砂井堆載預壓效果影響因素分析

[摘要] 根據某防洪工程兩預壓段軟基砂井堆載預壓處理的不同效果，分析砂井堆載預壓效果的影響因素，主要有：井徑和井距、砂料、墊層、軟土成份及施工因素等。此項研究對其他類似工程的地基處理具有借鑒意義。

[關鍵詞] 軟基 砂井 堆載預壓 不排水抗剪強度

1 工程概況

福建省某防洪工程由新開河道、舊河整治、兩岸防洪堤和配套水閘等組成，河道全長3600m（其中新開河道約3000m）。由于新開河道挖深大（約8m），且開挖深度內土層以流塑狀淤泥、松散細砂為主，為了保證開挖邊坡的穩定性，需對兩岸軟土進行砂井堆載預壓處理，使淤泥在受荷后孔隙水迅速通過豎向排水砂井排出，以提高淤泥的抗剪強度，并改善其壓縮性、透水性和動力特性，從而保證新河道開挖時地基的抗滑穩定，避免進行深基坑開挖支護的設計與施工，達到大幅降低工程投資的目的。

2 砂井堆載預壓的設計與施工

本工程主要對C2、C3兩個相鄰標段的軟土進行砂井堆載預壓處理。場地上部為約1m厚的粘土硬殼層，以下為厚度3～9m的淤泥，下部為厚度約2m的細砂，預壓前淤泥的十字板不排水抗剪強度CU值為14～17kPa。預壓段地表鋪設排水砂墊層（厚度為300mm），采用砂井作為豎向排水體，砂井直徑和間距采用“細而密”的原則確定，砂井直徑為150mm，砂井間距為1300×1300mm，井徑比為9.8，砂井呈正方形布置，砂井長度以打穿淤泥為控制準則，按二個排水面進行豎向固結度計算。加載料采用先期開挖的粘土硬殼層，加載體斷面呈梯形狀（底寬為33m、頂寬為18m、高度為3m），設計加載歷時為180天，設計要求經砂井堆載預壓后淤泥的十字板不排水抗剪強度CU值不小于22kPa。砂墊層和砂井的砂料應用中粗砂，其粘粒含量不應大于3%。C2、C3兩標段分別由兩個不同的施工單位施工，成井設備均采用振動沉樁機（底端帶封閉的套管），砂料均為粗砂，砂井長度C2標段一般為4～5m（其中淤泥厚度3～4m）、C3標段一般為8～10m（其中淤泥厚度7～9m），實際加載歷時為204天。

3 預壓處理后的檢查和檢測

為了檢測砂井堆載預壓的效果，采用電測十字板剪切試驗測試地基處理后淤泥層的十字板不排水抗剪強度CU值，測試結果表明：C2標段預壓效果良好，達到設計要求（CU值增長86.1%，為設計值的127.8%），而C3標段的軟土特性未能得以明顯改善（CU值增長僅為20.3%，為設計值的83.2%)。為了查明原因，在后期基坑開挖中，對砂井質量、墊層質量、砂料質量等進行全面檢查和檢測。在檢查中發現，C2標墊層厚度一般大于300mm，砂料呈淺黃色；淤泥有機質含量很少；井徑一般為150mm；砂料呈淺黃色。C3標墊層厚度一般為200～260mm，局部僅100 mm左右，砂料略呈淺灰色，局部見泥團；淤泥有機質含量高，井徑多為150mm，可見縮頸或斷砂現象，砂料略呈淺灰色，局部見泥團。有關檢測結果如表1、表2所示。

4 預壓效果影響因素分析

該工程C3標段軟基砂井堆載預壓未能達到預期目的，根據以上檢查和檢測結果，并和C2標進行對比分析后，筆者認為砂井堆載預壓效果影響因素分析有：

4.1 井徑和井距。在砂井堆載預壓設計上采用“細而密”的原則確定砂井直徑和間距，從理論上是合理的。因為從砂井固結理論中可見：砂井的直徑越大，間距越密，對某一固結度而言所需的時間越短，或者某一時間內所達到的固結度越大。如果比較砂井的直徑和間距兩者對固結度的影響，又可以看出：在同一間距的條件下，井徑增大一倍，固結時間只減少三分之一；而在同一井徑的條件下，砂井間距減小一半，固結時間卻能大幅度地縮短。因此，縮短間距比增大井徑對加速固結的效果更好。所以，采用“細而密”的原則確定砂井直徑和間距是比較合理的。但井徑和井距均不宜過小，井徑過小，不能保證灌砂的密實和連續；井距過小，對周圍土體擾動較大，從而降低了土的強度和滲透性，反而影響加固效果。本工程采用砂井直徑150mm、砂井間距1300× 1300mm的布置方案，筆者認為是一種“過細過密”行為，從開挖發現的斷砂現象也證明了井徑過小對灌砂質量存在的影響。一般砂井直徑應采用300～500mm、砂井間距不小于1500mm，井徑比為6～8。

4.2 墊層和砂井的砂料。在砂井堆載預壓中砂料作為墊層和砂井的材料，起到把軟土固結產生的孔隙水排出場地之外的作用，砂粒間的孔隙在墊層和砂井中必須形成通暢的排水通道，這就要求砂料必須具備相應的粒徑。砂料一般必須是中粗砂，且含泥量不大于3%，這是因為砂料粒徑過小或含泥量較大時，使其孔隙直徑變小，不利于排水，使得在同一時間下固結度下降或同一固結度下固結時間的延長。在本工程中，C3標使用的砂料含泥量偏大可能導致砂料滲透性的降低，從而影響加固效果。另一方面，從表2可以看出，C2標、C3標砂料雖然均為粗砂，但是C2標的砂料的不均勻系數明顯比C3標小，即說明C3標的砂料較不均勻、粗顆粒與細顆粒成分相當，這樣粗顆粒骨架間形成的孔隙易被細顆粒所充填，使其孔隙較小、滲透性下降，同時也使砂料對滲流的阻力增大。所以，作為砂井堆載預壓中的砂料，不僅要具有一定的粒徑和含泥量限制要求，還要有一定的級配要求，筆者認為墊層和砂井的砂料一般應為粗砂、含泥量不大于3%、不均勻系數不大于4。

4.3 砂墊層的厚度和干密度。砂墊層必須具有一定的厚度和干密度，保證其在預壓荷載作用下不會產生較大的變形而影響其功能的正常發揮。本工程C3標砂墊層厚度（開挖時量測）一般為200～260mm，局部僅100 mm左右，估計其施工厚度為300mm，但未能振實或局部鋪設厚度未達設計要求，使其產生較大的壓縮變形，從而影響加固效果。砂墊層厚度不應小于500 mm、干密度應大于1.50g/cm3。

4.4 軟土成份。本工程C3標中淤泥有機質含量較高，所以其次固結在其總固結中占有一定的比例，而砂井只能加速主固結而不能減少次固結，故淤泥中有機質含量較高對其加固效果有一定的影響。

4.5 施工因素。砂井的成井設備采用振動沉樁機，底端帶封閉的套管，且砂井井徑小，本工程C3標中淤泥厚度較大，施工中易產生縮頸現象（施工開挖有發現縮頸現象），從而導致排水不暢、影響加固效果。

5 結論

5.1 影響軟土地基砂井堆載預壓效果的影響因素有：井徑和井距、砂料、墊層、軟土成份及施工因素等。

5.2 軟土地基砂井堆載預壓通過科學合理的設計與施工，能有效地對軟基進行加固處理，提高淤泥的抗剪強度，并改善其壓縮性、透水性和動力特性，從而保證擬開挖邊坡的抗滑穩定性。

參考文獻

[1] 中國建筑科學研究院.建筑地基處理技術規范(JGJ79- 2002)[M]. 北京:中國建筑工業出版社，2002.

[2] 葉書麟.地基處理[M].北京:中國建筑工業出版社，1988.