塑料排水板在吹填土地基沉降控制中的應(yīng)用

呂子鑫,張福海,王保田,李守德

(河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

塑料排水板在吹填土地基沉降控制中的應(yīng)用

呂子鑫,張福海,王保田,李守德

(河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

吹填土地基沉降量較大,在規(guī)定的工期內(nèi)如何控制好剩余沉降量(剩余主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降)一直是人們比較關(guān)心的問題。結(jié)合KNI項(xiàng)目2A島圍海吹填工程,采用巴隆(Barron)解結(jié)合太沙基(Terzaghi)一維固結(jié)理論推算排水板地基固結(jié)過程,通過在吹填土地基上打設(shè)塑料排水板來加速地基的固結(jié)過程,從而達(dá)到控制工后剩余沉降的目的,使之滿足剩余沉降量的要求,詳細(xì)研究了符合工程要求的塑料排水板的間距和深度。

吹填土地基;塑料排水板;剩余沉降;固結(jié)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,沿海地區(qū)的建設(shè)用地越來越緊張,為此圍海造陸工程得到了迅猛發(fā)展[1]。圍海造陸工程[2]主要是先在沿海修建圍堤,然后向圍區(qū)內(nèi)吹填海中的砂或淤泥,因此這就需要人們充分考慮吹填土地基的性質(zhì)。吹填土地基物理力學(xué)性質(zhì)差,透水性差,壓縮性高,承載力低,在荷載作用下沉降變形較大,容易產(chǎn)生較大的不均勻沉降,而且沉降穩(wěn)定歷時較長[3],因此如何在規(guī)定的工期內(nèi)能夠較好的控制剩余沉降量問題一直是人們比較關(guān)心的問題,也是工程中所不可忽視的問題。試驗(yàn)和工程實(shí)踐表明,較為成熟的處理方法有三類[4]:墊層與淺層置換法(換填法[5]),豎向排水結(jié)合預(yù)壓的排水固結(jié)法(砂井[6],塑料排水板[7]等),復(fù)合地基加固法(石灰樁法[8],強(qiáng)夯法[9],振沖法[10]等)。其中排水固結(jié)法是應(yīng)用較為廣泛、經(jīng)濟(jì)的一種軟土地基的處理方法。排水固結(jié)法的原理是通過預(yù)壓荷載,使被加固土體中的孔隙水排出,有效應(yīng)力增加,土體中的孔隙體積減小,密實(shí)度加大,土體強(qiáng)度和地基承載力得到提高,從而減小工后沉降量的目的。

本文以KNI項(xiàng)目2A島圍海吹填工程為例,采用塑料排水板排水固結(jié)法加快地基的固結(jié)速率,減少剩余沉降量,提高地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[11]。

1 工程概況

KNI項(xiàng)目位于印尼北雅加達(dá)(Pantai Indah Kapuk)地區(qū)附近海域,從紅溪河向西一直延續(xù)到Cirarab河,土地開發(fā)項(xiàng)目約1×104hm2,規(guī)劃建設(shè)三個人工島,島嶼周圍由圍堤圍繞防護(hù)。2A人工島圍海吹填是填海計劃中的一部分,2A島主要是采用圍堰吹填造陸的工程方案,項(xiàng)目區(qū)域的填料區(qū)采用附近海域的砂子,堤壩采用附近美萊克(Merak)地區(qū)的巖石,超過1000 kg的巖石采用混凝土扭工字塊體替代。工程地質(zhì)勘察顯示,地基土主要為新近沉積土,持力層含水率高,壓縮性大,強(qiáng)度低。工程設(shè)計采用堆載預(yù)壓結(jié)合排水板加速土體排水固結(jié)的方案,以期減小工后沉降并提高地基土強(qiáng)度,斷面布置形式見圖1。

圖1 斷面布置圖

按照巖土體條件的變化將2A島的圍堤劃分為幾個主要區(qū)域,采用A、B、C等命名。每層土的參數(shù)由地質(zhì)勘察資料確定,各種參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 2A島土層特性

2 最終沉降量計算

對于以沉降為控制條件需要進(jìn)行預(yù)壓處理的吹填土地基工程,沉降計算的主要目的是估算出堆載后工程的最終的沉降量和工后剩余沉降量。

2.1 沉降計算方法

最終沉降量采用Delft Geosystems version9.8中的Msettle軟件程序進(jìn)行計算,包括主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降[12]。

式中:e0i為第i分層的初始孔隙比,p0i為第i分層的平均自重應(yīng)力,△pi為第i分層的平均附加應(yīng)力,Hi為第i分層的厚度,Cci為第i分層的壓縮指數(shù)。

次固結(jié)沉降的計算公式:

式中:Ca為次固結(jié)系數(shù),t2為建筑物的使用年限(50 a),t1為主固結(jié)完成時間。

2.2 沉降計算結(jié)果

每個計算斷面設(shè)置6個特征位置如圖2所示,按照上述沉降計算方法,由于篇幅所限,本文只列出沉降量較大的三個典型斷面(G、L、J)的沉降計算結(jié)果,計算結(jié)果見表2。

圖2 斷面特征位置分布圖

表2 各計算剖面的沉降計算成果匯總 單位:m

從表2中的數(shù)據(jù)可以明顯看出,三個斷面的圍堤和護(hù)坡區(qū)域的沉降量較大,尤其是G、I斷面的最大沉降量超過3 m,而本工程有嚴(yán)格限定的工期,為了防止由于剩余沉降量過大而導(dǎo)致圍堤和護(hù)坡結(jié)構(gòu)的破壞,另外考慮到由于堤身設(shè)置充填砂袋加筋,并采用砂袋作為圍堰堤防主要的安全構(gòu)造,堤防和護(hù)坡結(jié)構(gòu)的整體性和適應(yīng)變形的能力較好,本著經(jīng)濟(jì)合理的原則,本工程工后剩余沉降量建議控制在0.6 m以下便可滿足工程需求,因此剩余沉降量的控制問題就成為了人們關(guān)心的主要巖土問題之一。

3 剩余沉降控制

為了很好的控制工后剩余沉降量,經(jīng)綜合考慮本工程采用排水固結(jié)法進(jìn)行軟基處理,設(shè)計在整個吹填區(qū)和堤防段的下面安放塑料排水板。塑料排水板的作用是提高施工期間的沉降速率和增強(qiáng)多余孔隙水壓力的消散,從而增加穩(wěn)定性,減少剩余沉降量。塑料排水板控制工后剩余沉降主要依賴于排水板的間距和排水板的入土深度。

3.1 固結(jié)度計算方法

固結(jié)度計算擬采用砂井地基巴隆解結(jié)合太沙基一維固結(jié)理論分析排水板地基固結(jié)過程,計算模型符合工程實(shí)際情況。

(1)在線性加載條件下,若地基土是均質(zhì)的,固結(jié)度可以按照(4)～(6)式來計算:

(2)在瞬時加載條件下,若地基土是均質(zhì)的,固結(jié)度可以按照(7)、(8)來計算:

以上介紹是針對均質(zhì)地基土,而實(shí)際工程中常遇到的是非均質(zhì)地基土,將其均一化的處理方法,如式(9)、(10)。

式中:H′為均一化后用于固結(jié)計算的土層厚度,Cv為均一化后地基的固結(jié)系數(shù),Cv1為第一層土的固結(jié)系數(shù),Cvi為第i層土的固結(jié)系數(shù)。

(3)打排水板區(qū)域的平均固結(jié)度計算方法,如下:

式中:ˉUr為徑向平均固結(jié)度,S為涂抹區(qū)半徑與砂井半徑之比,β為涂抹區(qū)滲透系數(shù)與原狀土滲透系數(shù)之比,n為砂井的控制半徑與砂井半徑之比。

b.線性加載條件下:

式中:T為加載時間,t為固結(jié)時間。

(4)當(dāng)砂井未打穿整個壓縮土層時,整個壓縮土層的平均固結(jié)度按下式計算。

3.2 排水板間距設(shè)計

本工程中塑料排水板的等效直徑為0.07 m,采用三角形格框構(gòu)造,三角形中心間距為1.5 m。塑料排水板安裝在整個吹填區(qū)和堤防段的下面。排水板間距的確定一般是依據(jù)固結(jié)計算成果和當(dāng)?shù)氐氖┕そ?jīng)驗(yàn)來綜合確定,按照我國廣東省沿海地區(qū)采用排水固結(jié)法加固軟土地基的施工經(jīng)驗(yàn),排水板的間距一般采用1.0 m～1.5m,常用的排水板間距為1.2 m和1.5 m,在排水效果難以達(dá)到設(shè)計要求時也會采用1.0 m的間距,但是為保障軟土地基的排水效果排水板間距一般不會超過1.5 m,根據(jù)上述固結(jié)度計算方法,印尼KNI工程圍海造陸工程圍堤下砂井加固區(qū)地基土體的平均固結(jié)度計算成果如表3所示。

表3 加固區(qū)地基土體的平均固結(jié)度計算成果

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知,從施工開始到竣工驗(yàn)收時為止,排水板加固區(qū)地基的平均固結(jié)度均最小可達(dá)到99.3%以上,因此可以認(rèn)定到竣工驗(yàn)收時排水板加固區(qū)地基的固結(jié)已經(jīng)基本完成,再減小排水板的間距對排水效果的提高幫助不會很大,整個地基土體固結(jié)變形取決于排水板插入軟土層的深度,因此本次設(shè)計中排水板的間距采用1.5 m。

3.3 排水板長度設(shè)計

排水板的入土深度主要取決于剩余沉降量的大小,經(jīng)過多次調(diào)整后,設(shè)計排水板的長度情況見表4。

表4 排水板的設(shè)計參數(shù)

調(diào)整的原則主要是通過加大排水板的打設(shè)深度,使地基土體的沉降盡快完成以達(dá)到減小地基工后沉降的目的,但是根據(jù)中國國內(nèi)的排水板施工經(jīng)驗(yàn)來看,排水板深度超過35 m后效果不理想,因此本工程中調(diào)整后排水板的最大打設(shè)深度不超過35 m。由表4可知:調(diào)整排水板入土深度后,斷面的的剩余沉降量均達(dá)到了小于60 cm的標(biāo)準(zhǔn),符合了工程對剩余沉降量的要求。

4 結(jié) 語

在KNI項(xiàng)目2A島圍海吹填工程中,圍堤和護(hù)坡區(qū)域的沉降量較大,部分?jǐn)嗝娉^3.0 m,而吹填土地基壓縮固結(jié)過程一般又較為漫長,剩余沉降量的控制問題就成為了工程中的重大問題之一,綜合考慮后通過采用排水固結(jié)法進(jìn)行軟基處理,設(shè)計在整個吹填區(qū)和堤防段的下面安放塑料排水板,通過調(diào)整排水板的間距和入土深度來使工后剩余沉降量小于0.6 m,從而滿足工程需求。

根據(jù)前述的沉降和固結(jié)計算的成果來看,采用塑料排水板聯(lián)合堆載處理印尼KNI工程圍海造陸工程2A人工島吹填土地基是合適的,排水板設(shè)置適當(dāng)?shù)拈g距和深度能夠較好的控制沉降,保證滿足剩余沉降量的要求,有效的防止由于剩余沉降量過大而導(dǎo)致圍堤和護(hù)坡結(jié)構(gòu)的破壞。

另外,利用塑料排水板來處理吹填土地基可以加速固結(jié)過程,減少工后沉降量,縮短施工工期。

[1]董志良,張功新,李 燕,等.大面積圍海造陸創(chuàng)新技術(shù)及工程實(shí)踐[J].水運(yùn)工程,2010,10(10):54-67.

[2]何清舉.圍海造陸工程地基快速處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J].河南水利與南水北調(diào),2011,(18):55-57.

[3]陳堅榮.應(yīng)用地基沉降和排水固結(jié)理論的計算實(shí)例[J].港工技術(shù),1994,(4):51-56.

[4]《地基處理手冊》編委會.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998:8-13.

[5]周青春,李海波,劉亞群.用換填法及剛性樁復(fù)合地基處理樁基質(zhì)量事故[J].巖土工程,2003,(5):845-848.

[6]房營光.層狀飽和粘性土砂井路基的同結(jié)變形分析[J].土木工程學(xué)報,1997,(5):49-57.

[7]孔慶偉,王士林.滬杭高速公路(上海段)軟土地基處理設(shè)計[C]//滬杭高速公路(上海段)學(xué)術(shù)論文集.上海:上海公路出版社,1998:26-32.

[8]羅志強(qiáng).深層攪拌石灰樁加固公路軟基的應(yīng)用研究[J].中南公路工程,2000,12(4):28-30.

[9]夏玉斌,劉 瑩.青島前灣港軟土地基處理方法及效果分析研究[J].長春科技大學(xué)學(xué)報,1999,29(7):106-109.

[10]周 健,姚 浩,賈敏才.大面積軟弱地基淺層處理技術(shù)研究[J].巖土力學(xué),2005,(10):1685-1688.

[11]張 超,王 峰,孫金坤.機(jī)場軟土地基常見的三種處理方法[J].地質(zhì)與勘探,2003,(8):239-241.

[12]盧廷浩.土力學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社,2005:127-152.

[13]趙維柄,施建勇.地基處理及基礎(chǔ)工程[M].北京:中國水利水電出版社,2000:69-74.

Application of Plastic Drain in Controlling for Dredgerfill Foundation Settlement

LV Zi-xin,ZHANG Fu-hai,WANG Bao-tian,LI Shou-de
(Geotechnical Engineering Research Institute,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China)

The settlement of dredgerfill foundation is usually large.It is important how to control the remaining settlement(the remaining primary consolidation settlement and secondary consolidation settlement)of dredgerfill foundation in the fixed period.In this paper,the Barron solution and Terzaghi one-dimensional consolidation theory are used to calculate the consolidation degree in the 2A Island reclamation engineering of KNI project.The plastic drains are set to accelerate the consolidation of foundation in order to reduce the residual settlement,which could meet the project requirement.The spacing and depth of the plastic drains that meet the project requirement are studied in detail.

dredgerfill foundation;plastic drain;residual settlement;consolidation

TU47

A

1672—1144(2012)05—0116—04

2012-03-27

2012-04-29

呂子鑫(1986—),男(漢族),遼寧大連人,碩士研究生,研究方向?yàn)檐浲恋鼗幚怼?/p>