有約束邊界的堆載預壓法在東城車輛段軟基處理中的應用

1、前言

東莞市城市快速軌道交通R2線東城車輛段工程位于東莞市東城區(qū)及茶山鎮(zhèn)交界處，軟基處理面積達到40.9公頃，工程量大、施工工期緊，軟基處理時間僅為10個月，要求高。場地內(nèi)土層主要包括：中粗砂、硬塑狀粉質(zhì)粘土、人工填土、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等。如采用堆載預壓法處理軟土地基，除必須有壓重外，工期也較長；如采用水泥系深層攪拌樁法施工，它對施工工藝的要求較高且耗費材料，致使工程成本增加。在本工程創(chuàng)新性地采用了有約束邊界的堆載預壓法，即深層攪拌樁施工與塑料排水板堆載預壓相結(jié)合的處理方法，它首先利用深層攪拌樁將較大面積的軟土切分成較小面積的局部區(qū)域，在每個小分塊里進行排水板的堆載預壓施工。每個小塊區(qū)域的塑料排水板均由外圍的深層攪拌樁提供一圈邊界約束，即在剛性約束條件下進行塑料排水板施工以達到排水固結(jié)的目的，它有別于常規(guī)的塑料排水板堆載預壓加固方法。

該技術(shù)能有效保證軟土地基的工后沉降滿足要求，同時采用該技術(shù)施工軟土地基較常規(guī)技術(shù)工期縮短、造價降低。軟土地基處理完成后，土體的最大沉降量僅為350mm，而根據(jù)計算，在相同的地質(zhì)條件和上部荷載作用下，采用常規(guī)的堆載預壓技術(shù)，土體的沉降量達到600mm以上。

采用該技術(shù)有效控制了工后沉降，減小對附近建筑物和地下管線的影響，節(jié)省了約半年的工期，經(jīng)濟效益和社會效益良好。該技術(shù)可推廣到沿海地區(qū)軟土地基的加固處理，為類似工程提供借鑒。

2、關(guān)鍵技術(shù)及施工工藝

2.1 技術(shù)特點

①該技術(shù)將攪拌樁聯(lián)合塑料排水板加固軟土地基的方法組合，互補不足，使得塑料排水板處理區(qū)域在剛性約束下進行排水固結(jié)。

②該技術(shù)使用機械簡單，操作便捷，施工方便、快速，施工周期短，實際施工時間較原定工期節(jié)省了183天。

③軟土地基處理完成后，土體的最大沉降量僅為350mm，而根據(jù)計算，在相同的地質(zhì)條件和上部荷載作用下，采用常規(guī)的堆載預壓技術(shù)，土體的沉降量達到600mm以上。

2.2 工藝原理

本技術(shù)的原理如下：

2.2.1 基本原理

攪拌樁和排水板堆載預壓聯(lián)合處理軟土地基，由于攪拌樁的約束，使得排水板堆載預壓區(qū)域處于剛性約束下進行預壓固結(jié)。在攪拌樁的約束下，減少了地基附加應力向四周的擴散作用，加大了附加應力在豎向的傳播。在外圍的深層攪拌樁約束下，能大大降低加載預壓區(qū)以外土體的隆起，進而有效控制了加載預壓區(qū)的土體沉降量。

2.2.2 有限元分析

（1）有限元模型的建立

根據(jù)本工程淤泥的基本情況，建立攪拌樁完全打穿淤泥層（模型 1）、攪拌樁打到淤泥層一半（模型 2）和沒有打設攪拌樁（模型 3）的堆載預壓模型。在淤泥層中的排水板打穿淤泥層，正三角形布置，間距1.3m。攪拌樁采用1.0m間距的正三角形布置，樁體的壓縮模型為200MPa。土體加載的總等效荷載為80kPa，加載總厚度為4m，分4級進行加載。

（2）分析模型

為提高孔隙水壓力精確度，首級加載、恒載期間的時間步長取一天，計算步是三十步；后續(xù)加載、恒載期間的時間步長取兩天，計算步為一百三十五天，預計總預壓固結(jié)計算時間為三百天。

①有效應力分析

在土體的排水固結(jié)中，土體固結(jié)是在荷載施加后由于土體的有效應力增加所引起的。在本計算模型中，不考慮地下水的存在，只有把z方向的應力減去土體在該深度的自重應力則為土體的有效應力增量，可得出3種模型沿深度方向的有效應力增量分布圖。

②地表沉降分析

在地表上部堆載過程中地表發(fā)生較大的沉降，在堆載完畢后土體固結(jié)過程中地表沉降隨著時間慢慢減少，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

③孔隙水壓力分析

孔隙水壓力分布不均勻，主要與土體的受力和排水條件有關(guān)。

④土體內(nèi)部水平位移分析

由于在堆載預壓區(qū)外打設了攪拌樁，攪拌樁為堆載預壓區(qū)域提供了較強的位移邊界條件，限制了土體在上部荷載作用下向外發(fā)展的趨勢。模型 1土體的水平位移都很少，只有10-3mm的位移量。

⑤土體固結(jié)度分析

預壓區(qū)域的土體在上部荷載作用下進行排水固結(jié)，隨著孔隙水壓力的逐漸消散，土體的固結(jié)度不斷提高。固結(jié)度是反映土體的排水固結(jié)情況的重要指標。在本文計算中，假設土體的瞬時沉降在上部荷載施加完畢時已經(jīng)完成。因此，可以利用土體在預壓結(jié)束時的總沉降減去土體的主固結(jié)沉降來求出土體的瞬時沉降。模型1、模型2和模型3這三個模型土體的主固結(jié)沉降，可以根據(jù)在上部荷載作用下引起的土體內(nèi)部各土層的附加應力應用分層總和法來計算。

⑥結(jié)論

對比分析各個模型中附加應力分布、地表沉降、孔隙水壓力消散和土體內(nèi)部水平位移的情況，得出在不同攪拌樁約束條件下土體固結(jié)的規(guī)律：（如表1所示）

因此，在堆載預壓區(qū)域邊界上打設攪拌樁可加快預壓區(qū)土體固結(jié)，縮短施工期。

2.3 施工工藝及操作要點

2.3.1 工藝流程

有約束邊界的堆載預壓法，即攪拌樁深層處理和塑料排水板堆載預壓法聯(lián)合處理方法如圖1所示。

2.3.2 操作要點

①有約束邊界的堆載預壓法

利用深層攪拌樁將較大面積的軟土切分成較小面積的小塊區(qū)域，在每個小分塊區(qū)域里進行排水板的堆載預壓施工。

圖1 聯(lián)合處理方法示意圖

表1 固結(jié)規(guī)律表

圖2 荷載施加示意圖

②深層攪拌樁的施工方法

攪拌樁采用間距1.2m的正三角形布置，樁徑為 600mm。攪拌樁的樁長根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況采用12～14m。

攪拌樁的施工流程：

鉆孔就位→噴漿預攪下沉→到達設計孔深→噴漿提升→提升噴漿成樁→重復噴漿攪拌下沉→重復提升噴漿→重復噴漿成樁

③塑料排水板施工方法

塑料排水板打穿淤泥層，打設深度約8～10m，采用正三角形布置，間距為 1.2m。在塑料排水板區(qū)域鋪設了土工格柵和砂層以加強其加載效果和排水效果。

堆土加載分為四級進行，首級加載時間為10天，堆土的厚度是1m，預壓時間是20天。二級加載歷時 10天，加載堆土厚度為 1m，累計加載堆土厚度為 2m，預壓時間為 20天。三級加載歷時 10天，加載堆土厚度為 1m，累計加載堆土厚度為 3m，預壓時間為 20天。四級加載歷時為10天，堆土厚度是1m，累計堆土厚度是4m，預壓時間是180天。堆土總厚度是4m，歷時共270天，如圖2所示。

3、結(jié)論

采用有約束邊界的堆載預壓法加固軟基，可以加快堆載預壓法的土體固結(jié)速度，較原定工期節(jié)省了半年時間。同時采用該技術(shù)處理完軟土地基后，土體的最大沉降量僅為350mm，而根據(jù)計算，在相同地質(zhì)條件和同等上部荷載作用下，采用常規(guī)的堆載預壓技術(shù)，該區(qū)域土體的沉降量達到600mm以上。這表明了該技術(shù)能有效減少土體向預壓區(qū)外移動，減少預壓土體的沉降，有效減小對附近建筑物和地下管線的影響，控制了工后沉降。

有約束邊界的堆載預壓法可安全快速地完成軟基處理的施工，該技術(shù)在東城車輛段軟基處理工程中的成功應用，對相類似的工程施工具有借鑒作用，為軟土地基處理的深入研究進一步積累數(shù)據(jù)和資料。