吹填土地基处理现场监测及加固效果分析研究.pdf

第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2022-10-09 作者简介：赵 翔（1976-），温州市交通工程管理中心，高级工程师。吹填土地基处理现场监测及加固效果分析研究 赵 翔1，杨若望2（1.温州市交通工程管理中心，浙江 温州 325000，2.温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司建设分公司，浙江 温州 325035）摘 要：为了研究水泥搅拌桩和塑料排水板复合地基加固效果，并获得复合地基的综合受载能力和受载机理规律。文中以浙江省温州市灵昆岛车辆段工程为依托工程，采用现场试验结合现场监测的研究手段，研究结果表明该工程所采用的水泥搅拌桩与塑料排水板组合地基处理工艺可有效加固地基，减小沉降，使得地基具有较好的抵抗失稳的能力，并将地基沉降量控制在安全范围内。文中研究成果，不仅可为本工程建设提供支撑，并可为温州市域铁路后续建设同类工程提供借鉴，提高工程投资效益，促进市域铁路的快速建设。关键词：水泥搅拌桩；塑料排水板；现场监测；加固效果；沉降 中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0146-03 一、引言 我国经济和交通发达的城市集中于沿海地区，随着经济的发展，沿海城市规模日益增大，已经出现土地资源不能满足城市自身发展需求的问题，基建速度也明显加快，填海造陆是沿海城市进行土地开发的有效手段。近些年在我国沿海地区的不同城市都进行了不同程度的吹填造陆。在此背景下，对吹填软土及海相软土进行处理势在必行1，2。吹填土地层主要为海洋滩涂通过吹填方式填筑形成的地层，具有高含水率、强压缩性、强度与承载力低的特点。在此类地层中进行工程建设，土体会产生排水固结下沉，影响建筑物的正常使用。将浙江省作为分析案例，浙江省地处软土分布广泛的东南沿海，该区域软土深且厚，力学性能极差，含水量均在 60%以上，上限值可达 90%；孔隙比一般为1.42.0，不排水抗剪强度 CU10kPa3。因此，为了满足工程建设要求，需要对软土地基进行加固处理3，4。目前工程界采取很多不同的措施处理软土地基，国内外处理软土地基的方法5主要有：排水预压法、换土垫层法、碎石垫层法（挤石挤淤）、水泥土搅拌桩法、爆破挤淤法、真空预压法6、堆载预压法等等，其中塑料排水板6广泛应用于上述方法的排水加压系统。这些软基处理方法各具有优点7，8，同时也受限于自身的缺点，如工期长、造价高、施工难度大、便利性差等。因此，文中依托工程为浙江省温州市灵昆岛车辆段工程，根据工程所在地工程条件和设计条件，车辆段地基属于围海造田土地，属于吹填地基，虽经初步地基处理，但地基沉降尚未完全固结完成，土体强度低。因后期地面沉降控制要求高，因此所采用的地基处理工艺及最终沉降特性将直接关系工程建设的效果。工程所采用的水泥搅拌桩与塑料排水板组合地基处理工艺，属于创新性地基处理组合，其作用机理及沉降特性的专题研究尚未见报道，因此开展相关针对性研究，具有很强的必要性。二、工程概况 1工程地质条件 灵昆岛车辆段工程位于 S1 线东段起点的瓯江口新区灵昆岛上，主要包括出入段线桥梁和站场与路基工程。项目地理位置和周边环境如图 1 所示。图 1 项目地理位置和周边环境示意图 拟建工程区原地形地貌为滩涂浅海区，后经围海吹填造陆而成。地形基本平坦开阔。根据勘察范围内揭露的地质资料，拟建工程区大范围分布软土层，从上至下地层分布为吹填土、淤泥、淤泥夹砂、淤泥、淤泥质黏土。淤泥类土层平均承载力 51Kpa。2设计施工方案 站场及路基工程软基处理表层 1.0m 加固采用化学加固，深层加固采用双管法旋喷桩、双向水泥搅拌桩（桩径0.5m，间距 1.3m，桩长 16m）+插塑板（间距 1.3m，板长 18m）、钻孔桩+U 型槽；路基填筑采用 A、B 组填料，其中基床表层厚 0.3m、基床底层厚 0.9m，基床表层及底层均设置向两侧倾斜 4%的横向排水坡，填筑施工工期为 3 个月；堆载预压不小于 12 个月。路基与站场工程工序施工为：淤泥固化处理双向搅拌桩砂垫层、塑料排水板及土工格栅路基填筑至基床底层堆载预压填筑及卸载基床表层填筑。路基填筑按照试验 第 4 期 赵 翔等：吹填土地基处理现场监测及加固效果分析研究 147 段参数分层进行填筑，每层填筑 40cm，沉降观测点埋设、监测项目及监测频率按照设计要求实施。三、现场监测 1监测设备布设 根据项目监测目的，监测设备布设如图 2。图 2 剖面图 具体布设方案如下：（1）在路堤中心线附近钻孔埋设 5 只孔隙水压力计；埋置深度分别为：2、4、8、14 和 20m；监测各级路堤填土荷载及预压期地基中孔隙水压力变化及消散情况。（2）每个断面布置 2 个测斜孔，在两侧路堤坡脚外12m 位置分别布置至下卧硬层，以测在各级填土荷载下路基发生在不同深度的水平位移；（3）每断面布置 3 个表面沉降板，一个在路堤中心线，另外两个在路肩处，以分析路堤荷载作用下土体变形特点；（4）在路堤中心线附近布置 1 孔分层沉降，孔深 30m，在管上部每米布置一个沉降观测磁环，在管的下部每两米布置一个，监测路堤加固后土体分层沉降。（5）为获取路堤填筑后桩土荷载分布规律，分别在桩间土埋置土中土压力盒，在桩顶承合上下两面埋置界面压力盒。2实测数据分析（1）地表沉降 图 3 为所选断面实际测得地基表面沉降随填土高度的变化图。由图可知，在填土时期内，较大的沉降出现在复合地基中，沉降量随着填土高度的增加而增大，结束填土之后，沉降变化趋势趋于平缓，而且在加固区域有效范围之内，路肩与路基中心在沉降数值上差异显著。由于受荷载作用影响大，在施加荷载期间，沉降量有较大的变化，且很难在短时间内趋于稳定，曲线在整个载荷施加过程中较陡且沉降数值较大，达到收敛的时间长。同样地，在结束填土三个月之后的十天内，平均每天的沉降量达 1.9mm。但从图可知，复合地基由于填土载荷作用而产生的沉降较小，仍可能够满足设计与规范要求，且软土地基所发生的沉降可以受到有效控制。图 3 典型断面的地基表面沉降曲线（2）地基分层沉降 图 4 为所选典型断面实测得到的地基分层沉降随时间的变化曲线。从图中可以获得不同时间的不同深度土层的沉降特征和压缩数值。由图可知，在最顶层的桩间土内沉降和压缩变形是主要变化特征，深度约在 49m 范围，随着深度的增加，沉降值呈现递减趋势，表现出的规律性较好，在深度达到一定程度时，沉降变化曲线趋于平缓，说明桩间土层发生了一定数值的压缩变形，但该变形数值较小，约占地表总沉降的 9.5%17%。各个布置的观测磁环累加的沉降量数值较大，与地表沉降的大体地规律恰好吻合，且各土层的沉降数值仍较小。图 4 典型断面的地基分层沉降变化曲线（3）孔隙水压力 图 5 为施加上部荷载后孔隙水压力随时间的变化图。由图可知，路基内部的孔隙水压力随着填土荷载的增加而逐渐增大，然而，随着深度增大，孔压变化数值反而减小，说明加固区域的桩体或土体主要承担了桩或者加固区域路堤的载荷；深度土体受到较小的压力，无较大的压缩沉降产生，孔压变化数值较小且平缓，孔压受路堤荷载作用的影响不明显。主要原因是铺设每层土耗时大，且铺设间隔时间长。图 5 典型断面的地基孔隙水压力变化曲线（4）深层水平位移 图 6 为施加上部载荷之后深部土层水平位移随时间的变化图。由图可知，土层所发生的水平位移在整体上呈现由内向外移动的特征，变化趋势与分层曲线相吻合，桩间土 38m处是水平位移产生的主要场所，桩间土深度大于 20 则基本无较大的水平位移产生。此外，断面侧向有较大位移产生，其数值大小 为 76.128mm，每日平均的位移数值 为0.151mm，在地表下 38m 位置有较大变形发生，说明桩或者板加固区域桩间土只发生较小压缩变形，受影响的深度范围小，路基稳定性处在较高水平。148 中 国 水 运 第 23 卷 （a）右管 （b）（左管）图 6 典型断面水平位移随时间变化曲线（取向路堤外侧发生位移为正向）（5）桩、土载荷承担 图 7 为各布设地点土压力实测值随填土高度的变化图，由图可知，桩土承担的应力随着填土荷载的增大而相继增大。然而，随着填土荷载的继续增加，桩分担的压力增幅数值增加显著，而桩间的土压力涨幅缺很小。说明了在填土初始阶段复合地基的桩间土是主要受力对象，当桩间土、土工格栅以及桩三者密切结合之后，桩体承受了大部分的路堤载荷，进一步表明桩体在复合地基中是逐渐起作用的。图 7 桩-土载荷随时间变化的分担图 四、结论 文中以灵昆岛车辆段工程为依托工程，通过对该工程水泥搅拌桩与塑料排水板组合地基处理工艺现场试验进行监测，通过数据的整合分析，结论如下：（1）施加的填土载荷与沉降曲线吻合较好，载荷作用规律与土体沉降数值增长趋势基本一致；加载阶段沉降有较快增长，表明土体可发生较大数值的瞬时沉降；结束填土后，平稳减小的特征在沉降变形上表现出来。由监测数据曲线可以看出，填土荷载对复合地基引起的沉降并不大，说明水泥搅拌桩与塑料排水板组合地基处理方式可以有效减小软土地基的沉降。（2）水泥搅拌桩与塑料排水板组合地基施工过程中，超静孔隙水压力将产生，但其数值较小，填土加载时孔隙水压力数值增加，产生的孔隙水压力在数值上与土体深度呈反相关的关系，在完成填土后，孔隙水压力呈缓慢减小的趋势，且在靠近地表位置，消散速度最快。在后期填土荷载作用下，水泥搅拌桩与塑料排水板组合地基加固区内的孔压变化较小，具有较好的抵抗失稳的能力。（3）采用水泥搅拌桩与塑料排水板组合地基加固软土地基，由监测结果可知，土体会发生数值较小整体上由内向外移动的水平位移。侧向变形随着土体的填筑而增大，由于水平位移数值较小，故而由其引起的竖向沉降可受到有效控制。（4）在荷载施加过程中，水泥搅拌桩与塑料排水板组合地基内会产生的数值较小超静孔压，其后引起的工后沉降也较小，且受到有效控制。参考文献 1 周建标.深圳后海湾填海区软土地基处理技术研究D.长沙：中南大学，2009.2 刘洪滨，孙丽，何新颖.山东省围填海造地管理浅探以胶州湾为例J.海岸工程，2010，（1）：8.3 潘晟赞.塑料排水板在软土地基处理中的应用M.杭州：浙江大学，2019.4 林国强，何汉艺，林佑高.真空预压在大面积吹填造地工程的应用J.水运工程，2009，（7）：4.5 浙江省质量技术监督局.DB33/T904-2013 公路软土地基路基设计规范S.浙江：浙江省质量技术监督局，2013.6 郑刚，粪晓南，谢永利等.地基处理技术发展综述J.土木工程学报，2012，（2）：127-146.7 徐立新，陈云敏等.真空预压法加固高速公路软基的有限元分析J.河海大学学报（自然科学版），2004.8 中华人民共和国交通运输部.JTS206-12009水运工程塑料排水板应用技术规程S.北京：人民交通出版社，2009.9 地基处理手册（第二版）编写委员会，地基处理手册M（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，2000.10 叶书鳞，韩杰，叶宝编著.地基处理与托换技术M.（第二版）.（上接第 50 页）但在该冲击速度范围内，波纹夹层结构能够较好的维持其整体结构形式；波纹型船体板结构主要吸能部分是上层面板和夹芯板。研究结果对船体结构设计与船舶耐撞性评估具有一定指导意义。参考文献 1 Paik J K，Pedersen P T.Modelling of the internal mechanics in ship collisionsJ.Ocean Engineering，1996，23（2）：107-142.2 XUE Z，HUTCHINSON J W.A comparatiIe study of impulse-resistant metal sandwich panelsJ.International Journal of Impact Engineering，2004，30（10）：1283-1305.3 Dieter G E.Mechanical behaIior under tensile and compressiIe loadsJ.Asm Handbook，2000，8：99-108.4 Ling Y.Uniaxial true stress-strain after neckingJ.AMP Journal of technology，1996，5（1）：37-48.5 于兆龙，胡志强，刘毅等.船舶搁浅于台型礁石场景下双层底肋板骨材变形机理研究J.振动与冲击，2014，33（14）：188-194.6 高振国，胡志强.船舶碰撞搁浅中强肋框承受面内载荷时变形机理研究J.振动与冲击，2015，34（8）：55-60.