李衛(wèi)鵬

（水利部新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000）

我國沿海地區(qū)、內(nèi)河兩岸地區(qū)和湖泊地區(qū)廣泛分布著軟弱黏性土，尤其是飽和淤泥和淤泥質(zhì)黏土，此類軟土都具有以下特征：含水量高、壓縮性大、滲透性差、靈敏度高、強(qiáng)度低和厚度不均勻等特點(diǎn)[1]。此類軟土地基不經(jīng)過處理，在工后建筑物荷載作用下地基會(huì)發(fā)生較大沉降量，且沉降持續(xù)時(shí)間長，嚴(yán)重影響建筑物的正常使用，甚至?xí)?dǎo)致建筑物失穩(wěn)破壞。

預(yù)先施加荷載進(jìn)行堆載預(yù)壓，同時(shí)輔以豎向排水系統(tǒng)，能夠排出飽和軟土地基中的水分，加速土體固結(jié)，具有使地基承載能力和穩(wěn)定性顯著提高等優(yōu)點(diǎn)，是一種行之有效的軟土地基加固處理方法。以往的工程實(shí)踐證明，這也是一種比較經(jīng)濟(jì)合理的方法[2-5]。本文結(jié)合新疆某平原水庫供水兼退水建筑物地基堆載預(yù)壓加固的實(shí)際工程，采用分層總和法等理論方法，對(duì)預(yù)壓荷載下天然地基的最終沉降量、預(yù)壓處理后砂井范圍土層的平均固結(jié)度、砂井底部下臥層的平均固結(jié)度和工后地基沉降量等進(jìn)行了計(jì)算，可為今后類似地基處理提供借鑒。

1 工程與地質(zhì)概況

新疆某平原水庫依托山前洪積扇前沿天然地形，通過東、西、南、北四面筑壩而成。壩頂高程689m，最大壩高18m，壩軸線長6.0km，總庫容2700萬m3。壩頂寬8.0m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2.0。水庫主要組成建筑物包括水庫大壩、入庫建筑物、供水兼退水建筑物等。該水庫位于洪積扇前沿的洼地內(nèi)，庫區(qū)地形較平坦，地勢開闊，總地勢西高東低，地面高程672～688m，地下水位埋深2.5～11.8m。水庫庫盤內(nèi)覆蓋層巨厚，巖性主要為第四系全新統(tǒng)～上更新統(tǒng)洪積含土角礫和低液限黏土，夾中-粉細(xì)砂和粉土層。含土角礫和低液限黏土在庫盤內(nèi)分布不均一，其中含土角礫主要分布于西庫盤，低液限黏土廣泛分布于東庫盤。供水兼退水建筑物坐落于水庫東壩段低液限黏土地基上，黏土層巨厚，地勘資料顯示80m深鉆孔覆蓋層未揭穿。

2 預(yù)壓法原理

堆載預(yù)壓法遵從Terzaghi有效應(yīng)力原理。飽和軟土地基在施加外部荷載后，土層中孔隙水通過滲流逐漸排出，使土中孔隙體積隨著時(shí)間推移逐漸減小，土層出現(xiàn)壓縮變形，地基承載能力逐漸得到提高。根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力原理，在總應(yīng)力保持不變的情況下，由于超靜孔隙水壓力的緩慢消散，作用在土體骨架上的有效應(yīng)力逐漸提高，地基土的強(qiáng)度逐漸增長。經(jīng)過預(yù)壓或超載預(yù)壓，卸除預(yù)壓荷載后再造建筑物，可顯著減小工后建筑物的沉降量。根據(jù)有效應(yīng)力原理，假設(shè)地基中某點(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：

根據(jù)式（1）可以看出，預(yù)壓法處理軟土地基必須滿足外加載系統(tǒng)和排水系統(tǒng)兩個(gè)條件。外加載系統(tǒng)是軟弱地基土層在一定荷載作用下固結(jié)所對(duì)應(yīng)的荷載大??；排水系統(tǒng)主要起到改變地基原有排水邊界條件、縮短排水距離、提高排水效率的作用。

3 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]

根據(jù)JGJ79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的表述，豎向排水系統(tǒng)主要包含：普通砂井、袋裝砂井、塑料排水板等。排水系統(tǒng)涉及到需要確定的內(nèi)容主要包括深度、直徑、間距、平面布置形式、砂墊層材料及厚度等項(xiàng)目。

3.1 深度

砂井深度一般宜穿透受壓土層，以10~25m為宜。本工程由于地基低液限黏土層巨厚，80m深鉆孔覆蓋層未揭穿，因而本工程砂井采用未打穿砂井，砂井深度結(jié)合施工能力和施工效率確定為25m。

3.2 直徑

普通砂井直徑一般為300~500mm，本工程砂井直徑采用300mm。

3.3 平面布置

普通砂井的平面布置主要有等邊三角形和正方形兩種布置形式。不同的砂井平面布置形式所對(duì)應(yīng)的等效直徑de與砂井間距L的關(guān)系為：

等邊三角形布置：de=1.05L；

正方形布置：de=1.13L。

本工程砂井平面布置采用正方形布置，砂井間距初擬為2000mm，則等效直徑de=1.13×2000=2260mm，最終間距根據(jù)砂井的井徑比計(jì)算確定。

3.4 砂井的井徑比

砂井的井徑比n=de/dw=7.53，普通砂井的井徑比n一般可按6~8選用，因而對(duì)于所選300mm的砂井而言，初擬的砂井間距2000mm是合理的。

4 預(yù)壓加載過程設(shè)計(jì)

根據(jù)工期要求，倒排施工計(jì)劃初擬預(yù)壓加載過程如下：本工程預(yù)壓荷載分3級(jí)施加，其中1級(jí)預(yù)壓荷載120kPa（根據(jù)地勘資料提供的地基承載能力確定），加載歷時(shí)60d，恒載預(yù)壓時(shí)間300d；2級(jí)預(yù)壓荷載120kPa，加載歷時(shí)60d，恒載預(yù)壓時(shí)間300d；3級(jí)預(yù)壓荷載160kPa，加載歷時(shí)60d，恒載預(yù)壓時(shí)間870d。預(yù)壓荷載施加須在砂井施工結(jié)束后進(jìn)行，分級(jí)加載預(yù)壓過程設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 分級(jí)加載預(yù)壓過程設(shè)計(jì)

5 固結(jié)度與工后沉降量計(jì)算

5.1 地基平均固結(jié)度

實(shí)際工程中，預(yù)壓荷載大多是采用分級(jí)施加的方式。分級(jí)加載下，工程中常用改進(jìn)太沙基法和改進(jìn)高木俊介法（JGJ79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》推薦方法）進(jìn)行各級(jí)預(yù)壓荷載下的地基平均固結(jié)度計(jì)算。本工程計(jì)算選用改進(jìn)高木俊介法，修正后的平均固結(jié)度計(jì)算公式為：

各級(jí)預(yù)壓荷載恒載預(yù)壓結(jié)束時(shí)刻，地基砂井處理層和砂井底部下臥層平均固結(jié)度計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 各層地基平均固結(jié)度計(jì)算結(jié)果

5.2 工后沉降量計(jì)算

三級(jí)恒載預(yù)壓結(jié)束（即預(yù)壓結(jié)束）時(shí)刻，地基砂井處理層和砂井底部下臥層沉降量分別按照上述兩層在預(yù)壓荷載下天然地基的最終沉降量與各層在預(yù)壓結(jié)束時(shí)刻的平均固結(jié)度相乘確定；工后沉降量為預(yù)壓荷載下天然地基的最終沉降量減去預(yù)壓結(jié)束時(shí)刻地基砂井處理層沉降量和砂井底部下臥層沉降量之和。堆載預(yù)壓荷載下天然地基的最終豎向變形量按照式（6）進(jìn)行計(jì)算：

式中sf為最終豎向變形量（mm）；e0i為第i層中點(diǎn)土自重應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的孔隙比；e1i為第i層中點(diǎn)土自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和所對(duì)應(yīng)的孔隙比；hi為第i層土層厚（mm）；ξ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于正常固結(jié)飽和黏性土地基可取ξ=1.1~1.14，荷載較大、地基土較軟弱時(shí)應(yīng)取較大值。預(yù)壓結(jié)束時(shí)刻，地基砂井處理層沉降量和砂井底部下臥層沉降量及工后沉降量計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 地基各層沉降量及工后沉降量計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)語

（1）在工期允許的情況下，砂井排水堆載預(yù)壓法在水利工程建設(shè)中對(duì)飽和軟土地基處理是一種可行的方案。

（2）堆載預(yù)壓結(jié)束時(shí)刻，砂井處理層地基平均固結(jié)度達(dá)到了98.47%，地基固結(jié)基本完成；砂井底部下臥層平均固結(jié)度僅19.19%，工后沉降量主要發(fā)生在該層。

（3）砂井排水堆載預(yù)壓處理后，有效控制了地基的工后沉降量，工后沉降量僅202.76mm，相比未處理的天然地基沉降量減少了789.18mm，即本文的堆載預(yù)壓方案處理的地基變形量占總沉降量的79.56%，處理效果十分顯著。

[1]魏汝龍.軟粘土的強(qiáng)度與變形[M].北京：人民交通出版社，1987.

[2]本書編寫委員會(huì).地基處理手冊(cè)（第二版）[K].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[3]梅國雄，徐鍇，宰金珉.真空預(yù)壓加固軟土地基變形機(jī)理的探討[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（9）：1168-1172.

[4]黃建華，張建勛，陳國周.飽和軟土地基堆載預(yù)壓排水固結(jié)沉降特性研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28（6）：87-93.

[5]唐良明，劉丹，黃己偉.預(yù)壓法加固淤泥質(zhì)粘土地基的技術(shù)分析[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2015，17（2）：103-105.

[6]JGJ79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].