d，恒载预压时间300d；3级预压荷载160kPa，加载历时60d，恒载预压时间870d。预压荷载施加须在砂井施工结束后进行，分级加载预压过程设计如图1。

图1 分级加载预压过程设计

5 固结度与工后沉降量计算

5.1 地基平均固结度

实际工程中，预压荷载大多是采用分级施加的方式。分级加载下，工程中常用改进太沙基法和改进高木俊介法（JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》推荐方法）进行各级预压荷载下的地基平均固结度计算。本工程计算选用改进高木俊介法，修正后的平均固结度计算公式为：

各级预压荷载恒载预压结束时刻，地基砂井处理层和砂井底部下卧层平均固结度计算结果如表1。

表1 各层地基平均固结度计算结果

5.2 工后沉降量计算

三级恒载预压结束（即预压结束）时刻，地基砂井处理层和砂井底部下卧层沉降量分别按照上述两层在预压荷载下天然地基的最终沉降量与各层在预压结束时刻的平均固结度相乘确定；工后沉降量为预压荷载下天然地基的最终沉降量减去预压结束时刻地基砂井处理层沉降量和砂井底部下卧层沉降量之和。堆载预压荷载下天然地基的最终竖向变形量按照式（6）进行计算：

式中sf为最终竖向变形量（mm）；e0i为第i层中点土自重应力所对应的孔隙比；e1i为第i层中点土自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比；hi为第i层土层厚（mm）；ξ为经验系数，对于正常固结饱和黏性土地基可取ξ=1.1~1.14，荷载较大、地基土较软弱时应取较大值。预压结束时刻，地基砂井处理层沉降量和砂井底部下卧层沉降量及工后沉降量计算结果如表2。