淤泥质软土地基处理方案研究

于志新

(唐山曹妃甸发展投资集团有限公司，河北 唐山 063200)



淤泥质软土地基处理方案研究

于志新

(唐山曹妃甸发展投资集团有限公司，河北 唐山 063200)

文章介绍了真空预压法和堆载预压法两种淤泥质软土地基加固施工方案，并结合工程实例进行了方案比选，确定采用真空预压法进行淤泥质软土地基加固。地基处理试验结果表明：采用真空预压法处理软土地基后，软土状态改善明显，地基承载力有很大提高且能满足地基处理要求，处理效果良好。

软土地基；真空预压；堆载预压；处理

0 引言

淤泥质软土地基具有天然含水量高且渗透性差、压缩性高、承载能力低、触变性等不良工程特点，若不做任何加固处理，直接在此不良地基上修建道路工程，严重的会导致机械进场无法正常开挖施工或道路路基开挖无法成槽，即使路基施工完成后，后期道路也会因淤泥质软土地基在荷载作用下造成不均匀沉降而出现坍塌现象，故在淤泥质软土地基上修筑道路工程，必须先进行地基加固处理。经过我国长期软土地基处理的实践积累，针对不同地质状况形成了相对应的处理方法，如：排水固结法、深层搅拌法、强夯置换法、振冲法等，其中真空(堆载)预压法在处理淤泥质软土地基中效果十分明显，并且技术越来越成熟，得到了广泛的推广与应用。

1 工程地质条件

本工程地基由天然地基和吹填土两部分组成。根据地质报告，工程处理范围浅层4 m范围内主要为由淤泥、淤泥质土组成的吹填土，下部天然地基为粉土、粉质黏土。吹填软土平均含水量W=63.93%，天然孔隙比e=1.752，处于饱和状态，强度极低；下部天然地基土平均含水量W≤30%，土质相对较好。根据地质勘察资料和本地区相关工程经验，场地浅层吹填软土处于饱和状态，承载力极低，工程性质差，若不作地基处理，不能满足机械进场开挖施工和道路路基开挖成槽的需要。根据相关规范[1]要求，地基处理标准为：

(1)地基承载力特征值fak≥40kPa；

(2)满足施工机械进场施工和道路路基开挖成槽的需要。

2 地基处理方案的确定

对吹填淤泥地块区的地基处理，比较可行的方案是真空预压法和堆载预压法。以下对这两个方案进行深化，并分析比较确定推荐方案，具体如下：

2.1 真空预压法

(1)加固原理[2][3]

真空预压法是通过将密封膜内砂垫层中的气体抽出，在密封膜内外行形成压力差，使得土体中的自由水沿着排水系统渗流出来，进而降低了孔隙水压力，土体因排水固结变形而增强了有效应力，达到加固地基强度的效果。

(2)适用范围

适用处理的土质主要为含水量较高的黏性土地基，一般加固深度可达20～25m，浅层加固效果更好。

(3)真空预压法技术参数如表1～3所示。

表1 真空预压控制参数表

表2 排水板制作及施工参数表

表3 密封膜性能表

(4)主要施工程序[4][5]

①铺工作垫层：因吹填区淤泥含量较高，施工设备难以在其上部操作，需先铺设一层土工布，再在土工布上铺砂垫层，砂料须级配良好，无杂质，含泥量<5%。

②插塑料排水板：陆上插板机械尽量选用轻型的插板设备，以减少设备接地压力，并防止插板施工时的排水板回带问题。塑料排水板由砂垫层顶开始施打，排水板间距为0.7m。

③铺设抽真空设备：同步进行主管、滤管铺设，埋设砂垫层中的真空测头，安装出膜装置和铺设密封膜，做好密封沟、两侧围堰等。

④监测：为保证加固效果，在抽真空前应按一定面积划分若干标准区，每个标准区埋设真空度、地表沉降、孔隙水压力、地下水位监测设备。在加固施工过程中，监测应严格按照设计要求及国家相关规范技术要求执行。

⑤抽真空：先试抽真空，确定真空度达到85kPa，并持续抽真空，满载预压时间约2～3个月。抽真空过程中，应保证真空泵24h不停泵。

⑥停止抽真空、平整场地：根据现场监测资料分析，达到卸载标准后，方可停止抽真空、平整场地。

(5)卸载标准

①抽真空作业完成后，实测地面连续10d沉降速率，平均沉降量≦2mm/d；

②地基处理完成后，处理土层的平均含水率应≤50%；

③固结度>70%。

2.2 堆载预压法

(1)加固原理[6]

堆载预压法是在地基中设置竖向、水平向排水通道，通过对软土体进行荷载加压，使土体中的孔隙水排出，孔隙率降低，以达到增强土体固结强度的效果。

(2)适用范围

适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和黏性土地基，处理深度可达30m。

(3)地基处理参数如表4～5所示。

表4 堆载预压控制参数表

表5 排水板制作及施工参数表

(4)主要施工程序[7][8]

①先在表层铺设土工布和砂垫层，砂料选用中粗砂，含泥量<5%。

②选用陆用轻型插板机，以减少设备对垫层的压力，打板时避免排水板扭曲打结，塑料排水板由砂垫层顶开始施打，正方形布置，排水板间距为0.8m。

③监测设备主要为沉降管和孔隙水压力计，用以测量加载后的地面沉降速率。

④堆载预压需进行逐级加载，每级荷载厚度为2m，一级与二级荷载的间隔时间>15d，二级堆载预压≥90d。

⑤根据现场监测资料分析，当观测沉降速率及实测沉降推算的固结度满足设计要求后方可卸载。

2.3 地基处理方案比选

(1)方案比选的原则

①施工工艺操作性可行且加固效果良好，同时保证经济合理的原则。

②本工程项目工期紧张，应尽量选用工期短的方案。

(2)方案比较与推荐结果如表6所示。

表6 地基处理方案技术经济比较表

通过对上述处理方案的分析和比较，真空预压法和堆载预压法都可达到承载力要求，但是由于堆载预压法的工期较长，造价较高，且需控制堆载速率，施工有一定困难。经综合比较，推荐采用真空预压法进行地基处理。

3 地基处理试验与结果分析

本工程在先行施工的区域布置1组试验区(K3+465～K4+250，K5+480～K6+830)，试验区面积控制在20 000m2以内。试验方案采用有砂垫层真空预压处理，排水板间距为0.7m，成正方形布置，满载抽真空时间约为80d，60d时进行地基处理效果中间检测。

3.1 主要试验参数

(1)材料重度

水容重：10.3kN/m3。

砂垫层容重：水上18.0kN/m3；水下9kN/m3。

淤泥容重：约16.01kN/m3。

(2)地基土主要参数

根据地质勘察报告成果，地基处理范围内主要土层物理、力学参数如表7所示：

表7 地基土的物理参数汇总表

3.2 主要计算方法

3.2.1 施工期沉降计算

(1)计算方法

因本工程主要为满足后续道路路基基槽开挖，对沉降没有要求，因此考虑地基处理施工期沉降计算。下部未加固区域因不设水平向排水通道，且加固时间较短，压缩量十分有限，故未计算。

施工期沉降=最终沉降量×加固区施工期的固结度。

(2)计算公式

本次设计沉降量采用e～p曲线进行计算，计算公式如下：

(1)

式中：

S——地基的最终竖向沉降量设计值(m)；

ms——经验系数。综合考虑本工程大面积荷载作用和真空预压荷载作用，取1.0；

n——计算压缩土层的分层数量；

e0i——对于第i土层初始孔隙比平均值；

e1i——第i土层在自重应力和附加应力下的孔隙比设计值。

3.2.2 固结度计算

固结度可根据《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS206-1-2009)[9]分别计算径向平均应力固结度Uri和竖向平均应力固结度Uzi，然后计算地基平均总应力固结度Urzi。

(1)径向平均应力固结度Uri，可按下式(2)计算：

Ur=1-exp(-βrt)

(2)

式中：Ur——径向平均应力固结度；

βr——径向排水应力固结参数；

t——固结时间(s)。

(2)竖向平均应力固结度Uzi，可按下式(3)计算：

(3)

式中：UZ——竖向平均应力固结度；

γab——排水面应力与不透水面应力之比；

Tv——时间因子；

t——固结时间。

(3)地基平均总应力固结度Urzi，可按下式(4)计算：

Urz=1-(1-UZ)(1-Ur)

(4)

3.2.3 地基承载力计算[10]

(1)地基强度增长计算

①对于正常固结饱和黏性土地基，某点土体在某时刻的抗剪强度可按式(5)计算：

τft=τf0+Δσz×Uttanφcu

(5)

式中：τft——t时刻土的抗剪强度(kPa)；

τf0——地基土的天然抗剪强度(kPa)；

Δσz——预压荷载引起的附加竖向应力(kPa)；

Ut——土的固结度；

φcu——三轴固结不排水压缩试验求得的土的内摩擦角(°)。

②对于欠固结土，因在自重下土体未完全固结，存在孔隙水压力u0，随着土体固结，u0值将转化为有效应力，故增长的强度按式(6)计算：

τft=τf0+(Δσz+u0)Uttgφcu

(6)

式中：Ut——土的固结度；

φcu——三轴固结不排水剪切试验求得的土内摩擦角(°)；

u0——自重下的孔隙水压力(kPa)，u0=σs-pc，σs为现有自重压力(kPa)，pc为先期自重压力(kPa)。

(2)地基承载力计算，按以下公式(7)确定地基承载力

f=3Cu+γD

(7)

式中：f——容许承载力(kPa)；

Cu——十字板抗剪强度(kPa)，等于计算的τft；

γ——基础底面以上土的加权平均重度(地下水位以下取浮重度)(kN/m3)；

D——基础埋置深度(m)，本工程不考虑基础埋置深度，D=0。

3.3 试验结果

通过对试验数据的整理，并按照上述公式进行计算和分析可知：使用真空预压法对本工程淤泥质软土地基进行预处理，土体固结度和压缩量等技术指标得到了很大的提高，地基承载力均>40kPa，满足地基处理要求，具体试验结果如表8所示。

表8 试验成果表

4 结语

经过以上分析，可以得出以下结论：

(1)对于因淤泥质软土等不良地质影响而导致机械无法进场施工且路基成槽困难，可采用真空预压法和堆载预压法对软土地基进行预处理，效果良好。但相比真空预压法，堆载预压法的工期较长，造价较高，且需控制堆载速率，施工有一定困难，故推荐采用真空预压法进行地基处理。

(2)本工程采用真空预压法对软土地基进行处理，土体固结度和压缩量等技术指标得到了很大的提高，软土状态得到了明显的改善；处理后地基承载力均>40kPa，达到了地基处理的要求，满足了施工机械进场施工和道路路基开挖成槽的需要。

[1]JTJ79-2012，建筑地基处理技术规范[S].

[2]方建新，陈永均.真空预压法处理软土地基[J].四川建筑科学研究，2003，29(2)：71-73.

[3]刘宏伟，翟征秋.直排式真空预压技术在软土地基处理中应用[J].交通科技，2011(2)：82-88.

[4]植培斌，梁尚华.真空预压法软土地基处理技术在某工程中的应用[J].广东土木与建筑，2005(1)：29-31.

[5]张文彬，许忠发，苏 波，等.无砂垫层真空预压法加固大面积软土地基的实例研究[J].水利与建筑工程学报，2012，10(3)：52-57.

[6]雷 鸣，王星华.堆载预压法处理软土地基机理与实践[J].西部探矿工程，2005(7)：18-19.

[7]岳建平，吴家兴，高传伟.真空-堆载联合预压软基处理技术试验研究[J].施工技术，2005，34(5)：49-50.

[8]秦志光，周向国，李 志，等.真空-堆载预压法处理珠三角大面积软土地基的效果评价[J].长沙交通学院学报，2008，24(3)：13-23.

[9]JTS206-1-2009，水运工程塑料排水板应用技术规程[S].

[10]叶书麟.地基处理工程实例应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

Study on Mucky Soft-soil Foundation Treatment Programs

YU Zhi-xin

(Tangshan Caofeidian Development Investment Group Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei，063200)

This article introduced two mucky soft-soil foundation reinforcement construction programs of vacuum preloading method and surcharge preloading method，compared the programs in combination with engineering examples，and determined the use of vacuum preloading method for mucky soft-soil foundation reinforcement.The foundation treatment test results showed that：after the soft-soil foundation treatment by vacuum preloading method，the soft soil status is improved significantly，the foundation bearing capacity is greatly improved and can meet the foundation treatment requirements，and the treatment effect is excellent.

Soft soil foundation；Vacuum preloading；Surcharge preloading；Treatment

U416.1+6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.003

1673-4874(2016)10-0008-05

2016-09-06

于志新(1984—)，硕士研究生，工程师，研究方向：路基路面工程。