排水固結(jié)處理軟土地基影響因素分析

陳成場

摘 要：排水固結(jié)是軟土地基常用的處理方法之一，本文基于廈門海滄海投物流項目，通過分析軟土排水固結(jié)影響因素，進(jìn)而分析排水固結(jié)軟基處理效果，提出排水固結(jié)處理軟土地基的合理建議。

關(guān)鍵詞：軟土；排水固結(jié)；塑料排水板；井阻；涂抹

中圖分類號：TU471.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）06-0055-02

福建省沿海地基普遍存在淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱土層，該土層含水量高、強(qiáng)度低、壓縮性大，需進(jìn)行軟基處理，控制場地的工后沉降及差異沉降，以滿足堆場及建筑物對地基強(qiáng)度及工后沉降的要求。

排水固結(jié)法是現(xiàn)在軟土地基用的比較廣的一種加固方法，通過施打豎向排水通道、鋪設(shè)水平排水通道、實施加壓系統(tǒng)來完成。

1 工程概況

海投物流項目位于海滄保稅區(qū)物流園內(nèi)，北側(cè)邊界為角嵩路，南側(cè)邊界為建港路路，西側(cè)邊界為規(guī)劃路，東側(cè)邊界為海新路，中間3#排洪渠及囷瑤路將場地分為A2～A5四個地塊，總地基處理面積約為17.8萬m2。

現(xiàn)狀地基表層為素填土和雜填土，該土層含有部分碎石、磚塊等，土層厚度在4m～5m之間；其下為淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱土層，平均厚度在10m左右；軟弱土層以下土層為粉質(zhì)粘土、殘積砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖等，可作為場地持力層。

2 地基處理工藝概述

海投物流項目豎向排水通道采用塑料排水板，加壓系統(tǒng)采用堆載預(yù)壓，地基處理工藝流程簡述如下：

（1）場地整體開挖3m，以方便塑料排水板的施打，開挖土方可作為場地的堆載料；

（2）鋪設(shè)100cm水平排水砂墊層，施打塑料排水板，塑料排水板采用SPB-C型板，插板間距為1.0m，以正方形布置；

（3）利用開挖土方進(jìn)行分區(qū)分期堆載，卸載料倒載重復(fù)利用。

3 排水系統(tǒng)及加壓系統(tǒng)

排水固結(jié)是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩個主要部分組成。加壓系統(tǒng)是動力促使孔隙水排水，使土層固結(jié)。目前主要用的加壓有堆載法、真空預(yù)壓法、真空預(yù)壓聯(lián)合堆載法等。排水系統(tǒng)起增加孔隙水排出路徑，縮短排水距離，從而加速地基土的排水固結(jié)進(jìn)程。水平向排水墊層一般采用中粗砂墊層，豎向排水通道是砂井和塑料排水板。

3.1 加壓系統(tǒng)

在荷載的作用下，軟弱土層的固結(jié)過程就是超靜孔隙水壓力（簡稱孔隙水壓力）消散和有效應(yīng)力增加的過程。Δσ代表土層內(nèi)某點的總應(yīng)力增量，Δσ代表有效應(yīng)力增量，Δu代表孔隙水壓力增量，三者的關(guān)系滿足：

Δσ=Δσ-Δu

堆載預(yù)壓法是通過增加地基中的總應(yīng)力，在地基中形成超靜孔隙水壓力， 通過超靜孔隙水壓力的消散來增加地基中的有效應(yīng)力， 從而增強(qiáng)土體的強(qiáng)度。

從上圖可知，在滿足土基穩(wěn)定的前提下，隨著加壓荷載的增加，初始孔隙水壓力跟著增加，預(yù)壓期結(jié)束后有效應(yīng)力跟著增加，軟弱土層強(qiáng)度跟著提高，工后沉降量減少。

因此，排水固結(jié)處理軟土地基，預(yù)壓荷載的大小應(yīng)根據(jù)軟弱土層設(shè)計強(qiáng)度要求、地基工后沉降要求及項目實施工期進(jìn)行設(shè)計。

3.2 排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)分為水平排水系統(tǒng)及豎向排水系統(tǒng)，水平排水系統(tǒng)一般采用中粗砂墊層，豎向排水系統(tǒng)本項目采用塑料排水板。

排水板的選型及布置間距是影響固結(jié)排水速率的主要因素。塑料排水板分為SPB-A型板、SPB-B型板、SPB-C型板、SPB-D型板及高性能排水板，縱向通水能力及抗拉強(qiáng)度依次提高。

塑料排水板的間距決定了土中孔隙水的排水路徑，成為影響土體固結(jié)速率的重要因素，進(jìn)而影響土體殘余沉降的大小。在處理面積一定情況下，排水板間距越小，固結(jié)越快。通過分析，塑料排水板間距與固結(jié)時間的實際曲線介于理想井與涂抹井的理論曲線之間，更靠近理想井，當(dāng)排水板間距無限制縮小時，對加固效果的提高不明顯，同時排水板用量也增大，造價也提高，因此在滿足沉降要求前提下盡可能降低造價是本工程地基處理方案的關(guān)鍵。

根據(jù)理論計算，正方形布置不同排水板間距時土體的固結(jié)曲線，如下圖所示。隨著預(yù)壓時間的增長固結(jié)度逐漸增大，工程實施過程中應(yīng)盡可能創(chuàng)造條件增加預(yù)壓時間。

4 涂抹作用

涂抹作用的定義：在施打塑料排水板過程中，由于插板機(jī)芯軸對排水板周圍土體產(chǎn)生擾動，使擾動區(qū)域土體滲透系數(shù)大大降低，壓縮性增大，從而影響地基固結(jié)。擾動區(qū)域稱為涂抹區(qū)。

涂抹作用與土體的擾動程度有關(guān)，土體的擾動程度與土體特性、打設(shè)機(jī)械、打設(shè)工藝等有關(guān)。

5 井阻作用

排水板材料的滲透性一般遠(yuǎn)較軟粘土大，這也正是排水板能加快軟粘土固結(jié)的原因所在，但其值畢竟是有限的；因此，軟粘土地基在固結(jié)過程中， 由于側(cè)壓力存在及固結(jié)排水過程中排水板的變形，使得排水板的過水?dāng)嗝鏈p小，從排水井向外排出的水流將會受到一定的阻力，縱向通水量小于理想值，從而影響排水固結(jié)速率及效果，我們把這一現(xiàn)象稱為井阻作用。

5.1 塑料排水板通水能力

井阻作用的大小取決于塑料排水板的通水能力，而塑料排水板的通水能力在很大程度上取決于排水板的截面類型以及排水板濾膜的性能。

5.1.1 排水板截面類型的影響

水力半徑：排水通道面積與排水通道周長的比值。

通過水力半徑的概念來表征排水板的通水能力，水力半徑越大，通水能力越強(qiáng)。水力半徑與排水板的截面類型有關(guān)。

在有側(cè)壓力的情況下，水力半徑較自然狀態(tài)小，這是因為在側(cè)壓力作用下， 排水板的濾膜發(fā)生變形，導(dǎo)致排水通道面積和周長變化所致。

5.1.2 濾膜的影響

有的學(xué)者提出了濾膜的顯著開口直徑（AOS）的概念，用AOS表示濾膜通過細(xì)小顆粒的能力。AOS 應(yīng)該足夠小以阻止細(xì)小顆粒進(jìn)入排水通道內(nèi)。另一方面，AOS 不能太小，否則濾膜就沒有足夠的滲透能力。

5.2 井阻作用對地基固結(jié)時間的影響

用不考慮井阻作用和考慮井阻作用，地基在達(dá)到相同固結(jié)度所需時間的相對偏差WtG來研究井阻作用對固結(jié)時間的影響，即 時

用上式繪制如圖5的n，G和WtG關(guān)系曲線，可以看出WtG反映出因井阻作用對地基固結(jié)時間延緩的影響：當(dāng)G=∞時，WtG=∞，打設(shè)排水板無作用；當(dāng)G=0時，WtG= 0，打設(shè)排水板的效果最好，為理想井。

采用塑料排水板堆載預(yù)壓處理軟土地基，井徑比n一般在15～ 20之間。由上圖可知，當(dāng)G < 0. 15時，井阻作用對地基固結(jié)度的影響在可接受范圍內(nèi)；如果井阻因子G> 2時，軟土固結(jié)時間將是理想狀態(tài)的2倍以上，這將大大影響工期和效益，需對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整。

5.3 減小井阻作用的有效措施

井阻作用由井阻因子G表示，計算公式如下：

井阻因子G所含的參數(shù)中，地基的水平滲透系數(shù)kh 和排水板深度H是排水板地基所固有的，不可能為0，故它們不能使井阻因子G為0。如果排水板在原位條件下的通水能力Qw 仍足夠大，這時井阻因子G變得極小，從而使井阻作用不存在。所以，引起井阻最直接的原因就是排水板的實際通水能力，而排水板的實際通水能力與排水板內(nèi)部的芯板有直接關(guān)系。因此，采用在原位條件下，性能保持較好的排水板是消除或減輕井阻作用的良好措施。

6 監(jiān)測數(shù)據(jù)偏差

由于當(dāng)前軟基處理工程沉降觀測往往滯后于沉降實際發(fā)生的時間，通過常規(guī)的三點法、雙曲線法等幾種方法計算地基固結(jié)度會有一定的誤差。因此，現(xiàn)場監(jiān)測安排應(yīng)緊密結(jié)合地基處理工藝，若條件不允許，應(yīng)對固結(jié)度推算結(jié)果做適當(dāng)?shù)男拚幚怼?/p>

7 結(jié)語

（1）在滿足土基穩(wěn)定的前提下，隨著加壓荷載的增加，初始孔隙水壓力跟著增加，預(yù)壓期結(jié)束后有效應(yīng)力跟著增加，軟弱土層強(qiáng)度跟著提高，工后沉降量減少。因此，項目設(shè)計時應(yīng)根據(jù)軟基處理標(biāo)準(zhǔn)及工期考慮采用超載預(yù)壓、等載預(yù)壓或欠載預(yù)壓。

（2）塑料排水板從SPB-A型板到SPB-D型板縱向通水能力及抗拉強(qiáng)度依次提高，造價也相應(yīng)提高；在合理范圍內(nèi)，排水板間距越小，固結(jié)越快，造價越高。因此，排水板的選型及布置間距，在滿足工期及地基處理效果的前提下，應(yīng)盡量節(jié)省工程造價。

（3）涂抹作用與涂抹區(qū)大小及擾動土體滲透系數(shù)降低程度有關(guān)，施工時應(yīng)采取合適的施工工藝，降低排水板施打?qū)ν馏w的擾動影響。

（4）涂抹和井阻作用對排水固結(jié)地基處理過程中的固結(jié)度影響是十分顯著的，在實際工程中，必須充分考慮涂抹和井阻作用的不利影響。

（5）排水板的實際通水能力是引起井阻的主要原因，而排水板的實際通水能力跟排水板板型及內(nèi)部芯板息息相關(guān)。因此，在排水板的選材上應(yīng)結(jié)合工程性質(zhì)，選擇合適的排水板類型，性能保持較好的排水板是消除或減輕井阻作用的有效措施。

（6）由于現(xiàn)場實施條件限制，地基處理監(jiān)測往往滯后于沉降發(fā)生時間，因此根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)推算的固結(jié)度應(yīng)做適當(dāng)?shù)男拚?/p>

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