塑料排水板堆载预压法在围垦工程软基处理中的应用

陈 懿,程建华

(江苏省水利勘测设计研究院,江苏 扬州225009)

1 工程概况

某围垦工程,围垦面积为43 hm2,场地主要土层自上而下为:粘土、淤泥、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土、粉质粘土、含碎石粉质粘土和中风化流纹岩。主要的软弱土层为淤泥和淤泥质粉质粘土。场地淤泥、淤泥质粉质粘土一般为10 m～20 m,最大厚度约30.0 m,根据现场十字板剪切试验得到的不排水强度沿深度的关系为Cu=5.79+0.90H,总的来看该工程地基土抗剪度低,压缩性和灵敏度高。该工程填土材料为宕渣,高度为6.2m,考虑压缩补填后的实际填土高度约为7 m,在这么大的填土荷载作用下,地基承载力和工后沉降不能满足要求。为解决地基强度和稳定性问题,需要对地基进行加固设计。

除了现场十字板剪切试验之外,还对场地土层取样进行了室内试验,得到的土体物理、力学性质见表1。由于勘测报告中粘土层未提供强度参数,考虑到该层厚度薄、位置浅,为安全起见强度取1-2淤泥的值。

表1 各土层物理、力学性质指标表

2 软基处理方案的确定

2.1 设计原则

本围垦工程的设计应满足以下几个原则:

(1)确保填筑过程中地基的稳定。

(2)确保地基处理后的工后沉降和承载力满足将来的使用要求。

(3)在确保地基稳定的情况下,使工程施工尽可能方便、快速及造价低廉。

根据以上的设计原则及本工程的土质条件,建筑物类型及适应变形能力、施工能力与经验、材料来源、施工期限以及加固费用,设计中先比较采取多种软基处理方法,以达到安全可靠、经济合理、施工方便的目的。

2.2 软基处理方案比选

根据本工程的土质条件,适合的方法[1]有堆载预压法、真空预压法、真空预压联合堆载预压的方法和水泥搅拌桩的方法,但本工程由于软土区域在水下,水泥搅拌桩施工很难开展,因此不宜采用。堆载预压法在当地已有较成熟的施工经验,且是一种经济、安全和环保的软土地基加固方法,在工期允许的情况下,可优先使用。因此,这里首先考虑直接堆载的方案,考虑直接堆载的填筑时间10个月,预压14个月,总工期两年。采用改进太沙基固结理论[2]进行计算,结果表明施工结束后,软土层固结度仅为15%,工后沉降为165 cm,不能适应将来上部建筑物对变形和承载力的要求,直接堆载方案不能满足要求。

考虑到真空预压法和真空-堆载联合预压法虽然加固效果较好,但造价也较堆载预压法高,施工技术要求也较高。因此从施工能力和经验、材料来源、施工期限和加固费用等因素出发,本工程拟在堆载预压法的基础上设置塑料排水板,加快地基的排水固结。

3 堆载预压+塑料排水板方案设计

堆载预压法+塑料排水板方案处理地基的设计包括以下内容:

(1)根据谢康和提出的砂井固结理论[3],并结合当地工程经验,初步确定预压荷载大小、荷载分级、加载速率和预压时间;

(2)选择塑料排水板,确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度;

(3)计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形。

排水板地基的固结度采用有限元进行计算,计算中将塑料排水板视为实体单元进行划分[4,5];稳定性计算采用瑞典条分法进行[6]计算,计算理论在此不再赘述。计算中具体细节如下:

(1)宕渣按19 kN/m3考虑,考虑到潮水位一天中变化比较大,按最不利考虑,潮水位以下宕渣也按19 kN/m3考虑。

(2)固结度计算按2 a(即施工期结束)和30 a两种情况考虑。

(3)c、φ值按表1中取值,为直剪固快值。

(4)边坡计算高度取补差后宕渣高度,另外考虑施工荷载10 kPa(0.5 m)。

(5)经塑料排水板排水固结后,强度指标适当提高,强度增量按考虑(Δ Suk为强度增量;U为固结度;σzk为附加压力;φcq为固快内摩擦角标准值)。

3.1 塑料排水板参数确定

填土加荷曲线如图1所示,排水板长度以打穿最软弱的1-3层和3-1层为指导原则,当软土层(1-3层或3-1层)底部大于25m的,塑料排水板深度为25 m。

图1 填土加载曲线

排水板的间距和布置形式考虑了表2中的不同方案。图2是方案2不同深度孔压等值线云图,图中很明显的体现了在同一深度,排水板处的孔压小,体现了水向砂井中的渗流,清晰的反映了排水板的排水加快固结的作用。不同方案下工后沉降结果列于表2中。由该表可见,方案1、2、4、5满足要求,综合从经济、技术的角度出发,选择用料较少的方案2,即排水板正方形布置,间距1.2 m。

图2 不同深度孔压等值线云图

表2 排水板布置方案比选

3.2 填土施工边坡稳定性分析

填土施工边坡取为1∶4。对于施工过程中的边坡稳定性这种短暂情况,可认为地基在施工过程中是不排水的,应采用十字板剪切强度指标Cu=5.79+0.90H。图3～图5给出了不同填土高度时边坡稳定安全系数,从图可以看出,当填土高度分布为2 m、4 m和6.2 m,对应的安全系数分别为1.34、1.38和1.26,边坡是稳定的。对于填土完成后的长期稳定性分析则应采取表1中的指标进行分析,其计算结果见图6,安全系数为1.60,满足稳定要求。

图3 堆载2.0 m时边坡稳定性分析

图4 堆载4.0 m时边坡稳定性分析

图5 堆载6.2 m时边坡稳定性分析

图6 边坡长期稳定性分析

4 施工要点

本围垦工程包括3个分项工程:垫层工程、塑料排水板打设工程、宕渣填筑工程。以下分别简单介绍:

(1)垫层工程:在围垦区的垫层施工之前要在场地内铺设一层克重不小于280 g/m2的无纺土工布,以防止回淤堵住排水板的出水通道,这对良好的发挥塑料排水板的效果非常重要。无纺土工布的铺设采用作业船进行,即首先把土工布前端与砂包或锚相联结,使其沉入水底,然后沿着所需铺设的位置,慢慢移动作业船,一边移动一边在土工布上把砂石包随后压上,完成土工布铺设。垫层工程则采用抛砂船施工,抛至100 cm厚。垫层施工应均匀抛填,避免成堆,垫层平整度要求为20 cm。垫层填料的最大粒径不得大于15 cm,含泥量小于5%。

(2)在打设塑料板过程中,可逐段填筑垫层,边逐段打设排水带。当砂垫层填平一段距离后(长度50 m左右),即开始打设PVC塑料排水板,必要时抢潮打设。塑料排水板采用专用插带机施工,并配置自动记录仪记录打入深度。施工时必须注意排水板在上拔过程中保持平直,以免产生扭结、卷曲、断裂、撕裂和回带等现象。施工中要确保塑料排水板的设计插入深度,并保证塑料排水板外露长度不小于30 cm。塑料排水板垂直度要保证其垂直偏差＜2.0%,插设间距误差为15 cm,回带长度小于50 cm。

(3)塑料排水板打设结束,开始宕渣填筑。应根据施工段填料的基本物理性质,选择试验区进行现场试验。主要目的是确定压实设备的类型、最佳组合方式、碾压遍数、碾压速度、工序、每层材料的松铺厚度等。选择不同的施工方案从中选出施工的最佳方案指导施工。宕渣填料要均匀,避免出现粗粒或细粒过于集中的现象,当石块含量较大时,石块间要以石屑或土铺撒嵌填密实,且层厚相应减小。宕渣填料的最大粒径不得大于40 cm,含泥量控制在10%以内,根据现场实际条件可以调整。

5 结 语

随着社会经济的发展,目前我国有相当数量的围垦工程正在或准备实施。而其中的绝大部分工程都处于软土区,加上围垦工程本身的填土范围广、荷载较大,因而若要满足承载力及沉降的要求,通常需要进行软基处理。本文结合一工程实例,分析了常规的软基处理方法在围垦工程软基处理中的适用性,指出堆载预压联合塑料排水板这一处理方法在围垦工程软基处理工程中在技术、经济方面上具有一定的优势。文中针对这一特定方法进行了较为深入的分析,明确了设计、施工方面的要点,可望为其它相似工程提供参考。

[1]张照华.真空联合堆载预压排水固结法在沿海吹填造地中的应用[J].水利与建筑工程学报,2009,7(3):123-126.

[2]赵娟,吴友仁,韩瑞芳.排水板堆载预压加固软基中固结度和沉降的计算[J].水运工程,2008,(12):146-150.

[3]谢康和,曾国熙.等应变条件下的砂井地基固结解析理论[J].岩土工程学报,1989,11(2):3-17.

[4]钱家欢,殷宗泽编著.土工原理与计算(第二版)[M].北京:水利电力出版社,1993.

[5]彭吉力,刘汉龙.砂井地基数值计算中的三维排水板单元及其验证[J].岩土工程学报,2005,27(12):1491-1493.

[6]陈祖煜.土质边坡稳定分析—原理、方法、程序(第一版)[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[7]徐书平,刘祖德,鲍 华,等.堆载预压过程中的地基稳定性计算方法[J].岩土力学,2005,26(6):955-958.