塑料排水板堆載預(yù)壓法在寧德王坑路的應(yīng)用

■鄭劍鋒

（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司福建分公司， 廈門(mén) 361000）

1 工程概況

1.1 工程背景

寧德市王坑路道路工程位于寧德市漳灣南片區(qū)，寧德市動(dòng)車(chē)站東側(cè)，沈海高速?gòu)?fù)線西側(cè)，連接招賢路與天山路中間地塊的重要通道。 路線起點(diǎn)始于天山路，中間交叉規(guī)劃路、拱嶼路后，由西向東延伸，下穿沈海高速?gòu)?fù)線、交叉連城路，終點(diǎn)止于招賢路。 道路總長(zhǎng)約2.2 km，道路寬度24/30 m，設(shè)計(jì)速度30 km/h，城市支路標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，場(chǎng)地類型屬第四系濱海沉積地貌單元，自上而下分為3 個(gè)主層：（1）淤泥：深灰色，流塑，飽和，揭示層厚19.20～26.70 m。 （2）粉質(zhì)粘土：淺灰色，可塑，飽和，揭示層厚3.20～13.50 m。（3）殘積粘性土：黃褐色，硬塑，飽和，層厚大于5.40 m。場(chǎng)地高低起伏較小，整體平緩，空間開(kāi)闊。上部淤泥層分布不均勻，高含水率，高壓縮性，低承載力、其工程性能差，路堤筑填后在其荷載作用會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降及失穩(wěn)等問(wèn)題，軟基需進(jìn)行處理。

2 軟基加固方案

2.1 總體方案

排水固結(jié)法指利用地基排水固結(jié)性能，對(duì)增設(shè)豎向排水體的地基施加預(yù)壓荷載，使土體固結(jié)沉降加速發(fā)展，從而提高地基承載力和穩(wěn)定性的一種加固方法。

在寧德市王坑路道路工程中，考慮地上、地下構(gòu)筑物、施工難度、經(jīng)濟(jì)成本、工期條件及相交道路軟基加固方案的銜接性等因素，一般軟土路段擬定塑料排水板-堆載預(yù)壓（預(yù)壓期9 個(gè)月），板頂鋪設(shè)砂墊層及土工格柵。 為確保軟基施工穩(wěn)定，坡腳兩側(cè)各設(shè)置寬度10 m 反壓護(hù)道， 反壓護(hù)道填土高度按設(shè)計(jì)邊坡填土高度的一半控制。 特殊路基處理設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 特殊路基處理設(shè)計(jì)

2.2 塑料排水板參數(shù)

詳勘揭示淤泥層厚19.20～26.70 m （大于25 m），采用SPB100-C 型塑料排水板， 斷面尺寸 （100×4.5）mm，塑料排水板外觀質(zhì)量要求和規(guī)格及技術(shù)要求見(jiàn)表1、2。

表2 塑料排水板規(guī)格及技術(shù)要求

排水板間距依據(jù)軟土固結(jié)特性、預(yù)壓期固結(jié)度指標(biāo)確定，且考慮緊湊有效，采用正三角形排列（D=1.2 m）。排水板深度應(yīng)打穿淤泥層，進(jìn)入控制下臥層不小于0.5 m，且板頭漏出砂墊層20～30 cm。

2.3 堆載預(yù)壓

本研究計(jì)算路段中心填高4.142 m （取最不利斷面）。 分五級(jí)堆載，第1 級(jí)堆載厚度1.0 m，第2 級(jí)堆載厚度1.0 m，第3 級(jí)堆載厚度1.0 m，第4 級(jí)堆載厚度0.522 m，第5 級(jí)堆載厚度0.62 m，堆載預(yù)壓法加載曲線見(jiàn)圖2。

圖2 堆載預(yù)壓法加載曲線

堆載預(yù)壓力應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載匹配，每級(jí)堆載下地基穩(wěn)定安全驗(yàn)算，推薦有效固結(jié)應(yīng)力法，依據(jù)規(guī)范[2]可按下式計(jì)算：

式中：cqi—地基填料粘聚力；φqi—地基填料內(nèi)摩擦角；φcqi—地基土內(nèi)摩擦角；Ui—地基平均固結(jié)度；αi—土條底面與水平面交角；Li—土條底面弧長(zhǎng)；WⅠi—土條地基部分重力；WⅡi—土條路堤部分重力。 安全系數(shù)計(jì)算圖見(jiàn)圖3。

圖3 安全系數(shù)計(jì)算圖

穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo)： 自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面；條分法的土條寬度：1.000 m； 搜索時(shí)的圓心步長(zhǎng)：1.000 m；搜索時(shí)的半徑步長(zhǎng)：0.500 m；各級(jí)堆載地基穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 地基穩(wěn)定安全系數(shù)

從表3 可知，經(jīng)穩(wěn)定計(jì)算（直接快剪、考慮固結(jié)），最小穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25（穩(wěn)定安全系數(shù)容許值1.2），滿足規(guī)范要求。

堆載指標(biāo)：最大下沉量≤10 mm/d；水平位移≤5 mm/d；孔隙水壓力小于預(yù)壓荷載應(yīng)力50%～60%。

卸載標(biāo)準(zhǔn)：（1）總沉降量達(dá)預(yù)壓荷載計(jì)算最終沉降量90%以上；（2）理論計(jì)算總固結(jié)度＞90%；（3）沉降速度＜0.5～1.0 mm/d。

3 理論計(jì)算

3.1 固結(jié)度計(jì)算

考慮變速加荷時(shí)地基排水固結(jié)（輻射向、垂直向），地基平均固結(jié)度推薦改進(jìn)高木俊介法，依據(jù)規(guī)范[2]可按下式計(jì)算：

式中：Ut′—t 時(shí)刻修正后地基平均固結(jié)度；qi—第i 級(jí)荷載加載速度；Σ△pt—各級(jí)荷載累加值；ti-1、ti—每級(jí)荷載加載起終止時(shí)間（從0 起算）；α、β—參數(shù)，在豎向和徑向排水固結(jié)（砂井貫穿土層）時(shí)。

式中：Cv—土體豎向固結(jié)系數(shù)；Cr—土體徑向固結(jié)系數(shù)；de—單個(gè)排水豎井有效影響范圍直徑；H—土層豎向排水的距離；F—系數(shù)。

考慮塑料排水板井阻、涂抹作用影響時(shí)，F(xiàn) 用下式表示：

式中：kh、ks—天然土層、 涂抹區(qū)土徑向滲透系數(shù)；s—涂抹比 （ds/dw）；L—塑料排水板深度；qw—縱向通水量。

根據(jù)以上方法計(jì)算不同時(shí)刻的平均固結(jié)度，求得 加 載60、120、180、240、276 d 的 固 結(jié) 度 分 別 為U60=19.5%、U120=41.9%、U180=64.9、U240=79.1%、U276=91.9%。

填土-時(shí)間-固結(jié)度曲線見(jiàn)圖4。 從圖4 可知：加載過(guò)程中固結(jié)度曲線呈臺(tái)階變化，滿載后期曲線平滑、 變化速率漸緩，300 d 后固結(jié)度趨于穩(wěn)定，按照工期要求，軟土固結(jié)度＞90% ，滿足規(guī)范要求。

圖4 填土-時(shí)間-固結(jié)度曲線

3.2 沉降計(jì)算

最終沉降S∞包括主固結(jié)沉降Sc、次固結(jié)沉降Ss及瞬時(shí)沉降Sd（即S∞=Sd+Sc+Ss），由于計(jì)算參數(shù)（彈性模量、泊松比）較難確定，瞬時(shí)沉降Sd不單計(jì)。 結(jié)合國(guó)內(nèi)外建筑物實(shí)測(cè)資料分析，實(shí)際工程中，常用修正分層總和法。

主固結(jié)沉降Sc推薦分層總和法，計(jì)算參數(shù)選用壓縮試驗(yàn)e-p 曲線，依據(jù)規(guī)范[2]可按下式計(jì)算：

式中：n—壓縮土層內(nèi)分層數(shù)；e0i—各分層自重作用的穩(wěn)定孔隙比；e1i—各分層自重和附加應(yīng)力共同作用的穩(wěn)定孔隙比；Δhi—各分層初始厚度（m）。

最終沉降S∞采用修正分層總和法，依據(jù)規(guī)范[2]可按下式計(jì)算：

式中：Sc-主固結(jié)沉降；ms-沉降修正系數(shù)（取1.2）。

根據(jù)以上方法計(jì)算不同時(shí)刻的沉降量，考慮沉降影響，路堤實(shí)際計(jì)算高度=5.685 m，最終地基總沉降=1.20×1.543=1.852 m。

填土-時(shí)間-沉降曲線見(jiàn)圖5。 從圖5 可知：沉降曲線呈臺(tái)階式，初始加載沉降大、速度快，預(yù)壓期沉降變緩直至路面竣工，520 d 后沉降趨于穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)期內(nèi)殘余沉降0.06 m（一般路段路基容許工后變形≤0.5 m），滿足規(guī)范要求。

圖5 填土-時(shí)間-沉降曲線

3.3 地基承載力驗(yàn)算

考慮土體天然固結(jié)狀態(tài)，地基中某點(diǎn)的某一時(shí)刻抗剪強(qiáng)度τft，依據(jù)規(guī)范[1]可按下式計(jì)算：

式中：τf0—某點(diǎn)加荷前天然抗剪強(qiáng)度；△σz—給定點(diǎn)由外荷引起豎向應(yīng)力增量；Ut—固結(jié)度 （%）；φcu—有效內(nèi)摩擦角。

對(duì)于堤壩地基或條形基礎(chǔ)，依據(jù)規(guī)范[1]按Fellenius（費(fèi)萊紐斯）公式計(jì)算地基承載力：

式中：K—安全系數(shù)（取1.3）。

承載力驗(yàn)算參數(shù)如下：

式中：pc-附加應(yīng)力（軟弱層頂面處）；pcz-土體自重壓力（軟弱層頂面處）；vR-承載抗力系數(shù)（取1.0）；驗(yàn)算點(diǎn)至中線距離：0.000 m。

驗(yàn)算給定點(diǎn)下臥土層承載力見(jiàn)表4。

表4 下臥土層承載力

4 主要施工順序

場(chǎng)地平整→鋪設(shè)0.3 m 砂墊層（工作墊層和排水作用）→打設(shè)塑料排水板 （打穿淤泥層進(jìn)入下臥層0.5 m，砂墊層以上預(yù)留外露長(zhǎng)度≮0.2 m；再鋪設(shè)上層0.5 m 砂墊層）→設(shè)置地面水平排水系統(tǒng)（盲溝間隔40 m，交匯處布置集水井，外側(cè)設(shè)置排水溝，通過(guò)涵洞排入溝渠）→布置、埋設(shè)檢測(cè)設(shè)施，鋪設(shè)雙向土工格柵→分層填筑至各道路滿載預(yù)壓頂面靜態(tài)標(biāo)高（砂墊層以上預(yù)壓土碾壓厚度0.4 m，碾壓容重≮18 kN/m3）→集水井抽水（滿載預(yù)壓，沉降觀測(cè)補(bǔ)方，保證堆載預(yù)壓頂面靜態(tài)標(biāo)高）→沉降觀測(cè)（根據(jù)實(shí)測(cè)推算工后沉降，驗(yàn)證預(yù)壓效果，確定卸載時(shí)間）→檢測(cè)驗(yàn)收（卸預(yù)壓土至路床設(shè)計(jì)標(biāo)高）→交由土建施工。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)寧德市王坑路軟基處理實(shí)例，闡述設(shè)計(jì)思路，計(jì)算分析軟基處理全過(guò)程固結(jié)度、沉降及穩(wěn)定性變化規(guī)律，目前項(xiàng)目已投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，達(dá)到預(yù)期效果。 研究表明，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)堆載量及預(yù)壓計(jì)劃， 塑料排水板-堆載預(yù)壓法能有效控制地基不均勻沉降，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)雙重效益，可為類似工程提供借鑒價(jià)值。