堆載預(yù)壓法加固深厚軟土地

摘要：簡述了一例使用堆載預(yù)壓法（設(shè)置塑料排水板）加固深厚軟土地基的過程，通過理論計算和試驗數(shù)據(jù)的對比說明了該地基處理方法的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：堆載預(yù)壓法、有效應(yīng)力、Barron解、塑料排水板

一、理論基礎(chǔ)

堆載預(yù)壓法概述：

堆載預(yù)壓法是對天然地基，或先在地基中設(shè)置砂井（袋裝砂井或塑料排水帶）等豎向排水體，然后分級逐漸加載；使土體加速固結(jié)。堆載預(yù)壓法能解決軟粘土地基的沉降和穩(wěn)定問題?？墒沟鼗某两翟陬A(yù)壓期間基本完成或大部分完成，保證建筑物在使用期間不致產(chǎn)生過大的沉降和沉降差。同時可增加地基土的抗剪強(qiáng)度，提高地基的承載力和穩(wěn)定性。堆載預(yù)壓法是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分共同組合而成的。

圖1堆載預(yù)壓法的原理示意圖

預(yù)壓荷載計算（有效應(yīng)力法） ：

（1）利用地基的天然抗剪強(qiáng)度估算第一級容許施加的荷載。

①用斯開普頓極限荷載半經(jīng)驗公式計算：

②對于飽和軟粘土可采用下式估算：

（2）估算加荷速率和預(yù)壓固結(jié)時間。

控制加荷速率 ≤4～8kPa/d，

（3）計算第一級荷載下地基強(qiáng)度增長值。

（4）計算p1作用下達(dá)到所確定固結(jié)度需要的時間及p2加載開始時間。

（5）根據(jù)（3）所得到的地基強(qiáng)度計算第二級所施加的荷載 。

水平固結(jié)系數(shù)Ch的推算

Barron解： ，水平固結(jié)系數(shù)單位為cm2/s。

二、工程實(shí)例

1.工程地質(zhì)概況：廈門七宇鞋業(yè)有限公司新建廠房位于廈門市集美區(qū)潘涂鎮(zhèn)東咀港的灘涂邊，為典型的濱海相沉積地層。岸灘0.5～1.0m厚的耕殖土下面是很厚的淤泥—淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，其厚度一般為10～15m左右，最厚處達(dá)22m；再下為力學(xué)性能較好的粉質(zhì)粘土。根據(jù)地質(zhì)勘察和室內(nèi)土工試驗表明，淤泥層壓縮性大、含水量高、承載力低；其主要的物理力學(xué)性能指標(biāo)如下：

含水量ω一般在80%以上，最高達(dá)到87.6%，天然重度γ為14.63KN/m3，比重G為2.667，孔隙比e達(dá)2.557，液限ωL為52.22%，塑性指數(shù)Ip為24.64，壓縮模量Es（1-2）為1.416MPa，壓縮系數(shù)α（1-2）為2.203（MPa）-1，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu為10.71kPa，三軸不排水剪切強(qiáng)度指標(biāo)cu為5.33kPa，靈敏度St為2.56，固結(jié)壓力為100kPa時，水平方向固結(jié)系數(shù)ch為1.31×10-3cm2/s，垂直方向固結(jié)系數(shù)cv為0.73×10-3cm2/s。10m以內(nèi)深度范圍的十字板剪切強(qiáng)度指標(biāo)為6kPa，10～20m深度范圍的十字板剪切強(qiáng)度指標(biāo)為11kPa。

原灘涂自然地面標(biāo)高為±0.00m，廠區(qū)設(shè)計地坪標(biāo)高為3.7m?？紤]到堆載后地基的壓縮沉降而預(yù)先抬高堆載高度，估計實(shí)際填土厚度要超過4.5m。

2.地基處理方案的確定：

（1）地基處理方案：根據(jù)現(xiàn)場十字板剪切資料和預(yù)壓荷載計算公式估算，回填土的厚度早已大大超出了淤泥的臨界高度，因此必須對地基進(jìn)行加固處理。

根據(jù)業(yè)主的回填要求和場地土的工程力學(xué)性能指標(biāo)，并從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、工程、環(huán)境影響等各方面綜合考慮后，決定采用堆載預(yù)壓方案處理軟弱地基。

通過對廠房具有代表性的地段小規(guī)模的現(xiàn)場試驗分析，認(rèn)為在淤泥層厚度小于7m的地段采用不設(shè)豎向排水體的砂墊層分級預(yù)壓堆載方案，不僅可大大降低地基處理費(fèi)用，而且在加荷后200d（即排水后一級堆載完成后的80d），即完成地基土固結(jié)度的90%左右，十字板剪切強(qiáng)度可提高至22kPa左右；在淤泥層超過7m地段打設(shè)豎向排水體進(jìn)行超載預(yù)壓，對靠近岸邊的7層職工宿舍，由于淤泥層厚度達(dá)20m左右，設(shè)計單柱荷載較大，為了保證宿舍在投入使用后地基的穩(wěn)定性并減少地基沉降，可打設(shè)正方形布置、間距為1.5m的塑料排水板或袋裝砂井。經(jīng)過小規(guī)模試驗表明，經(jīng)分級堆載預(yù)壓后180天，即最后一級堆載加完100天以后，地基土固結(jié)度可達(dá)80%左右，十字板剪切強(qiáng)度得到較大提高。對其他軟土地區(qū)，采用2.0m間距，正方形布置的塑料排水板或袋裝砂井分級堆載方案。

（2）豎向排水體的選擇：由于場地淤泥的不排水剪切強(qiáng)度指標(biāo)較低，普通砂井容易產(chǎn)生縮頸、斷頸、側(cè)移等質(zhì)量事故，所以選擇了連續(xù)性和完整性較好的袋裝砂井和塑料排水板。通過現(xiàn)場原位試驗檢測現(xiàn)打設(shè)所料排水板的區(qū)域，處理后十字板剪切強(qiáng)度的增長、空隙水壓力的消散、排水固結(jié)效果均比打設(shè)袋裝砂井區(qū)域理想，而且從施工工藝，工期和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較均表明，采用塑料排水板更為有效，最終決定采用塑料排水板作為豎向排水體。

（3）塑料排水板的打設(shè)深度的確定：鑒于現(xiàn)場插板機(jī)打設(shè)深度的限制，且廠區(qū)內(nèi)大于20m深度的淤泥并不很多，因此決定采用泰安塑料研制廠生產(chǎn)的B-Ⅰ型和B-ⅠB型兩種型號的塑料排水板，當(dāng)淤泥厚度≤15m時，采用B-Ⅰ型；當(dāng)淤泥厚度>15m時，采用B-ⅠB型。

（4）控制堆載：現(xiàn)場試驗表明，堆載時的堆載速率應(yīng)控制在空隙水壓力∑Δu/p（p—堆載）在0.5～0.7范圍以內(nèi)；堆載中心每天的沉降量，第一級堆載控制在30mm/d以內(nèi)，以后各級控制在20mm/d以內(nèi)。

（5）砂墊層的設(shè)置：砂墊層用中粗砂，洗凈后平鋪于地面，砂墊層厚度0.5m，含泥量控制在3%左右，密度控制在15kN/m3以上。

（6）堆載計劃：根據(jù)有效應(yīng)力法地基抗剪強(qiáng)度增長公式初步制定每層的堆填厚度，再按堆載控制指標(biāo)進(jìn)行堆載。場地填筑采用吹填。材料為中粗砂，并要求粒徑≤0.075mm的粉粒含量以干重計不得大于15%，吹填分層進(jìn)行。

3.地基加固效果分析。圖1和圖2分別為插板間距為1.5m和2.0m處地表沉降區(qū)測得的實(shí)測沉降過程曲線和堆載曲線。其中虛線為設(shè)計堆載過程線。由于實(shí)際施工中未嚴(yán)格按控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行吹填，實(shí)際吹填速度大于設(shè)計的要求。圖1中測得在第二層和第三層吹填時最大的日沉降速度為3.5cm，圖2中測得吹填到厚度為3.42m時，最大的日沉降量為4.0cm，均大于設(shè)計日沉降速度2.0cm的要求。由于場地吹填速度大于設(shè)計要求，除了日沉降量大于設(shè)計要求外，個別尚沒有吹填或者吹填很小的測點(diǎn)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，吹填圍堰局部地段出現(xiàn)淺層滑動，地基接近破壞。雖然如此，由于豎向排水體采用了塑料板，它具有較好的抗拉強(qiáng)度和適應(yīng)抗剪變形的能力，豎向排水通道始終保持通暢。

根據(jù)實(shí)測沉降資料，利用Barron解可推算出水平向固結(jié)系數(shù)Ch平均值為1.804×10-3cm2/s，較室內(nèi)土工試驗值1.31×10-3cm2/s大0.40倍，與設(shè)計采用數(shù)值1.745×10-3cm2/s比較接近。

圖2 間距為1.50m插板區(qū)的堆載過程線和實(shí)測沉降過程線

圖3 間距為2. 0m插板區(qū)的堆載過程線和實(shí)測沉降過程線

4.加固效果：從2011年8月19日開始，并于2012年4月19日結(jié)束的觀測表明，場地在平均吹填厚度為4.70m（包括0.5m厚砂墊層）時，場地平均沉降量為1.213m，表明塑料排水板對加快地基在填土自重作用的固結(jié)具有明顯的作用。

經(jīng)現(xiàn)場鉆探和室內(nèi)土工試驗表明，加固前、后，地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)發(fā)生了較大的變化，見表1，地基土得到了加固。

表1 淤泥層物理力學(xué)性質(zhì)變化表

測試階段 天然含水量ω（） 天然重度γ（） 孔隙比 壓縮系數(shù)

a1-2（MPa-1）

壓縮模量（） 十字板剪切強(qiáng)度（）

垂直 水平

堆載前 87.612 14.63 2.557 2.203 1.974 1.430 6.0～11.0

堆載后，2012年6月 73.504 15.72 2.023 1.483 1.374 2.075 20.55

堆載后，2012年10月 64.43 16.04 1.784 1.401 1.230 2.234 21.40

三、結(jié)論

通過本文工程實(shí)例，利用堆載預(yù)壓法處理軟弱地基，可以使相對于預(yù)壓荷載的地基沉降在處理期間基本消除，同時通過排水固結(jié)，加速地基土的抗剪強(qiáng)度的增長，使建筑物在使用期間不會產(chǎn)生過大的沉降或沉降差，提高建筑地基強(qiáng)度及穩(wěn)定性；對于沿海地區(qū)軟弱粘土層上的地基處理，堆載預(yù)壓法是一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國建設(shè)部，《巖土工程勘察規(guī)范 GB50021-2001》（2009年版）

[2]中華人民共和國水利部，《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn) GBT50123-1999》（2007年版）

[3]《地基處理手冊》編寫委員會.地基處理手冊rM].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988

[4]張克恭， 劉松玉. 土力學(xué)[ M] . 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[5]左明麒《地基處理實(shí)用技術(shù)》中國鐵道出版社，2005

作者：王云 工程師 西安 工作單位：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司引漢濟(jì)渭項目部 電話：18717383445

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