水泥土攪拌樁聯(lián)合堆載預(yù)壓軟基處理沉降特性研究

摘要 本文以浙江省溫州市靈昆島車輛段工程為依托工程，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的研究手段，對水泥攪拌樁和塑料排水板復合地基排水固結(jié)及沉降特性進行研究。研究結(jié)果表明：該工程所采用的水泥攪拌樁與塑料排水板組合地基處理工藝可有效加固地基，且使得地基沉降量控制在安全范圍內(nèi)，監(jiān)測數(shù)據(jù)同時也證實了數(shù)值模擬的有效性。本文研究成果，可為本工程建設(shè)提供支撐，并可為同類工程提供借鑒，提高工程投資效益，促進市域鐵路的快速建設(shè)。

關(guān)鍵詞 水泥攪拌樁；塑料排水板；復合地基；排水固結(jié)；沉降

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0136-04

0 引言

沿海吹填土通常屬于超軟性土質(zhì)，含水量高，壓縮性大，且具有極低的強度與承載力。在上部荷載作用條件下，土體會產(chǎn)生沉降，進而影響建筑結(jié)構(gòu)安全營運。因此，軟土地基處理成為該地區(qū)工程建設(shè)重要的施工內(nèi)容[3]。預(yù)壓法是通過上部加載，使土體強制排水，從而提高土體強度的地基處理方法，常見真空預(yù)壓技術(shù)和堆載預(yù)壓技術(shù)兩種預(yù)壓方法[4-9]。堆載預(yù)壓法會使地基短時間內(nèi)產(chǎn)生沉降固結(jié)效應(yīng)，但大面積的快速堆載會引起地基失穩(wěn)和較大的側(cè)向位移，對周圍建筑物造成影響。真空預(yù)壓法相對于堆載預(yù)壓法來說，施工方便，無須考慮地基穩(wěn)定的問題，相同沉降工況要求下，成本相對較低；但對于深厚的吹填黏土地層，其加固的深度及效果有限。

溫州市域鐵路S1線靈昆車輛段場地為新近吹填深厚軟土地層，土體含水量70%左右，土體強度低。為確保車輛段場地的工后沉降，保障車輛營運安全，設(shè)計采用真空預(yù)壓與水泥土攪拌樁組合的地基處理方案。該方案為復合地基與真空預(yù)壓組合地基處理方法，其沉降變形機理尚未明確，也未見相關(guān)文獻報道。本文依托于該項目，開展水泥土攪拌樁復合地基真空預(yù)壓沉降特性研究，為本工程和同類工程建設(shè)提供借鑒。

1 依托工程概況

根據(jù)國家發(fā)展改革委要求，溫州市開展市域網(wǎng)與市區(qū)網(wǎng)兩網(wǎng)合一綜合研究，并形成《溫州市域軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃》，S1線為其中3條市域線之一。S1線靈昆島車輛段工程位于S1線東段起點的甌江口新區(qū)靈昆島上，車輛段規(guī)劃規(guī)劃位于濱水南路以北和緯六路以南，跨海一路以東經(jīng)十四路以西之間的部分地塊，項目地理位置和周邊環(huán)境如圖1所示。車輛主要承擔S1線部分配屬列車的機修及整備任務(wù)，后期以車輛段功能性用房上方架空平臺為基礎(chǔ)進行上蓋物業(yè)綜合開發(fā)。

圖1 項目地理位置和周邊環(huán)境示意圖

根據(jù)勘察范圍內(nèi)揭露的地質(zhì)資料，擬建工程區(qū)大范圍分布軟土層，中下部為黏土、粉質(zhì)黏土和較薄圓礫層，工程性質(zhì)較差。為了使工程區(qū)域土層穩(wěn)定性和承載力滿足工程要求，并對沉降進行控制，需要對該范圍內(nèi)站場及路基工程進行軟基處理。設(shè)計地基處理方案為水泥攪拌樁、塑料排水板以及堆載預(yù)壓，旨在增強地基的承載能力，降低沉降量及其不均勻性，確保地基的穩(wěn)定性。水泥攪拌樁采用直徑50 cm、長度16 m的樁體，梅花形布置，間距1.5 m。塑料排水板長度采用28 m，和水泥攪拌樁交叉布置，間距1.5 m。布置方案示意如圖2。

2 水泥攪拌樁聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理模型簡化方法

2.1 水泥攪拌樁聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理技術(shù)思想

軟土地基處理主要通過兩種途徑實現(xiàn)。一是在土體中設(shè)置增加增強體，形成復合地基聯(lián)合承載，從而提高地基承載能力。二是通過在土體中設(shè)置塑料排水板作為排水通道，通過上部加壓的方式加速土體水體排除，降低土體含水率，增大土體內(nèi)部有效應(yīng)力，從而產(chǎn)生固結(jié)沉降效應(yīng)。工程實踐中，一般采用一種處理方案。本文依托工程采用水泥攪拌樁聯(lián)合堆載預(yù)壓處理方法，其目的是聯(lián)合兩種地基處理方案的綜合作用，提高地基承載力。根據(jù)地基處理的要求，該聯(lián)合處理方案在布置方法上具有靈活性。

平面布置設(shè)計時，水泥攪拌樁和塑料排水板的布置可以根據(jù)處理要求進行適應(yīng)性布置，可采用等間距，也可采用不等間距，數(shù)量比例均可進行靈活調(diào)整，具有一定靈活性。

豎向布置設(shè)計時，可以根據(jù)地層條件和地層參數(shù)，靈活選擇水泥土攪拌樁和塑料排水板的設(shè)計深度，相互組合形成不同地基處理層。從分層組合和機理角度分析，該方案具有綜合處理優(yōu)勢。該組合方案的地基土層主要可分為三層：（1）水泥土攪拌樁和塑料排水板聯(lián)合作用層。施工過程中先施工塑料排水板，然后施工水泥土攪拌樁。在水泥攪拌樁施工擠土過程中，土體產(chǎn)生初步排水固結(jié)。上部加載后，進一步產(chǎn)生固結(jié)作用，提高該層的固結(jié)效應(yīng)。（2）塑料排水板排水固結(jié)層。主要依靠上部荷載作用產(chǎn)生排水固結(jié)，從而提高承載力。該層上部水泥土攪拌樁層土體剛度整體提高，能夠更好傳遞上部預(yù)壓荷載，因此本層土體排水固結(jié)效應(yīng)更好。（3）原始土層。作為下臥土層，承受上部荷載。

2.2 水泥攪拌樁聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理數(shù)值模擬簡化方法

（1）水泥攪拌樁二維應(yīng)變簡化

本文采用plaxis有限元軟件對地基沉降效應(yīng)進行模擬研究。在處理大規(guī)模群樁問題的數(shù)值模擬中，當考慮群樁與土體的相互作用時，計算過程常常會遇到收斂性問題，這成為限制分析精度的主要障礙。為了提高分析的效率和準確性，需要采用簡化模擬方法。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，常用簡化方法主要有兩種。第一基于路基縱向軸向總剛度的等效原則，保持連續(xù)樁墻的厚度與樁徑相等，隨后通過降低樁墻的彈性模量來進行模擬；第二種簡化方法是參考文獻[10]提出的計算方法，確保連續(xù)墻的剛度保持一致，通過調(diào)整樁墻的厚度來實現(xiàn)模型的簡化。

比較兩種簡化方法。對于水泥攪拌樁，調(diào)整模量的方法更能貼近實際施工條件。如果采用改變墻體厚度的方式，可能會導致墻體模量過高而厚度過薄，進而引起應(yīng)力集中，可能誘發(fā)樁端的刺入破壞，這種情況與PHC管樁的破壞模式較為接近。由于水泥攪拌樁通常直徑不小于0.5 m，較大的直徑減少了穿透破壞的風險。根據(jù)有限元試分析結(jié)果，如果樁徑與墻厚保持一致，并通過調(diào)整墻體模量來匹配，模擬結(jié)果與實際測量值更加接近；僅通過改變墻體厚度的方法與實際現(xiàn)場情況存在顯著差異，且與沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)不相吻合，無法準確反映實際狀況。因此，本文采用第一種簡化手段——維持樁的直徑與連續(xù)墻的厚度一致，并通過調(diào)整墻體的模量，將分散的樁體視為一個連續(xù)的墻體，以簡化數(shù)值模擬的計算過程和操作步驟。

（2）塑料排水板簡化方法

打設(shè)塑料排水板進行軟基加固實際上是三維空間問題。然而由于排水板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸以及材料等問題，三維情況下的計算條件就顯得十分苛刻。對于一般工程而言，常采用簡便的計算方法即可滿足工程要求，即將三維問題轉(zhuǎn)化為二維平面應(yīng)變問題來分析。等效轉(zhuǎn)化的方法是將塑料排水板等效成砂井以及將三維砂井地基等效為二維平面問題。

塑料排水板的等效處理是保持等效后的砂井與原塑料排水板排水效能相同，即維持一致的排水速率。砂井的等效直徑dwa可通過公式計算：

（1）

式中：b——塑料排水板寬度（m）；a——透水能力折減系數(shù)，一般取0.75～1.0；δ——塑料排水板厚度（m）。

按排列方式不同，等效砂井的有效直徑可以按下式確定：

按等邊三角形布置： （2）

按正方形布置： （3）

式中：de——砂井有效排水直徑（m）；d——塑料排水板間距（m）。

在塑料排水板地基處理模擬過程中，排水系統(tǒng)體系簡化是將存在排水板的復合地基，按照滲透性能不變的原則，等價轉(zhuǎn)換成高滲透性的地基。本文采用李豪等[10]提出的增大砂井地基整體滲透系數(shù)的方法。塑料排水板處理后的地基滲透系數(shù)擴大計算公式如下：

（4）

（5）

（6）

（7）

式中：——第n層土的等效豎向滲透系數(shù)（m/s）；ks——涂抹區(qū)的水平滲透系數(shù)（m/s）；dw——塑料排水板的等效直徑（m）；l——該土層的塑料排水板長度（m）；qw——塑料排水板的透水能力（m/s）；De——單個排水板影響范圍直徑（m）；ds——涂抹區(qū)直徑（m）。

3 現(xiàn)場實測

3.1 沉降監(jiān)測方法

沉降監(jiān)測網(wǎng)觀測采用二等水準測量方法，儀器使用電子水準儀（TrimbleDiNi03）進行測量。定期對所使用的儀器和設(shè)備進行檢驗校正，并保留檢驗記錄。觀測線路以附合水準路線方式，具體如圖3所示。

沉降板在路基砂墊層鋪設(shè)完成后埋設(shè)，持續(xù)進行沉降觀測，共埋設(shè)29個監(jiān)測斷面。監(jiān)測210天后，累計最大沉降量為1 142.07 mm，最大沉降速率為142.7毫米/月，平均累計沉降716.59 mm。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果對比分析

（1）豎向沉降量

圖4為數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)結(jié)果對比曲線?？梢钥闯?，兩者在沉降趨勢上基本一致。在路堤填筑過程中，沉降隨時間的增長接近線性。模擬沉降曲線在施工期間呈現(xiàn)減緩趨勢，形成“臺階”現(xiàn)象；但由于實際監(jiān)測未記錄到這一階段的沉降數(shù)據(jù)，實測曲線沒有反映出這一特點。堆載作業(yè)完成后，數(shù)值模擬預(yù)測的最大沉降量為11.9 cm，沉降速率為0.992 cm/d，而實際觀測數(shù)據(jù)分別為9.30 cm和0.775 cm/d。數(shù)值模擬中沉降速率較快的原因主要有兩個：（1）在施工路段正式進行堆載之前，周邊區(qū)域已經(jīng)開始進行土方堆放。這些早期的土方堆放對路基產(chǎn)生了一定的影響，但這種影響在實際測量的數(shù)據(jù)中并沒有得到反映。（2）在利用PLAXIS軟件進行模擬時，塑料排水板被抽象為排水線條，并且假設(shè)排水板上的超孔隙水壓力為零。雖然文獻[11]的處理方法中考慮了排水板的涂抹效果，但并未將井阻效應(yīng)納入考量。實際上，隨著上部荷載的逐步增加，土層會逐漸變得更加密實和固結(jié)，孔隙水沿著排水板從下向上排出，土層的滲透系數(shù)也會隨著密實度的提高而降低。

（2）分層沉降

根據(jù)施工路段中心的分層沉降監(jiān)測設(shè)備收集的數(shù)據(jù)，獲得了3.0 m、9.5 m、11.5 m和18.5 m深度的沉降記錄。在PLAXIS軟件中，設(shè)置了對應(yīng)深度的監(jiān)測點，并調(diào)整了固結(jié)時間。從圖5對比曲線可以看出，數(shù)值模擬分層沉降值與現(xiàn)場實測值較為接近，計算值稍低于實測值。沉降量隨著時間的推移和荷載的增加而增加，在加載過程中，各層的沉降大體上呈現(xiàn)線性增長趨勢。大約40 d后，沉降速度顯著降低，而在120 d的預(yù)壓后，沉降曲線逐漸趨于穩(wěn)定。不同深度的沉降曲線對比分析表明，沉降量隨著深度的增加而減少。

5 結(jié)論

本文以溫州市域鐵路S1線靈昆車輛段工程為依托工程，通過PLAXIS數(shù)值模擬軟件對水泥攪拌樁復合地基預(yù)壓沉降特性進行了數(shù)值模擬，并與項目實測沉降數(shù)據(jù)進行對比驗證，得到了以下結(jié)論：

（1）水泥攪拌樁復合地基與預(yù)壓結(jié)合的處理方案，對于軟土地基具有顯著的加固效果，能顯著提升其承載能力，以適應(yīng)路基快速填筑的施工需求。該方案還能促進軟土地基的沉降過程和土體的固結(jié)，確保后期沉降量保持在規(guī)定的安全范圍內(nèi)。

（2）運用PLAXIS軟件對水泥攪拌樁復合地基預(yù)壓沉降特性進行研究，通過與實測結(jié)果對比，驗證了模擬方法的可行性，并可得到預(yù)壓處理全程的地基沉降規(guī)律，驗證了模擬方法在復雜地基處理研究過中的有效性。

（3）水泥攪拌樁復合地基聯(lián)合預(yù)壓處理方法，綜合土體排水固結(jié)和樁體豎向增強體作用，可以有效控制處理范圍內(nèi)的土體效果及沉降效應(yīng)。

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收稿日期：2024-07-22

作者簡介：趙翔（1976—），男，本科，高級工程師，研究方向：交通工程管理。