塑料排水板堆载预压法处理温州软基的研究

蔡 烽

(温州设计集团有限公司,浙江 温州 325000)

1 工程概况

浙江东方职业技术学院位于东海之滨的温州经济技术开发区滨海园区丁山垦区；原场地深度约30 m范围内均为冲填土以及淤泥质土,经一次真空预压处理之后效果并不是很理想,故提出再次进行地基处理,使其承载力有所提高并减小后期沉降。现地面高程3.70～5.00 m ,场地设计高程约为5.50 m。

本次软基处理面积约3万m2,设计处理时间为18个月。

根据地质勘察报告显示,本次地基处理范围内土层自上而下描述如下：冲填土(①2层),灰色,为东海涂滩浮泥、砂冲填而成,其物理力学性质呈现为淤泥质土性状,夹(混)少量粉细砂,层厚1.10～2.50 m；黏土(①3层),灰褐、灰黄色,为原地表硬壳层,含铁锰质斑点和半碳化物,层厚0.50～1.10 m；淤泥夹粉砂(②1层),青灰、灰色,含少量腐殖质及腐烂植物根系,不均匀地夹有少量粉砂,粉砂含量5%～10%,层厚8.70～10.30 m；淤泥(②2层),青灰色,含少量粉细砂、腐殖物碎屑、贝壳残片,部分具水平微层理结构,土性呈流塑,高压缩性,高灵敏度,层厚13.10～16.70 m； 粉质黏土(③2层),灰色,含少量腐殖质,局部见有灰黄色泥质结核,软塑,中—高压缩性,层厚3.60～8.30 m；黏土(④2层)灰、浅灰色，含少量腐殖物,夹少量粉细砂,局部为粉质黏土，层厚11.60～22.60 m。

2 软基处理方案对比

目前对软土地基的处理方法较多[1],主要有水泥搅拌桩、砂桩法或碎石桩法、强夯法、排水固结法等等,其优缺点如下。

2.1 砂桩法或碎石桩法

无须预压,加固后可形成复合地基,施工速度快,承载力高,但其承载力与内摩擦角及周围土的强度有密切关系。该工程②1以及②2土层均为淤泥质土,土体抗剪承载力低,单桩承载力有限,若提高置换率则会大大增加工程成本。

2.2 强夯法

强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和土的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基,若直接用来加固软土地基是有待商榷的。由于该工程土层在30 m左右处深度以上均为饱和软土,强夯后土中孔隙水压力升高,地基土强度可能较强夯前更加低。

2.3 水泥搅拌桩

水泥搅拌桩最大限度利用原土,搅动时无振动、无噪音、无污染,可快速施工,适用于加固淤泥、黏性土和粉土等地基,但其施工成本较高,在淤泥中需提高置换率才能达到既定的承载力。

2.4 排水固结法

排水固结法是通过设置竖向以及水平向的排水体,通过表面施加一定压力,使地基中的超孔隙水压力通过排水体排出而使地基受到压缩,强度得到提高的一种方法。排水固结法中的堆载预压法是一种应用较为成熟的方法,可将本例中①2冲填土以及②1层淤泥质粉砂的承载力以及稳定性逐步得到提高,并预先消除部分沉降。

排水固结法中目前使用较多的主要包括塑料排水板预压堆载法、袋装砂井预压堆载法以及塑料排水板联合真空预压堆载法。将上述方案的优缺点汇总见表1。

从表1中可以看出,塑料排水板堆载预压的方案虽然所需时间长但效果保险且较优[2],对本工程较为适用,其加固机理、作用设计、施工设备类似于砂井地基,一般是采用插板机将带状塑料排水板插入软土中,在上部预压荷载作用下,软土中的孔隙水通过塑料排水板的通道逸出,在较短时间内达到较高的固结度,以提高软土地基的承载力和抗剪能力,从而保证地基的稳定。该工法特别是用于大面积超软弱地基土上进行机械化施工,可缩短地基加固周期,加固效果与袋装砂井相同,加固费用比袋装砂井节省10%左右,布置图见图1。

表1 各方案的优缺点

图1 塑料排水板布置示意图

3 塑料排水板堆载预压的设计计算

3.1 材料要求

3.1.1 土石料、砂垫层及土工布

“土石料”是指土石混和料,用于地基处理的堆载预压材料,要求填土重度大于18 kN/m3,石骨料最大粒径不大于200 mm,石骨料含量大于70%,含泥量小于30%,级配良好。根据场地实际情况,设计堆土厚度为2 m。

砂垫层在施工排水板前场地表面铺设,以使软土顶面增加一个排水面,在堆载作用下促使地基土排水固结,提高固结速度。砂垫层厚度取0.5 m,伸出坡脚1 m。采用渗水性好、洁净、级配良好的中砂混碎石,中砂含泥量不大于3%,渗水系数不小于10-2cm/s,干密度不宜小于15 kN/m3,并将其中的植物、杂物除尽。

土工布使用无纺土工布,具有抗拉强度高、渗透性好、耐高温、抗冷冻、耐老化、耐腐蚀等特性。

3.1.2 塑料排水板

塑料排水板采用原生板,选用型号为B型,板宽100 mm。板芯采用高密度全新料聚乙烯制作,滤膜采用涤纶、丙纶等无纺布滤膜。整个复合体柔软且有一定强度,以适应地基沉降引起排水板弯曲变形时仍能正常发挥排水作用。

3.2 塑料排水板的间距

塑料排水板间距是一个极其重要的技术参数。间距小则固结速度加快,但工程造价高；间距大效果则相反。按照《建筑地基处理技术规范(JGJ 79—2012)》[3],对塑料排水板间距可按n=15～22选用,取井径比n=19。将塑料排水板换算成相当于砂井的直径,直径Dp按下式计算：

(1)

式(1)中：b为塑料排水板宽度；

δ为塑料排水板厚度；

a为换算系数，取1.0。

3.3 塑料排水板打设不同深度对比

在塑料排水板堆载预压过程中,若塑料排水板打设过短,将影响地基处理效果且后期沉降较大；反之,若塑料排水板打设过长则会浪费。

根据该工程土质情况,本工程地基较为均匀且软弱土层很厚,设计堆土高度为2 m,附加应力影响深度有限,故采用将塑料排水板穿过②1淤泥夹粉砂层,本文先计算土层最终总沉降量,18个月后计算排水板长度为15 m和20 m土体沉降,并进行对比。

3.3.1 最终总沉降量计算对比

未处理场地高程为3.70～5.00 m,工程设计高程约为5.50 m,设计堆土厚度2 m。假设大面积受均布荷载作用下,地基中的任意深度附加应力沿深度不变,计算总堆土为2 m(荷载约36 kPa)的总沉降量。

沉降计算一般采用单向压缩分层总和法[4],计算深度至④2黏土层,按e-б曲线计算,将地基分成若干薄层,如分为n层,其中第i层的压缩量为：

ΔSi=(e0i-e1i)/(1+e0i)×Δhi

(2)

总压缩量为：

S0=∑ΔSi

(3)

式(2)中：e0i为第i层中点土自重应力所对应的孔隙比；

e1i为第i层中土的自重应力和附加应力之和相对应的孔隙比；

hi为第i层的厚度。

查地质资料各土层的e-p曲线,将各土层数据代入计算得到土体最终沉降，见表2。

表2最后得出土表最终总沉降量约为S=911.5 mm,考虑瞬时沉降时,采用经验系数,据查温州机场的经验系数为1.12,故最终总沉降量S=1.12×911.5=1 020.9 mm。

表2 土体沉降量

现计算18个月后,塑料排水板打设深度15 m和20 m的沉降量进行比较。从表2中可以看到,②2层以下土层的沉降量相对上部较小,为简化计算,将计算深度确定在②2层底部28.3 m处。

3.3.2 18个月后沉降量计算对比

由于堆土加载时间相对于总预压时间较小可忽略,故假设荷载为一次性加载。按照《建筑地基处理技术规范(JGJ 79—2012)》[3]中5.2.8条规定计算,当排水竖井采用挤土方式施工时,应考虑涂抹对土体固结的影响；当竖井的纵向通水量qw与天然土层水平向渗透系数kh的比值较小,且长度又较长时,同时考虑井阻及涂抹效应。由于固结时间仅有18个月,故土体以主固结为主,忽略次固结的影响。沉降量计算考虑两部分,包括塑料排水板贯穿软土层内的固结沉降量St1计算和塑料排水板未贯穿软土层内的固结沉降量St2计算。

3.3.2.1 塑料排水板打设15 m

1)塑料排水板贯穿软土层内的固结沉降计算

水平向固结

(4)

式中:Ur为t时刻地基的径向排水平均固结度。

当考虑涂抹和井阻效应、竖井穿透受压土层时,按照《建筑地基处理规范(JGJ 79—2012)》中5.2.8条考虑井阻以及涂抹作用,取

F=Fn+Fs+Fr

(5)

Fn=ln(n)-0.75

(6)

(7)

(8)

式(4～8)中Cv=kv(1+e)/rw/a,将土体各参数代入并取平均值可得到,Cv=6.685×104cm2/s,同样可得到Ch=8.968×10-4cm2/s,qw为排水板由试验测定的容许通水量,取25 cm3/s；kh为地基原状的水平向渗透系数0.55×10-6cm3/s；H为排水板深度,取15 m；ks为涂抹区土的水平向渗透系数,可取ks=0.25kh;s为涂抹区直径ds与竖井直径dw的比值,可取s=2～3,对中等灵敏黏性土取低值,对高灵敏黏性土取高值,本工程s取2.5。将上述参数代入上式可得到：F=5.065,代入求得Ur=0.998。

竖向固结：

根据太沙基的一维固结理论：

m=1,3,5,7,…(2n-1)

(9)

Uv为竖向固结度,其中Tv=Cv×t/H2,Cv=kv(1+e)/rw/a,将土体各参数代入并取平均值可得到Cv=6.777×10-4cm2/s,Tv=0.014 05,代入上式得到Uv=0.216。

平均固结度Urv=1-(1-Ur)(1-Uv)=0.998,则历经时间t的固结沉降为：

St1=Urv·S1

(10)

则排水板贯穿软土层内的固结沉降St1=Ut·S1=0.998×40.63=405.4 mm。

2)塑料排水板未贯穿软土层内的固结沉降计算。

未打穿软土层内的固结沉降由于土层沉降量较小,可采用太沙基的一维固结理论。在塑料排水板未贯穿软土层内,假设塑料排水板底部15 m为排水面,土体为单面排水,按竖向固结进行计算。将土体各参数代入式(9)并取平均值可得到,Cv=5.6×10-4cm2/s,Tv=0.014 77,最后得到Ur=0.218。

则排水板未贯穿软土层内的固结沉降St2=Ur×S2=0.218×30.77 =6.71 mm。

则18个月后的地基总固结沉降量S=St1+St2=6.71+40.54=47.25 cm。

3.3.2.2 塑料排水板打设20 m

同样采用上述方法,按照《建筑地基处理技术规范(JGJ 79—2012)》[3]中规定计算,计算塑料排水板打设20 m,18个月后土体的沉降量。

根据式(4)至式(10),计算得到排水板贯穿软土层内的固结沉降St1=405.9 mm,式中得到排水板未贯穿软土层内的固结沉降St2=80.5 mm。则可以得到18个月后,塑料排水板打设20 m的地基总固结沉降量S=St1+St2=8.05+40.59=48.84 cm。

现将计算得到的18个月内塑料排水板打设15 m和20 m,沉降随时间变化的曲线见图2。

图2 塑料排水板打设15 m和20 m的比较

从图2中可以看出,两者的沉降量相差仅为15.9 mm,则得出当塑料排水板由15 m增加至20 m,增加25%的长度时,土体的沉降量仅增加了3.4%。事实上,在计算堆土为2 m的情况下,大面积受均布荷载作用地基中的任意深度附加应力是不可能沿深度不变的,应为递减的趋势,且塑料排水板过长也可能导致淤泥堵孔的现象发生。故从经济和排水效率的角度出发,采用15 m的塑料排水板较为合理。

4 与实际工程对比

由于受条件和时间所限,目前工程实测到的沉降数据仅有近5个月左右的时间,且大面积的堆载情况下局部区域的沉降数据相差较大,故取沉降较为平均的两个点与理论计算所得的沉降曲线进行比较。

图3 理论值与实测值对比

从图3中可以看出,理论计算值与实测值相差较小,且沉降速率较为一致。一般情况而言,理论计算值要较实测值大,分析原因是各方面的,但笔者认为主要原因可能是计算中假设地基的任意深度附加应力沿深度不变,但由于堆载土高仅有2 m,附加应力影响深度是有限且应是沿深度逐渐递减的一个过程[4]。

5 结 语

综上所述,采用塑料排水板堆载预压方案处理温州滨海园区的土质情况是较为合理的,且达到了预期要求的效果。文中的计算方法和设计要求将对未来温州软基处理的发展具有重要的实际意义和价值。