堆載預(yù)壓法在處理灰堤軟土地基中的應(yīng)用

饒俊勇，彭德剛，何利君

(西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

1 概述

在東南亞各國及我國沿海地區(qū)承建火力發(fā)電廠，常會遇上軟土地基情況。軟土地基一般是以淤泥或淤泥質(zhì)土為代表，是指在濱海、湖泊、谷地、河灘上沉積的天然含水量高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度和承載力低的軟塑到流塑狀態(tài)的細(xì)粒土。這類土具有高壓縮性、高含水量、大孔隙比、低密度、低強(qiáng)度、低滲透性、顯著流變性等特點(diǎn)，如印尼某工程，表層土為厚度近20 m的淤泥層，承載力特征值只有40 kPa，天然孔隙比2.298，壓縮模量只有1.7 MPa，承載力特征值只有40 kPa，滲透系數(shù)只有6.89×10-7cm/s，場坪到設(shè)計標(biāo)高后(平均填土5 m，其中2 m為補(bǔ)償沉降)，預(yù)估的場地整體沉降量達(dá)到2.0 m左右。

在這種軟弱地基上修建建構(gòu)筑物，會發(fā)生較大的沉降和差異沉降,嚴(yán)重影響建構(gòu)筑物的正常使用，并且加載過程易出現(xiàn)穩(wěn)定問題。淤泥質(zhì)軟土地基上的灰堤，是濱海、河、湖灰場的主要組成部分。因特殊的地質(zhì)條件，加上灘涂型灰場特殊的設(shè)計、施工、運(yùn)行要求，對淤泥質(zhì)軟土地基上的灰堤設(shè)計提出了特殊的要求，如處理不好，有可能造成灰場滑坡等安全事故，或費(fèi)用太高，造成浪費(fèi)，故對其進(jìn)行研究有重要意義。

2 軟土地基處理方法分析與比較

根據(jù)軟土的性質(zhì)，常用的方法可分為兩大類：土質(zhì)改良法與復(fù)合地基法。前者包括排水固結(jié)法、強(qiáng)夯法等；后者包括水泥土樁復(fù)合地基、碎石樁復(fù)合地基、低強(qiáng)度樁復(fù)合地基與加筋土復(fù)合地基等。在土質(zhì)改良法中，排水固結(jié)法是一種較好的地基處理方法，該法包括堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法與真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法等。堆載預(yù)壓法在軟基處理中比較常見，該法易施工，造價較低，但存在工期較長，引起的地面變形較大，后期超載體需移除等缺點(diǎn)，真空預(yù)壓法具有不需要堆載材料、易施工、工期相對較短的優(yōu)點(diǎn)；此二者結(jié)合形成真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法。與堆載預(yù)壓法相比，后兩者有需專業(yè)施工隊(duì)伍，造價稍高缺點(diǎn)，但具有工期短、加固效果明顯等優(yōu)勢。對于強(qiáng)度很低的淤泥質(zhì)地基，強(qiáng)夯法無法使用機(jī)具，施工很困難；水泥土樁、碎石樁、低強(qiáng)度樁復(fù)合地基使用也很廣泛，可以使處理后的地基達(dá)到較高的承載力和壓縮模量，但造價較排水固結(jié)法高。

對于灘涂型干灰場，灰堤一般作法是先修建一個3 m高左右的初期堤(一般為土質(zhì)圍堤)，然后在初期堤圍成的灰場內(nèi)貯灰。當(dāng)貯灰標(biāo)高達(dá)到堤頂時，在其上用灰渣放坡形成灰渣邊坡，灰渣邊坡高度在10 m左右。初期堤就相當(dāng)于灰渣邊坡的坡腳。

由于灰堤對地基承載力要求并不高，并由于其為柔性結(jié)構(gòu)，有一定適應(yīng)沉降的能力，基本上所有軟土地基處理方法在技術(shù)上都可行，但因軸線長，處理范圍大，故單位造價對總造價影響很大。相比而言，單位造價較低的堆載預(yù)壓法總費(fèi)用低很多；且堆載預(yù)壓的堆載體，可用填筑灰堤的土體和灰渣兼任，不需要移除，達(dá)到了施工期堆載和使用期貯灰的“永臨結(jié)合”，可節(jié)省費(fèi)用，修建初期堤和灰渣邊坡，就是灰堤形成和使用灰場，一般3～5年(灰場容積按照3～5年電廠排灰量設(shè)計)，周期很長，可克服堆載預(yù)壓法處理周期較長的問題；施工技術(shù)簡單，故采用堆載預(yù)壓法處理地基對位于淤泥質(zhì)土地基上的灰堤更合適；因灰堤地基為很長的帶狀地形，寬度并不寬，真空預(yù)壓法的密封墻工程量會很大，使造價提高，故即使和真空預(yù)壓法相比，堆載預(yù)壓法也便宜得多。故用堆載預(yù)壓法處理灰堤的軟土地基有巨大優(yōu)勢。

3 堆載預(yù)壓法機(jī)理及計算方法

3.1 堆載預(yù)壓法處理軟土地基機(jī)理

一般來說, 作用于軟土地基上的荷載, 在最初時刻, 全部由土中孔隙水壓力承擔(dān)從而造成很大的超孔隙水壓力。超孔隙水壓力由壓力高的區(qū)域向壓力小的區(qū)域流動，這就是孔隙水壓力的消散。伴隨著孔隙水的排走, 超靜孔隙水壓力場消散, 超靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力, 導(dǎo)致土體變形和強(qiáng)度增加。由此可見, 孔隙水壓力的消散過程就是土的壓縮固結(jié)過程, 也就是土的強(qiáng)度增長過程。堆載預(yù)壓加固軟基的效果取決于堆載的大小和超靜孔壓的消散程度；為了達(dá)到加固效果, 需要較大的堆載, 但如一次加載易超出軟基的強(qiáng)度, 引起剪切變形破壞，因而堆載速度不能太快, 預(yù)壓必須維持一定時間。當(dāng)超載較大時，可采用分級加載的方式，使每級超載控制在一定范圍內(nèi)，不致發(fā)生剪切破壞，待固結(jié)度提高到一定程度后再施加下一級荷載，如此循環(huán)。每級加載荷載的大小和施加的時間，控制標(biāo)準(zhǔn)就是不發(fā)生剪切變形和固結(jié)度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，堆載預(yù)壓的效果由超靜孔隙水壓力場的大小和分布決定、與堆載的大小, 分布以及土體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。由于軟土的滲透系數(shù)很小, 孔隙水的流出十分緩慢, 故而孔隙水壓力的消散是一個相當(dāng)長的過程。有時為了縮短加固時間、加快固結(jié)過程，可在地基中打設(shè)一定深度的豎向排水通道(Pre-fabricated Vertical Drain,PVD)(如砂井、袋裝砂井或塑料排水板等)，因塑料排水板價格低廉，施工方便，得到大范圍推廣。

3.2 計算方法

由 PVD 加固的地基，從宏觀上來說是增加了軟土的豎向滲透性，這樣在荷載的作用下，使地下水加速從地層中排出，從而加快土體的固結(jié)，達(dá)到加速固結(jié)的目的。在PVD 加固地基的設(shè)計計算中，為了考慮PVD 的排水作用，柴錦春等等提出了一種更為直觀簡潔的方法估計PVD 加固地基的等效豎向滲透系數(shù)(kve)。有了這個等效滲透系數(shù)值就可以像分析天然地基一樣分析PVD 加固地基在荷載下的性狀并設(shè)計PVD 的深度、間距等。柴錦春等從理論上證明了用這種方法得到的平均固結(jié)度的最大誤差小于用更精確更復(fù)雜方法得到值的10%。如果考慮土層的豎向排水和井阻作用，誤差將小于實(shí)際工程中采用更精確方法時的誤差。故該方法在工程中使用完全可達(dá)到要求。

PVD 加固地基的等效豎向滲透系數(shù)kve可以用式(1)計算。

預(yù)壓中土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》5.2.11條計算獲得。有了等效土體，有了土體抗剪指標(biāo)隨固結(jié)度的變化關(guān)系式，即可利用應(yīng)力和滲流耦合原理計算軟土在荷載作用下固結(jié)度及強(qiáng)度隨時間的變化，并計算不同時間的堆載體邊坡穩(wěn)定和地基沉降。

4 工程實(shí)例

我國在東南亞某國投資電廠項(xiàng)目的灰場，位于一個較為平坦的半島區(qū)域，三邊環(huán)河，臨陸地側(cè)即為電廠，灰場為灘涂型灰場。初期壩為高約3.9 m的均質(zhì)粘土壩，壩軸線長約950 m，其上為灰渣邊坡，粘土堤坡比1∶2.5，灰渣邊坡1∶4，灰渣邊坡大約在5年內(nèi)形成，見圖1。

4.1 地質(zhì)條件

灰場區(qū)域表層為20 m左右厚淤泥(②1層)或軟塑粘土(②3層)，主要土層指標(biāo)表1、表2。

圖1 灰堤地基處理剖面圖

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值(物理指標(biāo)、剪切強(qiáng)度)

表2 土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值(壓縮、固結(jié)參數(shù))

4.2 地基處理方案比較

可能的處理方法有堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法、水泥攪拌樁法等。各處理方案比較見表3，其中水泥攪拌樁法處理地基認(rèn)為地面標(biāo)高不變，真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓估計地面大約會沉降0.6 m，故需另外填0.6 m厚土補(bǔ)償沉降?；业萄剌S線方向需處理長度950 m，垂直軸線方向處理寬度按照50 m估算，見表3。

表3 地基處理方案比較

堆載預(yù)壓法時間較長，處理土層的指標(biāo)提高程度有限；真空預(yù)壓法處理效果和堆載預(yù)壓法類似，處理時間短，比堆載預(yù)壓法貴；水泥攪拌樁法處理的地基指標(biāo)提高較多，處理深度也較深，但費(fèi)用較貴。因灰場貯灰到頂大約要5年時間，灰堤的塑料排水板施工可和廠區(qū)地基預(yù)處理一同施工(廠區(qū)內(nèi)建筑物施工前)，而使用是在廠內(nèi)建筑物施工完成后，一般周期在2年以上，有足夠的時間預(yù)壓，故在保證堆載過程中邊坡穩(wěn)定的條件下，優(yōu)先使用堆載預(yù)壓法；當(dāng)邊坡穩(wěn)定達(dá)不到要求時，可用水泥攪拌樁處理部分范圍，或采用放緩灰渣邊坡、留馬道等方式保證邊坡穩(wěn)定。

4.3 堆載預(yù)壓法處理方案

由地質(zhì)條件可見，軟弱土層(淤泥層和軟塑粘土層)下有③1層細(xì)砂層，故插塑料排水板后，軟弱土層為雙面排水，堆載預(yù)壓效果會比較好，在不長的時間內(nèi)即可達(dá)到需要的固結(jié)度，故在灰堤基礎(chǔ)并超出一定范圍布置塑料排水板，布置范圍長50 m。根據(jù)施工進(jìn)度估算，灰堤堆載分2級，第一級堆載2 m，第二級堆載1.9 m。預(yù)估的筑堤時程如下：第1天～第5天施工第一級堆載，在靜置10天后(第6天～第15天)，第16天～第20天施工第二級堆載，第110天后允許堤頂上過汽車，第180天時灰場內(nèi)有水，頂標(biāo)高達(dá)到2.8 m (模擬因降雨而使灰場內(nèi)水位升高工況，該國降雨量遠(yuǎn)大于蒸發(fā)量，故灰場內(nèi)水位會上升。2.8 m為灰場排水水位，高于該水位時可溢流，故水位不會高于2.8 m)。

由上可見，灰堤分級堆載、過汽車及灰場內(nèi)貯水過程就是加載過程。在加載過程中，淤泥質(zhì)土地基的固結(jié)度、強(qiáng)度隨加載時程變化。在施工各級灰堤堆載時，也就是各級荷載施加過程中和剛施加時，固結(jié)度較低，而荷載較大，邊坡最危險，故需驗(yàn)算各級荷載施時的邊坡穩(wěn)定參數(shù)。根據(jù)計算，僅用堆載預(yù)壓法而堆灰邊坡不預(yù)留平臺無法滿足穩(wěn)定要求，故在灰堤后預(yù)留20 m寬灰渣平臺，各級加載時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.835，1.294，1.315，1.162，滿足要求，并沒有安全富裕。180天后灰場內(nèi)開始貯灰，因周期很長，可忽略灰場內(nèi)堆載對灰堤地基固結(jié)度的影響，僅需計算達(dá)到最終堆灰高程時邊坡的穩(wěn)定。經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定滿足要求，故該處理方案及加載計劃可行。

4.4 堆載預(yù)壓計算結(jié)果和施工中監(jiān)測

根據(jù)上述處理方案，經(jīng)計算，在180天時，地基平均固結(jié)度為0.908，達(dá)到固結(jié)度達(dá)到90%以上的要求，此時地表沉降見圖2，沉降為盆形，最大沉降量發(fā)生在中心位置，最大值0.643 m，沉降比較大。

在施工中，應(yīng)對堆載預(yù)壓法處理的灰堤地基進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測預(yù)壓體的水平位移和豎向位移，根據(jù)位移大小控制加載速率；還應(yīng)監(jiān)測沉降和孔隙水壓力，根據(jù)沉降和孔隙水壓力的變化，推算最終沉降量和固結(jié)度。

故實(shí)際施工中，灰堤堆載應(yīng)有部分超高，待達(dá)到時間，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果沉降基本穩(wěn)定后，對灰堤斷面進(jìn)行修整，最后再施工堤頂路面。應(yīng)避免過早修整灰堤斷面和施工路面，以免在繼續(xù)發(fā)生的沉降中破壞造成返工。

圖2 加載結(jié)束時地面沉降

5 主要結(jié)論

綜上所述，得到以下主要結(jié)論：

(1)位于軟土地基上灰堤的地基處理，主要是費(fèi)用高、對安全影響大的問題。不同的處理方案對造價和安全性也有較大影響，對其進(jìn)行研究有較大的意義。

(2)在諸多處理軟土地基的方法中，堆載預(yù)壓法因其施工簡單、價格低廉而得到推廣，但因有處理周期長、地面沉降大的缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用范圍。

(3)對于灰場而言，貯灰周期長，正好彌補(bǔ)了處理周期長的缺點(diǎn)；灰堤和堆灰體均為柔性結(jié)構(gòu)，適應(yīng)沉降和不均勻沉降的能力較強(qiáng)，又彌補(bǔ)了堆載預(yù)壓法處理地基地面沉降大的問題，且灰堤的填筑和灰渣的貯放，又正好是可作為堆載預(yù)壓的堆載體，不需再移除。故堆載預(yù)壓法處理位于軟土地基上的灰堤地基有很大優(yōu)勢。

(4)排水固結(jié)法常用的豎向排水體是塑料排水板。塑料排水板的水平向布置范圍可在灰堤底寬并每邊延出2～5 m，因灰堤外的塑料排水板上無直接加的荷載，僅有灰堤擴(kuò)散來荷載，超靜水壓力比較小，處理效果很有限，不宜延處太多。

(5)豎向排水體豎向布置范圍上端為灰堤底，設(shè)砂墊層(兼水平排水體)，下端建議穿透淤泥層，如淤泥層下有砂層等透水性比較好的土層，建議進(jìn)入該層，則豎向排水體增加一個排水面，可加快固結(jié)。

(6)灰堤可分層加載，并結(jié)合合理加載時序，確保施工過程中邊坡不滑動，并保證固結(jié)效果。

(7)灰堤斷面的修整、護(hù)面和堤頂路面的施工，應(yīng)結(jié)合堆載預(yù)壓的計算和監(jiān)測，待沉降基本完成后再施工，以免繼續(xù)發(fā)生的較大沉降使其遭到破壞。

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