排水固结法加固软土地基的工程实践应用.pdf

第7 期 2 o o 8 年7 月 广东 土木与 建筑 GUANGD 0NG ARCHEC TU RE C I VI L ENGI NE ERI NG No 7 J U L 2 0 0 8 排水固结法加固软土地基的工程实践应用 廖 戈岚 ( 汕 头市建 安 ( 集 tt i ) 公 司 广 东汕头 5 1 5 0 4 1 ) 摘要： 结合排 水固结 法加 固某软土地基工程实践， 根 据 固结理 论求解预压 时间和 土层 固结度 ， 再反推地基沉 降 量及其稳定 时间， 并通过 实测孔隙水压力的推 算值加 以验证 ， 证 明该 法对该软土工程的适用性 ， 可供参考。 关键词 ： 排 水固结 法；堆栽预压 ；软基 ；固结度 ；沉 降 随着沿海地 区经济建设的高速发展 建筑工程 中涉及 软弱土地基处 理 的项 目越来 越多 各种 地基处 理方法都有着各自的特点和作用机理 工程地质条件 也千变万化 。 且每个工程对地基的要求各不相同。排 水 固结法 在 工程 实 践 中适用 于处 理饱 和软 弱 土层 随着施工技术 的不断发展 砂井逐步从普通砂井 向 细而密的袋装砂井及塑料排水板发展 其中塑料板 排水固结法在软基工程中的应用 已日趋成熟 并逐 步取代砂井排水法 笔者通过某软基处理工程塑料排水板堆载预压 施工的相关理论计算及总结归纳 证明排水 固结法 的适用性 ， 为类似软基处理工程提供参考 。 1工程地 质概 况 珠海某大型住宅小 区地处滨海地区 由于场址 近海下卧层物理力学性质较差 淤泥层厚度较大 承 载力较低 未经专门处理不可能作为会所浅基础持 力层 设计软基处理对象为原地面下 1 1 0 m厚的淤 泥质粘土层 处理范围达 1 0 2 5 6 m2 地质勘察揭露场地内主要土层分别为 ： 素填 土( Q ) ： 人工填筑而成 ， 以粘性土为主 ， 混有石英砂 砾、 碎石等 ， 松散， 稍湿 湿； 淤泥质粘土层( Q m ) ： 软 流塑， 饱和 ， 压缩性高 ， 夹薄层粉细砂、 砂土， 含贝 壳碎片及腐殖质， 分布不均， 层厚达 l 1 m； 砾质粘 性土( Q ) ： 可塑 ， 为花岗岩风化残积土。详见表 l 。 表 1 土层主要物理力学性能指标 2软 土地基 处理 方案 本工程会所基础面积为 1 1 5 5 mx 8 8 8 m 根据地 基 承 载力要求 经 过方案优选 决定采用插设 塑料排水 板堆载预压的软基处理方案。 2 1 排水体设计施工方案 ( 1 )水平排水体 采用砂垫层 ， 为中粗砂 。 粘粒含量不大于 3 。 层厚 0 5 m。 连续成层无 间断 ， 以确保水平排水通畅。 在场地 内设置纵横 间距约 2 5 m的排水盲沟与集水 井相连 以利于雨季施工时排水。 ( 2 )竖向排水体 采用 S P D 一1 I 型塑料排水板 ，尺寸为 1 0 0 x 4 排 水板在平面上按等边三角形布置 边长 1 2 m。一般 来说 ， 以近似圆柱体( 或正六边形) 布置的排水方式较 均匀和有效 塑料排水板的插板深度根据淤泥质土的 厚度设置 。 但均须打穿淤泥层进入下卧层 0 5 m以上。 ( 3 )排水路径 塑料排水板一砂垫层一次 、主盲沟一集水井一 泵 抽水 采 用集 水井 加泵 抽水 可大 大加 速淤 泥含水 排出预压区外 不仅可以抵御外界可能存在的制约 因素 。 而且加强了竖向及横 向排水体的排水能力 。 ( 4 )塑料排水板的设计验算 根据J G J 7 9 2 0 0 2 建筑地基处理技术规范 中 堆载预压法的理论公式 ， 塑料排水板 ( 带) 的当量换 21 2 0 0 8 年7 月 第7 期 廖戈 岚： 排 水固结 法加固 软土 地 基的工 程实 践应用 J U L 2 0 0 8 N o 7 算直径 d 。 ( m m) 采用下式计算 ： d p = 2 ( 6 + ) ( 1 ) 式 中： b 、 分别 为塑料 排水板 的宽度 和厚度 ( m m) 。 _T程 上常用 井距设计 ， 井径 比用下 式计算 ： n = d d ( 2 ) 一 般塑料排水板的井径 比 n ： 1 5 3 0 规格为 l O O x 4 根据式( 1 ) 算得排水板 的当量换算直径为 6 6 ra m。 塑料排水板采用正三角形布置 其影响范围为正六 边形 将其化作等面积圆计算 ， 则影响直径 d 与塑 料排水 板 间距 L的关 系为 ： _一 d = V 2 、 3 7 L = I 0 5 L ( 3 ) 故 d = 1 0 5 x 1 2 = 1 2 6 m， n = d d = 1 2 6 0 0 6 6 = 1 9 0 9 可见计算得出的井径 比在经验值范围内 即排 水板 的间距 定为 1 2 m 是合理 的 2 I 2 堆 载预压设 计施 工方案 ( 1 )堆 载厚度计 算 本工 程设计 加 载值 为 l O O k P a 初步 拟定 三级 堆 载方案 、 加荷速率及预压时间 设计要求 由现场施工 及监测情况确定 各级荷载作用下的固结度均需达 到 7 0 以上 方可允 许施加下 一级荷 载 用地基的天然抗剪强度计算天然地基容许 施加的第 1 级荷载 P 1 就成为天然地基容许荷载。对 长 条 梯形 填 土 可根 据 费 连 纽 斯 ( F e 1 1 e n i u s ) 公 式 估 算 ， 即 ： P 1 = 5 5 2 C K ： 4 5 1 6 k P a ( 4 ) 式 中 ： C 为天然 地基 的不排 水抗剪 强度 ， 由现场 原位 十字板 剪切试 验结果 测定 ： J I； I= 为安 全系数 取 1 1 。 计算第 1 级荷载下地基强度增长值。 在施加 第 1级荷载后 并经 过一 段 间歇期 地 基土 的强度 增 长 值可按 下式估算 ： ： ( c + ) ( 5 ) 式 中 ： C 为天然地基 土的不排水剪切 强度 ； 为 由 荷载引起的主应力增量 ； 为固结度 ； 7 7 为考虑剪切 蠕变的强度折减系数 ， 工程实测值 r = 0 7 0 9 通常 假设 地基 固结度 为 7 0 然后计算 出强 度增长 量 估算施加第 2级荷载的大小 该级荷载大 小主要决定于前一级荷载作用下固结强度的增长值 计算方法与第 1 级荷载相同 但公式中的天然地基强 度改用 固结后 的强度。依次类推 估算各级荷载。 分级加荷及加荷速率的控制 根 据上 述方法 计算所 得 分 3级 加荷 加 载 回填 土层厚度分别为 2 5 2 0 1 0 m其中第 1级堆载厚 2 2 度包括了 O 5 m砂垫层 分级加荷所对应的累加荷载 为 4 5 ， 8 1 ， 9 9 k P a 。 ( 2 )预压 时间计算 对于分级等速加荷的情况 ， 应用太沙基固结 修 正方法估算 预压时间 忽略 了塑料排水板 对固结度 的作用 其假定是每级荷载增量所引起的固结过程是 单独进行的： 总固结度等于各级荷载作用下固结度的 叠加： 每级荷载增量在等速加荷经过时间 t 的固结度 与在时间t 2 时瞬时加荷的固结度等效： 计算所得的 固结度仅是对本级荷载而言的。对应于总荷载的固 结度需再按荷载的比例进行修正。 对应于图 1 中砂垫层的荷载P o = 9 k P a ， 在施 打排水 板时 才开始 引起土层 固结 ，故 把 图中的 时间 计 算起 点定 于塑料 排水板施工 中期 第 1 级荷载 的预 压期根据下式计算 取 P l - 4 5 k P a ， P - 4 5 9 = 3 6 k P a ， t o = 5d， t = 5 +2 0 =2 5 d。 嗜 毕 (6 ) 根据 R- A 巴隆( B a o n ) 公式 ， 当 3 0 时， = 1 8 e x p ( t ) ( 7 ) = + 箭 (8 ) l n ( 凡 ) 一 ( 9 ) 式中： n = 1 9 0 9 ， d = 1 2 6 m， H按单面排水取 1 l m， 算得 F - 2 2 0 8 ， = 2 3 0 7 8 8 ( 2 3 ) x l O - 7 s ， 代入式( 6 ) 7 ) ， 得： 1 - 鲁e x p 3 砉+ E l 一 8 y -e x p -2 3 一 令 = 7 0 ， 解得 t = 6 2 1 8 d ， 取 6 2 d 。 故第 1级荷 载 预 压期 即 问歇 期 T x ： t t l = 6 2 2 5 ： 3 7 d ； 同理 ， 按 固 结度要求计算第 2 、 3级荷载 P 2 、 的预压期 ， 分别为： 1 0 6 一 ( 2 0 + 6 2 ) = 2 4 d ； T 3 = 1 5 1 - ( 1 0 6 + 1 0 ) = 3 5 d 。 根据上述计算的各级荷载及预压时间，最终确 定的堆载预压时间 荷载关系曲线如图 1 。 图中水平 砂垫层 5 1 5 3 5 7 0 9 0 1 15 12 5 1 6 0 1 9 0 图 1加载速率 时 间 【 d ) 2 0 0 8 年7 月 第7 期 广东土 木与建 筑 J U L 2 0 0 8 N o 7 段 为加 载 的间歇 期 使 地基 在 上 一级 荷 载 作 用下 排 水固结 待地基土强度增大后 ， 再施加下一级荷载。 每级加荷需分层进行， 每层厚度不超过 1 5 m， 并根据监测结果进行调整 该项 目施工时实际分层厚 度在 1 0 m以内 实际加荷速率平均值为 1 8 k P a d 2 - 3 现场施工监测及控制标准 ( 1 )监测项 目 现场监测的主要项 目有 ： 基底沉降： 在沉降板 上接双套管， 按四等水准标准进行测量： 地基超静 孔隙水压力 ： 采用钻孔预埋钢弦式孔隙水压力计并 用频率仪测量 测点沿深度布置 ， 获得塑料排水板处 理后地基超静孔隙水压力的消散及固结情况： 地 基侧向位移监测 ： 采用预埋测斜管， 用测斜仪进行测 量： 地基下土层结构的应力 ： 采用埋设钢弦式土压 力盒进行测量： 地基分层压缩变形 ： 采用预埋分层 沉降测管及磁性环 用电磁式沉降仪进行观测 以了 解各土层的变形与固绪情况： 现场十字板及取土试 验 ：采用预埋十字板孔用现场十字板剪切仪进行测 试 ， 沿深度每隔约 1 0 m剪切试验一次。 ( 2 )现场控 制标 准 在实际施工中 为保证施工期地基的稳定 减少 塑性变形， 使地基强度提高和剪切应力的增长相适应 经现场试验 ， 对填土速率 、 地面沉降速率、 孑 L 隙水压力 增加情况等作如下控制：填土速率1 5 2 0 c m d ： 地面沉降速率不超过 1 0 m m d ； 孔隙水压力增值 与荷载应力增值之比u A P O 6 ： 土体侧向水平 位移速率不大于 5 m m d ； 其它监测项 目： 数值不 出现急 剧变 化 3固结度的计算 3 1 径 向平均固结度计算 根据 R A 巴隆 ( B a r r o n ) 在等应变条件的求解 径向平均固结度I r ( ) 按下式计算： U r = l e x p ( - 8 F T h )0 T h = C h t d o 2 0 1) 式中： 为水平 向固结时间因数 ； F为与井径 比 n有 关的系数 C为水平向固结系数( c m 2 s ) ； t 为固结时 间( s ) ； d o 为有效影响范围的直径( c m) 。经计算 ， 当 t = 1 5 0 d时， 9 4 9 0 。 3 2 竖向平均固结度计算 根据一维 固结理论 当固结土层中的应力分布 均匀时， 某一时间竖向平均固结度的计算公式为 ： =1 一 ( 8 x ) e x p ( 一 万 T J 4) = C v t H ： 式 中： 为竖向平均 固结度 ( ) ； 为竖向固结时间 因数 ； C 为竖向固结系数 ( c m2 s ) ； t 为固结时间( S ) ； 为土层的竖 向排水距离 ( c m) 单 面排水时取土层 厚度。经计算 ， 当 t = 1 5 0 d时 ， U z = 2 0 2 0 。 3 3 平均 固结度计算 由径向、竖向共同排水引起的土层总平均固结 度根据 N C a r r i l l o公式计算 将上述计算的竖 向平均 固结度和径向平均 固结度代人下式 ： ：1 一 ( 1 一 U r ) ( 1 - - u z ) a 4 ) 式中： I r 为平均固结度 ， 也可由 R _A 巴隆( B a r r o n ) 公式计算( 见式( 7 ) ) 。 经计算 ， 当 t = 1 5 0 d时， 土层平均 固结度 为 9 5 9 3 3 4 按实测孔隙水压力计算 固结度 对于弹性土体 反映孔隙水压力消散程度的固 结度等于变形 比。 即： = ( “ 0 一 ) 幻q u l u 2 = “ r “ fl= l n ( u v u 2 ) ( f 2 一 t 1 ) 式 中 ： U o 为初始 孔 隙水 压 力 ； 11 ,t 为 t 时刻 的平 均孔 隙 水压力。 通 过实测超静孔 隙水压力消散曲线上任意两 点 ， 可以求 出 ， 再代入式( 7 ) 就可求 出土层 固结度 。 取 实测 超 静 孔 隙 水压 力 消 散 时 间 曲线 上 两 点 ( 3 7 6 1 ， 6 5 ) ， ( 1 3 1 0 ， 1 2 5 ) ， 计算得 p= 0 0 1 7 6 ， 代入式 ( 7 ) 得 ： 堆载 1 5 0 d的地基 固结度 = 9 4 2 2 。由此可 见 根据实测的超静孔隙水压力求得的固结度与由 三维固结理论推算的固结度较为吻合 实测值 比计 算值小 1 7 1 4 由固结度 反 推沉 降值及 沉 降稳定 时 间 4 1 瞬时沉降及最终沉降值的计算 瞬时沉降 Js 的计算公式如下 ： S d = ( 1 - z ) E p b 0 7 ) 式中： b为荷载面积的宽度 ； p 为均布荷载 ； 为沉降 影 响系数 按荷载底面形状及计算点位置而定 取 1 0 5 ； E为土层弹性模量 ； 为泊松 比， z = 0 5 。经计 算 ， |s d = 0 3 6 1 m。 根据固结度 的定义 。 有 ： U , = ( S , - S u ) ( |s 一 ) 当t = 1 5 0 d时， - 9 5 9 3 ，由实测沉降 S - 0 9 0 4 m 和计算的瞬时沉降可以推算最终沉降值 。 即： 2 3 2 0 0 8 年7 月 第7 期 廖戈 岚： 排水固 结法 加固 软土 地基的 工程 实践 应用 J U L 2 o 0 8 N o 7 5 = S d + ( 5 一 S d ) 经计算， 得 S 2 7 m。 4 2 由 给 定 的 固 结 度 反 推沉 降值 当 = 0 0 1 9 9 d时， 若 以 固结 度 = 9 8 时 的沉 降达到稳定 则根据巴隆 公式( 7 ) 计算沉降达到稳定 的时间为 1 8 6 d 根据式 可以反推给定 固结度 时的沉降值 ， 与实测值的对比见表 2 。 由图2的曲线可见 ， 根据给 定固结度反推地基某一时刻的沉降值与实测值非常 接近 ， 说明这种推算途径是可行的。 5结论 5 1 借助上述科学分析结果 该工程最终通过历时 6个 月堆 载 、 预 压期 的排水 固结 ， 所有 沉降 板 的沉 降 速率均小于0 5 m m d 沉降已基本趋于稳定 平均固 结度已大于 9 0 地基处理的各项指标均已满足设 计要求 建于其上的建筑物使用至今 未发现任何 因地基问题而造成的异常情况 说明地基处理达到 了良好 的效果 由此证明采用塑料排水板堆载预压 排水 固结 法加 固该 工程 软 土地 基是 切实 可 行 的 对 类似的软基处理工程具有参考价值和指导意义 5 2 根据理论及经验数据计算预压时间所制订 的 加荷速率 其结果往往与实际施工存在一定的偏差 因此应坚持在施工 中根据控制标准及监测情况 反 过来修正设计和指导施工 当发现超标后应立 即停 止加荷 待地基逐渐稳定后再进行后续施工 5 3 砂井地基的固结属三向固结的轴对称问题 根 据三维 固结理论求解塑料排水板堆载预压法加固软 土地基 的 固结 度是 可行 的 2 0 0 枷 黜 8 0 0 l 0 0 0 时间( d ) f 沉 降量f m ff1 ) 图 2沉降推算值与实测值对比曲线 5 4 计算 固结度的另一种行之有效的方法是按照 孔隙水压力计算根据实测的超静孔隙水压力值求 得的固结度与由三维固结理论推算的固结度较为吻 合 实测求解值较计算值稍微偏小。 5 5 由给定 的固结度反推沉降值与实测值非常接 近 但用于推算的固结度要在一定的范围内， 这样推 算 的沉降值 与实测值 更加接 近 5 6 根据固结度的定义还可以推算软基的最终沉降 量 并可 以预测 沉降达 到稳定 的时间 ， 这也是 一种 沉 降预测的科学方法 参考文献 1 J G J 7 9 2 0 0 2 建筑地基处理技术规范 S 2 钱家欢 ， 殷宗泽 土工原理与计算 M 北 京 ： 中国水利 水 电 出版 社 1 9 9 6 3 华南理工大学， 浙江大学等 地基及基础 M 北京 ： 中国 建筑工业 出版社 1 9 9 1 4 折学森软土地基沉降计算 M 北京： 人民交通出版社 ， 1 9 9 8 5 叶书麟地基处理 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 8 8 ( 上接第 2 O页 ) 5 本区域软基处理的总体评价 通过对施工过程的监测并在软基处理前后进行 检测 结果表 明本 区采用真空 电渗降水及低能量强 夯加固技术 ， 取得了很好的软土地基加固效果。本区 2 4 域软基处理 自0 6年 1 2月 1日至 0 7年 2月 1 2日结 束 此法大大缩短了工期 ， 为后续工程争取了宝贵的 时间 经对场地进行静载试验和静力触探检测 ， 地基 承载力和工后沉降均完全达到了设计 、验收规范及 合同约定的要求 目前此块区域上的建筑物已建成 并即将投入使用。 一 一 一 藿； 渤 一 一一 一 研 啪 一 一一 一 蔓 一 一 加 跚