围堤软基加固中的塑料排水板施工技术.pdf

水利建设与管理 2 0 1 0年第4期 张继 良 史可平 周定刚 ( 湖北长江清淤疏浚工程有限公司4 3 0 0 0 0 ) 【 摘要】 本文结合工程实例， 分析了软基加固中塑料排水板法的加固原理及方法， 介绍了施工质量控制的技术措 施。 【 关键词】 软基处理 塑料排水板预压荷载 质量控制 1 工 程概 况 公司参建的常熟边滩整治工程位于常熟市新港镇境内 ， 上起金泾塘 口， 下至 白茆河 口， 北侧 与白茆小沙夹槽 ， 南侧与 常熟陆地相连。工程实施后， 新增边滩围堤长度 5 ． 6 3 3 k m , 新 增陆域面积 1 3 6 ． 8 h m 2 。该工程是长江口综合整治工程的一个 组成部分 。 2 地质情况 工程区地处 长江人海 口的三角洲地带 ， 河流冲积与滨海 沉积盖层厚度大。根据钻孔揭露 ， 工程区地层 由第四系全新 统冲积的淤泥质粘土、 淤泥质粉质粘土、 粘土、 砂壤土、 粉细 砂等组成。根据土体工程地质特性的差异， 将其划分为三大 类土层， 即①淤泥质粘土层、 ②粉质壤土层、 ③砂壤土层及砂 性 土层 。 依据土层性质 、 地质成 因、 工程地质特 征和区域地质资 料对 比分析 ， 自上而下可分为以下诸层 ： ①砂土： 灰黄色， 该土层由北向南颗粒渐变细， 由细砂、 粉砂 、 渐变为轻粉质砂壤土 、 重粉质砂壤土 ， 含云母片 ， 局部 夹壤土， 松散—稍密状态， 中压缩性。单层厚 1 ～ 1 2 m。 ②淤泥质粉质粘土： 灰色， 局部为淤泥质重、 中粉质壤 土， 偶夹砂壤土层， 流塑状态， 高压缩性。层厚 2 ．4 ～ 2 0 ． 0 m， 普 遍分布， 由西向东渐变薄。 ③壤土层： 包括粉质壤土与粉质砂壤土等。 ③一 1 粉质壤土、 中粉质壤土： 灰色， 夹砂壤土 ， 软塑一流 塑状 ， 塑性高 ， 厚度 2 ． 4 ～ 1 5 ． 9 m不等。 ③一 2粉质砂壤土： 灰色， 重粉质砂壤土、 轻粉质砂壤土， 粉砂 、 局部轻粉质壤土 ， 含云母片 ， 稍密一中密状态 ， 中压缩 性 ， 场地分布不连续 ， 最大揭露厚度 1 6 ． 1 m。 ④粉砂层： 灰色， 含云母， 偶夹粉质粘土， 壤土层薄， 密实 状态 ， 中压缩性。局部未见底 ， 最大揭露厚度 2 2 ． 8 m。 3 主要工程地质 问题及处理方案 3 ． 1 主要工程地质问题 堤基土主要由第四系全新统冲积及滨海沉积的淤泥质 土 、 一般粘性土 、 砂壤土 、 粉砂 、 细砂组成 ， 淤泥质 土 、 砂壤土 呈软塑一流塑状 ， 粉砂呈松散状 ， 均属新近淤积的松软 土体 ， 其工程性状较差 ， 承载力低， 易产生渗透变形及抗冲刷淘蚀 而引起堤基失稳。因此 ， 该工程存在的主要工程地质问题围 堤及抗滑稳定、 沉降变形、 渗透变形及抗冲刷淘蚀等问题。 堤 基持力层呈 软塑一流塑状 ， 粉砂呈松散 状 ， 均属新近沉积 的 松散土体 ， 其工程性状较差 ， 含水量大 ， 天然孔隙 比大 ， 饱和 度高， 呈软塑一流塑状， 承载力极低， 压缩性高， 抗剪强度很 低， 若以其作为堤基持力层， 极易导致出现堤身( 基) 沉降量 过大及不均匀沉降问题，甚至在局部堤段产生堤基滑动破 坏 。 3 ． 2 处理 方案 综合该工程各方面的因素考虑， 采用斜坡式防波堤堤身 型式， 以适应堤基总体承载力较低的特点； 对淤泥质粘土、 淤 泥质粉质粘土等软土堤基采用堆载预压+ 塑料排水板的方法 进行加固处理， 在围堤堤基铺设厚 5 O c m的砂被， 起隔离、 排 水和 固结补强的作用 ， 以减少不均匀沉降 ， 减少侧 向变形 ， 增 大堤基稳定性。 同时为加速堤基淤泥质土体排 水 固结 ， 在 围堤 内、 外坡 脚范围内插打塑料排水板， 按正方形布置， 间距 1 ． 2 m， 排水板 张继良等／ 围堤软基加 固中的塑料排 水板施 工技术 3 7 插入地基深度为 1 3 2 0 m。 根据设计要求 ， 该工程的软土地基主要采用塑料排水板 处理。以下简单介绍施工过程中一些关于塑料排水板处理软 基的技术措施 。 3 ． 3 采用塑料排水板法在软基处理中的 目的 、 工艺流程和原 理及特点 3 ． 3 ． 1 塑料排水板法在软基处理中的 目的 增设地基土 中排水通道 ， 改善地基土 的透水 性和排水条 件 ，使得施工过程 中产生 的超静孔 隙水 压力能够及 时消散 ， 并转换为有效应力 ( 有效强度 ) 。 当地基土的透水性和排水条件较差 时 ， 超静孔 隙水 压力 无法及时消散， 根据太沙基有效强度理论， 它将导致围堤地 基土产生失稳破坏。该工程围堤堤基由透水性差的粉质粘土 和淤泥质 粘土组成 ， 为此 ， 工程设计 中对 围堤地基 土采取 了 塑料排水 板处理措施 ， 以期 增强地基 土的透水 性 、 改善地 基 土的排水 条件 。显然 ， 围堤堆筑和 围滩吹填过程中 ， 地基土中 超静孔 隙水 压力 的消散 情况客观地 反映 了地基土 有效强度 的增长过程 、 围堤及其地基土的稳定性。 在该工程 中主要解决地基沉 降问题和稳定问题。 3 ． 3 ． 2 塑料排水 板法 的施工工艺流程和原理 a ． 施 工工艺流程如 图 1 所示 。 基础清理 l 修筑预拱坡面 』 铺设砂垫层 』 测量定位 J 打设塑料排水板 』 I 剪 带 移 位 j I 预压荷载 图 1 塑料排水板法施工流程 图 b ． 塑料排水板法的加 固原理 。 塑料排水板法是排水固结 法的一种形式 。先在地基 中设置 塑料 排水 板竖 向排水体 ， 然 后利用建( 构) 筑物本身重量分级逐渐加载； 或是在建( 构) 筑 物建 造以前 ， 在场地先行 加载预压 ( 或者 真空预压 ) ， 从而使 土体中的孔隙水排出， 逐渐固结 ， 完成地基沉降， 同时强度提 高的方法。 塑料排水 板法 的加 固原理 是 ：利用插板 机械在 含水量 大 、 孔 隙比大、 压缩性高 、 深厚 的软土 地基 中插设具有 良好透 水性 的塑料排水板 ，从 而在软土地 基 中形成 竖 向的排 水通 道 ， 在其上铺设 砂垫层而形成 水平排水通 道 ， 增加 了土层的 排水 通道 ， 如图 2 所示 。在上部辅加荷载( 如预压堆载 、 砂被 ， 或者真空预压等) 的作用下， 在软土地基中产生附加应力。软 土地基中的孔隙水应力和附加应力引起的超孔隙水应力随 着孑 L 隙水通过塑料排水板和砂垫层排出而降低， 地基的孔隙 水含水量也随之降低 ， 从而增加了土体密实度。根据太沙基 的有效应力原理 ( I = O -一 “ ； 其 中， 为有效应力 ； 为总应力 ； u为孔隙水应力) 可知 ， 由土颗粒间传递的有效应力 会随 着地基中孔隙水应力降低( 即孔隙水的消散) 等量增加， 进而 加速地基的固结 ， 提高地基土的承载力， 使软土地基在较短 时间 内达到较高的固结度 ， 大大减小 围堤的工后沉 降。 ／ 袋 装 砂 棱 体 堤 心＼ ， ，，， ，，， ，，， ，， ，，， ，，， ，，， ，，， ‘， ，，，， ，，， ， 口 ＼ 铹 = f ： 排水 板／ ： 天 然 地 基 A 点 的 排 水 路 径 I i 设排水板后地基皂 一 一 一 一 二 二 ⋯ 点的排水路径。 ， ， l ， 图 2 地基中 A点的排水路径 比较示意图 3 ． 3 ． 3 塑料排水 板法 的特点 最早的排水固结法是砂井排水。 但此法存在的问题是地 基变形后． 容易产生断颈和颈缩。 塑料排水板法弥补了砂井的 3 8 张继良等／ 围堤软基加 固中的塑料排水板施工技 术 不足， 使施工工艺大大简化， 工效成倍增长， 具有以下显著特 点： a ． 塑料排水板由专业厂家批量生产， 质量均匀且易控制， 具有良好的透水和排水性能。 b ． 塑料排水板材料具有良好的强度及延伸率， 适应地基 变形的能力强。 c ． 重量轻( 约 1 ． 5 k g ／ m ) ， 搬运方便， 施工质量易控制和保证。 d ． 塑料排水板的断面尺寸小， 插入时对地基土扰动小， 连 续性好 。 e ． 施工机械简单施工速度快， 劳动强度小施工场地整洁。 4 施工机械与选材原则 4 ． 1 施工机械设备 该工程 的堤基处 理总长度 5 0 OOm， 面积 2 3 5 0 0 0 m 2 ， 插板 数 1 6 7 4 0 0 根， 插板平均深度 1 6 ． 3 m。施工采用 Z T G 3 0 - - 2 5型 轨道式插板机 5台，用于大部分相对平整部位的排水板施 工； P C 3 0 0 履带式专用插板机 2台，用于局部不平整部位及 围堤边缘排水板施工。 4 ． 2 塑料排水板材料的选定 根据设计要求，工程采用的塑料 排水板应具有耐腐蚀性 和足够的柔性， 卷 曲、回折时不脆裂 。其技术指标必须符合 J T J ／ T 2 5 6 --9 6 (( 塑料排水板施工规程》 及设计要求．材料进场必 须经过检验合格后方可投入使用。 5 施工 中关键技术控制点 该工程塑料插板施工工艺主要有三个步骤： 铺设水平排 水垫层、 垂直设置塑料排水板、 填筑预压荷载并观测沉降量。 这三个步骤的工艺都有其 特殊要求和技术标 准 ， 因此实施效 果直 接关系到加 固软土地基的成败 。 5 ． 1 铺设水平排水垫层 首先对加 固的地段清除表层草皮 、 石块和杂 物。然后人 工铺设并充灌砂被， 厚度 5 O ～ 6 0 c m。砂被充灌符合要求后， 分 级充填一级堤身外侧袋装砂棱体及堤身至高计高程 1 ． 0 5 m ( 高出一般潮位) ， 在袋装砂棱体及堤身砂吹填的同时采用人 工踩排进行吹填砂初期排水， 塑料插板插打前采用挖掘机进 行场地整平及震撼密实排水， 整平后的插打场地要求表面平 顺 ，形成坡度为 2 - 3 ％的倒坡 ，达到预拱坡 面和砂垫层的效 果 ， 以利塑料插板排出的水能迅速排 出。 5 ． 2 垂直设置塑料排水板 a ． 机械定位 。 插板机就位 ， 调正导架垂直度 ， 空心套管 中 穿入塑料排水板， 对中桩位。插板顺序由低向高， 定位时要保 证桩锤中心与地面定位在同一点上， 并用经纬仪或其他观测 方法控制桩锤或塔架 的垂直 。安设套管时 ， 套管顶端有便于 起吊的吊钩或吊环， 并在套管上画出控制标高的刻度线。套 管接长时， 在打设前要试接， 要求连接口平顺密闭。 b ． 塑料板与桩尖连接。在塔架卷筒上安置塑料板 ， 然后 将塑料板通过套 管从 管靴穿出 ， 固定 在桩尖上 ， 并一起贴紧 管靴对准板位。 c ． 沉管插板。松卷扬机 ， 将套 管和排水板激振人地下至 设计深度后关机。刚开始时沉管要缓慢， 防止套管突然出现 偏斜 ， 套管人土深度距设计标 高约 2 m时 ， 要减慢沉管速度 ， 注意观察 ，防止 超深或碰上硬质地基时 能及 时采取应变措 施。 d ． 拔管剪断塑料 板。沉管达到设计深度后 即可拔管， 拔 管时要连续缓慢地进行， 中途不得放松吊绳 ， 防止因套管下 坠而损坏塑料板 。套管拔出后 ， 在下 口露 出地面 2 O ～ 3 O c m处 剪断塑料板并移位。 e ． 塑料板接头处理。如需将剩余塑料板与另一卷连接使 用 时， 将塑料板 两头滤膜 翻剥开 ， 先 搭接板芯 2 0 c m， 然后把 滤膜翻卷盖住接头 ， 并 确认泥土不能进入板芯 。 5 ．3 填筑预压荷载 1 1 ． 分段 塑料排水板验收合格后 ， 应及时用吹填砂料仔细 填满打设在板周围形成的孔洞， 覆盖塑料板甩头。 b ． 加载。使用合格的围堤填料， 结合围堤分级堤身施工 的工艺进行 ， 其加载速率应控制在设计要求的标准内， 不得 超过地基允许承载力 。 c ． 设置沉降观测点。在堤身填筑加载前 ， 在堤基坡脚外 5 m处设置水 平位移观测 桩 ， 纵 向桩距 1 0 0 m， 并 在堤基 中线 上设置垂直观测标杆 ， 标杆的下端焊接一块 3 0 c m x 3 0 c m的钢 板， 沉降观测点沿中线每隔 1 0 0 m设置一个。 d ． 施工加载速率。由于围堤是在淤泥质软土地基上填筑 的， 因此需要严格控制施工加载速率如下：I 期袋装砂棱体 施工控制时间不小于 3 0天， 加载间歇时间 3 0天 ； 1 1 期袋装 砂棱体施工控制进间不小于 3 0天 ，加载间歇时间 3 0天 ； Ⅲ 张继 良等／ 围堤软基加 固中的塑料排水板施工技 术 3 9 期袋装砂棱体施 工控 制时间不小 于 2 0天。施 工期加载速率 不 超过 4 - 1 0 k P a ／ 天 ， 即每天填筑 不超过 0 ． 7 m， 施 工时应 分层 均匀缓填。 6 通过对围堤 的安全监测检验软基处理的效果 为 了确保工程的施工质量。 确保软 基处理的效果． 在施 工 过程 中主要从 以下几个 方面 的安 全监测来 检验软 基处理 的 效果。 6 ． 1 超静孔隙水压力监测 当地基土的透水性和排水条件较差时， 超静孔隙水压力 无法及时消散， 根据太沙基有效强度理论， 它将导致围堤地 基土产生失稳破坏。该工程 围堤堤基 由透水性差的粉质粘土 和淤泥质粘 土组 成 ， 为此 ， 工程设计 中对 围堤地 基土采 取 了 塑料排水板 处理措施 ， 以期增 强地基土 的透 水性 ， 改善 地基 土的排水条件。显然， 围堤堆筑和围滩吹填过程中， 地基土 中超静孔隙水压力的消散情况客观地反映了地基土有效强 度 的增长过程 、围堤及其地 基土 的稳 定性 以及 塑料排 水板 处理措 施 的效果 ， 并在 一定程度上 控制 了施 工进度 。为此 ， 地基 土超静孑 L 隙水压 力及其 消散 过程是该 项 目监 测 的重要 内容 。 6 ． 2 分层沉降监测 工程 区地基 土主要 由新 近沉 积的 、 欠 固结的 、 呈软 塑一 流塑状 的淤泥质粉质粘土和砂壤土等组成 ，其 承载力低 、 压 缩性大 。在 围堤堆筑和围滩吹填过程 中， 地基土 中将产生较 大的附加应力， 沉降和不均匀沉降问题较为突出。当沉降变 5。 4。 3。 喜 。 皿 咖 羹 。 碳 。 ～l 。 一2。 形过大 时， 会给工程施 工带来安全隐患 ， 甚 至影 响工程进度。 因此 ， 在不 同监测断 面布设分层沉 降监测孔 ， 以跟踪 观测施 工过程中堤身及堤基不同深度的沉降变形情况。 6 - 3 侧向水平位移监测 由于围堤地 基由物理力学 性质差的软土组成 ， 而围堤的 最 大堆筑高度将近 9 m。对于透水性差 的软土 ， 在 围堤堆筑过 程中产生的附加应力 不易及时转换 为有效强度 ， 故 软土堤基 存在产生侧向蠕变、 甚至滑动破坏的可能性。 6 ． 4 沉降观测 考虑到场 区地基土为呈软 塑一流塑状 、 欠 固结 的淤 泥质 粉质粘土和砂壤土等 ， 沉降和工后沉降问题较为突出。为了 从宏 观上掌握 围堤堆 筑和 围滩 内吹填过程 中地基 土的沉降 量、 沉降过程和工后沉降， 根据设计图纸、 地质报告和现场实 际情况 ， 本着突出重点、 兼顾全局、 力求达到少而精的原则 ， 在 1 + 3 5 9 、 2 + 8 7 0 、 4 + 1 2 4桩号处布置三个监测断面。共埋设 1 l x 3 = 3 3 支振弦式孔隙水压力计；分层沉降监测点总数为 8 点／ ~ L x 3 孔 3 = 7 2点 ；侧 向水平位移监测 总数为 2 孔／ 断面 3 断面x 6 0点／ ~ L x 2向／ 点 = 7 2 0点 ； 同时在 围滩 内沿 断面方向各 埋设 3个沉降板 ， 监测断 面一级 、 二级 、 堤顶 道路 各埋 设一块 沉降板 ， 共计 1 8块沉降板。 6 ． 5 软基处理效果分析 比较典型断面 1 + 3 5 9的观察 结果 。 6 ． 5 ． 1 超静孔隙水压力监测 由图 3可以看出，监测断面上观测点在二级棱体施工 1 I I 零二 一一3 - 2 2 4 — 1 4 — 1 1 4 — 2 1 5 一 l 5 — 1 1 5 ～ 2 1 5 — 3 1 6 一 l 0 6 - 2 0 ， ． 观澳0 口期( 月一日) l—— e 一—- 一 K0 2 2 8 4 00 3 l 一 舛 — 一 一 一 一 ∞ 一 引 一 ⋯悯 驰 l 图 3 1 + 3 5 9 断面孔隙水压力监测过程线 张继 良等／ 围堤软基加 固中的塑料排 水板施工技 术 E E 阍 世 嚣 观测E l 期( 月一 日) 观测 日 期( 月一 13 ) 观测日期( 月一 日 ) 图 4 分层 沉 降监 测 过程 线 7 7 一 g g 一 蛔墼S |【 目u ) 删姓嬉 酶 张继 良等／ 围堤软基加 固中的塑料排水板施 工技 术 4 l 时， 加载当天会出现一个峰值 ， 在加载停止后， 孔隙水压力即 稳定( 见图 4 ) 。 很快消散， 说明排水板排水效果比较明显。在棱体加载施工 6 ． 5 ． 3 侧向水平位移监测 期间， 孔隙水压力主要伴随着加荷速率上升，自5月初棱体 加载完成后 ， 超静水压力即逐渐消散 ， 地基 固结状况 良好 。 6 ．5 ． 2 分层沉降监测 根据本地工程经验， 沉降速率控制标准为 1 0 ra m ／ 天。1 号 断面( 1 + 3 5 9 ) 观测最大沉降速率为 9 ra m ／ 天( HD 1 — 2 , 4月 7日 观测) ，在监测时间段内沉降速率基本没有超过控制标准。 根据跟踪监 测发现 ， 地基土沉 降主要受上 部棱体 加载影 响 ， 棱 体加 载一层 ( 约 0 ． 5 ～ 0 ． 7 m) 沉 降量 约为 7 - 9 ra m， 且稳定 较 快。因此 ， 在施工过程 中禁止连续 加载 ， 每次 以加载 一层为 宜。基本以表层沉降量较大， 随着深度的增加 ， 沉降量降低。 根据对施工结束后观测数据的统计分析，当前地面沉降速 率最 大值 为 0 ． 3 m m ／ 天 ， 最小值 为 0 ． 1 m m ／ 天 。 地基 土变 形渐趋 1 5 0O O 1 o o O O 5 0o o O0 0 —5 00 0 1 0 0O O 依据资料和当地施工经验计算， 深层水平位移的控制标 准为 5 m m ／ 天 。观测 期间 ，1 + 3 5 9断 面最 大水平位 移速率 为 4 ． 1 2 m m ／ ~ ， 根 据施 工结束后观测分析 ， 当前水平位移 已渐 趋 稳定 ， 最大平均水平位移速率为 0 ． 1 2 ra m／ 天 。观测结果表 明： 在 围堤吹填加 高期 间 ， 软土地基 内部 的水平位移很小 。实测 的水平位移仅仅是地基土在围堤竖向荷载作用下的侧胀变 形 ， 而非 滑动破坏产生的滑移。由此可 以认为 ， 围堤的填筑施 工速率控制得 当。而且 ， 塑料排水板 在增强软土透水性方 面 的效果 良好 。由于塑料排水板的设置 ， 在较大程度上增强 了 地基土的竖向透水性， 为超静孔隙水的尽快排出提供了通畅 的竖 向通 道 ， 从 而加快 了地基土 的排水 固结 ， 地基 土的有效 强度 和压缩模量得到快速增长( 见图 5 ) 。 6 ． 4 沉降观测 图 5 各监测 断面水平位移一深度变化 曲线 从图 6中可以看 出， 在棱体加载期间， 沉降较快 ， 加载 瞬时沉降变化量较大。 至 5月底棱体施工完成后 ， 沉降曲线 提高 。 各项安全监测成果表 明： 塑料排水板法在常熟边滩整治 工程软基处理中的应用 ， 取得 了明显效果。 发展平顺， 沉降速率明显减小 ， 越到后期 ， 沉降速率越小 ， 说 7 结语 明棱体地基土层固结平稳 ， 棱体处于稳定状态。 地基处于安 在边滩整治工程塑料排水板法软基处理施工中， 由于施 全稳定状态， 且随着地基土体的固结， 地基承载能力也逐渐 工准备充分、 设备选型合理 ， 施工过程控制的技术措施严密， 4 2 张继 良等／ 围堤软基加固中的塑料排水板施 工技术 3 o 0 2 8 0 2 6 0 2 4 0 2 2 0 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 时间( 天) 0 2 O 4 O 6 o 8 0 1 0 0 l 2 O 】 4 O ● ■ 一 I - - ● 罩 ● 一 一 ●_． ． ， ，’ 一 一 一 I— 一实测沉降量 - ． -． ． 拟合 沉降量J 时间( 天) DH1 — 2 时间( 天) o 2 0 4 0 6 o 8 O l o 0 l 2 0 l 4 O ． 一 ．．一．一i im 一 -。‘ ‘ 一．。 一一 r- | J— 一实测沉降量 一 ． -一 ． 拟合沉降量J 图 6 双曲线拟合过程线 从而在施工中充分体现了这一方法具有施工效果好、 劳动强 械， 并严格按照施工工艺要求组织施工， 塑料排水板法施工效 度小、 施工速度快等特点。因此， 若能选用合适的静压打设机 率会更高， 经济效益会更好，施工质量会更有保证。■ Ⅱ )栅髅蜉 一 曼嘟蹬媾 ∞ 加 m ∞ 如 ∞ 加 ∞ ^ l _) 啊逝蟋