排水固结处理软土地基影响因素分析

    陈成场

    摘 要：排水固结是软土地基常用的处理方法之一，本文基于厦门海沧海投物流项目，通过分析软土排水固结影响因素，进而分析排水固结软基处理效果，提出排水固结处理软土地基的合理建议。

    关键词：软土；排水固结；塑料排水板；井阻；涂抹

    中图分类号：TU471.8 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）06-0055-02

    福建省沿海地基普遍存在淤泥、淤泥质土等软弱土层，该土层含水量高、强度低、压缩性大，需进行软基处理，控制场地的工后沉降及差异沉降，以满足堆场及建筑物对地基强度及工后沉降的要求。

    排水固结法是现在软土地基用的比较广的一种加固方法，通过施打竖向排水通道、铺设水平排水通道、实施加压系统来完成。

    1 工程概况

    海投物流项目位于海沧保税区物流园内，北侧边界为角嵩路，南侧边界为建港路路，西侧边界为规划路，东侧边界为海新路，中间3#排洪渠及囷瑶路将场地分为A2～A5四个地块，总地基处理面积约为17.8万m2。

    现状地基表层为素填土和杂填土，该土层含有部分碎石、砖块等，土层厚度在4m～5m之间；其下为淤泥、淤泥质土等软弱土层，平均厚度在10m左右；软弱土层以下土层为粉质粘土、残积砂质粘性土、全风化花岗岩等，可作为场地持力层。

    2 地基处理工艺概述

    海投物流项目竖向排水通道采用塑料排水板，加压系统采用堆载预压，地基处理工艺流程简述如下：

    （1）场地整体开挖3m，以方便塑料排水板的施打，开挖土方可作为场地的堆载料；

    （2）铺设100cm水平排水砂垫层，施打塑料排水板，塑料排水板采用SPB-C型板，插板间距为1.0m，以正方形布置；

    （3）利用开挖土方进行分区分期堆载，卸载料倒载重复利用。

    3 排水系统及加压系统

    排水固结是由排水系统和加压系统两个主要部分组成。加压系统是动力促使孔隙水排水，使土层固结。目前主要用的加压有堆载法、真空预压法、真空预压联合堆载法等。排水系统起增加孔隙水排出路径，缩短排水距离，从而加速地基土的排水固结进程。水平向排水垫层一般采用中粗砂垫层，竖向排水通道是砂井和塑料排水板。

    3.1 加压系统

    在荷载的作用下，软弱土层的固结过程就是超静孔隙水压力（简称孔隙水压力）消散和有效应力增加的过程。Δσ代表土层内某点的总应力增量，Δσ代表有效应力增量，Δu代表孔隙水压力增量，三者的关系满足：

    Δσ=Δσ-Δu

    堆载预压法是通过增加地基中的总应力，在地基中形成超静孔隙水压力， 通过超静孔隙水压力的消散来增加地基中的有效应力， 从而增强土体的强度。

    从上图可知，在满足土基稳定的前提下，随着加压荷载的增加，初始孔隙水压力跟着增加，预压期结束后有效应力跟着增加，软弱土层强度跟着提高，工后沉降量减少。

    因此，排水固结处理软土地基，预压荷载的大小应根据软弱土层设计强度要求、地基工后沉降要求及项目实施工期进行设计。

    3.2 排水系统

    排水系统分为水平排水系统及竖向排水系统，水平排水系统一般采用中粗砂垫层，竖向排水系统本项目采用塑料排水板。

    排水板的选型及布置间距是影响固结排水速率的主要因素。塑料排水板分为SPB-A型板、SPB-B型板、SPB-C型板、SPB-D型板及高性能排水板，纵向通水能力及抗拉强度依次提高。

    塑料排水板的间距决定了土中孔隙水的排水路径，成为影响土体固结速率的重要因素，进而影响土体残余沉降的大小。在处理面积一定情况下，排水板间距越小，固结越快。通过分析，塑料排水板间距与固结时间的实际曲线介于理想井与涂抹井的理论曲线之间，更靠近理想井，当排水板间距无限制缩小时，对加固效果的提高不明显，同时排水板用量也增大，造价也提高，因此在满足沉降要求前提下尽可能降低造价是本工程地基处理方案的关键。

    根据理论计算，正方形布置不同排水板间距时土体的固结曲线，如下图所示。随着预压时间的增长固结度逐渐增大，工程实施过程中应尽可能创造条件增加预压时间。

    4 涂抹作用

    涂抹作用的定义：在施打塑料排水板过程中，由于插板机芯轴对排水板周围土体产生扰动，使扰动区域土体渗透系数大大降低，压缩性增大，从而影响地基固结。扰动区域称为涂抹区。

    涂抹作用与土体的扰动程度有关，土体的扰动程度与土体特性、打设机械、打设工艺等有关。

    5 井阻作用

    排水板材料的渗透性一般远较软粘土大，这也正是排水板能加快软粘土固结的原因所在，但其值毕竟是有限的；因此，软粘土地基在固结过程中， 由于侧压力存在及固结排水过程中排水板的变形，使得排水板的过水断面减小，从排水井向外排出的水流将会受到一定的阻力，纵向通水量小于理想值，从而影响排水固结速率及效果，我们把这一现象称为井阻作用。

    5.1 塑料排水板通水能力

    井阻作用的大小取决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决于排水板的截面类型以及排水板滤膜的性能。

    5.1.1 排水板截面类型的影响

    水力半径：排水通道面积与排水通道周长的比值。

    通过水力半径的概念来表征排水板的通水能力，水力半径越大，通水能力越强。水力半径与排水板的截面类型有关。

    在有侧压力的情况下，水力半径较自然状态小，這是因为在侧压力作用下， 排水板的滤膜发生变形，导致排水通道面积和周长变化所致。

    5.1.2 滤膜的影响

    有的学者提出了滤膜的显著开口直径（AOS）的概念，用AOS表示滤膜通过细小颗粒的能力。AOS 应该足够小以阻止细小颗粒进入排水通道内。另一方面，AOS 不能太小，否则滤膜就没有足够的渗透能力。

    5.2 井阻作用对地基固结时间的影响

    用不考虑井阻作用和考虑井阻作用，地基在达到相同固结度所需时间的相对偏差WtG来研究井阻作用对固结时间的影响，即 时

    用上式绘制如图5的n，G和WtG关系曲线，可以看出WtG反映出因井阻作用对地基固结时间延缓的影响：当G=∞时，WtG=∞，打设排水板无作用；当G=0时，WtG= 0，打设排水板的效果最好，为理想井。

    采用塑料排水板堆载预压处理软土地基，井径比n一般在15～ 20之间。由上图可知，当G < 0. 15时，井阻作用对地基固结度的影响在可接受范围内；如果井阻因子G> 2时，软土固结时间将是理想状态的2倍以上，这将大大影响工期和效益，需对设计方案进行调整。

    5.3 减小井阻作用的有效措施

    井阻作用由井阻因子G表示，计算公式如下：

    井阻因子G所含的参数中，地基的水平渗透系数kh 和排水板深度H是排水板地基所固有的，不可能为0，故它们不能使井阻因子G为0。如果排水板在原位条件下的通水能力Qw 仍足够大，这时井阻因子G变得极小，从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实际通水能力，而排水板的实际通水能力与排水板内部的芯板有直接关系。因此，采用在原位条件下，性能保持较好的排水板是消除或减轻井阻作用的良好措施。

    6 监测数据偏差

    由于当前软基处理工程沉降观测往往滞后于沉降实际发生的时间，通过常规的三点法、双曲线法等几种方法计算地基固结度会有一定的误差。因此，现场监测安排应紧密结合地基处理工艺，若条件不允许，应对固结度推算结果做适当的修正处理。

    7 结语

    （1）在满足土基稳定的前提下，随着加压荷载的增加，初始孔隙水压力跟着增加，预压期结束后有效应力跟着增加，软弱土层强度跟着提高，工后沉降量减少。因此，项目设计时应根据软基处理标准及工期考虑采用超载预压、等载预压或欠载预压。

    （2）塑料排水板从SPB-A型板到SPB-D型板纵向通水能力及抗拉强度依次提高，造价也相应提高；在合理范围内，排水板间距越小，固结越快，造价越高。因此，排水板的选型及布置间距，在满足工期及地基处理效果的前提下，应尽量节省工程造价。

    （3）涂抹作用与涂抹区大小及扰动土体渗透系数降低程度有关，施工时应采取合适的施工工艺，降低排水板施打对土体的扰动影响。

    （4）涂抹和井阻作用对排水固结地基处理过程中的固结度影响是十分显著的，在实际工程中，必须充分考虑涂抹和井阻作用的不利影响。

    （5）排水板的实际通水能力是引起井阻的主要原因，而排水板的实际通水能力跟排水板板型及内部芯板息息相关。因此，在排水板的选材上应结合工程性质，选择合适的排水板类型，性能保持较好的排水板是消除或减轻井阻作用的有效措施。

    （6）由于现场实施条件限制，地基处理监测往往滞后于沉降发生时间，因此根据监测数据推算的固结度应做适当的修正。

    参考文献：

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