堆载预压法在处理灰堤软土地基中的应用

2018-05-25饶俊勇彭德刚何利君

电力勘测设计 2018年5期

饶俊勇，彭德刚，何利君

(西南电力设计院有限公司，四川成都 610021)

1 概述

在东南亚各国及我国沿海地区承建火力发电厂，常会遇上软土地基情况。软土地基一般是以淤泥或淤泥质土为代表，是指在滨海、湖泊、谷地、河滩上沉积的天然含水量高、压缩性大、抗剪强度和承载力低的软塑到流塑状态的细粒土。这类土具有高压缩性、高含水量、大孔隙比、低密度、低强度、低渗透性、显著流变性等特点，如印尼某工程，表层土为厚度近20 m的淤泥层，承载力特征值只有40 kPa，天然孔隙比2.298，压缩模量只有1.7 MPa，承载力特征值只有40 kPa，渗透系数只有6.89×10-7cm/s，场坪到设计标高后(平均填土5 m，其中2 m为补偿沉降)，预估的场地整体沉降量达到2.0 m左右。

在这种软弱地基上修建建构筑物，会发生较大的沉降和差异沉降,严重影响建构筑物的正常使用，并且加载过程易出现稳定问题。淤泥质软土地基上的灰堤，是滨海、河、湖灰场的主要组成部分。因特殊的地质条件，加上滩涂型灰场特殊的设计、施工、运行要求，对淤泥质软土地基上的灰堤设计提出了特殊的要求，如处理不好，有可能造成灰场滑坡等安全事故，或费用太高，造成浪费，故对其进行研究有重要意义。

2 软土地基处理方法分析与比较

根据软土的性质，常用的方法可分为两大类：土质改良法与复合地基法。前者包括排水固结法、强夯法等；后者包括水泥土桩复合地基、碎石桩复合地基、低强度桩复合地基与加筋土复合地基等。在土质改良法中，排水固结法是一种较好的地基处理方法，该法包括堆载预压法、真空预压法与真空联合堆载预压法等。堆载预压法在软基处理中比较常见，该法易施工，造价较低，但存在工期较长，引起的地面变形较大，后期超载体需移除等缺点，真空预压法具有不需要堆载材料、易施工、工期相对较短的优点；此二者结合形成真空联合堆载预压法。与堆载预压法相比，后两者有需专业施工队伍，造价稍高缺点，但具有工期短、加固效果明显等优势。对于强度很低的淤泥质地基，强夯法无法使用机具，施工很困难；水泥土桩、碎石桩、低强度桩复合地基使用也很广泛，可以使处理后的地基达到较高的承载力和压缩模量，但造价较排水固结法高。

对于滩涂型干灰场，灰堤一般作法是先修建一个3 m高左右的初期堤(一般为土质围堤)，然后在初期堤围成的灰场内贮灰。当贮灰标高达到堤顶时，在其上用灰渣放坡形成灰渣边坡，灰渣边坡高度在10 m左右。初期堤就相当于灰渣边坡的坡脚。

由于灰堤对地基承载力要求并不高，并由于其为柔性结构，有一定适应沉降的能力，基本上所有软土地基处理方法在技术上都可行，但因轴线长，处理范围大，故单位造价对总造价影响很大。相比而言，单位造价较低的堆载预压法总费用低很多；且堆载预压的堆载体，可用填筑灰堤的土体和灰渣兼任，不需要移除，达到了施工期堆载和使用期贮灰的“永临结合”，可节省费用，修建初期堤和灰渣边坡，就是灰堤形成和使用灰场，一般3～5年(灰场容积按照3～5年电厂排灰量设计)，周期很长，可克服堆载预压法处理周期较长的问题；施工技术简单，故采用堆载预压法处理地基对位于淤泥质土地基上的灰堤更合适；因灰堤地基为很长的带状地形，宽度并不宽，真空预压法的密封墙工程量会很大，使造价提高，故即使和真空预压法相比，堆载预压法也便宜得多。故用堆载预压法处理灰堤的软土地基有巨大优势。

3 堆载预压法机理及计算方法

3.1 堆载预压法处理软土地基机理

一般来说, 作用于软土地基上的荷载, 在最初时刻, 全部由土中孔隙水压力承担从而造成很大的超孔隙水压力。超孔隙水压力由压力高的区域向压力小的区域流动，这就是孔隙水压力的消散。伴随着孔隙水的排走, 超静孔隙水压力场消散, 超静孔隙水压力转化为有效应力, 导致土体变形和强度增加。由此可见, 孔隙水压力的消散过程就是土的压缩固结过程, 也就是土的强度增长过程。堆载预压加固软基的效果取决于堆载的大小和超静孔压的消散程度；为了达到加固效果, 需要较大的堆载, 但如一次加载易超出软基的强度, 引起剪切变形破坏，因而堆载速度不能太快, 预压必须维持一定时间。当超载较大时，可采用分级加载的方式，使每级超载控制在一定范围内，不致发生剪切破坏，待固结度提高到一定程度后再施加下一级荷载，如此循环。每级加载荷载的大小和施加的时间，控制标准就是不发生剪切变形和固结度达到一定标准。可见，堆载预压的效果由超静孔隙水压力场的大小和分布决定、与堆载的大小, 分布以及土体力学性质有关。由于软土的渗透系数很小, 孔隙水的流出十分缓慢, 故而孔隙水压力的消散是一个相当长的过程。有时为了缩短加固时间、加快固结过程，可在地基中打设一定深度的竖向排水通道(Pre-fabricated Vertical Drain,PVD)(如砂井、袋装砂井或塑料排水板等)，因塑料排水板价格低廉，施工方便，得到大范围推广。

3.2 计算方法

由 PVD 加固的地基，从宏观上来说是增加了软土的竖向渗透性，这样在荷载的作用下，使地下水加速从地层中排出，从而加快土体的固结，达到加速固结的目的。在PVD 加固地基的设计计算中，为了考虑PVD 的排水作用，柴锦春等等提出了一种更为直观简洁的方法估计PVD 加固地基的等效竖向渗透系数(kve)。有了这个等效渗透系数值就可以像分析天然地基一样分析PVD 加固地基在荷载下的性状并设计PVD 的深度、间距等。柴锦春等从理论上证明了用这种方法得到的平均固结度的最大误差小于用更精确更复杂方法得到值的10%。如果考虑土层的竖向排水和井阻作用，误差将小于实际工程中采用更精确方法时的误差。故该方法在工程中使用完全可达到要求。

PVD 加固地基的等效竖向渗透系数kve可以用式(1)计算。

预压中土体抗剪强度指标根据《建筑地基处理技术规范》5.2.11条计算获得。有了等效土体，有了土体抗剪指标随固结度的变化关系式，即可利用应力和渗流耦合原理计算软土在荷载作用下固结度及强度随时间的变化，并计算不同时间的堆载体边坡稳定和地基沉降。

4 工程实例

我国在东南亚某国投资电厂项目的灰场，位于一个较为平坦的半岛区域，三边环河，临陆地侧即为电厂，灰场为滩涂型灰场。初期坝为高约3.9 m的均质粘土坝，坝轴线长约950 m，其上为灰渣边坡，粘土堤坡比1∶2.5，灰渣边坡1∶4，灰渣边坡大约在5年内形成，见图1。

4.1 地质条件

灰场区域表层为20 m左右厚淤泥(②1层)或软塑粘土(②3层)，主要土层指标表1、表2。

图1 灰堤地基处理剖面图

表1 土层物理力学指标建议值(物理指标、剪切强度)

表2 土层物理力学指标建议值(压缩、固结参数)

4.2 地基处理方案比较

可能的处理方法有堆载预压法、真空预压法、水泥搅拌桩法等。各处理方案比较见表3，其中水泥搅拌桩法处理地基认为地面标高不变，真空预压和堆载预压估计地面大约会沉降0.6 m，故需另外填0.6 m厚土补偿沉降。灰堤沿轴线方向需处理长度950 m，垂直轴线方向处理宽度按照50 m估算，见表3。

表3 地基处理方案比较

堆载预压法时间较长，处理土层的指标提高程度有限；真空预压法处理效果和堆载预压法类似，处理时间短，比堆载预压法贵；水泥搅拌桩法处理的地基指标提高较多，处理深度也较深，但费用较贵。因灰场贮灰到顶大约要5年时间，灰堤的塑料排水板施工可和厂区地基预处理一同施工(厂区内建筑物施工前)，而使用是在厂内建筑物施工完成后，一般周期在2年以上，有足够的时间预压，故在保证堆载过程中边坡稳定的条件下，优先使用堆载预压法；当边坡稳定达不到要求时，可用水泥搅拌桩处理部分范围，或采用放缓灰渣边坡、留马道等方式保证边坡稳定。

4.3 堆载预压法处理方案

由地质条件可见，软弱土层(淤泥层和软塑粘土层)下有③1层细砂层，故插塑料排水板后，软弱土层为双面排水，堆载预压效果会比较好，在不长的时间内即可达到需要的固结度，故在灰堤基础并超出一定范围布置塑料排水板，布置范围长50 m。根据施工进度估算，灰堤堆载分2级，第一级堆载2 m，第二级堆载1.9 m。预估的筑堤时程如下：第1天～第5天施工第一级堆载，在静置10天后(第6天～第15天)，第16天～第20天施工第二级堆载，第110天后允许堤顶上过汽车，第180天时灰场内有水，顶标高达到2.8 m (模拟因降雨而使灰场内水位升高工况，该国降雨量远大于蒸发量，故灰场内水位会上升。2.8 m为灰场排水水位，高于该水位时可溢流，故水位不会高于2.8 m)。

由上可见，灰堤分级堆载、过汽车及灰场内贮水过程就是加载过程。在加载过程中，淤泥质土地基的固结度、强度随加载时程变化。在施工各级灰堤堆载时，也就是各级荷载施加过程中和刚施加时，固结度较低，而荷载较大，边坡最危险，故需验算各级荷载施时的边坡稳定参数。根据计算，仅用堆载预压法而堆灰边坡不预留平台无法满足稳定要求，故在灰堤后预留20 m宽灰渣平台，各级加载时，边坡稳定系数分别为1.835，1.294，1.315，1.162，满足要求，并没有安全富裕。180天后灰场内开始贮灰，因周期很长，可忽略灰场内堆载对灰堤地基固结度的影响，仅需计算达到最终堆灰高程时边坡的稳定。经计算，边坡稳定满足要求，故该处理方案及加载计划可行。