蔡 烽

(溫州設(shè)計集團有限公司,浙江 溫州 325000)

1 工程概況

浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院位于東海之濱的溫州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)濱海園區(qū)丁山墾區(qū)；原場地深度約30 m范圍內(nèi)均為沖填土以及淤泥質(zhì)土,經(jīng)一次真空預(yù)壓處理之后效果并不是很理想,故提出再次進行地基處理,使其承載力有所提高并減小后期沉降。現(xiàn)地面高程3.70～5.00 m ,場地設(shè)計高程約為5.50 m。

本次軟基處理面積約3萬m2,設(shè)計處理時間為18個月。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告顯示,本次地基處理范圍內(nèi)土層自上而下描述如下：沖填土(①2層),灰色,為東海涂灘浮泥、砂沖填而成,其物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)為淤泥質(zhì)土性狀,夾(混)少量粉細砂,層厚1.10～2.50 m；黏土(①3層),灰褐、灰黃色,為原地表硬殼層,含鐵錳質(zhì)斑點和半碳化物,層厚0.50～1.10 m；淤泥夾粉砂(②1層),青灰、灰色,含少量腐殖質(zhì)及腐爛植物根系,不均勻地夾有少量粉砂,粉砂含量5%～10%,層厚8.70～10.30 m；淤泥(②2層),青灰色,含少量粉細砂、腐殖物碎屑、貝殼殘片,部分具水平微層理結(jié)構(gòu),土性呈流塑,高壓縮性,高靈敏度,層厚13.10～16.70 m； 粉質(zhì)黏土(③2層),灰色,含少量腐殖質(zhì),局部見有灰黃色泥質(zhì)結(jié)核,軟塑,中—高壓縮性,層厚3.60～8.30 m；黏土(④2層)灰、淺灰色，含少量腐殖物,夾少量粉細砂,局部為粉質(zhì)黏土，層厚11.60～22.60 m。

2 軟基處理方案對比

目前對軟土地基的處理方法較多[1],主要有水泥攪拌樁、砂樁法或碎石樁法、強夯法、排水固結(jié)法等等,其優(yōu)缺點如下。

2.1 砂樁法或碎石樁法

無須預(yù)壓,加固后可形成復(fù)合地基,施工速度快,承載力高,但其承載力與內(nèi)摩擦角及周圍土的強度有密切關(guān)系。該工程②1以及②2土層均為淤泥質(zhì)土,土體抗剪承載力低,單樁承載力有限,若提高置換率則會大大增加工程成本。

2.2 強夯法

強夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和土的粉土與黏性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基,若直接用來加固軟土地基是有待商榷的。由于該工程土層在30 m左右處深度以上均為飽和軟土,強夯后土中孔隙水壓力升高,地基土強度可能較強夯前更加低。

2.3 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁最大限度利用原土,攪動時無振動、無噪音、無污染,可快速施工,適用于加固淤泥、黏性土和粉土等地基,但其施工成本較高,在淤泥中需提高置換率才能達到既定的承載力。

2.4 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法是通過設(shè)置豎向以及水平向的排水體,通過表面施加一定壓力,使地基中的超孔隙水壓力通過排水體排出而使地基受到壓縮,強度得到提高的一種方法。排水固結(jié)法中的堆載預(yù)壓法是一種應(yīng)用較為成熟的方法,可將本例中①2沖填土以及②1層淤泥質(zhì)粉砂的承載力以及穩(wěn)定性逐步得到提高,并預(yù)先消除部分沉降。

排水固結(jié)法中目前使用較多的主要包括塑料排水板預(yù)壓堆載法、袋裝砂井預(yù)壓堆載法以及塑料排水板聯(lián)合真空預(yù)壓堆載法。將上述方案的優(yōu)缺點匯總見表1。

從表1中可以看出,塑料排水板堆載預(yù)壓的方案雖然所需時間長但效果保險且較優(yōu)[2],對本工程較為適用,其加固機理、作用設(shè)計、施工設(shè)備類似于砂井地基,一般是采用插板機將帶狀塑料排水板插入軟土中,在上部預(yù)壓荷載作用下,軟土中的孔隙水通過塑料排水板的通道逸出,在較短時間內(nèi)達到較高的固結(jié)度,以提高軟土地基的承載力和抗剪能力,從而保證地基的穩(wěn)定。該工法特別是用于大面積超軟弱地基土上進行機械化施工,可縮短地基加固周期,加固效果與袋裝砂井相同,加固費用比袋裝砂井節(jié)省10%左右,布置圖見圖1。

表1 各方案的優(yōu)缺點

圖1 塑料排水板布置示意圖

3 塑料排水板堆載預(yù)壓的設(shè)計計算

3.1 材料要求

3.1.1 土石料、砂墊層及土工布

“土石料”是指土石混和料,用于地基處理的堆載預(yù)壓材料,要求填土重度大于18 kN/m3,石骨料最大粒徑不大于200 mm,石骨料含量大于70%,含泥量小于30%,級配良好。根據(jù)場地實際情況,設(shè)計堆土厚度為2 m。

砂墊層在施工排水板前場地表面鋪設(shè),以使軟土頂面增加一個排水面,在堆載作用下促使地基土排水固結(jié),提高固結(jié)速度。砂墊層厚度取0.5 m,伸出坡腳1 m。采用滲水性好、潔凈、級配良好的中砂混碎石,中砂含泥量不大于3%,滲水系數(shù)不小于10-2cm/s,干密度不宜小于15 kN/m3,并將其中的植物、雜物除盡。

土工布使用無紡?fù)凉げ?具有抗拉強度高、滲透性好、耐高溫、抗冷凍、耐老化、耐腐蝕等特性。

3.1.2 塑料排水板

塑料排水板采用原生板,選用型號為B型,板寬100 mm。板芯采用高密度全新料聚乙烯制作,濾膜采用滌綸、丙綸等無紡布濾膜。整個復(fù)合體柔軟且有一定強度,以適應(yīng)地基沉降引起排水板彎曲變形時仍能正常發(fā)揮排水作用。

3.2 塑料排水板的間距

塑料排水板間距是一個極其重要的技術(shù)參數(shù)。間距小則固結(jié)速度加快,但工程造價高；間距大效果則相反。按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ 79—2012)》[3],對塑料排水板間距可按n=15～22選用,取井徑比n=19。將塑料排水板換算成相當(dāng)于砂井的直徑,直徑Dp按下式計算：

(1)

式(1)中：b為塑料排水板寬度；

δ為塑料排水板厚度；

a為換算系數(shù)，取1.0。

3.3 塑料排水板打設(shè)不同深度對比

在塑料排水板堆載預(yù)壓過程中,若塑料排水板打設(shè)過短,將影響地基處理效果且后期沉降較大；反之,若塑料排水板打設(shè)過長則會浪費。

根據(jù)該工程土質(zhì)情況,本工程地基較為均勻且軟弱土層很厚,設(shè)計堆土高度為2 m,附加應(yīng)力影響深度有限,故采用將塑料排水板穿過②1淤泥夾粉砂層,本文先計算土層最終總沉降量,18個月后計算排水板長度為15 m和20 m土體沉降,并進行對比。

3.3.1 最終總沉降量計算對比

未處理場地高程為3.70～5.00 m,工程設(shè)計高程約為5.50 m,設(shè)計堆土厚度2 m。假設(shè)大面積受均布荷載作用下,地基中的任意深度附加應(yīng)力沿深度不變,計算總堆土為2 m(荷載約36 kPa)的總沉降量。

沉降計算一般采用單向壓縮分層總和法[4],計算深度至④2黏土層,按e-б曲線計算,將地基分成若干薄層,如分為n層,其中第i層的壓縮量為：

ΔSi=(e0i-e1i)/(1+e0i)×Δhi

(2)

總壓縮量為：

S0=∑ΔSi

(3)

式(2)中：e0i為第i層中點土自重應(yīng)力所對應(yīng)的孔隙比；

e1i為第i層中土的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力之和相對應(yīng)的孔隙比；

hi為第i層的厚度。

查地質(zhì)資料各土層的e-p曲線,將各土層數(shù)據(jù)代入計算得到土體最終沉降，見表2。

表2最后得出土表最終總沉降量約為S=911.5 mm,考慮瞬時沉降時,采用經(jīng)驗系數(shù),據(jù)查溫州機場的經(jīng)驗系數(shù)為1.12,故最終總沉降量S=1.12×911.5=1 020.9 mm。

表2 土體沉降量

現(xiàn)計算18個月后,塑料排水板打設(shè)深度15 m和20 m的沉降量進行比較。從表2中可以看到,②2層以下土層的沉降量相對上部較小,為簡化計算,將計算深度確定在②2層底部28.3 m處。

3.3.2 18個月后沉降量計算對比

由于堆土加載時間相對于總預(yù)壓時間較小可忽略,故假設(shè)荷載為一次性加載。按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ 79—2012)》[3]中5.2.8條規(guī)定計算,當(dāng)排水豎井采用擠土方式施工時,應(yīng)考慮涂抹對土體固結(jié)的影響；當(dāng)豎井的縱向通水量qw與天然土層水平向滲透系數(shù)kh的比值較小,且長度又較長時,同時考慮井阻及涂抹效應(yīng)。由于固結(jié)時間僅有18個月,故土體以主固結(jié)為主,忽略次固結(jié)的影響。沉降量計算考慮兩部分,包括塑料排水板貫穿軟土層內(nèi)的固結(jié)沉降量St1計算和塑料排水板未貫穿軟土層內(nèi)的固結(jié)沉降量St2計算。

3.3.2.1 塑料排水板打設(shè)15 m

1)塑料排水板貫穿軟土層內(nèi)的固結(jié)沉降計算

水平向固結(jié)

(4)

式中:Ur為t時刻地基的徑向排水平均固結(jié)度。

當(dāng)考慮涂抹和井阻效應(yīng)、豎井穿透受壓土層時,按照《建筑地基處理規(guī)范(JGJ 79—2012)》中5.2.8條考慮井阻以及涂抹作用,取

F=Fn+Fs+Fr

(5)

Fn=ln(n)-0.75

(6)

(7)

(8)

式(4～8)中Cv=kv(1+e)/rw/a,將土體各參數(shù)代入并取平均值可得到,Cv=6.685×104cm2/s,同樣可得到Ch=8.968×10-4cm2/s,qw為排水板由試驗測定的容許通水量,取25 cm3/s；kh為地基原狀的水平向滲透系數(shù)0.55×10-6cm3/s；H為排水板深度,取15 m；ks為涂抹區(qū)土的水平向滲透系數(shù),可取ks=0.25kh;s為涂抹區(qū)直徑ds與豎井直徑dw的比值,可取s=2～3,對中等靈敏黏性土取低值,對高靈敏黏性土取高值,本工程s取2.5。將上述參數(shù)代入上式可得到：F=5.065,代入求得Ur=0.998。

豎向固結(jié)：

根據(jù)太沙基的一維固結(jié)理論：

m=1,3,5,7,…(2n-1)

(9)

Uv為豎向固結(jié)度,其中Tv=Cv×t/H2,Cv=kv(1+e)/rw/a,將土體各參數(shù)代入并取平均值可得到Cv=6.777×10-4cm2/s,Tv=0.014 05,代入上式得到Uv=0.216。

平均固結(jié)度Urv=1-(1-Ur)(1-Uv)=0.998,則歷經(jīng)時間t的固結(jié)沉降為：

St1=Urv·S1

(10)

則排水板貫穿軟土層內(nèi)的固結(jié)沉降St1=Ut·S1=0.998×40.63=405.4 mm。

2)塑料排水板未貫穿軟土層內(nèi)的固結(jié)沉降計算。

未打穿軟土層內(nèi)的固結(jié)沉降由于土層沉降量較小,可采用太沙基的一維固結(jié)理論。在塑料排水板未貫穿軟土層內(nèi),假設(shè)塑料排水板底部15 m為排水面,土體為單面排水,按豎向固結(jié)進行計算。將土體各參數(shù)代入式(9)并取平均值可得到,Cv=5.6×10-4cm2/s,Tv=0.014 77,最后得到Ur=0.218。

則排水板未貫穿軟土層內(nèi)的固結(jié)沉降St2=Ur×S2=0.218×30.77 =6.71 mm。

則18個月后的地基總固結(jié)沉降量S=St1+St2=6.71+40.54=47.25 cm。

3.3.2.2 塑料排水板打設(shè)20 m

同樣采用上述方法,按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ 79—2012)》[3]中規(guī)定計算,計算塑料排水板打設(shè)20 m,18個月后土體的沉降量。

根據(jù)式(4)至式(10),計算得到排水板貫穿軟土層內(nèi)的固結(jié)沉降St1=405.9 mm,式中得到排水板未貫穿軟土層內(nèi)的固結(jié)沉降St2=80.5 mm。則可以得到18個月后,塑料排水板打設(shè)20 m的地基總固結(jié)沉降量S=St1+St2=8.05+40.59=48.84 cm。

現(xiàn)將計算得到的18個月內(nèi)塑料排水板打設(shè)15 m和20 m,沉降隨時間變化的曲線見圖2。

圖2 塑料排水板打設(shè)15 m和20 m的比較

從圖2中可以看出,兩者的沉降量相差僅為15.9 mm,則得出當(dāng)塑料排水板由15 m增加至20 m,增加25%的長度時,土體的沉降量僅增加了3.4%。事實上,在計算堆土為2 m的情況下,大面積受均布荷載作用地基中的任意深度附加應(yīng)力是不可能沿深度不變的,應(yīng)為遞減的趨勢,且塑料排水板過長也可能導(dǎo)致淤泥堵孔的現(xiàn)象發(fā)生。故從經(jīng)濟和排水效率的角度出發(fā),采用15 m的塑料排水板較為合理。

4 與實際工程對比

由于受條件和時間所限,目前工程實測到的沉降數(shù)據(jù)僅有近5個月左右的時間,且大面積的堆載情況下局部區(qū)域的沉降數(shù)據(jù)相差較大,故取沉降較為平均的兩個點與理論計算所得的沉降曲線進行比較。

圖3 理論值與實測值對比

從圖3中可以看出,理論計算值與實測值相差較小,且沉降速率較為一致。一般情況而言,理論計算值要較實測值大,分析原因是各方面的,但筆者認為主要原因可能是計算中假設(shè)地基的任意深度附加應(yīng)力沿深度不變,但由于堆載土高僅有2 m,附加應(yīng)力影響深度是有限且應(yīng)是沿深度逐漸遞減的一個過程[4]。

5 結(jié) 語

綜上所述,采用塑料排水板堆載預(yù)壓方案處理溫州濱海園區(qū)的土質(zhì)情況是較為合理的,且達到了預(yù)期要求的效果。文中的計算方法和設(shè)計要求將對未來溫州軟基處理的發(fā)展具有重要的實際意義和價值。