李文堅(jiān)

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)力的提高，塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法的施工工藝日臻完善，施工效果也得到顯著提高。該軟基處理方法因具有造價(jià)低、施工簡便、加固效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，在沿海地區(qū)，特別是珠三角和長三角地區(qū)的深厚軟土地基處理工程中得到廣泛應(yīng)用，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

在塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法實(shí)施之前，沉降大小預(yù)估算值的合理確定，有利于準(zhǔn)確確定堆載高度，也是信息化施工不可或缺的項(xiàng)目，對(duì)處理效果成功與否具有重要意義。對(duì)該聯(lián)合預(yù)壓法下深厚軟土地基的沉降量，眾多學(xué)者進(jìn)行過各種現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值分析等預(yù)測[4-6]。本文結(jié)合工程實(shí)例，利用理正巖土軟件和Midas GTS/NX 有限元軟件對(duì)塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法作用下深厚軟土地基的沉降進(jìn)行計(jì)算和模擬，以確定堆載高度，并與現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，探究沉降量預(yù)估算值的合理性以及聯(lián)合堆載預(yù)壓法的實(shí)施效果。

2 基本原理

塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法是利用在軟土地基中打設(shè)的塑料排水板作為豎向排水通道，以軟土地基表面預(yù)鋪設(shè)的砂墊層以及砂墊層中預(yù)埋設(shè)的濾水管道作為橫向排水通道。將不透氣的薄膜鋪設(shè)在砂墊層表面，通過射流泵將薄膜下土體中的氣體抽出，使得土體與砂墊層及排水板之間形成壓力差，發(fā)生滲流，進(jìn)而使軟土中的孔隙水壓力不斷降低，促使軟土層固結(jié)沉降。同時(shí)，真空壓力與不透氣薄膜上部堆載共同給軟土施加超載，有效解決傳統(tǒng)真空預(yù)壓壓力不足的問題，加速薄膜下軟土的排水固結(jié)沉降。同時(shí)，上部預(yù)壓土方與路基填筑土方結(jié)合使用，預(yù)壓土方同時(shí)為路基填筑的土方使用，減少工序，節(jié)省投資。

3 工程案例

3.1 工程概況

擬建場地位于珠海市高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)的平沙片區(qū)的濱海近岸淺海地帶，屬海陸交互相海積平原地貌，場地經(jīng)填土平整，地勢平坦。工程實(shí)例為既有廣珠線珠海西站站房對(duì)側(cè)，貨場同側(cè)新增的2 條到發(fā)線及4 條貨物線路基。整個(gè)場區(qū)已完成吹填工程，但實(shí)際吹填后的場區(qū)高程為3.4 m，低于設(shè)計(jì)吹填高程約0.4～0.6 m。本次場區(qū)軟土地基處理按實(shí)際吹填后高程進(jìn)行設(shè)計(jì)。地基處理總面積約2.7×105m2，相當(dāng)于39 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場的面積。

3.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

場區(qū)的巖土層按其成因分類主要有上覆第四系填土、淤泥質(zhì)土、中砂、粗砂（礫砂）、粉質(zhì)黏土；下伏燕山晚期（γ35）花崗巖。

其中，素填土呈褐黃色，稍濕，主要成分為黏性土和強(qiáng)風(fēng)化碎塊，欠壓實(shí)。該層分布場地邊緣道路和既有貨場進(jìn)場道路南側(cè)，平均層厚1.37 m；沖填土呈褐灰色、褐黃色，松散，主要由細(xì)砂沖填而成，局部混黏性土及碎石，該層在場地廣泛分布。層厚1.30～7.00 m，平均3.42 m；淤泥質(zhì)土呈灰黑色、褐灰色、深灰色，流塑，局部含貝殼及粉細(xì)砂，具臭味，該層在場地內(nèi)廣泛分布，平均層厚24.13 m，結(jié)構(gòu)松軟，承載力低，具高壓縮性和觸變性，有臭味，易產(chǎn)生流變。

場區(qū)地下水主要為賦存于沖填土、粉砂、中砂層、粗砂層中的孔隙潛水，場地內(nèi)地層除沖填土、粉砂層、中砂層、粗砂層為強(qiáng)透水層外，其余地層均為弱～微透水層。地下水主要受相鄰含水層和海水的側(cè)向補(bǔ)給及大氣降水的垂直滲透補(bǔ)給，以水平徑流排泄為主。

3.3 軟基處理方案

采用真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓聯(lián)合加固軟土的方式進(jìn)行地基加固。塑料排水板打設(shè)深度22～27 m，采用正三角形布置，間距1.0 m。

考慮地基處理面積較大，設(shè)計(jì)過程將場地根據(jù)邊界條件和地層分布劃分為11 個(gè)區(qū)，單個(gè)區(qū)域平面面積為1.3×104～3.5×104m2不等。各區(qū)域四周根據(jù)不透水層埋深設(shè)計(jì)了密封溝或雙排咬合黏土攪拌樁密封墻。

主要施工順序?yàn)椋海?）場地準(zhǔn)備：場地清表、開挖、平整；（2）打設(shè)攪拌樁密封墻與開挖密封溝；（3）鋪設(shè)30 cm 砂層；（4）打設(shè)塑料排水板；（5）鋪設(shè)真空管系；（6）鋪設(shè)20 cm 砂層；（7）鋪設(shè)保護(hù)土工布1 層、密封膜2 層，密封膜壓入密封溝；（8）抽真空；（9）堆載；（10）監(jiān)測控制；（11）場地整平。

堆載預(yù)壓土體填筑應(yīng)在當(dāng)真空壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求并穩(wěn)定15 d 后，再進(jìn)行堆載，并繼續(xù)抽真空。堆載前應(yīng)在膜上鋪設(shè)1層短纖針刺土工布(200 g/m2)保護(hù)層、保護(hù)層上鋪設(shè)20 cm 厚砂墊層。本次真空聯(lián)合堆載預(yù)壓在荷載到達(dá)滿載的狀態(tài)下，預(yù)壓不少于200 d。

4 沉降計(jì)算

為了充分利用上部堆載土體，避免后期過多的土石方回填或開挖，設(shè)計(jì)過程對(duì)堆載高度進(jìn)行了充分研究。根據(jù)前期珠海西站工程的試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測資料，地面沉降為1.6～2.0 m，結(jié)合本次工程地質(zhì)條件與實(shí)驗(yàn)區(qū)的差異，擬采用2.0 m 的堆載高度。并采用理正巖土軟件和Midas GTS/NX 有限元軟件對(duì)沉降量進(jìn)行了計(jì)算和驗(yàn)證。

4.1 理正模型計(jì)算

理正模型計(jì)算寬度取50 m，模型地層分布選取該場地代表性位置，土層自上而下分別為：填土層，厚1.5 m；淤泥，厚25 m；粉質(zhì)黏土，厚5 m。膜下真空壓力取80 kPa，真空預(yù)壓持續(xù)時(shí)間6 個(gè)月；堆載強(qiáng)度取40 kPa；排水板打設(shè)深度26 m，等效排水板直徑取dw=2(a+b)/π，（式中，a 為排水板厚度，取4.2 mm；b 為排水板寬度，取100 mm。）計(jì)算得dw=66 mm。土層參數(shù)見表1。排水板參數(shù)見表2。

表1 土體模型計(jì)算參數(shù)見

理正計(jì)算結(jié)果顯示，塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法作用下場地最大沉降值為1.805 m，如圖1 所示。

圖1 理正巖土計(jì)算沉降圖（單位：m）

4.2 有限元分析

4.2.1 模型建立

目前，塑料排水板-真空-堆載預(yù)壓地基固結(jié)常用的模擬方式都是簡化為二維平面模型，將排水板地基轉(zhuǎn)化為排水板墻地基，然后進(jìn)行平面應(yīng)變計(jì)算。經(jīng)過此種轉(zhuǎn)換之后，地基各點(diǎn)的幾何位置已不能和原型一一對(duì)應(yīng)，該方法缺陷較大，對(duì)孔壓、橫向應(yīng)變等的計(jì)算結(jié)構(gòu)不太理想。本文將排水板視為實(shí)體單元，以單個(gè)排水板的平面作用范圍為模型水平剖面，選取該場地代表性位置建立三維模型。模型土層同4.1。土體模型計(jì)算參數(shù)見表1。排水板參數(shù)見表2。

表2 排水板參數(shù)表

4.2.2 荷載及邊界條件

荷載定義共3 組：一組為模型自重；一組為真空壓力，定為80 kPa；一組為堆載壓力40 kPa。模型邊界條件包括支撐條件、排水條件和節(jié)點(diǎn)水頭。支撐條件采用側(cè)面僅允許豎向位移，底部固定3 個(gè)方向的約束；定義模型頂面節(jié)點(diǎn)和塑料排水板單元節(jié)點(diǎn)為排水邊界條件；考慮抽真空將降低地下水水頭定義模型頂面的節(jié)點(diǎn)水頭高度為-8 m。

4.2.3 模型計(jì)算結(jié)果

圖2 為通過有限元軟件模擬聯(lián)合加載200 d 后得到的模型豎向變形云圖，從圖2 中可以得到地表沉降量為1.950 m，與模擬過程采用的2.0 m 堆載誤差在3%以內(nèi)。

圖2 豎向變形云圖

兩種計(jì)算方法得到的該場地代表性位置在塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法下的沉降量分別為1.805 m 和1.950 m，兩者差異可控?？紤]施工方便，實(shí)際施工過程堆載高度取2.0 m。

5 施工效果

由于實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，僅保留有少量記錄，記錄中場坪大部分區(qū)域最終實(shí)際沉降量與預(yù)估沉降值差異在±20 cm 以內(nèi)，誤差不大于10%。個(gè)別區(qū)域沉降接近0.5 m。由此可見，前期的沉降量預(yù)估算值具有一定的可靠性。個(gè)別區(qū)域因軟土層較厚，與理正計(jì)算和數(shù)值模擬選用的代表性地層情況差異明顯，實(shí)際沉降較大。聯(lián)合堆載預(yù)壓結(jié)束后，根據(jù)實(shí)際固結(jié)沉降后的場坪高程與設(shè)計(jì)場坪高程差進(jìn)行了少量補(bǔ)填碾壓密實(shí)。

6 結(jié)論

1）塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法，有效解決傳統(tǒng)真空預(yù)壓壓力不足的問題，加速薄膜下軟土的排水固結(jié)沉降，可有效降低場地工后沉降。

2）采用理正巖土軟件和Midas GTS/NX 有限元軟件模擬計(jì)算得到的軟基在塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法下的沉降量差異較小，對(duì)于確定堆載高度均有一定的可靠性。

3）場地大部分區(qū)域?qū)嶋H沉降值與預(yù)估算沉降值差異在10%以內(nèi)，說明選用的堆載高度是合理可行的。

4）上部堆載預(yù)壓土方與路基填筑土方結(jié)合使用，預(yù)壓土方同時(shí)為路基填筑的土方使用，一舉兩得，節(jié)省工序，節(jié)約工期，在投資控制上具有明顯優(yōu)勢。