郭 棟，江輝煌

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東 深圳 518000)

堆載預(yù)壓法是加固軟土地基常用的方法之一[1]。在堆載預(yù)壓過(guò)程中，通過(guò)加載使軟土地基產(chǎn)生附加應(yīng)力，使孔隙水產(chǎn)生水頭差，并通過(guò)由塑料排水板(砂井)、砂墊層、盲溝、集水井組成的排水通道向外排水，使得有效應(yīng)力增加，土的抗剪強(qiáng)度增加，進(jìn)而達(dá)到地基加固的目的[2-3]。

順利排出孔隙水是加速土體固結(jié)的關(guān)鍵條件之一，然而在填海造地等大面積軟土地基處理工程中，排水系統(tǒng)工作效果常常達(dá)不到預(yù)期，地基處理質(zhì)量受到影響。本文結(jié)合一機(jī)場(chǎng)填海工程堆載過(guò)程沉降監(jiān)測(cè)情況對(duì)工程中出現(xiàn)的集水井排水少或排不出水的現(xiàn)象進(jìn)行分析。

1 工程概況及集水井排水情況

1.1 工程概況

本工程是一機(jī)場(chǎng)填海造陸的一部分，用海面積7.58 km2，吹填及處理面積為6.95 km2。

堆載過(guò)程：①場(chǎng)地首先吹填至標(biāo)高2.0 m，并進(jìn)行整平；②場(chǎng)地用小型機(jī)械填砂墊層或吹填砂墊層，厚0.5 m；③埋設(shè)塑料排水板，排水板采用SPB-100B型整體式，間距1.0 m；④吹填砂至5.0 m，施工吹填圍堰，吹填砂至9.0 m；⑤堆載砂料至最終堆載厚度；⑥設(shè)計(jì)滿(mǎn)載預(yù)壓時(shí)間150 d，實(shí)際滿(mǎn)載時(shí)間由沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)推算工后沉降確定；⑦預(yù)壓完成后，卸載預(yù)壓砂至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)按水平距離50 m呈正方形布置。場(chǎng)地共分P2，P3，S9，S10，S11(P2，P3為二跑道和三跑道)5個(gè)區(qū)，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照P2(區(qū)號(hào))-4(序號(hào))形式進(jìn)行編號(hào)。

1.2 集水井排水情況

工程堆載在完成砂墊層鋪設(shè)后按施工區(qū)域分為2個(gè)階段依次堆載，在第1階段堆載完成后，27個(gè)集水井中1#，2#，3#，13#—19#等10個(gè)集水井排不出水或排水很少。施工單位自行在原設(shè)計(jì)集水井旁重新補(bǔ)充的集水井(見(jiàn)圖1)效果也不佳。

圖1 集水井分布示意

2 集水井排水效果不佳原因分析

2.1 砂墊層斷裂或被堵塞

選取場(chǎng)地中的淤泥厚度分別為1.5，12.0 m的P2-4、P3-8這2個(gè)具有代表性沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，得到的堆載-沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 堆載-沉降曲線(xiàn)

由圖2可知：場(chǎng)地中各點(diǎn)的沉降變化是一個(gè)沉降、隆起、穩(wěn)定不斷反復(fù)的過(guò)程。在反復(fù)的過(guò)程中，劇烈沉降對(duì)砂墊層有拉薄作用，嚴(yán)重者甚至拉斷砂墊層;反復(fù)的沉降隆起則會(huì)對(duì)砂墊層有類(lèi)似揉搓的作用，改變砂墊層形態(tài)，同時(shí)使淤泥與砂墊層混合，降低砂墊層滲透系數(shù)，影響場(chǎng)地排水效果。

2.2 洼地積水

堆載預(yù)壓過(guò)程中，受地形、軟土層厚度、荷載、施工擾動(dòng)等因素影響，場(chǎng)地中的沉降是不均勻的。各點(diǎn)的沉降實(shí)際上也是砂墊層的沉降。在整個(gè)堆載預(yù)壓過(guò)程中，砂墊層的位置會(huì)隨著淤泥層沉降的變化不斷變化，最終隨著淤泥層不斷固結(jié)形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的褶皺的曲面。堆載53周時(shí)場(chǎng)地沉降云圖如圖3所示，可知洼地積水在場(chǎng)地中是普遍現(xiàn)象。

圖3 堆載53周時(shí)場(chǎng)地沉降云圖(單位：mm)

圖4 跑道不均勻沉降分布(時(shí)間：2016年5月—2017年1月)

根據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，滲水暗溝的縱坡不宜小于5‰，施工困難時(shí)亦不應(yīng)小于2‰。圖4為場(chǎng)地中P2跑道的一條與跑道方向平行的監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成的監(jiān)測(cè)線(xiàn)，且為各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)堆載過(guò)程中每月擬合的沉降曲線(xiàn)，其中相鄰點(diǎn)平均坡度>5‰的有6處。在排水過(guò)程中，水頭差足以使地下水向沉降最大的點(diǎn)方向匯集，達(dá)不到設(shè)計(jì)排水路徑的效果[5]，形成局部積水，導(dǎo)致場(chǎng)地中孔隙水無(wú)法通過(guò)相應(yīng)的集水井及時(shí)排出去。

堆載過(guò)程不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致砂墊層斷裂或淤泥顆粒進(jìn)入砂墊層，堵塞砂墊層。不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致洼地積水，集水井位置沒(méi)有布置到洼地積水的位置。這2方面因素將會(huì)導(dǎo)致集水井無(wú)法正常發(fā)揮作用。

3 洼地積水對(duì)于地基處理質(zhì)量的影響

3.1 洼地積水減少了有效應(yīng)力

積水處相對(duì)砂墊層為水平面狀態(tài)時(shí)，在積水浮力作用下，1 m高的積水將使荷載減小10 kPa。根據(jù)JGT 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[6]有

τft=τf0+σzΔUtanφcu

(1)

式中：τft為地基處理后抗剪強(qiáng)度；τf0為地基土的天然抗剪強(qiáng)度；σz為堆載預(yù)壓引起的該點(diǎn)附加應(yīng)力；ΔU為該點(diǎn)土的固結(jié)度；φcu為三軸固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)求得的土的內(nèi)摩角。

設(shè)積水壓力為荷載的1/n，則地基增長(zhǎng)強(qiáng)度為設(shè)計(jì)值的(n-1)/n。以本工程中最大堆載荷載120 kPa(最大超載預(yù)壓情況)為例，在積水1 m的情況下，也會(huì)使預(yù)壓效果減小8.3%以上。

3.2 從滲流角度分析洼地積水對(duì)地基處理質(zhì)量的影響

堆載預(yù)壓土體固結(jié)的過(guò)程從滲流角度可以理解為：堆載荷載使土體內(nèi)各點(diǎn)產(chǎn)生不均等的水壓增量，形成土體內(nèi)水壓與邊界間水壓分布的不平衡，然后孔隙水排出，直到水壓轉(zhuǎn)化為與邊界相適應(yīng)的新平衡為止，固結(jié)完成[7]。

設(shè)積水厚度為1 m，則積水處固結(jié)排出的孔隙水相對(duì)于砂墊層水平狀態(tài)需要克服10 kPa的重力才能夠排出去[8](如圖5)。當(dāng)超孔隙水壓力消散到10 kPa時(shí)土體內(nèi)外水壓相等，滲流停止，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。同樣以工程中最大荷載為例，洼地積水處將會(huì)在固結(jié)度為91.7%時(shí)停止固結(jié)。假設(shè)竣工時(shí)水平狀態(tài)固結(jié)度為1，結(jié)合積水減少荷載的影響，根據(jù)式(1)洼地積水處的固結(jié)度將為0.9172=0.841，說(shuō)明總荷載的約15%沒(méi)有產(chǎn)生效益。根據(jù)積水水壓力等效固結(jié)模型(如圖6 所示)，最大沉降差接近2 m，最終固結(jié)度為0.694，可知約30.5%的荷載沒(méi)有產(chǎn)生效益。

圖5 洼地積水固結(jié)模型

圖6 積水水壓力等效固結(jié)模型

洼地積水會(huì)改變孔隙水的滲流條件，降低最終滲流平衡時(shí)的固結(jié)度，地基增長(zhǎng)強(qiáng)度為設(shè)計(jì)值的[(n-1)/n]2。

3.3 固結(jié)方程固結(jié)度計(jì)算

積水壓力為邊界力，理由為：①在大面積堆載預(yù)壓過(guò)程中，塑料排水板附近無(wú)外來(lái)水源;固結(jié)過(guò)程中，孔隙水向外滲流、匯集到達(dá)集水井底部后排出，積水是整個(gè)滲流排水中的一個(gè)環(huán)節(jié)；②孔隙水向外滲流過(guò)程中，豎向滲流和徑向滲流同時(shí)進(jìn)行，土體中孔隙水壓力大于外部靜水壓力；③相對(duì)于砂墊層水平狀態(tài)，1 m的水頭差可以等效為洼地處減少10 kPa的滲透力，會(huì)降低孔隙水的滲流速度。因此積水壓力是邊界力。

將積水壓力等效為滲透力[9]，它使得水力坡降降低，滲流速度減緩，固結(jié)速度降低[10]。根據(jù)式(2)[8]可等效為滲透系數(shù)的降低。通過(guò)式(3)、式(4)進(jìn)行徑向固結(jié)度的計(jì)算和對(duì)比。

v=ki

(2)

(3)

(4)

設(shè)砂墊層水平狀態(tài)下淤泥層平均固結(jié)度為0.9(JGJ 79—2012驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn))，則在積水1 m高時(shí)徑向固結(jié)度為0.85;積水2 m高時(shí)，徑向固結(jié)度為0.68。結(jié)合前面減少的有效應(yīng)力通過(guò)式(1)計(jì)算，積水1 m時(shí)的增長(zhǎng)強(qiáng)度為設(shè)計(jì)預(yù)期的0.86，14%的荷載沒(méi)有發(fā)揮效益，積水2 m時(shí)的增長(zhǎng)強(qiáng)度只有設(shè)計(jì)預(yù)期的0.5，50%的荷載沒(méi)有發(fā)揮效益。

固結(jié)方程計(jì)算結(jié)果與滲流分析計(jì)算結(jié)果近似，說(shuō)明洼地積水厚度將會(huì)降低固結(jié)度，最終地基增長(zhǎng)強(qiáng)度約為設(shè)計(jì)值的[(n-1)/n]2。

4 結(jié)論

1)堆載過(guò)程不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致砂墊層斷裂或淤泥顆粒進(jìn)入砂墊層，堵塞砂墊層；不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致洼地積水，集水井位置沒(méi)有布置到洼地積水的位置。這2方面因素導(dǎo)致集水井無(wú)法正常發(fā)揮作用。

2)在堆載初期，高壓縮性土場(chǎng)地中各點(diǎn)的沉降差足以使固結(jié)過(guò)程中排除的孔隙水通過(guò)砂墊層向洼地匯集，形成洼地積水現(xiàn)象。洼地積水是普遍現(xiàn)象。

3)洼地積水通過(guò)減少有效應(yīng)力、改變固結(jié)排水邊界條件2方面因素降低了工程效益和地基處理質(zhì)量，增大了產(chǎn)生軟弱地基的可能性。在大面積高壓縮性土堆載預(yù)壓過(guò)程中，洼地積水現(xiàn)象不容忽視。

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