软土路基塑料排水板沉降分析

吴志敏，于 静，卓 敏

(1.东莞市水务技术中心，广东 东莞 523000；2.浙江水利水电学院，杭州 310000)

1 概述

东莞市是广东省中心城市，随着城市的开发发展，须不断完善市政道路的建设。而东莞地区位于珠江三角洲海陆交互相堆积平原，其东江三角洲河网地区蕴藏着厚达数十米的软土层，市政道路的建设须对软土路基进行处理。因道路工程软土路基处理设计主要以工后沉降为控制指标[1]，在采用堆载预压塑料排水板进行软基处理设计时，对于提前估算沉降量和工后沉降量，规范[2-3]没有给出明确规定；同时对于堆载预压或超载预压的载荷量亦没有明确规定，且堆载预压固结处理的分级加载标准也需根据不同工程考虑；本文通过一例东莞市软土路基处理工程的设计实践，探索了塑料排水板处理软土路基的设计计算方法，并通过实际监测数据来进行验证，对类似路基处理工程设计有借鉴意义。

2 工程背景

拟建市政道路工程项目位于东莞市麻涌镇新沙工业园，为城市次干路，道路全长约2.4 km，双向四车道，路幅总宽度为28 m，车道处理宽14 m，设计时速为40 km/h，为沥青混凝土柔性路面。

2.1 工程地质

经勘探，按地层成因类型和岩土层性质，场区内的第四系地层自上而下分为：填土层(Qml)、第四系全新统海陆交互沉积相(Qmc)、残积土层(Qel)及上第三系中新统(N1)。具体描述如下。

1-1杂填土：稍湿，结构松散，成分杂，主要以粘性土为主，夹碎砖、石、砼块等建筑垃圾及部分生活垃圾，新近回填。揭露层厚约0.80～3.70 m，平均1.87 m。建议本层地基承载力基本容许值[fa0]=70 kPa。

1-2素填土：灰黄、黄褐色，稍湿，结构松散，成分主要以粘性土及回填砂为主，局部夹少量碎砖、石、砼块，露层厚约0.50～3.60 m，平均2.12 m。承载力基本容许值[fa0]=90 kPa。

2-1有机质高液限粘质土：灰黑色，饱和、软～流塑，成分以粉粘粒为主，含部分有机质及粉细砂，稍具异味，揭露层厚约4.60～21.40 m，平均9.44 m。该层进行标贯试验33次，实测击数N=1.0击，平均值1.0击，标准值1.0击；承载力基本容许值[fa0]=45 kPa。最大含水量81.2%，平均含水量71.3%。

2-2细砂土：灰白、黄褐色，饱和，松散，组份以粉、细砂粒为主，含少量淤泥质成份及粗颗粒，矿物成分以石英、云母、长石为主。揭露层厚约1.00～8.50 m，平均4.63 m。该层进行标贯试验13次，最大值N=9.0击，平均值7.4击，标准值6.0击。承载力基本容许值[fa0]=100 kPa。

2-3有机质高液限粘质土：灰黑色，饱和、软塑为主，成分以粉粘粒为主，含部分有机质，粉细砂含量稍高，稍具异味，干强度一般、韧度一般、压缩性高。揭露层厚约0.85～8.70 m，平均4.43 m。该层进行标贯试验6次，实测击数N=1.0～2.0击，平均值1.5击；承载力基本容许值[fa0]=55 kPa。最大含水量80.3%，平均含水量71.1%。

2-4细砂土：灰白、黄褐色，饱和，松散，组份以粉、细砂粒为主，含少量淤泥质成份及粗颗粒，矿物成分以石英、云母、长石为主。揭露层厚约1.50～7.30 m，平均4.74 m。该层进行标贯试验5次，最大值N=9.0击，平均值8.6击，标准值8.0击。地基承载力基本容许值[fa0]=115 kPa。

2-5中砂土：黄褐色，饱和，稍密，组份以粗砂粒为主，含少量细砾，砾径2～5 mm，矿物成分以石英、云母、长石为主。揭露层厚约350～6.15 m，平均5.06 m。该层进行标贯试验6次，最大值N=14.0击，平均值13.7击，标准值13击。承载力基本容许值[fa0]=150 kPa。

2.2 水文地质条件

根据钻探揭露并结合地质环境，场地内地下水主要为第四系孔隙水及下伏基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于砂土层中，为强透水含水层，水量较大；基岩裂隙水主要赋存于基岩风化裂隙中，水量不均匀，其补给来源主要为外围基岩裂隙水和构造裂隙水的侧向补给，并接受上部第四系土层孔隙水的垂向补给。

填土层包气带中局部隔水层上含上层滞水，上层滞水的季节变化剧烈，一般多在雨季存在，旱季消失，水量一般较为有限。典型地质剖面示意见图1，岩土参数见表1。

图1 典型地质剖面示意

表1 主要岩土层参数

3 软基处理设计及计算分析

3.1 软基处理设计方案比选

常规的深层软土路基处理方法有真空堆载预压、塑料排水板堆载预压、搅拌桩复合地基、CFG桩复合地基等方法，各软基处理方法优缺点[4]见表2所示。

由于本工程位于工业区，周边有其他交通出行通道，对于工期的要求不高，对于经济性的要求较高；因此经综合比选，选择排水能力强、质量可靠、造价最低的塑料排水板堆载预压处理方法，典型处理断面示意见图2。

3.2 路床顶车辆荷载计算

根据《城市道路工程设计规范》[5](CJJ37—2012)的规定，市政道路路面设计以双轮组单轴载100 kN为标准轴载，双圆荷载的静压力p=0.7 MPa(轮胎与地面的接触压力)；设计路面结构层厚度为0.63 m；因此，按照分布角方法[6]计算土基顶面附加应力及结构层自重应力见表3所示，因此设计路基顶面应力取80 kPa。

3.3 固结度计算

3.3.1分级加载设计

为模拟通行后路床顶车辆荷载，设计排水板顶砂层厚1.0 m，设计路床顶回填土0.3 m，超载预压填土3.0 m，总荷载约为1.0×19.0+3.3×18.5=80.55 kPa。

为防止加荷速率过快而使地基土产生剪切破坏，应严格控制加荷速率[8]。荷载加载计划如下，第一阶段施工砂垫层和排水板后，加载1 m厚填土，总加载时间为60 d；第二阶段再加载约1.2 m厚填土，总加载时间为60 d；第三阶段再加载约1.1 m厚填土，总加载时间为100 d；总工期220 d(分级加载设计示意见图3)。加载时间特点为随着超载值的增加，加载速率减慢，各级荷载恒载时间在不断增加，在总工期不变的情况下更能有效地排出孔隙水。

图3 计划加载时间示意

3.3.2固结度计算

塑料板排水法可采用砂井地基的固结理论与设计方法，计算时根据排水板和砂井与周围±接触面积相等的原理将塑料板换算成相当直径的砂井；塑料排水板按等边三角形布置，边长L=1.1 m，按《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)，插板影响直径为de=1.05×1.1=1.155 m；100 mm×4 mm排水带等效砂井直径为：dw=6.624 cm；因此井径比为1 155/66.24=17.44；F≈2.013；β≈0.0207，根据勘察报告，主要处理土层为2-1有机质高液限粘质土，其固结系数Cv=0.46×10-3cm2/s，Ch=0.46×10-3cm2/s(按各向同性考虑)。

固结度计算公式如下：

(1)

将分级加载及加载速率、井径比等参数代入上述计算公式计算得理论固结度为：Ut=90.82%>90%，满足规范要求(见表4)。

表4 分级加载计划及固结度

3.4 堆载预压沉降计算

主固结沉降变形参照《建筑地基基础设计规范》[9](GB 50007—2011)按照压缩模量法进行总沉降变形量的计算；受附加荷载作用后地基主固结变形量可按下式进行计算：

(2)

式中：

Ψs——沉降计算经验系数，取1.4。

次固结计算公式[10-11]如下：

(3)

其中H取有机质高液限粘质土土层厚度，初始孔隙比e0=2.12，Ca取参考值0.03估算；次固结计算终点时间t2为道路设计年限10 a，起始时间t1为预压期时间240 d。

1)取典型钻孔ZK53对应对应桩号K0+200断面进行计算，设计排水板长度21 m；地层为：填土厚度为1.8 m，2-1地层厚19.2 m，2-2层厚1 m，2-3层厚7.5 m，以下为中砂。处理路基宽度为14 m，b=14/2=7 m。

按分层总和法计算的总沉降为：1 171.22 mm。

理论计算固结度为90.82%，完工后沉降量为：1 063.7 mm；主固结剩余沉降约为：1 171.22×9.18%=107.52 mm，次固结沉降约为212 mm，工后沉降为319.52 mm<500 mm，满足规范要求。

2)同理计算出钻孔59和钻孔64对应桩号K0+800与K1+400断面处完工沉降分别为1 022.57 mm和930.58 mm，估算工后沉降分别为275.36 mm和241.06 mm，均满足规范要求。

3.5 计算结果与实测结果对比

本工程共布置22个浅层沉降板观测断面[12]，观测点沉降板S-2、S-8、S-14分别对应桩号K0+200、K0+800、K1+400处断面和地质钻孔，其测量结果趋势线如图4～图6所示。

图4 沉降板S-2(桩号K0+200)沉降量—时间过程线示意

图5 沉降板S-8(桩号K0+800)沉降量—时间过程线示意

图6 沉降板S-14(桩号K1+400)沉降量—时间过程线示意

各沉降板测点处工后沉降采用双曲线法[13]拟合沉降变化趋势曲线进行计算所得。

S-2测点双曲线方程：

y=-0.006 3x2+3.405 8x+967.11。

S-8测点双曲线方程：

y=-0.039x2+13.374x+ 422.82。

S-14测点双曲线方程：

y=-0.014x2+6.397 8x+655.55。

各测量点处计算沉降与实测结果对比见表5～表7。从计算结果和实际监测结果对比可知，预压期沉降计算结果偏小，实际观测沉降偏大，但设计工后沉降相对偏大，按趋势线推测工后沉降偏小；分析原因一是加载时间比设计时间多出将近20 d，二是可能因为场地淤泥地层中含砂有利于土体孔隙水的排出，致使实际沉降偏大的，工后沉降相对偏小；总体来说设计计算的沉降量与实际沉降量总体偏差不大，沉降分析计算方法合理，可以用于指导工程实践。

表5 S-2桩号K0+200断面计算结果与实测结果对比

表6 S-8桩号K0+800断面计算结果与实测结果对比

表7 S-14桩号K1+400断面计算结果与实测结果对比

4 结语

本文在东莞地区深厚软土路基处理中成功地采用了堆载预压塑料排水板方法进行软基处理，路基工后沉降满足规范要求。

1)根据土力学可知，土体物理参数和受力特性受应力历史影响较大，因此塑料排水板处理软土路基设计时，合理估算其堆载或超载值是一个关键要点。目前规范中其堆载预压超载的取值没有明确规定，本文从车辆荷载特性和土体受力结构的角度进行分析计算，得出路基顶部较为合理的竖向附加应力，并以此作为塑料排水板地基处理的附加荷载，更好的模拟了通车后的汽车荷载，使地基土体处于正常固结或超固结状态，以减少工后沉降。

2)合理设置排水固结的分级荷载和加载时间也是堆载预压处理软土路基设计要点；本工程排水固结的分级荷载按1 m、1.2 m、1.1 m设置，荷载加载分布较为均匀，加载时间特点为随着超载值的增加，加载速率减慢，各级荷载恒载时间在不断增加，则在总工期不变的情况下更能有效地排出孔隙水。

3)从计算结果和实际监测结果对比可知，预压期沉降计算结果偏小，实际观测沉降偏大，但设计工后沉降相对偏大，按实测趋势线推测的工后沉降偏小；总体来看两者偏差不大，分析计算方法合理可靠。实测结果表明超载预压处理的效果较好，说明堆载预压塑料排水板处理方法在含砂淤泥软土层中具有较好的工程应用。

4)工程实践表明，在工期允许条件下，堆载预压塑料排水板排水固结法具备排水能力强、质量可靠、施工速度快、造价低等特点，在软土路基处理时，采用此方法具有显著的社会、经济效益[14]。