吳志敏，于 靜，卓 敏

(1.東莞市水務(wù)技術(shù)中心，廣東 東莞 523000；2.浙江水利水電學(xué)院，杭州 310000)

1 概述

東莞市是廣東省中心城市，隨著城市的開發(fā)發(fā)展，須不斷完善市政道路的建設(shè)。而東莞地區(qū)位于珠江三角洲海陸交互相堆積平原，其東江三角洲河網(wǎng)地區(qū)蘊(yùn)藏著厚達(dá)數(shù)十米的軟土層，市政道路的建設(shè)須對(duì)軟土路基進(jìn)行處理。因道路工程軟土路基處理設(shè)計(jì)主要以工后沉降為控制指標(biāo)[1]，在采用堆載預(yù)壓塑料排水板進(jìn)行軟基處理設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于提前估算沉降量和工后沉降量，規(guī)范[2-3]沒有給出明確規(guī)定；同時(shí)對(duì)于堆載預(yù)壓或超載預(yù)壓的載荷量亦沒有明確規(guī)定，且堆載預(yù)壓固結(jié)處理的分級(jí)加載標(biāo)準(zhǔn)也需根據(jù)不同工程考慮；本文通過一例東莞市軟土路基處理工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐，探索了塑料排水板處理軟土路基的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并通過實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)類似路基處理工程設(shè)計(jì)有借鑒意義。

2 工程背景

擬建市政道路工程項(xiàng)目位于東莞市麻涌鎮(zhèn)新沙工業(yè)園，為城市次干路，道路全長(zhǎng)約2.4 km，雙向四車道，路幅總寬度為28 m，車道處理寬14 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km/h，為瀝青混凝土柔性路面。

2.1 工程地質(zhì)

經(jīng)勘探，按地層成因類型和巖土層性質(zhì)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)的第四系地層自上而下分為：填土層(Qml)、第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積相(Qmc)、殘積土層(Qel)及上第三系中新統(tǒng)(N1)。具體描述如下。

1-1雜填土：稍濕，結(jié)構(gòu)松散，成分雜，主要以粘性土為主，夾碎磚、石、砼塊等建筑垃圾及部分生活垃圾，新近回填。揭露層厚約0.80～3.70 m，平均1.87 m。建議本層地基承載力基本容許值[fa0]=70 kPa。

1-2素填土：灰黃、黃褐色，稍濕，結(jié)構(gòu)松散，成分主要以粘性土及回填砂為主，局部夾少量碎磚、石、砼塊，露層厚約0.50～3.60 m，平均2.12 m。承載力基本容許值[fa0]=90 kPa。

2-1有機(jī)質(zhì)高液限粘質(zhì)土：灰黑色，飽和、軟～流塑，成分以粉粘粒為主，含部分有機(jī)質(zhì)及粉細(xì)砂，稍具異味，揭露層厚約4.60～21.40 m，平均9.44 m。該層進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)33次，實(shí)測(cè)擊數(shù)N=1.0擊，平均值1.0擊，標(biāo)準(zhǔn)值1.0擊；承載力基本容許值[fa0]=45 kPa。最大含水量81.2%，平均含水量71.3%。

2-2細(xì)砂土：灰白、黃褐色，飽和，松散，組份以粉、細(xì)砂粒為主，含少量淤泥質(zhì)成份及粗顆粒，礦物成分以石英、云母、長(zhǎng)石為主。揭露層厚約1.00～8.50 m，平均4.63 m。該層進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)13次，最大值N=9.0擊，平均值7.4擊，標(biāo)準(zhǔn)值6.0擊。承載力基本容許值[fa0]=100 kPa。

2-3有機(jī)質(zhì)高液限粘質(zhì)土：灰黑色，飽和、軟塑為主，成分以粉粘粒為主，含部分有機(jī)質(zhì)，粉細(xì)砂含量稍高，稍具異味，干強(qiáng)度一般、韌度一般、壓縮性高。揭露層厚約0.85～8.70 m，平均4.43 m。該層進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)6次，實(shí)測(cè)擊數(shù)N=1.0～2.0擊，平均值1.5擊；承載力基本容許值[fa0]=55 kPa。最大含水量80.3%，平均含水量71.1%。

2-4細(xì)砂土：灰白、黃褐色，飽和，松散，組份以粉、細(xì)砂粒為主，含少量淤泥質(zhì)成份及粗顆粒，礦物成分以石英、云母、長(zhǎng)石為主。揭露層厚約1.50～7.30 m，平均4.74 m。該層進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)5次，最大值N=9.0擊，平均值8.6擊，標(biāo)準(zhǔn)值8.0擊。地基承載力基本容許值[fa0]=115 kPa。

2-5中砂土：黃褐色，飽和，稍密，組份以粗砂粒為主，含少量細(xì)礫，礫徑2～5 mm，礦物成分以石英、云母、長(zhǎng)石為主。揭露層厚約350～6.15 m，平均5.06 m。該層進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)6次，最大值N=14.0擊，平均值13.7擊，標(biāo)準(zhǔn)值13擊。承載力基本容許值[fa0]=150 kPa。

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭露并結(jié)合地質(zhì)環(huán)境，場(chǎng)地內(nèi)地下水主要為第四系孔隙水及下伏基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于砂土層中，為強(qiáng)透水含水層，水量較大；基巖裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙中，水量不均勻，其補(bǔ)給來源主要為外圍基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，并接受上部第四系土層孔隙水的垂向補(bǔ)給。

填土層包氣帶中局部隔水層上含上層滯水，上層滯水的季節(jié)變化劇烈，一般多在雨季存在，旱季消失，水量一般較為有限。典型地質(zhì)剖面示意見圖1，巖土參數(shù)見表1。

圖1 典型地質(zhì)剖面示意

表1 主要巖土層參數(shù)

3 軟基處理設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

3.1 軟基處理設(shè)計(jì)方案比選

常規(guī)的深層軟土路基處理方法有真空堆載預(yù)壓、塑料排水板堆載預(yù)壓、攪拌樁復(fù)合地基、CFG樁復(fù)合地基等方法，各軟基處理方法優(yōu)缺點(diǎn)[4]見表2所示。

由于本工程位于工業(yè)區(qū)，周邊有其他交通出行通道，對(duì)于工期的要求不高，對(duì)于經(jīng)濟(jì)性的要求較高；因此經(jīng)綜合比選，選擇排水能力強(qiáng)、質(zhì)量可靠、造價(jià)最低的塑料排水板堆載預(yù)壓處理方法，典型處理斷面示意見圖2。

3.2 路床頂車輛荷載計(jì)算

根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](CJJ37—2012)的規(guī)定，市政道路路面設(shè)計(jì)以雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，雙圓荷載的靜壓力p=0.7 MPa(輪胎與地面的接觸壓力)；設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)層厚度為0.63 m；因此，按照分布角方法[6]計(jì)算土基頂面附加應(yīng)力及結(jié)構(gòu)層自重應(yīng)力見表3所示，因此設(shè)計(jì)路基頂面應(yīng)力取80 kPa。

3.3 固結(jié)度計(jì)算

3.3.1分級(jí)加載設(shè)計(jì)

為模擬通行后路床頂車輛荷載，設(shè)計(jì)排水板頂砂層厚1.0 m，設(shè)計(jì)路床頂回填土0.3 m，超載預(yù)壓填土3.0 m，總荷載約為1.0×19.0+3.3×18.5=80.55 kPa。

為防止加荷速率過快而使地基土產(chǎn)生剪切破壞，應(yīng)嚴(yán)格控制加荷速率[8]。荷載加載計(jì)劃如下，第一階段施工砂墊層和排水板后，加載1 m厚填土，總加載時(shí)間為60 d；第二階段再加載約1.2 m厚填土，總加載時(shí)間為60 d；第三階段再加載約1.1 m厚填土，總加載時(shí)間為100 d；總工期220 d(分級(jí)加載設(shè)計(jì)示意見圖3)。加載時(shí)間特點(diǎn)為隨著超載值的增加，加載速率減慢，各級(jí)荷載恒載時(shí)間在不斷增加，在總工期不變的情況下更能有效地排出孔隙水。

圖3 計(jì)劃加載時(shí)間示意

3.3.2固結(jié)度計(jì)算

塑料板排水法可采用砂井地基的固結(jié)理論與設(shè)計(jì)方法，計(jì)算時(shí)根據(jù)排水板和砂井與周圍±接觸面積相等的原理將塑料板換算成相當(dāng)直徑的砂井；塑料排水板按等邊三角形布置，邊長(zhǎng)L=1.1 m，按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)，插板影響直徑為de=1.05×1.1=1.155 m；100 mm×4 mm排水帶等效砂井直徑為：dw=6.624 cm；因此井徑比為1 155/66.24=17.44；F≈2.013；β≈0.0207，根據(jù)勘察報(bào)告，主要處理土層為2-1有機(jī)質(zhì)高液限粘質(zhì)土，其固結(jié)系數(shù)Cv=0.46×10-3cm2/s，Ch=0.46×10-3cm2/s(按各向同性考慮)。

固結(jié)度計(jì)算公式如下：

(1)

將分級(jí)加載及加載速率、井徑比等參數(shù)代入上述計(jì)算公式計(jì)算得理論固結(jié)度為：Ut=90.82%>90%，滿足規(guī)范要求(見表4)。

表4 分級(jí)加載計(jì)劃及固結(jié)度

3.4 堆載預(yù)壓沉降計(jì)算

主固結(jié)沉降變形參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9](GB 50007—2011)按照壓縮模量法進(jìn)行總沉降變形量的計(jì)算；受附加荷載作用后地基主固結(jié)變形量可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：

Ψs——沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.4。

次固結(jié)計(jì)算公式[10-11]如下：

(3)

其中H取有機(jī)質(zhì)高液限粘質(zhì)土土層厚度，初始孔隙比e0=2.12，Ca取參考值0.03估算；次固結(jié)計(jì)算終點(diǎn)時(shí)間t2為道路設(shè)計(jì)年限10 a，起始時(shí)間t1為預(yù)壓期時(shí)間240 d。

1)取典型鉆孔ZK53對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)樁號(hào)K0+200斷面進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)排水板長(zhǎng)度21 m；地層為：填土厚度為1.8 m，2-1地層厚19.2 m，2-2層厚1 m，2-3層厚7.5 m，以下為中砂。處理路基寬度為14 m，b=14/2=7 m。

按分層總和法計(jì)算的總沉降為：1 171.22 mm。

理論計(jì)算固結(jié)度為90.82%，完工后沉降量為：1 063.7 mm；主固結(jié)剩余沉降約為：1 171.22×9.18%=107.52 mm，次固結(jié)沉降約為212 mm，工后沉降為319.52 mm<500 mm，滿足規(guī)范要求。

2)同理計(jì)算出鉆孔59和鉆孔64對(duì)應(yīng)樁號(hào)K0+800與K1+400斷面處完工沉降分別為1 022.57 mm和930.58 mm，估算工后沉降分別為275.36 mm和241.06 mm，均滿足規(guī)范要求。

3.5 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

本工程共布置22個(gè)淺層沉降板觀測(cè)斷面[12]，觀測(cè)點(diǎn)沉降板S-2、S-8、S-14分別對(duì)應(yīng)樁號(hào)K0+200、K0+800、K1+400處斷面和地質(zhì)鉆孔，其測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)線如圖4～圖6所示。

圖4 沉降板S-2(樁號(hào)K0+200)沉降量—時(shí)間過程線示意

圖5 沉降板S-8(樁號(hào)K0+800)沉降量—時(shí)間過程線示意

圖6 沉降板S-14(樁號(hào)K1+400)沉降量—時(shí)間過程線示意

各沉降板測(cè)點(diǎn)處工后沉降采用雙曲線法[13]擬合沉降變化趨勢(shì)曲線進(jìn)行計(jì)算所得。

S-2測(cè)點(diǎn)雙曲線方程：

y=-0.006 3x2+3.405 8x+967.11。

S-8測(cè)點(diǎn)雙曲線方程：

y=-0.039x2+13.374x+ 422.82。

S-14測(cè)點(diǎn)雙曲線方程：

y=-0.014x2+6.397 8x+655.55。

各測(cè)量點(diǎn)處計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見表5～表7。從計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，預(yù)壓期沉降計(jì)算結(jié)果偏小，實(shí)際觀測(cè)沉降偏大，但設(shè)計(jì)工后沉降相對(duì)偏大，按趨勢(shì)線推測(cè)工后沉降偏?。环治鲈蛞皇羌虞d時(shí)間比設(shè)計(jì)時(shí)間多出將近20 d，二是可能因?yàn)閳?chǎng)地淤泥地層中含砂有利于土體孔隙水的排出，致使實(shí)際沉降偏大的，工后沉降相對(duì)偏?。豢傮w來說設(shè)計(jì)計(jì)算的沉降量與實(shí)際沉降量總體偏差不大，沉降分析計(jì)算方法合理，可以用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

表5 S-2樁號(hào)K0+200斷面計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

表6 S-8樁號(hào)K0+800斷面計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

表7 S-14樁號(hào)K1+400斷面計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語

本文在東莞地區(qū)深厚軟土路基處理中成功地采用了堆載預(yù)壓塑料排水板方法進(jìn)行軟基處理，路基工后沉降滿足規(guī)范要求。

1)根據(jù)土力學(xué)可知，土體物理參數(shù)和受力特性受應(yīng)力歷史影響較大，因此塑料排水板處理軟土路基設(shè)計(jì)時(shí)，合理估算其堆載或超載值是一個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)。目前規(guī)范中其堆載預(yù)壓超載的取值沒有明確規(guī)定，本文從車輛荷載特性和土體受力結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析計(jì)算，得出路基頂部較為合理的豎向附加應(yīng)力，并以此作為塑料排水板地基處理的附加荷載，更好的模擬了通車后的汽車荷載，使地基土體處于正常固結(jié)或超固結(jié)狀態(tài)，以減少工后沉降。

2)合理設(shè)置排水固結(jié)的分級(jí)荷載和加載時(shí)間也是堆載預(yù)壓處理軟土路基設(shè)計(jì)要點(diǎn)；本工程排水固結(jié)的分級(jí)荷載按1 m、1.2 m、1.1 m設(shè)置，荷載加載分布較為均勻，加載時(shí)間特點(diǎn)為隨著超載值的增加，加載速率減慢，各級(jí)荷載恒載時(shí)間在不斷增加，則在總工期不變的情況下更能有效地排出孔隙水。

3)從計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，預(yù)壓期沉降計(jì)算結(jié)果偏小，實(shí)際觀測(cè)沉降偏大，但設(shè)計(jì)工后沉降相對(duì)偏大，按實(shí)測(cè)趨勢(shì)線推測(cè)的工后沉降偏?。豢傮w來看兩者偏差不大，分析計(jì)算方法合理可靠。實(shí)測(cè)結(jié)果表明超載預(yù)壓處理的效果較好，說明堆載預(yù)壓塑料排水板處理方法在含砂淤泥軟土層中具有較好的工程應(yīng)用。

4)工程實(shí)踐表明，在工期允許條件下，堆載預(yù)壓塑料排水板排水固結(jié)法具備排水能力強(qiáng)、質(zhì)量可靠、施工速度快、造價(jià)低等特點(diǎn)，在軟土路基處理時(shí)，采用此方法具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益[14]。