塑料排水板堆載預(yù)壓法在圍墾工程軟基處理中的應(yīng)用

陳 懿,程建華

(江蘇省水利勘測設(shè)計研究院,江蘇 揚州225009)

1 工程概況

某圍墾工程,圍墾面積為43 hm2,場地主要土層自上而下為:粘土、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、含碎石粉質(zhì)粘土和中風(fēng)化流紋巖。主要的軟弱土層為淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。場地淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土一般為10 m～20 m,最大厚度約30.0 m,根據(jù)現(xiàn)場十字板剪切試驗得到的不排水強度沿深度的關(guān)系為Cu=5.79+0.90H,總的來看該工程地基土抗剪度低,壓縮性和靈敏度高。該工程填土材料為宕渣,高度為6.2m,考慮壓縮補填后的實際填土高度約為7 m,在這么大的填土荷載作用下,地基承載力和工后沉降不能滿足要求。為解決地基強度和穩(wěn)定性問題,需要對地基進(jìn)行加固設(shè)計。

除了現(xiàn)場十字板剪切試驗之外,還對場地土層取樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗,得到的土體物理、力學(xué)性質(zhì)見表1。由于勘測報告中粘土層未提供強度參數(shù),考慮到該層厚度薄、位置淺,為安全起見強度取1-2淤泥的值。

表1 各土層物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

2 軟基處理方案的確定

2.1 設(shè)計原則

本圍墾工程的設(shè)計應(yīng)滿足以下幾個原則:

(1)確保填筑過程中地基的穩(wěn)定。

(2)確保地基處理后的工后沉降和承載力滿足將來的使用要求。

(3)在確保地基穩(wěn)定的情況下,使工程施工盡可能方便、快速及造價低廉。

根據(jù)以上的設(shè)計原則及本工程的土質(zhì)條件,建筑物類型及適應(yīng)變形能力、施工能力與經(jīng)驗、材料來源、施工期限以及加固費用,設(shè)計中先比較采取多種軟基處理方法,以達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便的目的。

2.2 軟基處理方案比選

根據(jù)本工程的土質(zhì)條件,適合的方法[1]有堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法、真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法和水泥攪拌樁的方法,但本工程由于軟土區(qū)域在水下,水泥攪拌樁施工很難開展,因此不宜采用。堆載預(yù)壓法在當(dāng)?shù)匾延休^成熟的施工經(jīng)驗,且是一種經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)保的軟土地基加固方法,在工期允許的情況下,可優(yōu)先使用。因此,這里首先考慮直接堆載的方案,考慮直接堆載的填筑時間10個月,預(yù)壓14個月,總工期兩年。采用改進(jìn)太沙基固結(jié)理論[2]進(jìn)行計算,結(jié)果表明施工結(jié)束后,軟土層固結(jié)度僅為15%,工后沉降為165 cm,不能適應(yīng)將來上部建筑物對變形和承載力的要求,直接堆載方案不能滿足要求。

考慮到真空預(yù)壓法和真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法雖然加固效果較好,但造價也較堆載預(yù)壓法高,施工技術(shù)要求也較高。因此從施工能力和經(jīng)驗、材料來源、施工期限和加固費用等因素出發(fā),本工程擬在堆載預(yù)壓法的基礎(chǔ)上設(shè)置塑料排水板,加快地基的排水固結(jié)。

3 堆載預(yù)壓+塑料排水板方案設(shè)計

堆載預(yù)壓法+塑料排水板方案處理地基的設(shè)計包括以下內(nèi)容:

(1)根據(jù)謝康和提出的砂井固結(jié)理論[3],并結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗,初步確定預(yù)壓荷載大小、荷載分級、加載速率和預(yù)壓時間;

(2)選擇塑料排水板,確定其斷面尺寸、間距、排列方式和深度;

(3)計算地基土的固結(jié)度、強度增長、抗滑穩(wěn)定性和變形。

排水板地基的固結(jié)度采用有限元進(jìn)行計算,計算中將塑料排水板視為實體單元進(jìn)行劃分[4,5];穩(wěn)定性計算采用瑞典條分法進(jìn)行[6]計算,計算理論在此不再贅述。計算中具體細(xì)節(jié)如下:

(1)宕渣按19 kN/m3考慮,考慮到潮水位一天中變化比較大,按最不利考慮,潮水位以下宕渣也按19 kN/m3考慮。

(2)固結(jié)度計算按2 a(即施工期結(jié)束)和30 a兩種情況考慮。

(3)c、φ值按表1中取值,為直剪固快值。

(4)邊坡計算高度取補差后宕渣高度,另外考慮施工荷載10 kPa(0.5 m)。

(5)經(jīng)塑料排水板排水固結(jié)后,強度指標(biāo)適當(dāng)提高,強度增量按考慮(Δ Suk為強度增量;U為固結(jié)度;σzk為附加壓力;φcq為固快內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值)。

3.1 塑料排水板參數(shù)確定

填土加荷曲線如圖1所示,排水板長度以打穿最軟弱的1-3層和3-1層為指導(dǎo)原則,當(dāng)軟土層(1-3層或3-1層)底部大于25m的,塑料排水板深度為25 m。

圖1 填土加載曲線

排水板的間距和布置形式考慮了表2中的不同方案。圖2是方案2不同深度孔壓等值線云圖,圖中很明顯的體現(xiàn)了在同一深度,排水板處的孔壓小,體現(xiàn)了水向砂井中的滲流,清晰的反映了排水板的排水加快固結(jié)的作用。不同方案下工后沉降結(jié)果列于表2中。由該表可見,方案1、2、4、5滿足要求,綜合從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的角度出發(fā),選擇用料較少的方案2,即排水板正方形布置,間距1.2 m。

圖2 不同深度孔壓等值線云圖

表2 排水板布置方案比選

3.2 填土施工邊坡穩(wěn)定性分析

填土施工邊坡取為1∶4。對于施工過程中的邊坡穩(wěn)定性這種短暫情況,可認(rèn)為地基在施工過程中是不排水的,應(yīng)采用十字板剪切強度指標(biāo)Cu=5.79+0.90H。圖3～圖5給出了不同填土高度時邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),從圖可以看出,當(dāng)填土高度分布為2 m、4 m和6.2 m,對應(yīng)的安全系數(shù)分別為1.34、1.38和1.26,邊坡是穩(wěn)定的。對于填土完成后的長期穩(wěn)定性分析則應(yīng)采取表1中的指標(biāo)進(jìn)行分析,其計算結(jié)果見圖6,安全系數(shù)為1.60,滿足穩(wěn)定要求。

圖3 堆載2.0 m時邊坡穩(wěn)定性分析

圖4 堆載4.0 m時邊坡穩(wěn)定性分析

圖5 堆載6.2 m時邊坡穩(wěn)定性分析

圖6 邊坡長期穩(wěn)定性分析

4 施工要點

本圍墾工程包括3個分項工程:墊層工程、塑料排水板打設(shè)工程、宕渣填筑工程。以下分別簡單介紹:

(1)墊層工程:在圍墾區(qū)的墊層施工之前要在場地內(nèi)鋪設(shè)一層克重不小于280 g/m2的無紡?fù)凉げ?以防止回淤堵住排水板的出水通道,這對良好的發(fā)揮塑料排水板的效果非常重要。無紡?fù)凉げ嫉匿佋O(shè)采用作業(yè)船進(jìn)行,即首先把土工布前端與砂包或錨相聯(lián)結(jié),使其沉入水底,然后沿著所需鋪設(shè)的位置,慢慢移動作業(yè)船,一邊移動一邊在土工布上把砂石包隨后壓上,完成土工布鋪設(shè)。墊層工程則采用拋砂船施工,拋至100 cm厚。墊層施工應(yīng)均勻拋填,避免成堆,墊層平整度要求為20 cm。墊層填料的最大粒徑不得大于15 cm,含泥量小于5%。

(2)在打設(shè)塑料板過程中,可逐段填筑墊層,邊逐段打設(shè)排水帶。當(dāng)砂墊層填平一段距離后(長度50 m左右),即開始打設(shè)PVC塑料排水板,必要時搶潮打設(shè)。塑料排水板采用專用插帶機施工,并配置自動記錄儀記錄打入深度。施工時必須注意排水板在上拔過程中保持平直,以免產(chǎn)生扭結(jié)、卷曲、斷裂、撕裂和回帶等現(xiàn)象。施工中要確保塑料排水板的設(shè)計插入深度,并保證塑料排水板外露長度不小于30 cm。塑料排水板垂直度要保證其垂直偏差＜2.0%,插設(shè)間距誤差為15 cm,回帶長度小于50 cm。

(3)塑料排水板打設(shè)結(jié)束,開始宕渣填筑。應(yīng)根據(jù)施工段填料的基本物理性質(zhì),選擇試驗區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場試驗。主要目的是確定壓實設(shè)備的類型、最佳組合方式、碾壓遍數(shù)、碾壓速度、工序、每層材料的松鋪厚度等。選擇不同的施工方案從中選出施工的最佳方案指導(dǎo)施工。宕渣填料要均勻,避免出現(xiàn)粗?；蚣?xì)粒過于集中的現(xiàn)象,當(dāng)石塊含量較大時,石塊間要以石屑或土鋪撒嵌填密實,且層厚相應(yīng)減小。宕渣填料的最大粒徑不得大于40 cm,含泥量控制在10%以內(nèi),根據(jù)現(xiàn)場實際條件可以調(diào)整。

5 結(jié) 語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,目前我國有相當(dāng)數(shù)量的圍墾工程正在或準(zhǔn)備實施。而其中的絕大部分工程都處于軟土區(qū),加上圍墾工程本身的填土范圍廣、荷載較大,因而若要滿足承載力及沉降的要求,通常需要進(jìn)行軟基處理。本文結(jié)合一工程實例,分析了常規(guī)的軟基處理方法在圍墾工程軟基處理中的適用性,指出堆載預(yù)壓聯(lián)合塑料排水板這一處理方法在圍墾工程軟基處理工程中在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面上具有一定的優(yōu)勢。文中針對這一特定方法進(jìn)行了較為深入的分析,明確了設(shè)計、施工方面的要點,可望為其它相似工程提供參考。

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