鄭朝煒

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣東 廣州 510060）

淺談塑料排水板堆載預(yù)壓法處理深厚軟土路基

鄭朝煒

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣東 廣州 510060）

首先，介紹了塑料排水板堆載預(yù)壓法處理深厚軟土路基的設(shè)計(jì)。接著，闡述了堆載預(yù)壓法的要素和原理，以及豎向排水體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)；并通過工程實(shí)例，論述了塑料排水板和預(yù)壓荷載的設(shè)計(jì)及地基固結(jié)度計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：塑料排水板堆載預(yù)壓法處理深厚軟土路基具有良好的效果，而涂抹和井阻作用對土體固結(jié)的影響比較顯著。

深厚軟土；塑料排水板；堆載預(yù)壓；排水固結(jié)；固結(jié)度；設(shè)計(jì)

0 引言

軟土是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于1.0的細(xì)粒土。其特點(diǎn)是含水量高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度很低、壓縮性高、滲透性小、靈敏度高、具有明顯的觸變性和流變性、自然固結(jié)程度低，固結(jié)變形持續(xù)時(shí)間長；在外荷載作用下或降低地下水位，容易產(chǎn)生固結(jié)變形和較大不均勻沉降。在軟土路基，特別是深厚軟土路基，如果不對軟基作加固處理或處理方法不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)路基工后沉降過大和較大不均勻沉降，造成路面平整度差或出現(xiàn)裂縫、滑移錯(cuò)臺，排水管道下沉、斷裂，甚至出現(xiàn)地基失穩(wěn)、路堤滑塌等病害。

軟土地基的加固處理方法有很多，但目前對深厚軟土路基加固處理最常用的方法主要有深層水泥攪拌樁法和豎向排水（袋裝砂井或塑料排水板）堆載預(yù)壓法。深層水泥攪拌樁法，其優(yōu)點(diǎn)是施工速度快、工期短，無地面隆起，不污染環(huán)境和對相鄰建筑物影響小。但施工質(zhì)量較難管理和控制，常出現(xiàn)斷樁、縮徑或樁長達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

豎向排水體的袋裝砂井或塑料排水板的作用是縮短軟土中的排水距離。軟土中的水通過砂井或塑料排水板及頂部的砂墊層和排水溝排走，使軟土中孔隙水壓力得以較快地消散，從而加速地基固結(jié)，地基強(qiáng)度迅速提高。袋裝砂井加固軟土地基法是在一般砂井法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工藝、技術(shù)，與普通砂井相比，其井徑小，更能體現(xiàn)“細(xì)而密”的設(shè)計(jì)原則，其排水固結(jié)效果更好；施工質(zhì)量易于保證，不會(huì)出現(xiàn)縮頸、或砂井不連續(xù)等質(zhì)量問題；設(shè)備輕便，可以在更軟弱的地基上施工；節(jié)省砂料，施工進(jìn)度快，工程造價(jià)較低。

塑料排水板是一種人工排水體，其結(jié)構(gòu)由芯板和濾膜組成。芯板由不易產(chǎn)生壓縮變形且有較高強(qiáng)度的聚乙烯或聚丙烯塑料制成兩面有間隔槽的板體；濾膜則由滲透性好且耐腐蝕的滌綸襯布制成。采用塑料排水板作為豎向排水體，地基土層中的孔隙水在固結(jié)壓力作用下滲流通過濾膜層進(jìn)入芯板溝槽，并通過溝槽從排水砂墊層中排出，其作用與原理和袋裝砂井相同。塑料排水板因系工廠生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠；質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐久性好；而且單孔過水?dāng)嗝娲?，透水性好，通水量大，排水固結(jié)效果好；具有加固深度大、施工簡便快捷、造價(jià)低、對土層擾動(dòng)小，施工質(zhì)量易于保證；在技術(shù)、性能和經(jīng)濟(jì)上比袋裝砂井更具有很大優(yōu)勢。其缺點(diǎn)與袋裝砂井一樣，相較于深層水泥攪拌樁法的施工期長，必須有足夠的堆載預(yù)壓工期。在工期允許的前提下，塑料排水板堆載預(yù)壓法處理深厚軟土路基是一種經(jīng)濟(jì)、有效、可行的加固方法，其排水固結(jié)原理與天然土層的固結(jié)過程相同，只要精心設(shè)計(jì)、認(rèn)真施工、預(yù)壓時(shí)間充裕，就可以達(dá)到比較理想的處理效果。處理后的地基一般較均勻，差異沉降小，因而道路修建成后路面的平整度較好，可提高行車質(zhì)量和道路運(yùn)行壽命與安全性。所以，塑料排水板堆載預(yù)壓法處理深厚軟土路基得到了廣泛應(yīng)用。

1 堆載預(yù)壓法的要素和原理

1.1 堆載預(yù)壓法要素

堆載預(yù)壓法是堆載預(yù)壓排水固結(jié)法的簡稱，是運(yùn)用地基排水固結(jié)規(guī)律，對天然地基進(jìn)行堆載預(yù)壓，或先在地基中設(shè)置豎向排水體（砂井或塑料排水板），然后進(jìn)行堆載預(yù)壓，使土體中的孔隙水排出而發(fā)生固結(jié)，提高地基承載力的一種方法。其要素主要由加壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)兩部分組成。排水系統(tǒng)則由豎向排水體、橫向排水砂墊層、盲溝和排水溝構(gòu)成。在豎向排水體施工之前，應(yīng)先在地表面鋪設(shè)厚度不小于50 cm的中粗砂墊層、設(shè)置排水盲溝，并在預(yù)壓區(qū)邊緣設(shè)置排水溝，以便將地基中排出的水引出預(yù)壓區(qū)。對于道路工程的加壓系統(tǒng)，即預(yù)壓荷載一般利用路堤等載自重或路堤超載自重。

1.2 堆載預(yù)壓法原理

軟土地基在壓力作用下，土層中孔隙水以滲流形式慢慢匯入豎向排水體（砂井或塑料排水板），經(jīng)豎向排水體向上流入橫向排水砂墊層，再經(jīng)砂墊層注入排水溝，使軟土中孔隙水壓力得以消散，孔隙體積減小而土體發(fā)生壓縮固結(jié)，地基強(qiáng)度相應(yīng)提高。根據(jù)有效應(yīng)力原理，在荷載作用下，土層的固結(jié)過程就是孔隙水壓力消散和有效應(yīng)力增加的過程，假設(shè)某點(diǎn)的總應(yīng)力為σ，有效應(yīng)力為σ′，孔隙水壓力為μ，則三者關(guān)系為σ＝σ′＋μ。從關(guān)系式中可以看出，堆載預(yù)壓法處理軟土地基必須滿足壓力和排水兩個(gè)條件，排水固結(jié)效應(yīng)與固結(jié)壓力的大小成正比。

根據(jù)固結(jié)理論，在達(dá)到同一固結(jié)度時(shí)，固結(jié)所需的時(shí)間與排水距離的長短的平方成正比。為了加速固結(jié)，最有效的辦法就是在天然土層中增加排水途徑，縮短排水距離。在天然地基中設(shè)置豎向排水體（砂井或塑料排水板）的作用就是優(yōu)化排水條件，縮短排水距離，加速地基的固結(jié)，加速抗剪強(qiáng)度的增長，加速沉降的發(fā)展。從而達(dá)到縮短堆載預(yù)壓工期，減小軟土地基的工后沉降量和沉降差；提高地基承載力，滿足建（構(gòu)）筑物荷載對地基穩(wěn)定性的要求。

2 豎向排水體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）豎向排水體砂井或塑料排水板的設(shè)計(jì)均相同，平面布置一般采用等邊三角形和正方形兩種形式，直徑和間距宜采用“細(xì)而密”的設(shè)計(jì)原則；而豎向排水體的直徑過小、間距過密，則將加大土體擾動(dòng)影響，增加井阻和涂抹作用，增加施工工期和提高造價(jià)。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012），塑料排水板或袋裝砂井的間距按井徑比n=15～22選用。

（2）由于預(yù)壓荷載在地基中引起的附加應(yīng)力是隨深度而逐漸減少，在地基深處，豎向排水體的排水固結(jié)作用將很小，因此豎向排水體不一定要打穿整個(gè)壓縮層。當(dāng)軟土層不太厚時(shí)，豎向排水體應(yīng)打穿；如軟土層較厚，而土層中夾有砂層時(shí)，則應(yīng)盡量打到砂夾層中，以利于排水固結(jié)。

（3）對于以地基抗滑穩(wěn)定性控制的工程，豎向排水體深度應(yīng)大于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以下2.0 m。

（4）豎向排水體的長度、直徑和間距可根據(jù)工程對預(yù)壓固結(jié)時(shí)間的要求，通過固結(jié)理論計(jì)算確定，一般要求在預(yù)壓期內(nèi)能完成80%的固結(jié)度。豎向排水體的設(shè)計(jì)，一般是先給定豎向排水體的長度、直徑和間距，然后計(jì)算擬達(dá)到設(shè)計(jì)固結(jié)度所需的預(yù)壓時(shí)間，如不符合要求，再予以修正調(diào)整。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

廣州南沙開發(fā)區(qū)某道路工程，路寬60 m，設(shè)計(jì)荷載100 kPa，路堤填土高3.20 m。道路某里程段路基的地層情況及巖土參數(shù)見表1所列，地下水位埋深1.20 m。

表1 路基地層情況表

3.2 塑料排水板設(shè)計(jì)

由表1可知，地表面以下軟土層厚度為14.0 m，其下臥為細(xì)砂層。地基處理擬采用B型塑料排水板，塑料排水板寬度b=100 mm，厚度δ=4 mm，滲透系數(shù)kw=5×10-4cm/s，縱向通水量qw≥25 cm3/s。塑料排水板平面布置采用等邊三角形，間距1.2 m，插入細(xì)砂層作雙面排水固結(jié)。預(yù)壓荷載與設(shè)計(jì)荷載相等，根據(jù)工期要求，預(yù)壓加荷時(shí)間定為4個(gè)月，預(yù)壓時(shí)間定為3個(gè)月。為簡化計(jì)算，設(shè)預(yù)壓荷載是等速施加，則堆載預(yù)壓歷時(shí)可按5個(gè)月計(jì)算。

3.3 預(yù)壓荷載設(shè)計(jì)

該項(xiàng)道路工程設(shè)計(jì)荷載為100 kPa，需要施加預(yù)壓荷載為100 kPa，取填土重度γ=19.5 kN/m3,則需要填土高度為5.13 m。由于淤泥層的強(qiáng)度低，為了使之施加預(yù)壓荷載后，不致造成地基失穩(wěn)破壞，因此采用分級施加荷載。填土極限高度可按下式計(jì)算：

式中：Hc為極限高度，m；Cu為十字板剪切強(qiáng)度，kPa；γ為填土重度，kN/m3。

根據(jù)上述已知：Cu=11.5 kN/m3，γ=19.5 kN/m3，代入公式（1）計(jì)算得：填土極限高度Hc=3.26 m。取安全系數(shù)為1.2，則填土容許高度為2.72 m。所以該項(xiàng)道路工程可分二級施加預(yù)壓荷載，首級填土高度為2.72 m，第二級填土高度為2.41 m。

3.4 地基固結(jié)度計(jì)算

3.4.1 豎向固結(jié)度

根據(jù)豎向平均固結(jié)度計(jì)算公式：

根據(jù)上述已知：Cv=0.792×10-3cm2/s，t=150 d, H=700 cm，代入公式（2）計(jì)算得：z=23%。

3.4.2 徑向固結(jié)度

根據(jù)徑向平均固結(jié)度計(jì)算公式：

理想井時(shí)：

根據(jù)上述已知：l=120 cm，dw=6.62 cm，de= 126 cm，n=19，F(xiàn)n=2.2（理想井時(shí)），Ch=1.728×10-3，代入公式（3）計(jì)算得：理想井時(shí)，徑向平均固結(jié)度Ur=99.4%。

當(dāng)考慮涂抹和井阻作用對土體固結(jié)的影響時(shí):

式中：kn為天然土水平滲透系數(shù)，cm/s；ks為涂抹區(qū)土的水平滲透系數(shù)，取為涂抹區(qū)直徑ds與豎井直徑dw的比值，取s=3.0；L為豎井深度，cm；qw為豎井縱向通水量，為單位水力梯度下單位時(shí)間的排水量，cm3/s。

3.4.3 平均固結(jié)度

根據(jù)總平均固結(jié)度計(jì)算公式：

當(dāng)豎向排水體未穿透軟土層時(shí)，可按下式計(jì)算地基平均固結(jié)度：

4 結(jié)論

（1）該路基工程的軟土厚度大，其含水量高、孔隙比大、壓縮性極高、地基承載力很低，采用了塑料排水板堆載預(yù)壓法進(jìn)行地基處理，軟土地基經(jīng)歷時(shí)5個(gè)月的堆載預(yù)壓后，理想井時(shí)地基的總平均固結(jié)度fffffbrz=99.5%，考慮了涂抹和井阻作用時(shí)地基的總平均固結(jié)度fffffbrz=89.3%，表明了塑料排水板堆載預(yù)壓法處理深厚軟土路基具有良好的效果。

（2）從地基固結(jié)度計(jì)算結(jié)果可以看出，地基以徑向固結(jié)為主。軟土路基經(jīng)歷時(shí)5個(gè)月的堆載預(yù)壓后，理想井時(shí)地基的徑向平均固結(jié)度已達(dá)99.4%，而豎向平均固結(jié)度只有23%，徑向平均固結(jié)度與總平均固結(jié)度只差0.1%。這主要是由于該路基工程的軟土厚度大，豎向固結(jié)系數(shù)小，水平向固結(jié)系數(shù)較大，且塑料排水板的間距較密，所以豎向固結(jié)度很小，完全可以忽略豎向排水引起的固結(jié)度。

（3）從理想井與考慮涂抹和井阻作用的地基固結(jié)度計(jì)算結(jié)果分析，涂抹和井阻作用對土體固結(jié)效果的影響比較顯著。該項(xiàng)工程因涂抹和井阻作用使土體的總平均固結(jié)度降低了10.2%，其考慮涂抹和井阻作用的地基固結(jié)度僅為按理想井計(jì)算的固結(jié)度0.87倍。

（4）經(jīng)典型斷面沉降估算，工后沉降基準(zhǔn)期按20 a計(jì)算，在100 kPa荷載作用下，該路基最終沉降量為1.75 m，工后沉降量為18.2 cm，滿足規(guī)范要求。

TU447

A

1009-7716（2017）03-0057-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.017

2017-01-17

鄭朝煒（1986-），男，廣東揭陽人，工程師，從事道路橋梁工程設(shè)計(jì)工作。