關(guān)于排水砂井未打穿深厚軟土地基的固結(jié)度計算探討

陳偉平

(廣東粵水電勘測設(shè)計有限公司,廣東 佛山 528000)

1 概述

廣東珠三角地區(qū)經(jīng)常因為存在深厚軟土地基需要進行地基處理[1]。預(yù)壓地基適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土等飽和軟黏性土地基。預(yù)壓處理地基一般分為堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓和真空～堆載聯(lián)合預(yù)壓三類[2]。堆載預(yù)壓分塑料排水帶或砂井地基堆載預(yù)壓和天然地基堆載預(yù)壓。一般情況下，當軟土層厚度小于4.0 m時，可采用天然地基堆載預(yù)壓處理。當軟土層厚度超過4.0m時，為了加速軟土層的固結(jié)，通常在擬預(yù)壓的土層中設(shè)置豎向排水體，比如砂井、塑料排水帶等豎向排水體[3]。以砂井為豎向排水體、砂墊層為水平向排水體構(gòu)成系統(tǒng)，在砂墊層的上部堆載作為加壓系統(tǒng)的預(yù)壓法稱為砂井堆載預(yù)壓法。

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，在外荷載不變的條件下，隨著土體中超靜水孔壓的消散，有效應(yīng)力不斷增加，土體被壓縮，直到達到穩(wěn)定，這一過程稱為固結(jié)[4]。從加速土層固結(jié)的角度來看，排水砂井如能打穿整個軟土層當然是很有利的，但如果軟土層很厚，排水砂井要打穿整個壓縮土層實際上不太經(jīng)濟，或施工不可能，而且對有的工程也不一定需要[5]。

當排水砂井未打穿深厚軟土地基時，地基平均固結(jié)度由打了砂井部分土層的平均固結(jié)度和砂井以下土層的豎向固結(jié)度兩部分組成。目前常見計算方法結(jié)果顯示地基平均固結(jié)度與貫入度Q值正相關(guān)，一種簡明計算方法是根據(jù)砂井貫入度值對砂井打穿軟土地基時的平均固結(jié)度乘以一個小于1的系數(shù)來確定。

2 固結(jié)度計算

關(guān)于排水豎井未打穿深厚軟土地基的固結(jié)度計算問題，眾多學(xué)者做了大量的研究工作，但至今還沒有得到一個精確又簡明實用的固結(jié)度計算方法[6]，楊光華[7]認為作為一雙層地基來簡化計算較為合理。Chen等[8]研究表明，對于豎井處理的深厚軟土地基固結(jié)度計算問題，豎井下部的固結(jié)沉降不可忽略。

(1)

(2)

式中:

α、β——與排水有關(guān)的參數(shù)，β值與土的排水距離、固結(jié)系數(shù)等因素有關(guān)，可綜合反映土層的固結(jié)速率；

下面通過工程實例來計算固結(jié)度。

2.1 豎井打穿深厚軟土地基

例1：某建筑場地為軟土地基，擬采用預(yù)壓處理地基。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，淤泥質(zhì)土層厚度H=16 m，其下為黏性土層。淤泥質(zhì)土層豎向和水平向固結(jié)系數(shù)相同cv=ch=1.5×10-3cm2/s，設(shè)計采用砂樁處理，砂樁直徑dw=0.3 m，樁長l=16 m，正三角形布置，間距s=1.6 m(如圖1所示)。地表設(shè)與排水砂井相連的砂墊層，在大面積上覆堆載作用下，試計算：地基在90 d時的豎向、徑向固結(jié)度和平均固結(jié)度(不考慮井阻和涂抹影響)。

圖1 地基處理斷面及平面示意(單位：mm)

解：設(shè)置了排水砂井后，固結(jié)度以徑向固結(jié)為主，豎向固結(jié)度較小。

1) 相關(guān)參數(shù)

有效排水半徑de=1.05 s=1.05×1.6=1.68 m。

單面排水，H=16 m。

平均：βrz=βz+βr=1.249×10-4+0.035 4=0.035 55/d。

2.2 豎井未打穿深厚軟土地基

當排水豎井未穿透受壓土層時，現(xiàn)行建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[2]未明確規(guī)定固結(jié)度的計算方法，只是籠統(tǒng)地規(guī)定“豎井范圍內(nèi)土層的平均固結(jié)度和豎井底面以下受壓土層的平均固結(jié)度，以及通過預(yù)壓完成的變形量均應(yīng)滿足設(shè)計要求”。

圖2 砂井未打穿軟土層的情況示意

整個壓縮土層的平均固結(jié)度按下式計算：

(3)

式中:

(4)

式中:

A1——豎井部分土層起始孔隙水壓力分布曲線所包圍的面積(取附加應(yīng)力σz分布曲線包圍的面積)；

A2——豎井以下土層起始孔隙水壓力分布曲線包圍的面積(取σz分布曲線包圍的面積)。

假定起始孔隙水壓力不隨深度而變化，則貫入度Q可簡化為[10]：

(5)

式中:

H1——豎井部分土層厚度；

H2——豎井以下壓縮層范圍內(nèi)土層厚度。

對于豎井未穿透軟土層的地基，當豎井底面以下軟土層較厚時，豎井范圍土層平均固結(jié)度與豎井底面以下土層的平均固結(jié)度相差較大，預(yù)壓期間所完成的固結(jié)變形量也因之相差較大，若將固結(jié)度按整個受壓土層平均，則與實際固結(jié)度沿深度的分布不符，且掩蓋了豎井底面以下土層固結(jié)緩慢，預(yù)壓期間完成的固結(jié)變形量小，建筑物使用以后剩余沉降持續(xù)時間長等實際情況。同時，按整個受壓土層平均，使豎井范圍土層固結(jié)度比實際降低而影響穩(wěn)定分析結(jié)果。因此，豎井范圍與豎井以下土層的固結(jié)度和相應(yīng)的固結(jié)變形應(yīng)分別計算，不宜按整個受壓土層平均計算。

1) 常規(guī)法

2) Hart法

3) 謝康和改進法

H′=(1-aQ)H

碧流河水庫配有主空氣壓縮機2臺，其中一臺作為備用；副空氣壓縮機1臺，其工作狀態(tài)為間歇式，即在主空氣壓縮機停止輸氣時，由副空氣壓縮機（氣泵）向管內(nèi)補充氣壓，使系統(tǒng)內(nèi)氣壓保持在0.01～0.05 MPa之間，確保管路系統(tǒng)始終處于有壓狀態(tài)，以防止管內(nèi)產(chǎn)生冰阻現(xiàn)象。還需設(shè)置儲氣罐1個，起到緩沖氣壓作用；氣液分離器1個，起到凈化空氣作用。

(6)

下面通過工程實例來計算固結(jié)度。

例2：若砂井長度為H1=10 m，未打穿淤泥質(zhì)土層，H2=6 m，其余條件同例1(如圖3所示)。試計算：地基在90 d時的豎向、徑向固結(jié)度和平均固結(jié)度。

圖3 砂井未打穿軟土層示意(單位：mm)

解法1：常規(guī)法

取豎井的長度作為豎向排水距離，砂樁長度為10 m，土層單面排水，取H=H1=10 m。

平均：βrz=βz+βr=3.198×10-4+0.035 42=0.035 74/d。

取豎井底面為排水面，按單向固結(jié)理論計算，H=H2=6 m。

解法3：H′=(1-aQ)H

排水距離H′=(1-aQ)H，βz和βrz例1相同，即βz=1.249×10-4/d，βrz=0.035 55/d。

H′=(1-aQ)H=(1-0.941×0.625)×16=6.59 m。

表2 砂井打穿軟土層平均固結(jié)度計算成果

表1 砂井未打穿軟土層平均固結(jié)度3種解法計算成果對比

圖4 砂井貫入度Q與關(guān)系示意

由圖4可見，3種方法計算結(jié)果接近，常規(guī)法最大，謝康和法次之，Hart法最小；隨著貫入度的增加，計算結(jié)果差距同步增大，但總的來說相差不大；3種方法計算結(jié)果基本上與貫入度Q值正相關(guān)。當貫入度Q≥0.9時，常規(guī)法與謝康和法在尾部有個平緩段，說明此后再增加砂井深度對提高地基平均固結(jié)度幫助不大。3種計算方法結(jié)果表明，地基平均固結(jié)度均與貫入度正相關(guān)，Hart法正相關(guān)性最好，謝康和法次之，常規(guī)法又次之。由圖4可見，當Q=0.95時，常規(guī)法計算的固結(jié)度比砂井打穿軟土地基時的固結(jié)度還大，這顯然是不合理的，對此謝康和法對常規(guī)法作了優(yōu)化。相對而言Hart法比較合理。

ψ=aQ+b

(7)

式中:

a——直線斜率，與地基參數(shù)和砂井設(shè)計參數(shù)有關(guān)；

b——直線截距，為不打砂井時的地基平均固結(jié)度與砂井完全打穿時的固結(jié)度之比。

就本例而言，若采用Hart法計算，則ψ=0.7947Q+0.2053，當Q=0時，ψ=0.2053；當Q=1.0時，ψ=1.0；當0

從保守角度考慮，一般工程建議采用Hart法的計算軟土地基的平均固結(jié)度。

3 結(jié)語

一般而言，不考慮井阻和涂抹影響，當砂井未打穿深厚軟土地基時，目前常見的3種方法計算結(jié)果接近，常規(guī)法最大，謝康和法次之，Hart法最?。浑S著貫入度的增加，其計算結(jié)果相差程度同步增大，但總的來說相差不是很大，3種方法計算結(jié)果表明地基平均固結(jié)度與貫入度值正相關(guān)。當砂井未打穿深厚軟土地基時，地基平均固結(jié)度的一種簡明計算方法是根據(jù)砂井貫入度Q值對砂井打穿軟土地基時的平均固結(jié)度乘以一個小于1的系數(shù)ψ來確定，ψ與Q呈線性關(guān)系，當Q=0時，ψ為不打砂井時的地基平均固結(jié)度與砂井完全打穿時的固結(jié)度之比，當Q=1.0時，ψ=1.0；當0

相對而言，Hart法比較合理，一般工程建議采用Hart法的計算軟土地基的平均固結(jié)度。

不同地區(qū)土的特性、土工參數(shù)對計算結(jié)果影響較大。目前仍需積累工程經(jīng)驗，改進砂井未打穿深厚軟土地基時地基平均固結(jié)度計算方法，以期達到理論計算與實測結(jié)果大致相符、安全性和經(jīng)濟性兼顧的設(shè)計目標。