真空預(yù)壓排水固結(jié)法在工程中的設(shè)計(jì)實(shí)踐

何貴堂

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán)）有限公司 200092）

引言

深厚軟土地區(qū)的排水工程， 其主要構(gòu)、 建筑物(如污水處理池、 污泥脫水機(jī)房、 綜合樓等）受到基礎(chǔ)沉降量、 沉降差的限制， 一般直接采用預(yù)制管樁、 鉆孔灌注樁等深基礎(chǔ)形式。 樁基礎(chǔ)除了承受豎向荷載、 減小基礎(chǔ)沉降外， 對(duì)埋深較大的水池， 還兼顧池體抗浮作用。

除水處理構(gòu)筑物外， 廠區(qū)內(nèi)還有地下管道(含檢查井、 轉(zhuǎn)折井等）、 道路， 分布在水處理構(gòu)筑物周邊。 為減小地下管道、 廠區(qū)道路的沉降， 避免管線與構(gòu)筑物產(chǎn)生過大的沉降差造成管道與構(gòu)筑物接口拉斷， 并滿足施工期間機(jī)械設(shè)備的運(yùn)輸和使用， 在深厚軟土地區(qū)， 需對(duì)其進(jìn)行必要的軟基處理。 考慮工程經(jīng)濟(jì)性， 采用深基礎(chǔ)以外的地基處理方式。 其中， 排水固結(jié)，尤其是真空預(yù)壓排水固結(jié)越來越多的運(yùn)用到了這類工程中。

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模及構(gòu)筑物

廣州南沙某污水處理廠工程， 污水處理規(guī)模為3 萬 m3/d， 再生水處理規(guī)模為 0.5 萬 m3/d，占地面積約26671m2。 工程采用集約化設(shè)計(jì)， 主要構(gòu)(建）筑物包含一座一體化廠房及兩棟綜合樓。 廠區(qū)內(nèi)地下管線眾多， 有污水管、 雨水管、給水管、 再生水管、 消防水管等， 多位于廠區(qū)道路下及道路兩側(cè)， 工程總平面及管線布置如圖1所示。 其中， 污水進(jìn)水總管、 尾水排放管管徑較大， 分別為1.2m 及0.8m。

一體化廠房為平面尺寸為110m ×92m 的半地下箱體， 設(shè)計(jì)埋深11.50m ～7.10m。 由于一體化廠房池內(nèi)水位高， 基底壓力大， 空池狀態(tài)下抗浮也不滿足要求， 因此采用預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁基礎(chǔ)， 以解決地基承載力、 變形控制及構(gòu)筑物抗浮的問題。

圖1 工程總平面Fig.1 Plane drawing of project

1.2 工程地質(zhì)

1.3 軟基處理的必要性

南沙地區(qū)淤泥層深厚， 本工程②灰黑色淤泥層厚度達(dá)15.60m ～38.10m， 如不予處理， 最為普遍的問題就是地基沉降量大。 場地原始地面標(biāo)高約3.80m ～4.60m， 根據(jù)排水專業(yè)設(shè)計(jì)， 廠區(qū)設(shè)計(jì)地面標(biāo)高為8.00m， 即廠區(qū)內(nèi)將有4m 左右的覆土， 大面積堆載引起的淤泥層的壓縮量巨大， 最終的地面沉降將影響廠區(qū)內(nèi)的道路、 地下管線的安全。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

由于淤泥承載力較低且表層的素填土層作為硬殼層較薄， 不利于施工機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定， 增大了諸如管樁沉樁、 基坑開挖等施工的難度及風(fēng)險(xiǎn)。而且大型施工車輛的進(jìn)出也比較困難， 需要小型車輛進(jìn)入短駁。 尤其對(duì)于基坑， 大大降低了土方外運(yùn)的效率， 而土方開挖是軟土地層中的基坑產(chǎn)生變形的主要原因， 也是基坑安全的關(guān)鍵因素。

因此， 工程需對(duì)軟土地基進(jìn)行先行處理。

1.4 軟基處理方式的選擇

本工程軟基處理的主要目的為減小地面沉降及提高地基承載力， 前者主要是保證工程竣工后廠區(qū)道路、 地下管道的安全， 后者則是要提高工程施工階段的地基強(qiáng)度， 增加施工設(shè)備的地基穩(wěn)定性。 對(duì)于基底壓力較大的新建構(gòu)(建）筑物主要由預(yù)制管樁承載。 因此， 整個(gè)場地對(duì)地基土承載力和沉降的要求， 主要需滿足后期4m 左右的覆土。

由此， 可采用排水固結(jié)法對(duì)場地進(jìn)行整片處理， 其造價(jià)遠(yuǎn)低于諸如水泥土攪拌樁等形式的復(fù)合地基。 而選擇真空預(yù)壓方式， 一方面可以大大縮短預(yù)壓時(shí)間， 節(jié)省工期。 另一方面， 與堆載預(yù)壓方式相比， 能最大程度地減小本工程一體化廠房的基坑開挖深度， 減小基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)， 同時(shí)大大降低基坑造價(jià)。

2 真空預(yù)壓工程設(shè)計(jì)

2.1 總體平面布置

場地中部有一條水泥路， 高出周邊地面約3m， 由于其建成時(shí)間較早， 該道路區(qū)域相當(dāng)于經(jīng)歷了長時(shí)間的堆載預(yù)壓， 因此不再進(jìn)行真空預(yù)壓處理， 如圖2 所示。 由此， 主廠區(qū)真空預(yù)壓以場地中部現(xiàn)狀水泥路為分割， 分為南北兩區(qū)。 場地最南側(cè)為現(xiàn)狀道路， 該區(qū)域20m 寬度范圍內(nèi)采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基， 兼做真空預(yù)壓隔離帶，保證相鄰市政道路安全。 南區(qū)處理面積約10000m2， 北區(qū)處理面積約 12000m2， 真空預(yù)壓總處理面積約22000m2。

圖2 場地真空預(yù)壓處理平面示意Fig.2 Plane drawing of vacuum preloading field

2.2 排水板設(shè)置

根據(jù)工程地勘報(bào)告， 北區(qū)淤泥土層較厚， 層底深度達(dá)23m ～40m。 南區(qū)則較淺， 淤泥土層層底深度為17m ～27m， 因此塑料排水板按兩種打設(shè)深度設(shè)計(jì)。

鑒于本工程淤泥層下為細(xì)中砂層及粗礫砂層， 為透水層， 采用真空預(yù)壓方式的排水板不可打穿淤泥層進(jìn)入細(xì)中砂層或粗礫砂層。 同時(shí)在預(yù)估真空預(yù)壓效果時(shí)， 考慮排水板的設(shè)置深度與淤泥層的厚度相匹配。 由此， 設(shè)計(jì)塑料排水板打設(shè)深度北區(qū)為20m， 南區(qū)為15m， 保證真空預(yù)壓的可靠性。 塑料排水板采用 C 型， 截面 100mm ×4.5mm， 按正三角形布置， 間距1.2m。

2.3 密封膜設(shè)置

場地整平后， 先設(shè)25cm 厚砂墊層， 砂墊層采用潔凈中粗砂， 含泥量不大于3%。 再施工塑料排水板及鋪設(shè)真空管， 后填筑另外25cm 厚砂墊層。

砂墊層頂設(shè)一層無紡?fù)凉げ技叭龑泳勐纫蚁┟芊饽ぁ?密封膜上方設(shè)60cm 覆水保護(hù)層， 也作為預(yù)壓荷載的一部分。

2.4 真空管路及真空泵布置

排水主管、 循環(huán)管及濾管均采用PVC 管， 主管、 循環(huán)管直徑均為75mm， 濾管直徑為63mm。濾管間間距5m， 濾管采用成品花紋管， 并采用無紡?fù)凉げ及?主管與循環(huán)管、 濾管連接由三通和四通構(gòu)成， 三通、 四通與各管采用鋼絲橡膠軟管。 真空射流泵選取7.5kW 的真空泵， 抽真空能力≥95kPa， 每臺(tái)泵控制面積800m2～1200m2。

2.5 真空壓力及卸載標(biāo)準(zhǔn)

本工程要求保證80kPa 真空壓力(穩(wěn)壓）下4個(gè)月， 設(shè)計(jì)有效預(yù)壓荷載為95kPa， 本工程卸載標(biāo)準(zhǔn): (1）達(dá)到設(shè)計(jì)恒載期10d 實(shí)測地面沉降量小于 2mm/d； (2） 地基土固結(jié)度達(dá)到 85%；(3）施工期沉降量接近計(jì)算值。

3 沉降理論計(jì)算

預(yù)壓荷載下地基最終豎向變形量可按式(1）計(jì)算。 根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79 -2012）[1]， 預(yù)壓荷載下地基的變形包括瞬時(shí)變形、 主固結(jié)變形和次固結(jié)變形三部分。 次固結(jié)變形大小和土的性質(zhì)有關(guān)， 泥炭土、 有機(jī)質(zhì)土或高塑性粘性土土層， 次固結(jié)變形較顯著， 而其他土則所占比例不大。 因此， 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ對(duì)飽和粘性土可取1.1 ～1.4。

參照廣東省《地基處理技術(shù)規(guī)范》(DBJ 15 -38 -2005）[2]， 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ為考慮一維壓縮公式加上考慮軟土側(cè)向變形而引入后得到， 荷載大、軟土軟則影響變形大， 廣東的軟土較軟， 強(qiáng)度低， 一般取更大一點(diǎn)的ξ值。 綜合以上兩本規(guī)范的相關(guān)說明， 設(shè)計(jì)計(jì)算中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ取大值。

選取南、 北兩區(qū)典型地質(zhì)剖面， 南區(qū)淤泥層厚度23m， 下臥層厚度19m， 北區(qū)淤泥層厚度28m， 下臥層厚度13m。 沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ按規(guī)范統(tǒng)一取1.40 計(jì)算， 施工期計(jì)算沉降量、 最終計(jì)算沉降量及工后沉降量見表2。

表2 沉降理論計(jì)算值Tab.2 Settlement of theoretical calculation

4 實(shí)測沉降數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

本工程軟基處理設(shè)置了地表沉降(沉降板）、土體分層沉降、 周邊地面水平位移、 空隙水壓力、 地下水位等監(jiān)測項(xiàng)目， 其中地表沉降各測點(diǎn)布置如圖3 所示。 測點(diǎn)CJB1、 CJB11 位于水泥土攪拌樁隔離區(qū)， 測點(diǎn)CJB2 ～CJB5 位于真空預(yù)壓南區(qū)， 測點(diǎn)CJB6 ～CJB10 位于真空預(yù)壓北區(qū)。

圖3 地表沉降測點(diǎn)布置Fig.3 The layout of ground settlement measure point

4.2 北區(qū)實(shí)測沉降

南北兩區(qū)真空預(yù)壓分期進(jìn)行， 北區(qū)先行實(shí)施。按每周一次的頻率進(jìn)行沉降監(jiān)測， 北區(qū)各測點(diǎn)累計(jì)沉降量變化曲線如圖4 所示。

圖4 北區(qū)各測點(diǎn)累計(jì)沉降量變化曲線Fig.4 Curves of ground settlement surfaces in north area

北區(qū)在穩(wěn)壓4 個(gè)月后， 沉降板沉降速率連續(xù)10 天小于2mm/d， 基本滿足了卸載標(biāo)準(zhǔn)中的沉降速率要求。

根據(jù)實(shí)測沉降數(shù)據(jù)， 采用雙曲線法推算最終沉降量[3]， 從而計(jì)算當(dāng)前的地層固結(jié)度。 北區(qū)5 個(gè)沉降板累計(jì)沉降量、 推算固結(jié)度等數(shù)據(jù)見表3。

表3 北區(qū)各測點(diǎn)累計(jì)沉降量、 推算固結(jié)度Tab.3 Settlement and consolidation degree of the measure point in north area

由表3 可知， 各測點(diǎn)推算固結(jié)度均已滿足要求。 總體沉降量除CJB8 測點(diǎn)以外， 均接近于理論計(jì)算值。 對(duì)CJB8 測點(diǎn)沉降量較小的原因進(jìn)行分析， 主要是由于該點(diǎn)位于先前相鄰工程堆載預(yù)壓時(shí)的臨時(shí)施工便道上， 經(jīng)過土方車輛長時(shí)間的碾壓， 該區(qū)域表層土體已被壓密， 完成了部分固結(jié)， 而本次真空預(yù)壓相當(dāng)于對(duì)深層土體進(jìn)行排水固結(jié)。

4.3 南區(qū)實(shí)測沉降

南區(qū)在北區(qū)施工完成后， 按每周一次的頻率進(jìn)行沉降監(jiān)測， 各測點(diǎn)累計(jì)沉降量變化曲線如圖5所示。 同樣的， 采用雙曲線法推算最終沉降量，從而計(jì)算當(dāng)前的地層固結(jié)度。 南區(qū)4 個(gè)沉降板累計(jì)沉降量、 推算固結(jié)度等數(shù)據(jù)見表4。 其中， 測點(diǎn)CJB4 的實(shí)測沉降量與計(jì)算值誤差較大， 主要是由于該測點(diǎn)位置實(shí)際淤泥層厚度與理論計(jì)算中的典型地質(zhì)剖面差異較大所致。

圖5 南區(qū)各測點(diǎn)累計(jì)沉降量變化曲線Fig.5 Curves of ground settlement surfaces in south area

表4 南區(qū)各測點(diǎn)累計(jì)沉降量、 推算固結(jié)度Tab.4 Settlement and consolidation degree of the measure point in south area

5 沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79 -2012）及《地基處理技術(shù)規(guī)范》(DBJ 15 -38 -2005）兩本規(guī)范對(duì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的說明可知， 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ的取值與土層性質(zhì)有關(guān)。 對(duì)于變形計(jì)算深度內(nèi)有不同土層時(shí)， 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ應(yīng)根據(jù)不同的土層選取相應(yīng)的數(shù)值， 因此式(1）宜寫成如下的式(2）形式。

以下根據(jù)沉降監(jiān)測實(shí)測數(shù)據(jù)推算的最終沉降量， 對(duì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ進(jìn)行反算。 由于地層有較大起伏， 計(jì)算時(shí)每個(gè)沉降板位置選取最近的勘察孔揭露的各土層埋深進(jìn)行計(jì)算。 規(guī)范上， 壓縮層變形計(jì)算深度取附加應(yīng)力與土自重應(yīng)力的比值為0.1的深度。 但將真空預(yù)壓作為大面積荷載考慮時(shí)，計(jì)算深度將很深， 結(jié)合工程實(shí)際情況， 選取全風(fēng)化花崗巖層頂部作為計(jì)算深度。 為簡化計(jì)算， 同時(shí)考慮到淤泥的下臥土層壓縮模量高， 變形小， 因此其經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取按規(guī)范的低值1.1， 計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 北區(qū)淤泥層經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ 反算Tab.5 The calculation of silt's empirical coefficient ξ in north area

由表5 可知， 通過北區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)推算的總沉降， 反算得到的本工程四個(gè)測點(diǎn)的淤泥層經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ為 1.30 ～1.35， 平均值為 1.325。

同樣地， 根據(jù)南區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)推算的總沉降，反算各沉降板測點(diǎn)的淤泥層經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ， 見表6。由計(jì)算結(jié)果可知， 反算得到的南區(qū)四個(gè)測點(diǎn)的淤泥層經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ為1.30 ～1.35， 平均值為1.335，與北區(qū)結(jié)果接近。 反映了本工程的沉降計(jì)算中，按淤泥層及其下臥層變形經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ分別取1.33及1.10 是比較準(zhǔn)確的。

表6 南區(qū)淤泥層經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ 反算Tab.6 The calculation of silt's empirical coefficient ξ in south area

6 結(jié)語

1.對(duì)于計(jì)算深度內(nèi)有性質(zhì)差異較大的不同土層時(shí)， 沉降計(jì)算中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ應(yīng)根據(jù)不同的土層選取相應(yīng)的數(shù)值， 飽和淤泥及淤泥質(zhì)土取大值， 軟粘土取小值。

2.通過實(shí)測沉降數(shù)據(jù)分析， 得到本工程中的淤泥層的沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為1.33， 可作為廣州南沙地區(qū)相似土層分布下真空預(yù)壓沉降計(jì)算的參考。