真空−堆载预压联合管桩−土工格室在堆场深厚软基处理中的应用

陈维家，刘维正，林震宇

真空−堆载预压联合管桩−土工格室在堆场深厚软基处理中的应用

陈维家1，刘维正2，林震宇3

(1. 珠海交通集团有限公司，广东 珠海 519000；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3. 广东省地质工程公司，广东 广州 510000)

以珠海某堆场深厚软土地基处理工程为依托，针对传统的地基处理方法难以满足该重载堆场工程对深厚软土地基处理的高承载力与稳定性、高标准工后与差异沉降控制、大面积快速高效经济处理的要求，提出先对整个场地进行真空联合堆载预压，再采用“预应力管桩−土工格室加筋土”处理料条区、采用土工格栅加筋土处理堆取料机区的综合处治方案。通过承载力、沉降和侧向位移现场监测对处治效果进行分析，深入探讨综合处治技术的加固机理：管桩桩顶上部加筋土的“土拱效应”可有效扩散应力，同时土工格室起到水平向约束管桩、协调不均匀沉降作用，充分发挥桩筏基础中的柔性筏板作用。研究结果表明：真空−堆载预压联合预应力管桩−土工格室能够大幅度提升地基承载力、限制地基水平位移和减小地基不均匀沉降，有效解决堆场软基过量沉降与稳定性不足的问题。研究结果可为类似工程的深厚软基处理借鉴和利用。

深厚软土；大面积堆场；管桩−土工格室复合地基；真空−堆载预压；处治效果

随着近年来我国社会经济的不断发展，在沿海深厚软基地区修建的大面积堆场逐渐增多。当软基加固方法不当时，堆场的重载会使地基产生较大沉降和侧向位移，严重时会导致地基失稳[1−3]，因此工程上常需采取一些有效的加固措施对堆场软土地基进行处理[4−7]。其中“桩+土工材料”双向增强复合地基，因其集成了竖向桩体能够承担较大荷载、减小地基沉降以及水平向土工材料能够承受拉压应力，减小不均匀沉降的特点，在软土地基处治中应用广泛。詹乐斌等[8]对大面积堆载作用下水泥土搅拌桩+土工格栅砂石垫层处理的深厚软土地基效果进行分析，得出该种处理方法既可以提升地基承载力，又能改善回填土的不均匀沉降。杨魏[9]通过有限元分析得到CFG桩−网复合地基在限制路堤的沉降和侧向位移方面优于加筋土地基和CFG桩复合地基。曹文昭等[10]通过对桩承地基中的土工格室垫层和土工格栅垫层分别进行数值模拟，得出：土工格室加筋垫层因其提兜效应和柔性筏板效应，在提高桩土应力比、减小桩间土沉降和桩−土差异沉降上比土工格栅效果更好。张玲等[11]通过室内模型试验得出土工格室−碎石桩双向增强复合地基减小地基沉降量的优于采用单一增强方法处理的地基。Sujit等[12]对“土工格室+碎石桩”复合地基进行研究，发现其承载力比天然地基提高了10.2倍。现阶段对于双向增强复合地基的研究工程应用还多集中在“刚性桩+土工格栅”、“柔性桩+土工格栅”和“柔性桩+土工格室”等方面[13−14]，关于“刚性桩+土工格室”的加固机理和工程应用的研究较少。本文基于珠海裕嘉矿产品有限公司二期球团料场地基处理工程，分析“真空−堆载预压联合预应力管桩−土工格室”处理技术在深厚软土地基重载堆场中的加固机理和实施效果，以期为今后类似工程提供借鉴和指导。

1 工程概况

珠海裕嘉矿产品有限公司球团二期地基处理工程位于珠海高栏港经济区，施工场地地形平坦，原始地形为浅海地形，经人工围海造地而成，场地面积为40 477 m2。紧邻本拟建场地的西北侧有已投入使用的面积为24 104 m2一期球团料场，该场地仅采用砂石桩复合地基进行简易处理，堆料能力有限。正北侧有与一期工程面积相当的主厂房区，后期要在此处进行基坑开挖。图1为该料场地基处理工程周边环境以及地基使用功能分布情况示意图。

图1 料场地基周边环境及使用功能分布示意图

根据钻探结果，拟建场地自上而下的地层及其平均厚度如下：素填土(0.6 m)，冲填土(1.5 m)，淤泥(26.4 m)，粉细砂(1.5 m)，可塑状态黏土(12.3 m)，软塑状态黏土(3.8 m)和强风化砂岩(10.5 m)。典型地质剖面图如图2所示，各土层物理力学性质指标如表1所示。

图2 典型地质剖面图

表1 不同土层物理力学性质指标

为了提高二期堆场的地基承载能力以扩大工厂生产规模，避免在堆料不规则情况下造成地基不均匀沉降或失稳，以及保证一、二期场地不相互影响，减少后期北面主厂房区基坑开挖对本场地的影响。特根据本场地不同区域的使用功能对地基处理提出以下设计要求：堆场3个料条区(1，2和3)地基承载力特征值要求达到250 kPa，堆取料机及辅助设施区地基承载力特征值要求达到150 kPa，工后沉降小于200 mm。

2 加固机理分析

本工程由于地基承载力及工后沉降要求高，采用换填、强夯、预压排水固结等单纯改良土质的地基处理方法均无法满足要求。地基中淤泥层深厚，采用振冲碎石桩、水泥土搅拌桩、砂石桩、CFG桩等复合地基处理法无法穿透深厚的淤泥层，工后沉降要求无法满足。高压喷射注浆虽可以穿透淤泥层，但高压旋喷桩抗弯抗剪能力低，无法满足料场不均匀堆载时地基稳定要求。若采用单纯的刚性桩处理淤泥土地基时，复合地基需要较大的变形量才能发挥桩间土较小的承载力，得不偿失，且容易导致较大的不均匀沉降；此外，刚性桩的水平承载力有限，难以抵抗堆载产生的侧向压力。若采用桩筏基础，上部荷载将全部由桩承担，不能发挥桩间土的承载作用，且筏板造价高，总体性价比低。

综合刚性桩复合地基及桩筏基础的优缺点，以及该工程不同区域的性能要求，本工程采用先对整个场地铺设塑料排水板并进行真空−堆载(水池)联合预压处理，再采用“预应力管桩+土工格室加筋土”处理料条区(1，2和3)，采用土工格栅加筋土处理堆取料机区。下述为是该软基综合处理措施的加固机理。

2.1 真空−堆载联合预压法的加固机理

在真空−堆载联合预压法作用下，地基土中的孔隙水因受到真空作用产生的负压力和上部堆载作用产生的正压力而逐渐排出，使孔隙体积减小，地基土产生固结变形，有效应力逐渐提高，从而达到了提升地基承载力，减小工后沉降的效果。

2.2 预应力管桩复合地基加固机理

刚性桩的加固机理主要表现为2个方面：支撑作用和挤密作用。支撑作用是指刚性桩在桩端阻力和桩侧摩阻力的共同作用下起到支撑上部荷载，提高承载力的作用；挤密作用是指刚性桩在施工过程中对桩周土体产生一定的挤密作用，改良土体性能，并在一定程度上提升桩侧摩阻力，从而使管桩复合地基的承载力得到进一步提升。

2.3 土工格室加筋体的加固机理

土工格室加筋垫层的加固机理具体表现为侧向约束效应、拉膜效应、柔性筏板效应、应力扩散效应等。示意图如图4所示。

图3 土工格室加固作用机理

侧向约束效应可以通过土工格室与地基之间的摩擦作用来约束地基土体变形；拉膜效应是产生的张拉力会分担一定的上部荷载；柔性筏板效应则会使上部集中荷载通过土工格室加筋垫层向两侧转移，缓解地基的不均匀沉降；而应力扩散效应则可以增大垫层的应力扩散角来降低地基顶面的应力水平，从而保证地基的稳定性。

2.4 土工格室+预应力管桩相互作用机理

在“预应力管桩+土工格室”双向增强复合地基中，土工格室与内部填料形成具有一定厚度与刚度的垫层结构。一方面，土工格室可以将彼此分离的桩体联系起来，共同承担上部荷载，相当于扩展了原始桩帽的尺寸，从而降低了桩间土所承担的荷载，起到减小桩土间的差异沉降的作用，同时土工格室加筋垫层与刚性桩之间的连接作用可以有效地防止桩顶向上刺入，减小桩土间的差异沉降。另一方面，土工格室是格—格结构，上下是连通的，中间填充的砂性填料存在一定的流动性，在荷载作用下土工格室垫层可以通过桩顶砂性填料的流动补偿性调整桩、土应力分配和复合地基变形，使加筋垫层−复合地基共同作用，有效增加协调变形的能力，使荷载均匀传至管桩上。此外，土工格室加筋垫层还可以有效地约束地基的浅层位移，抑制管桩倾斜，保证管桩垂直度，使得管桩的单桩承载力能够充分发挥，进而保证了地基整体的稳定性[15]。

刚性桩则可改善深层软土的承载性能，提高地基的承载能力，从而起到支撑土工格室加筋垫层，避免其在堆载作用下产生较大的变形，保证了其性能的发挥。

3 加固方法与实施工艺

基于上述处治措施的机理分析，并根据堆料场地不同区域的使用功能和技术要求，其详细的设计方案如下：先对整个场地铺设塑料排水板并进行真空−堆载(水池)联合预压处理，再采用“预应力管桩+土工格室加筋土”处理料条区(1，2和3)，采用土工格栅加筋土处理堆取料机区。塑料排水板按0.85 m×0.85 m正方形布置，长度为20～25 m，真空压力为85 kPa，水池高度为3 m，设计剖面图为图4。预应力管桩采用PHCΦ400×95A型桩，按照2.0 m×2.2 m矩形布置，桩长36~44 m，管桩桩顶铺一层20 cm的高强土工格室，石粉填充，采用钢筋砼与管桩连接，土工格室顶部铺设土工格栅加筋垫层，每300 mm铺设一层土工格栅，分层铺设、填筑、压实。图5为管桩与土工格室加筋土的剖面图及其接头连接示意图。堆取料机区在土工格栅加筋土的基础上铺设道渣形成路基，然后再铺设枕轨结构供机具的移动，其地基处理剖面图如图6所示。

图4 真空−堆载(水池)联合预压示意图

图5 管桩与土工格室加筋土剖面图及接头连接图

图6 堆取料机区地基处理剖面图

工程施工工序为场地整平→铺设砂垫层→打设塑料排水板(图8(a))→排水管道布置及密封膜的铺设→抽真空及覆水预压(图8(b))→预应力管桩施工(图8(c))→土工格室铺设(图8(d))→土工格栅加筋土铺设。施工流程和详细的施工工艺如图7所示。

图7 施工流程和施工工艺图

图8 施工现场

4 加固效果评价与沉降分析

4.1 监测内容及测点布置

为了检查和评判工程的施工质量，工程人员采用平板载荷试验对真空−堆载(水池)联合预压后以及“预应力管桩+土工格室加筋垫层”处理后的地基承载力分别进行了现场检测，并在场地内布置相应的测点对真空−堆载(水池)联合预压期间以及工程竣工后堆料期间地基的沉降和侧向位移进行监测。真空−堆载预压期间，水平位移监测点有9个，均布在料场地基的南、北、西边缘；沉降监测点有23个，均布在每个料条区中心线上及料场地基的南边缘。堆料期间，水平位移观测点有14个，依次分布在料场地基的西边缘和料条区与堆取料机区相交地带；沉降监测点有30个，依次分布在料场地基的南、北、西边缘和料条区与堆取料机区相交地带。真空−堆载预压期和堆料期典型测点的分布如图9所示。

图9 沉降和侧向位移监测点布置图

4.2 真空−堆载(水池)联合预压效果分析

本工程采用真空−堆载(水池)联合预压的方法旨在提高地基的整体承载力，减小工后沉降量，使堆取料机区地基在在经真空−堆载联合预压之后，采用土工格栅加筋土处理后就可以达到承载力的要求，同时也为料条区管桩和土工格室的施工提供良好的条件。图10为真空−堆载期间部分时段地基沉降随时间的变化曲线，由图10可知：地基在真空−堆载预压初期的沉降量大，沉降速率快，起始监测日期的平均日均沉降速率达到了54.63 mm/d。这主要是因为在真空−堆载预压的初期，软土地基的孔隙率大、含水量高，地基土真空压力和堆载压力的综合作用下排水固结速率较快，进而在短时间内产生较大的沉降。到了真空−堆载预压的后期，地基土的沉降速率逐渐放缓，累计沉降量基本趋于稳定，最后一次沉降监测得到的平均日沉降速率已经下降到2.25 mm/d。这主要是因为软土地基经过前期数月的堆载预压，地基土的孔隙率和含水量都有了明显的降低，固结度显著提高，因此在相同的堆载压力下产生的沉降量逐渐减小，沉降速率逐渐降低。由于本设计方案仅需将地基在堆载预压期间的固结度达到80%，所以最终沉降速率并未明显接近于0。真空−堆载预压结束后，监测显示地基平均累计沉降量达到2.2 m，承载力达到115 kPa，相比于珠海地区天然软土地基45 kPa的特征值提升了1.56倍。说明真空−堆载预压法处理软土地基对提升地基固结度、提高承载力的有效性。

图10 真空−堆载期地基累计沉降时程变化曲线

从图11真空−堆载(水池)预压期间典型测点在不同预压天数的侧向位移变化曲线来看，预压初期地基侧向位移增加较快，起始侧向位移速率的最大值为7.13 mm/d。到了预压后期，侧向位移增加缓慢，侧移速率的最大值已经降低到了0.54 mm/d，说明地基侧移变形已基本趋于稳定。这种现象的主要原因在于真空−堆载初期，因水池加载，天然软基承受的竖向荷载增大，进而导致土体产生侧向位移。在预压后期，经过一段时间的排水固结作用后，地基土体的强度逐渐提高，固结度提高，上部竖向荷载作用逐步由加固土体承担，从而使得侧向位移逐渐减小，地基变形逐渐趋于稳定。从侧移的深度来看，地基在较大深度范围内均有较大的侧向位移，这主要是因为测斜仪监测的19 m深度范围内的地基土都是淤泥，天然的淤泥层在上部荷载的作用下侧向位移的影响深度较大，但随着预压时间的增长，不同深度处的侧移速率均逐渐收敛，说明真空−堆载预压法能够从较大深度范围内改善地基的性能。

图11 真空−堆载期典型测点不同预压天数的侧向位移曲线

4.3 “预应力管桩+土工格室”复合地基承载力

“预应力管桩+土工格室加筋垫层”施工结束后，采用平板载荷试验对复合地基竖向抗压承载力进行检测，检测结果如表2所示。结果显示：所测5个点的竖向承载力检测值达到试验荷载300 kPa时，荷载~沉降曲线均近似为线性，表明仍处在线性加载阶段；且最终沉降最大为12.11 mm，最小仅4.00 mm，远小于设计要求的工后沉降200 mm；卸荷回弹率也均大于35%。可保守得出最大试验荷载300 kPa为比例界限荷载，承载力达到设计方案中要求的料条区地基承载力特征值250 kPa。考虑到堆载1 200 kN时堆荷已很大，不再进一步堆载至荷载~沉降曲线出现拐点的破坏阶段。“预应力管桩+土工格室”复合地基与“真空−堆载(水池)联合预压”后的地基承载力特征值(115 kPa)相比至少提升了1.6倍。说明采用“预应力管桩+土工格室加筋土”的处治方法能够显著提高软土地基的承载力，满足实际工程的需要。

表2 平板载荷试验检测结果汇总

4.4 堆料期地基沉降分析

工程竣工后，为了保证原料厂的安全工作且减少对临近区域产生的不良影响，故在料场堆料期间对3个料条区进行了后期沉降监测，以及时掌握地基处理效果及周围环境的动态变化。图12为3个料条区内不同测点在堆料期间的累计沉降随时间的变化曲线，测点分布如图9所示。从沉降发展趋势来看，所有测点在堆载之前的沉降基本保持不变，随着堆载的进行，各测点的沉降量均有所增加，且堆载的荷载水平越大，沉降增大的速率越快，但是随着荷载水平的逐渐稳定，各测点的沉降速率均表现出明显的收敛趋势，说明该处治方式能够保证软土地基在不均匀堆载作用下的稳定性。从不同区域之间的累计沉降水平来看，1，2和33个料条区在堆载期间的最大沉降量分别为22.90 mm(测点5，距离料条区1左边缘60 m)，50.30 mm(测点17，距离料条区2右边缘60 m)，69.90(测点25，距离料条区3左边缘120 m)，总体沉降量均在容许的范围内。比较相邻料条区在同一直线上2测点之间的沉降差，料条区2(测点17)与1(测点7)在同一直线上的最大差异沉降量为31.4 mm，料条区3(测点24)与2(测点14)之间在同一直线上的最大差异沉降量为30.9 mm。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)中规定：工业与民用建筑相邻桩基的沉降差容许指为0.0010.001×42 000=42 mm(为相邻桩基之间的距离(mm))，由此可得：相邻料条区的沉降差均小于规范规定值，此外，区域间的差异沉降与荷载水平和堆载速率有关，由图12可知，料条区3开始堆载的时间较晚，堆载速率快，初期堆载的荷载水平高，因此可能导致其在堆载后沉降速率较大，累计沉降量相对较大；料条区2虽然堆载的荷载水平不高，但因其同时受到左右两侧料条区较高荷载水平的影响，因此产生的累计沉降量也相对偏大；料条区1的沉降发展趋势总体稳定。因此可以看出采用土工格室加筋垫层能够对软基在不均匀堆载作用下产生的不均匀沉降起到一定的缓解作用。

图12 堆料期不同测点累计沉降的时程变化曲线

4.5 侧向位移

堆料期间，工程人员对料场不同测点处的地基侧向位移进行了监测，监测结果显示：最大的侧向位移出现在测点3，为10.79 mm。图13为3个典型测点3，8和13不同深度处的侧向位移在不同时间的变化曲线，由图13可以看出：侧向位移曲线在8 m处有明显转折，8 m以下侧向位移较小，8 m以上侧向位移较大，说明地基侧向位移主要发生在软弱的淤泥层中部至地面范围。侧向位移主要发生在堆料期间，但随着堆料时间的增长以及堆料荷载的稳定，侧移速率很快趋向收敛，累计侧移量逐渐趋于稳定，基本在5 mm左右，这主要是因为土工格室加筋垫层的应力扩散效应以及柔性筏板效应，使得桩间土承担的荷载较小，土体不易被压缩。且土工格室加筋垫层和预应力管桩复合地基都对土体侧向位移起到了较大的限制作用。因此，“预应力管桩+土工格室加筋垫层”的处理方法对于抑制地基土体在不均匀堆载作用下的侧向位移效果显著。

图13 典型测点在不同深度处侧向位移的时程变化曲线

5 结论

1) 针对深厚软土地区重载不均匀堆场，综合考虑刚性桩复合地基和桩筏基础方案的优缺点，提出“真空−堆载预压联合预应力管桩−土工格室”的地基处理方案，其中桩与土工格室复合地基具有结构简单、造价低、承载能力高、稳定性能好等特点，克服了现有单一技术的不足。

2) 真空−堆载联合预压技术能够加快天然地基的排水固结速率，增大地基的固结度，提高天然地基的整体承载力，为高含水率软土地基采用预应力管桩和土工格室加筋垫层的施工加固创造了良好的条件。

3) 采用“预应力管桩+土工格室加筋垫层”的处治方法，能有效地将地基的工后沉降量和相邻桩基的差异沉降控制在规定范围内；土工格室加筋垫层的应力扩散效应和侧向约束效应能够降低地基顶面的应力水平，约束地基土体的侧向位移，使得复合地基最大侧向位移仅为10.79 mm，并加快侧移速率的收敛。

4) 真空−堆载联合预压可以使天然深厚软基的承载力提升1.56倍；“预应力管桩+土工格室加筋垫层”的处理方法能够使地基的承载力提高至少1.6倍，2种处理方法综合作用保证了复合地基大面积不均匀堆载作用下的稳定性。

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Mechanism and application of vacuum-surcharge preloading combined with prestressed pipe pile-geocell in deep soft foundation treatment of storage yard

CHEN Weijia1, LIU Weizheng2, LIN Zhenyu3

(1. Zhuhai Communications Group Co., Ltd, Zhuhai 519000, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3. Guangdong Geological Engineering Company, Guangzhou 510000, China)

A deep soft soil foundation treatment project of a storage yard in Zhuhai, China was studied. Traditional foundation treatment countermeasures cannot meet the requirements of this storage yard project, such as high bearing capacity and stability, high-standard post-construction settlement and differential settlement control, and rapid, efficient and cost-effective treatment of wide areas. A comprehensive solution was thus proposed where the vacuum-surcharge was used to preload the entire yard foundation, and the prestressed pipe piles in combination with geocell reinforcement were then used to treat the sacking areas and geogrid reinforcement to treat the stacker and reclaimer areas. The strengthening mechanism of this comprehensive treatment technology was investigated. It is found that the soil arching effect of reinforced soils on the top of pipe piles can effectively transfer the stress, and that the geocell reinforcement plays a role in restraining the pipe piles horizontally, coordinating the uneven settlements, and producing a remarked effect of flexible raft slabs in pile-raft foundation. Then the treatment performance was analyzed by using in-situ monitoring data of bearing capacity, settlement, and lateral displacement responses. The field data indicate that the solution of vacuum-surcharge preloading combined with prestressed pipe pile-geocell can greatly improve the bearing capacity of soft foundation, control the horizontal displacement of soft foundation and reduce differential settlement of soft foundation. Therefore, the engineering problems of excessive settlement and instability of the storage yard in soft foundation were solved effectively. The results could provide technical reference and guidance for similar projects in deep soft foundation treatment.

deep and soft soil; large storage yard; pipe pile-geocell composite foundation; vacuum-surcharge preloading; treatment performance

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200114

TU470

A

1672 − 7029(2020)07 − 1699 − 11

2020−02−14

珠海交通集团有限公司科技研究开发计划资助项目(JT-KT202001)；湖南省自然科学基金面上资助项目(2019JJ40344)

刘维正(1982−)，男，湖南邵阳人，副教授，博士，从事特殊土路基稳定与加固研究；E−mail：liuwz2011@csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)