塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預壓法在深厚軟土地基處理中的應用

李文堅

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

1 引言

隨著科學技術的發(fā)展，社會生產力的提高，塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預壓法的施工工藝日臻完善，施工效果也得到顯著提高。該軟基處理方法因具有造價低、施工簡便、加固效果明顯等優(yōu)點，在沿海地區(qū)，特別是珠三角和長三角地區(qū)的深厚軟土地基處理工程中得到廣泛應用，取得了較好的社會經濟效益[1-3]。

在塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預壓法實施之前，沉降大小預估算值的合理確定，有利于準確確定堆載高度，也是信息化施工不可或缺的項目，對處理效果成功與否具有重要意義。對該聯(lián)合預壓法下深厚軟土地基的沉降量，眾多學者進行過各種現(xiàn)場試驗、數(shù)值分析等預測[4-6]。本文結合工程實例，利用理正巖土軟件和Midas GTS/NX 有限元軟件對塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預壓法作用下深厚軟土地基的沉降進行計算和模擬，以確定堆載高度，并與現(xiàn)場實際情況進行對比，探究沉降量預估算值的合理性以及聯(lián)合堆載預壓法的實施效果。

2 基本原理

塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預壓法是利用在軟土地基中打設的塑料排水板作為豎向排水通道，以軟土地基表面預鋪設的砂墊層以及砂墊層中預埋設的濾水管道作為橫向排水通道。將不透氣的薄膜鋪設在砂墊層表面，通過射流泵將薄膜下土體中的氣體抽出，使得土體與砂墊層及排水板之間形成壓力差，發(fā)生滲流，進而使軟土中的孔隙水壓力不斷降低，促使軟土層固結沉降。同時，真空壓力與不透氣薄膜上部堆載共同給軟土施加超載，有效解決傳統(tǒng)真空預壓壓力不足的問題，加速薄膜下軟土的排水固結沉降。同時，上部預壓土方與路基填筑土方結合使用，預壓土方同時為路基填筑的土方使用，減少工序，節(jié)省投資。

3 工程案例

3.1 工程概況

擬建場地位于珠海市高欄港經濟區(qū)的平沙片區(qū)的濱海近岸淺海地帶，屬海陸交互相海積平原地貌，場地經填土平整，地勢平坦。工程實例為既有廣珠線珠海西站站房對側，貨場同側新增的2 條到發(fā)線及4 條貨物線路基。整個場區(qū)已完成吹填工程，但實際吹填后的場區(qū)高程為3.4 m，低于設計吹填高程約0.4～0.6 m。本次場區(qū)軟土地基處理按實際吹填后高程進行設計。地基處理總面積約2.7×105m2，相當于39 個標準足球場的面積。

3.2 工程地質及水文地質條件

場區(qū)的巖土層按其成因分類主要有上覆第四系填土、淤泥質土、中砂、粗砂（礫砂）、粉質黏土；下伏燕山晚期（γ35）花崗巖。

其中，素填土呈褐黃色，稍濕，主要成分為黏性土和強風化碎塊，欠壓實。該層分布場地邊緣道路和既有貨場進場道路南側，平均層厚1.37 m；沖填土呈褐灰色、褐黃色，松散，主要由細砂沖填而成，局部混黏性土及碎石，該層在場地廣泛分布。層厚1.30～7.00 m，平均3.42 m；淤泥質土呈灰黑色、褐灰色、深灰色，流塑，局部含貝殼及粉細砂，具臭味，該層在場地內廣泛分布，平均層厚24.13 m，結構松軟，承載力低，具高壓縮性和觸變性，有臭味，易產生流變。

場區(qū)地下水主要為賦存于沖填土、粉砂、中砂層、粗砂層中的孔隙潛水，場地內地層除沖填土、粉砂層、中砂層、粗砂層為強透水層外，其余地層均為弱～微透水層。地下水主要受相鄰含水層和海水的側向補給及大氣降水的垂直滲透補給，以水平徑流排泄為主。

3.3 軟基處理方案

采用真空預壓與堆載預壓聯(lián)合加固軟土的方式進行地基加固。塑料排水板打設深度22～27 m，采用正三角形布置，間距1.0 m。

考慮地基處理面積較大，設計過程將場地根據(jù)邊界條件和地層分布劃分為11 個區(qū)，單個區(qū)域平面面積為1.3×104～3.5×104m2不等。各區(qū)域四周根據(jù)不透水層埋深設計了密封溝或雙排咬合黏土攪拌樁密封墻。

主要施工順序為：（1）場地準備：場地清表、開挖、平整；（2）打設攪拌樁密封墻與開挖密封溝；（3）鋪設30 cm 砂層；（4）打設塑料排水板；（5）鋪設真空管系；（6）鋪設20 cm 砂層；（7）鋪設保護土工布1 層、密封膜2 層，密封膜壓入密封溝；（8）抽真空；（9）堆載；（10）監(jiān)測控制；（11）場地整平。

堆載預壓土體填筑應在當真空壓力達到設計要求并穩(wěn)定15 d 后，再進行堆載，并繼續(xù)抽真空。堆載前應在膜上鋪設1層短纖針刺土工布(200 g/m2)保護層、保護層上鋪設20 cm 厚砂墊層。本次真空聯(lián)合堆載預壓在荷載到達滿載的狀態(tài)下，預壓不少于200 d。

4 沉降計算

為了充分利用上部堆載土體，避免后期過多的土石方回填或開挖，設計過程對堆載高度進行了充分研究。根據(jù)前期珠海西站工程的試驗區(qū)監(jiān)測資料，地面沉降為1.6～2.0 m，結合本次工程地質條件與實驗區(qū)的差異，擬采用2.0 m 的堆載高度。并采用理正巖土軟件和Midas GTS/NX 有限元軟件對沉降量進行了計算和驗證。

4.1 理正模型計算

理正模型計算寬度取50 m，模型地層分布選取該場地代表性位置，土層自上而下分別為：填土層，厚1.5 m；淤泥，厚25 m；粉質黏土，厚5 m。膜下真空壓力取80 kPa，真空預壓持續(xù)時間6 個月；堆載強度取40 kPa；排水板打設深度26 m，等效排水板直徑取dw=2(a+b)/π，（式中，a 為排水板厚度，取4.2 mm；b 為排水板寬度，取100 mm。）計算得dw=66 mm。土層參數(shù)見表1。排水板參數(shù)見表2。

表1 土體模型計算參數(shù)見

理正計算結果顯示，塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預壓法作用下場地最大沉降值為1.805 m，如圖1 所示。

圖1 理正巖土計算沉降圖（單位：m）

4.2 有限元分析

4.2.1 模型建立

目前，塑料排水板-真空-堆載預壓地基固結常用的模擬方式都是簡化為二維平面模型，將排水板地基轉化為排水板墻地基，然后進行平面應變計算。經過此種轉換之后，地基各點的幾何位置已不能和原型一一對應，該方法缺陷較大，對孔壓、橫向應變等的計算結構不太理想。本文將排水板視為實體單元，以單個排水板的平面作用范圍為模型水平剖面，選取該場地代表性位置建立三維模型。模型土層同4.1。土體模型計算參數(shù)見表1。排水板參數(shù)見表2。

表2 排水板參數(shù)表

4.2.2 荷載及邊界條件

荷載定義共3 組：一組為模型自重；一組為真空壓力，定為80 kPa；一組為堆載壓力40 kPa。模型邊界條件包括支撐條件、排水條件和節(jié)點水頭。支撐條件采用側面僅允許豎向位移，底部固定3 個方向的約束；定義模型頂面節(jié)點和塑料排水板單元節(jié)點為排水邊界條件；考慮抽真空將降低地下水水頭定義模型頂面的節(jié)點水頭高度為-8 m。

4.2.3 模型計算結果

圖2 為通過有限元軟件模擬聯(lián)合加載200 d 后得到的模型豎向變形云圖，從圖2 中可以得到地表沉降量為1.950 m，與模擬過程采用的2.0 m 堆載誤差在3%以內。

圖2 豎向變形云圖

兩種計算方法得到的該場地代表性位置在塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預壓法下的沉降量分別為1.805 m 和1.950 m，兩者差異可控?？紤]施工方便，實際施工過程堆載高度取2.0 m。

5 施工效果

由于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，僅保留有少量記錄，記錄中場坪大部分區(qū)域最終實際沉降量與預估沉降值差異在±20 cm 以內，誤差不大于10%。個別區(qū)域沉降接近0.5 m。由此可見，前期的沉降量預估算值具有一定的可靠性。個別區(qū)域因軟土層較厚，與理正計算和數(shù)值模擬選用的代表性地層情況差異明顯，實際沉降較大。聯(lián)合堆載預壓結束后，根據(jù)實際固結沉降后的場坪高程與設計場坪高程差進行了少量補填碾壓密實。

6 結論

1）塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預壓法，有效解決傳統(tǒng)真空預壓壓力不足的問題，加速薄膜下軟土的排水固結沉降，可有效降低場地工后沉降。

2）采用理正巖土軟件和Midas GTS/NX 有限元軟件模擬計算得到的軟基在塑料排水板-真空-堆載聯(lián)合預壓法下的沉降量差異較小，對于確定堆載高度均有一定的可靠性。

3）場地大部分區(qū)域實際沉降值與預估算沉降值差異在10%以內，說明選用的堆載高度是合理可行的。

4）上部堆載預壓土方與路基填筑土方結合使用，預壓土方同時為路基填筑的土方使用，一舉兩得，節(jié)省工序，節(jié)約工期，在投資控制上具有明顯優(yōu)勢。