塑料排水板堆載預(yù)壓法加固軟土路基試驗(yàn)研究

楊 斌

(北部灣港防城港碼頭有限公司，廣西 防城港 538000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及土地資源的緊缺，沿海城市的填海造陸工程日益增多，此類(lèi)建設(shè)場(chǎng)地多為軟土地基，而軟土地基具有含水量高、土體孔隙比大、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度和承載力低等特點(diǎn)，為了使軟土地基滿(mǎn)足使用要求，必須對(duì)其進(jìn)行加固處理[1-2]。目前，常見(jiàn)的軟土地基加固處理方法有復(fù)合軟土地基處理法和豎向排水預(yù)壓固結(jié)法兩種[3-4]。前者施工工期較短，但其造價(jià)相對(duì)較高，且成樁質(zhì)量難以控制，容易對(duì)軟土地基的加固效果產(chǎn)生不利影響；豎向排水預(yù)壓固結(jié)法中包含真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法和真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法。其中，真空預(yù)壓法和真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法適合用于處理高填方土坡的穩(wěn)定問(wèn)題，弊端是不適用于大面積的軟土地基加固項(xiàng)目。塑料排水板堆載預(yù)壓法[5]因具有施工方便、成本低、在大面積軟土地基加固中效果明顯等特點(diǎn)而得以廣泛使用。

塑料排水板堆載預(yù)壓法加固軟土地基的基本原理[6-9]是：在軟土地基中設(shè)置排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)，在加壓系統(tǒng)的作用下，土體中的孔隙水經(jīng)排水系統(tǒng)流出，使得土體的孔隙水壓力減小，地基土發(fā)生固結(jié)沉降，進(jìn)而達(dá)到改善地基土強(qiáng)度的目的。本文以廣西某沿海城市的填海造地道路軟土地基加固工程為例，設(shè)計(jì)塑料排水板堆載預(yù)壓試驗(yàn)方案，并在堆載預(yù)壓前后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，研究塑料排水板堆載預(yù)壓法對(duì)深厚軟土路基的加固效果。

1 工程概況

試驗(yàn)區(qū)位于廣西某沿海城市的人工回填場(chǎng)地，根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知本場(chǎng)地的地層自上而下分布為：(1)淤泥：灰色-灰黑色，軟塑狀，局部含貝殼殘骸，底部含少量粗砂，層厚為3.10～13.70 m；(2)粗砂：灰色-灰黑色，稍密，部分為中密狀態(tài)，成分以石英為主，局部含淤泥及貝殼殘骸，層厚為0.60～18.35 m；(3)礫砂：灰白色-灰黃色，中密，部分為密實(shí)狀態(tài)，成分以石英為主，局部含淤泥及貝殼殘骸，揭露層厚為1.20～13.40 m；(4)可塑粉質(zhì)黏土：灰藍(lán)色-灰褐色，可塑，局部接近軟塑，部分見(jiàn)含少量石英角礫，揭露層厚為0.80～3.40 m；(5)硬塑粉質(zhì)黏土：灰白色-灰紅色，硬塑狀態(tài)，含較多砂巖風(fēng)化形成的砂狀物，部分地段見(jiàn)含較多石英角礫或碎塊，層厚為0.60～10.60 m；(6)全風(fēng)化砂巖、粉砂巖：灰黃色-黃色，巖石已風(fēng)化呈中密-密實(shí)粗砂及碎石土狀，該層場(chǎng)地局部地段鉆孔見(jiàn)有揭露，鉆探深度內(nèi)部分地段(于深海方向)未揭穿該層，最大揭示厚度為0.90～15.30 m；(7)強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖：灰色-灰黃色，局部夾有頁(yè)巖，巖石基本風(fēng)化呈碎塊狀或堅(jiān)硬黏土狀，該層部分鉆孔見(jiàn)有揭露，部分地段未揭穿該層，最大揭示厚度為16.50 m；(8)中風(fēng)化砂巖：灰黃色-黃色，粗粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖石較硬，巖體較完整，場(chǎng)地部分鉆孔見(jiàn)有揭露，鉆探深度未揭穿該層，最大揭示厚度為3.70 m。各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)表

2 塑料排水板堆載預(yù)壓試驗(yàn)方案

場(chǎng)地表層淤泥厚度較大，其含水量高、強(qiáng)度低、壓縮性大，采用塑料排水板堆載預(yù)壓處理后場(chǎng)地應(yīng)滿(mǎn)足地基承載力特征值fak≥120 kPa。

塑料排水板堆載預(yù)壓試驗(yàn)方案：

(1)采用SPB-B型塑料排水原生料板，打入排水板時(shí)插穿淤泥質(zhì)土等軟土層進(jìn)入下臥硬土層約1.0 m，當(dāng)軟土層下方為砂礫石或巖面時(shí)，排水板打至軟土層底即可。排水板按正方形布置，間距為1.0 m，布置方式如圖1所示。

圖1 塑料排水板布置方式示意圖(mm)

(2)插入排水板后進(jìn)行分級(jí)堆載預(yù)壓，為進(jìn)一步減小施工后沉降，同時(shí)考慮縮短施工工期，堆載厚度取2.5 m，分兩級(jí)施加，第一級(jí)厚度為1.2 m，加荷時(shí)間為5 d，間歇30 d加第二級(jí)荷載；第二級(jí)厚度為1.3 m，加荷時(shí)間為5 d，持荷時(shí)間為150 d。堆載料采用中細(xì)砂，設(shè)計(jì)容重按18 kN/m3考慮，堆載高度在荷載不變的情況下根據(jù)堆載料的實(shí)際容重進(jìn)行調(diào)整。

(3)分級(jí)堆載預(yù)壓滿(mǎn)載后，根據(jù)實(shí)測(cè)沉降曲線(xiàn)按雙曲線(xiàn)法推算加固深度范圍內(nèi)的地基，平均固結(jié)度≥92%時(shí)，即可卸載。卸載前，除固結(jié)度需滿(mǎn)足要求外，場(chǎng)地的沉降速率暫按連續(xù)10 d內(nèi)≤1 mm/d，但沉降速率不作為卸載的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，卸載標(biāo)高應(yīng)在交工面標(biāo)高的基礎(chǔ)上預(yù)留0.5 m的振沖沉降量。

(4)預(yù)壓卸載后對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行振沖處理，選用功率為75 kW的振沖器，振沖點(diǎn)采用等邊三角形布置，間距為2.0 m，如圖2所示。

圖2 振沖點(diǎn)布置方式示意圖(mm)

(5)振沖完成后碾壓平整至交工標(biāo)高，碾壓時(shí)采用激振力≥380 kN的振動(dòng)壓路機(jī)，碾壓遍數(shù)為5～8遍。

3 塑料排水板堆載預(yù)壓加固效果分析

試驗(yàn)時(shí)分別在堆載預(yù)壓前后的試驗(yàn)場(chǎng)地開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)和平板荷載試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析塑料排水板堆載預(yù)壓的軟土地基加固效果。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果分析

分別在堆載預(yù)壓前和堆載預(yù)壓后的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了7次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出預(yù)壓堆載前后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)平均值隨處理深度的變化關(guān)系(見(jiàn)圖3)。由圖3可知，各深度堆載預(yù)壓處理后的標(biāo)貫擊數(shù)與堆載預(yù)壓處理前的標(biāo)貫擊數(shù)相比均有所增加，分析其原因?yàn)槎演d預(yù)壓處理后，土體的孔隙水排出，孔隙水壓力減小，土體發(fā)生固結(jié)，密實(shí)度提高，表明試驗(yàn)區(qū)的淤泥質(zhì)土層經(jīng)排水固結(jié)后承載力得到了有效提升。由試驗(yàn)結(jié)果可知，堆載預(yù)壓處理后標(biāo)貫總擊數(shù)的平均值為3.79擊，根據(jù)《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 340-2015)查表(見(jiàn)表2)，初步判定試驗(yàn)區(qū)的地基承載力特征值為120.8 kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 地基承載力特征值fak一覽表(kPa)

圖3 堆載預(yù)壓前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)圖

3.2 靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果分析

堆載預(yù)壓前后分別在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行2次靜力觸探試驗(yàn)，得出試驗(yàn)區(qū)堆載預(yù)壓前后錐頭阻力沿深度方向變化的關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖4)。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》中提出的關(guān)于靜力觸探液化勢(shì)的判斷方式可知，飽和粉土液化的錐頭阻力基準(zhǔn)值為2.35～3.75 MPa，當(dāng)實(shí)測(cè)錐頭阻力大于基準(zhǔn)值時(shí)可認(rèn)為土層不發(fā)生液化[10]?！督ㄖ鼗鶛z測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 340-2015)中提出地基土為粉土?xí)r，承載力特征值fak與比貫入阻力標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系為：

fak=47ps+40

(1)

ps=1.1qc

(2)

式中：fak——地基承載力特征值；

ps——比貫入阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

(a)第一次

由式(1)和式(2)可知，為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求中地基承載力特征值fak≥120 kPa，則錐頭阻力qc≥1.55 MPa。分析圖4的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)土層經(jīng)堆載預(yù)壓處理后的錐頭阻力值均>1.55 MPa，地基承載力特征值達(dá)到設(shè)計(jì)要求，表明塑料排水板堆載預(yù)壓法對(duì)深厚軟土路基具有良好的加固效果。

3.3 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果分析

在堆載預(yù)壓處理后的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，按《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(JTS 237-2017)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)。壓重平臺(tái)反力裝置如圖5所示。承壓板面積為1.0 m2，采用慢速維持荷載法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)最大荷載為2倍地基承載力特征值，即240 kPa，分9級(jí)進(jìn)行加載，得出6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)荷載-沉降(p-s)曲線(xiàn)如圖6所示。分析圖6曲線(xiàn)可知，6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的p-s曲線(xiàn)均為緩降型，未達(dá)到極限狀態(tài)，最大荷載作用下地基承載力仍有較大富余量，表明地基承載力特征值>120 kPa，符合設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步證實(shí)了塑料排水板堆載預(yù)壓法的地基加固效果。

圖5 壓重平臺(tái)反力裝置示意圖

圖6 平板載荷試驗(yàn)p-s曲線(xiàn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本次試驗(yàn)采用塑料排水板堆載預(yù)壓法處理具有深厚軟土層的路基，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)研究塑料排水板堆載預(yù)壓法在此類(lèi)軟土地基上的加固效果，得出以下結(jié)論和建議：

(1)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的深厚軟土路基經(jīng)塑料排水板堆載預(yù)壓法加固后，標(biāo)貫擊數(shù)明顯提升，表明土體孔隙水壓力減小，固結(jié)度有效提高。通過(guò)靜力觸探試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)土體的錐頭阻力明顯高于液化的基準(zhǔn)值，有效地降低了地基土發(fā)生液化的幾率。

(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)得出一致結(jié)論：塑料排水板堆載預(yù)壓加固后地基土的承載力特征值≥120 kPa，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。表明塑料排水板堆載預(yù)壓法對(duì)深厚軟土路基具有良好的加固效果。

(3)分析試驗(yàn)過(guò)程，建議采用塑料排水板堆載預(yù)壓法大面積施工前，首先選擇具有代表性的區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)以確定振沖和碾壓的有關(guān)參數(shù)，由此可以有效降低成本，提高工作效率和施工質(zhì)量。