塑料排水板-真空-堆载联合预压法在深厚软土地基处理中的应用

李文坚

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

1 引言

随着科学技术的发展，社会生产力的提高，塑料排水板-真空-堆载联合预压法的施工工艺日臻完善，施工效果也得到显著提高。该软基处理方法因具有造价低、施工简便、加固效果明显等优点，在沿海地区，特别是珠三角和长三角地区的深厚软土地基处理工程中得到广泛应用，取得了较好的社会经济效益[1-3]。

在塑料排水板-真空-堆载联合预压法实施之前，沉降大小预估算值的合理确定，有利于准确确定堆载高度，也是信息化施工不可或缺的项目，对处理效果成功与否具有重要意义。对该联合预压法下深厚软土地基的沉降量，众多学者进行过各种现场试验、数值分析等预测[4-6]。本文结合工程实例，利用理正岩土软件和Midas GTS/NX 有限元软件对塑料排水板-真空-堆载联合预压法作用下深厚软土地基的沉降进行计算和模拟，以确定堆载高度，并与现场实际情况进行对比，探究沉降量预估算值的合理性以及联合堆载预压法的实施效果。

2 基本原理

塑料排水板-真空-堆载联合预压法是利用在软土地基中打设的塑料排水板作为竖向排水通道，以软土地基表面预铺设的砂垫层以及砂垫层中预埋设的滤水管道作为横向排水通道。将不透气的薄膜铺设在砂垫层表面，通过射流泵将薄膜下土体中的气体抽出，使得土体与砂垫层及排水板之间形成压力差，发生渗流，进而使软土中的孔隙水压力不断降低，促使软土层固结沉降。同时，真空压力与不透气薄膜上部堆载共同给软土施加超载，有效解决传统真空预压压力不足的问题，加速薄膜下软土的排水固结沉降。同时，上部预压土方与路基填筑土方结合使用，预压土方同时为路基填筑的土方使用，减少工序，节省投资。

3 工程案例

3.1 工程概况

拟建场地位于珠海市高栏港经济区的平沙片区的滨海近岸浅海地带，属海陆交互相海积平原地貌，场地经填土平整，地势平坦。工程实例为既有广珠线珠海西站站房对侧，货场同侧新增的2 条到发线及4 条货物线路基。整个场区已完成吹填工程，但实际吹填后的场区高程为3.4 m，低于设计吹填高程约0.4～0.6 m。本次场区软土地基处理按实际吹填后高程进行设计。地基处理总面积约2.7×105m2，相当于39 个标准足球场的面积。

3.2 工程地质及水文地质条件

场区的岩土层按其成因分类主要有上覆第四系填土、淤泥质土、中砂、粗砂（砾砂）、粉质黏土；下伏燕山晚期（γ35）花岗岩。

其中，素填土呈褐黄色，稍湿，主要成分为黏性土和强风化碎块，欠压实。该层分布场地边缘道路和既有货场进场道路南侧，平均层厚1.37 m；冲填土呈褐灰色、褐黄色，松散，主要由细砂冲填而成，局部混黏性土及碎石，该层在场地广泛分布。层厚1.30～7.00 m，平均3.42 m；淤泥质土呈灰黑色、褐灰色、深灰色，流塑，局部含贝壳及粉细砂，具臭味，该层在场地内广泛分布，平均层厚24.13 m，结构松软，承载力低，具高压缩性和触变性，有臭味，易产生流变。

场区地下水主要为赋存于冲填土、粉砂、中砂层、粗砂层中的孔隙潜水，场地内地层除冲填土、粉砂层、中砂层、粗砂层为强透水层外，其余地层均为弱～微透水层。地下水主要受相邻含水层和海水的侧向补给及大气降水的垂直渗透补给，以水平径流排泄为主。

3.3 软基处理方案

采用真空预压与堆载预压联合加固软土的方式进行地基加固。塑料排水板打设深度22～27 m，采用正三角形布置，间距1.0 m。

考虑地基处理面积较大，设计过程将场地根据边界条件和地层分布划分为11 个区，单个区域平面面积为1.3×104～3.5×104m2不等。各区域四周根据不透水层埋深设计了密封沟或双排咬合黏土搅拌桩密封墙。

主要施工顺序为：（1）场地准备：场地清表、开挖、平整；（2）打设搅拌桩密封墙与开挖密封沟；（3）铺设30 cm 砂层；（4）打设塑料排水板；（5）铺设真空管系；（6）铺设20 cm 砂层；（7）铺设保护土工布1 层、密封膜2 层，密封膜压入密封沟；（8）抽真空；（9）堆载；（10）监测控制；（11）场地整平。

堆载预压土体填筑应在当真空压力达到设计要求并稳定15 d 后，再进行堆载，并继续抽真空。堆载前应在膜上铺设1层短纤针刺土工布(200 g/m2)保护层、保护层上铺设20 cm 厚砂垫层。本次真空联合堆载预压在荷载到达满载的状态下，预压不少于200 d。

4 沉降计算

为了充分利用上部堆载土体，避免后期过多的土石方回填或开挖，设计过程对堆载高度进行了充分研究。根据前期珠海西站工程的试验区监测资料，地面沉降为1.6～2.0 m，结合本次工程地质条件与实验区的差异，拟采用2.0 m 的堆载高度。并采用理正岩土软件和Midas GTS/NX 有限元软件对沉降量进行了计算和验证。

4.1 理正模型计算

理正模型计算宽度取50 m，模型地层分布选取该场地代表性位置，土层自上而下分别为：填土层，厚1.5 m；淤泥，厚25 m；粉质黏土，厚5 m。膜下真空压力取80 kPa，真空预压持续时间6 个月；堆载强度取40 kPa；排水板打设深度26 m，等效排水板直径取dw=2(a+b)/π，（式中，a 为排水板厚度，取4.2 mm；b 为排水板宽度，取100 mm。）计算得dw=66 mm。土层参数见表1。排水板参数见表2。

表1 土体模型计算参数见

理正计算结果显示，塑料排水板-真空-堆载联合预压法作用下场地最大沉降值为1.805 m，如图1 所示。

图1 理正岩土计算沉降图（单位：m）

4.2 有限元分析

4.2.1 模型建立

目前，塑料排水板-真空-堆载预压地基固结常用的模拟方式都是简化为二维平面模型，将排水板地基转化为排水板墙地基，然后进行平面应变计算。经过此种转换之后，地基各点的几何位置已不能和原型一一对应，该方法缺陷较大，对孔压、横向应变等的计算结构不太理想。本文将排水板视为实体单元，以单个排水板的平面作用范围为模型水平剖面，选取该场地代表性位置建立三维模型。模型土层同4.1。土体模型计算参数见表1。排水板参数见表2。

表2 排水板参数表

4.2.2 荷载及边界条件

荷载定义共3 组：一组为模型自重；一组为真空压力，定为80 kPa；一组为堆载压力40 kPa。模型边界条件包括支撑条件、排水条件和节点水头。支撑条件采用侧面仅允许竖向位移，底部固定3 个方向的约束；定义模型顶面节点和塑料排水板单元节点为排水边界条件；考虑抽真空将降低地下水水头定义模型顶面的节点水头高度为-8 m。

4.2.3 模型计算结果

图2 为通过有限元软件模拟联合加载200 d 后得到的模型竖向变形云图，从图2 中可以得到地表沉降量为1.950 m，与模拟过程采用的2.0 m 堆载误差在3%以内。

图2 竖向变形云图

两种计算方法得到的该场地代表性位置在塑料排水板-真空-堆载联合预压法下的沉降量分别为1.805 m 和1.950 m，两者差异可控。考虑施工方便，实际施工过程堆载高度取2.0 m。

5 施工效果

由于实际监测数据缺失，仅保留有少量记录，记录中场坪大部分区域最终实际沉降量与预估沉降值差异在±20 cm 以内，误差不大于10%。个别区域沉降接近0.5 m。由此可见，前期的沉降量预估算值具有一定的可靠性。个别区域因软土层较厚，与理正计算和数值模拟选用的代表性地层情况差异明显，实际沉降较大。联合堆载预压结束后，根据实际固结沉降后的场坪高程与设计场坪高程差进行了少量补填碾压密实。

6 结论

1）塑料排水板-真空-堆载联合预压法，有效解决传统真空预压压力不足的问题，加速薄膜下软土的排水固结沉降，可有效降低场地工后沉降。

2）采用理正岩土软件和Midas GTS/NX 有限元软件模拟计算得到的软基在塑料排水板-真空-堆载联合预压法下的沉降量差异较小，对于确定堆载高度均有一定的可靠性。

3）场地大部分区域实际沉降值与预估算沉降值差异在10%以内，说明选用的堆载高度是合理可行的。

4）上部堆载预压土方与路基填筑土方结合使用，预压土方同时为路基填筑的土方使用，一举两得，节省工序，节约工期，在投资控制上具有明显优势。