塑料排水板预压法在海堤工程中的施工浅析

甘 泉

塑料排水板预压排水固结法是软土地基工程实践中,应用排水固结原理发展起来的一种地基处理方法。在围垦工程软土地基处理中应用非常广泛,施工工艺成熟,但是在水下软土地基处理时,塑料排水板的打设和抛石加载、施工监测等施工技术还是薄弱环节。本文对塑料排水板预压排水固结法在围垦海堤软基处理工程中的施工特点和技术难点进行了分析,提出了解决塑料排水板预压排水固结法施工中技术难点的方法和达到软基处理设计效果的措施。荷载及施加的方法、改善厚层软土层的排水固结条件,这就是排水固结法的两项关键技术问题。经过多年的研究和实践,采用自重预压、堆载预压、真空预压、降水预压和真空—堆载联合预压来解决预压荷载及施加的方法的技术问题,通过增设竖向排水体和水平排水垫层改善厚层软土层的排水固结条件。

排水固结法能有效地提高软土地基的强度与承载力和稳定性,能有效地改善软土地基的变形性质,减少建(构)筑物沉降与不均匀沉降,是软土地基处理一种行之有效的方法。

1 排水固结法的原理与应用

排水固结法的基本原理就是利用土的加载预压排水固结性质,通过施加预压荷载,并增设竖向排水体和水平排水层,改善地基的排水固结条件,加速地基的固结和强度增长,提高地基的承载力和稳定性,加速沉降发展,使基础沉降提前完成,减少或消除基础的沉降。具体的应用主要有以下两个方面:

1)提高建筑物软土地基的承载力和稳定性,利用堆载或自重荷载,并增设竖向排水体,通过分级逐渐加载,并控制加载速率,在前一级荷载作用下排水固结,地基的强度或承载力增长后,再施加下一级荷载,逐步提高地基强度以达到设计要求为止。

2)消除或减少建筑物基础的沉降,可在拟建建筑物的场地上,先施加预压荷载,使地基土层充分排水固结压密,然后卸去预压荷载,再建造建筑物,这样经过预压后由建筑物荷载引起的沉降就明显减少。

欲要上述应用取得良好的排水固结效果,必须具备两个基本条件:即足够的预压荷载和良好的排水固结与充分的排水固结时间。应用排水固结法处理软土地基时,必须设法寻求必要的预压

2 塑料排水板预压排水固结法的施工工艺

施工准备→测量放样→铺设土工织物→抛填碎石(砂)垫层→插设塑料排水板→铺设土工布织物→分级加载(施工监测)→达到设计的加载荷载。

3 塑料排水板预压排水固结法在围垦海堤工程中的施工特点及难点

围垦海堤工程受海洋潮汐的影响,滩涂面不能全天候的外露,有的滩涂面还不能露出海水面,滩涂面的浮淤层一般较厚又不能清理,因此给施工带来了一定的难度。对于不能露滩的海堤需要采用专用工程船舶进行施工,海浪对施工影响很大。

塑料排水板预压处理围垦海堤软土地基要达到预期的效果,同样要从施加预压荷载的大小和方法、竖向排水体布置的形式与尺寸这两方面去控制施工。设计图纸一般对塑料排水板的布置形式、间距和打设深度都有明确的说明;对施加预压荷载的大小有明确要求,但是对加载的方法设计一般有一个建议加载曲线图和加载速率控制指标。加载速率控制指标是要在加载施工后通过施工监测反映出来的,如果超过加载速率控制指标,地基土会产生过大的塑性蠕变,地基土的结构性会破坏;如果加载速率控制指标变化很小,反映荷载水平小,这样排水固结产生的压缩量和强度增长量也小,施工工期就会很长。因此,在采用塑料排水板预压排水固结法处理围垦海堤软土地基工程中,需要解决的施工技术难点就是解决塑料排水板打设的位置和深度,分级加载的荷载大小,加载速率的控制三方面的问题。

4 围垦海堤工程塑料排水板打设施工措施

4.1 施工工艺流程

施工放样→船体定位→桩机移动就位→安装管靴→沉设套管至设计底标高→提升套管至碎石垫层表面以上→由割带系统割带→沉管提至水面重新装带→桩机移动就位→重复排水板插设。

4.2 主要施工措施

1)测量定位:主要采用GPS全球卫星定位系统,通过船头、船尾各抛两台八字锚,抛锚系缆应根据施工区域的风浪、水流条件合理进行调整,锚缆长度为200 m,采用绞锚机调整修正船体位置,使船体准确定位,锚缆系统必须稳定可靠、使用方便。

2)平面控制:在平台走轨上标出平台插板桩位置,并标在平台四周及横梁上,桩机必须以此移动准确定位。排水板打插时,每30 min左右根据潮水位涨落调整锚缆,复核船体定位位置,确保施工时塑料排水板桩平面位置准确。

3)标高控制:在桩机沉管上刻上刻度线,使打插深度一目了然。以沉管入土深度控制塑料排水板的插设底高程,即控制排水板的插设长度。每插完一排塑料排水板,测量一次水深,确保打插排水板的底高程达到设计要求,同时确保排水板上端露出碎石垫层的长度不小于20 cm。

4)垂直度控制:用经纬仪、挂线随时检测沉管的倾斜度,通过调整插板船的压仓水及打设架的仰俯调整桩机垂直度,其偏差不超过±1.5%。

5)回带控制:沉管上安装排水板带插设自动记录仪,记录每根桩的长度及回带情况。直观上看,沉管上提,如果有回带,则回带时,能看到在沉管板带入口处的排水板带在与沉管口没有相对位移,而此时的沉管上提高度亦正好是回带长度,如果此长度超过50 cm,应在边上补打一根。

6)水下剪带:采用水下自动剪带系统剪带,板带外露长度不小于20 cm。

5 荷载加载水下施工措施

1)网格划分:网格划分以轴线为基础,根据施工图断面的不同将抛填区域分别以各断面沿轴线长度10 m范围为一个大网格,大网格中又以2 m×2 m划为小网格,以控制投抛位置。

2)装料控制:按照划分的网格,根据对每条对开驳一次投抛的面积乘以抛投厚度计算出所需方量,然后在驳船上刻上标记,每次装料都以装到标记线为准。

3)对开驳定位:首先在对开驳船上安装好GPS定位设备,在定位船船首和船尾分别设一台GPS系统天线,同时在电脑上输入施工区域位置,与GPS岸台相配合即可找到任何抛投点的位置,再在施工位置上进行单格投抛位置设置。

4)漂移量调整:由于潮流、潮向的影响,投抛砂包时势必有一定的漂移量,应根据测定结果进行调整。根据对涨退潮流态的实际测定,砂袋抛距经验公式为:

其中,S为冲距,m;VO为水面流速,m/s,测速仪测定抛投点水面流速;H为水深,m,用测深仪测定抛投点水深;W为块石重量,kg。

冲距加装石船船头空白区距离为定位船的提前量,利用GPS精确定位,使对开驳抛投位置和砂袋入水后需抛投的位置相对应。

5)厚度控制:按照分层加载厚度要求,实际施工中要随时测定流速、流向、水深、波浪等影响因素,随时调整对开驳的装石量和投抛定位。根据施工经验,根据漂距计算和GPS定位是保证厚度的有效措施。

6)整平:由于各断面抛石区粗抛采用对开驳抛填,抛填的平整度和高程均与设计图纸存在较大的误差,退潮后需放样标杆,人工指挥反铲挖机平整、修坡,以满足设计断面要求。

7)补抛:抛石面经修整后,对高出的抛石进行挖除,漏抛或不够的位置,用毛竹标杆标示,待涨潮后,用100 t级的小型对开驳进行补抛。

6 荷载加载水上施工方法与施工监测

加载施工时,每次加载荷载的大小采用石料填筑的厚度来控制,石料填筑的厚度由前一级加载预压后地基强度的增长值确定,一般控制在地基经过预压强度增长后极限承载力的0.7倍。预压历时t地基强度的增长可用下式计算:

其中,η为由于剪切蠕动和剪切速率减慢引起地基强度折减的系数,一般为0.9～0.95;Cu为天然地基土的不排水剪强度;σz为计算点的附加应力;Ut为计算历时t的固结度。因此每次的加载厚度可以是不相等的。

在加载的同时要及时进行现场施工监测,获得可靠的观测结果,并对观测结果进行整理,监视地基变形及稳定性的发展,及时作出判断,指导施加预压荷载。对于地基稳定性判断与分析可按如下方法进行:首先将各项观测结果绘制成沉降(或侧向位移和孔隙水压)和荷载压力与时间关系曲线,和孔隙水压过程曲线。然后判断各测点地基的稳定性,当测点的沉降、位移和孔隙水压力随时间的变化产生突然增大,且其累计增量与荷载增量出现非线性增大和转折时,可以认为该测点地基出现塑性屈服或剪切破坏,应立即采取停止加载或卸载的措施,防止地基局部剪切破坏的进一步发展,保持地基的稳定。

7 结语

在用塑料排水板预压处理围垦工程海堤软土地基工程中,潮水水面下的塑料排水板打设、加载是施工的难点,也是海堤软土地基处理效果好坏的关键点。逐级加载方法与施工监测是能否达到设计效果的重点,同时也是保证施工工期和施工效益的重要因素,在实际工程中建议重点研究。