有約束邊界的堆載預壓法在東城車輛段軟基處理中的應用

1、前言

東莞市城市快速軌道交通R2線東城車輛段工程位于東莞市東城區及茶山鎮交界處，軟基處理面積達到40.9公頃，工程量大、施工工期緊，軟基處理時間僅為10個月，要求高。場地內土層主要包括：中粗砂、硬塑狀粉質粘土、人工填土、淤泥、淤泥質粉質粘土等。如采用堆載預壓法處理軟土地基，除必須有壓重外，工期也較長；如采用水泥系深層攪拌樁法施工，它對施工工藝的要求較高且耗費材料，致使工程成本增加。在本工程創新性地采用了有約束邊界的堆載預壓法，即深層攪拌樁施工與塑料排水板堆載預壓相結合的處理方法，它首先利用深層攪拌樁將較大面積的軟土切分成較小面積的局部區域，在每個小分塊里進行排水板的堆載預壓施工。每個小塊區域的塑料排水板均由外圍的深層攪拌樁提供一圈邊界約束，即在剛性約束條件下進行塑料排水板施工以達到排水固結的目的，它有別于常規的塑料排水板堆載預壓加固方法。

該技術能有效保證軟土地基的工后沉降滿足要求，同時采用該技術施工軟土地基較常規技術工期縮短、造價降低。軟土地基處理完成后，土體的最大沉降量僅為350mm，而根據計算，在相同的地質條件和上部荷載作用下，采用常規的堆載預壓技術，土體的沉降量達到600mm以上。

采用該技術有效控制了工后沉降，減小對附近建筑物和地下管線的影響，節省了約半年的工期，經濟效益和社會效益良好。該技術可推廣到沿海地區軟土地基的加固處理，為類似工程提供借鑒。

2、關鍵技術及施工工藝

2.1 技術特點

①該技術將攪拌樁聯合塑料排水板加固軟土地基的方法組合，互補不足，使得塑料排水板處理區域在剛性約束下進行排水固結。

②該技術使用機械簡單，操作便捷，施工方便、快速，施工周期短，實際施工時間較原定工期節省了183天。

③軟土地基處理完成后，土體的最大沉降量僅為350mm，而根據計算，在相同的地質條件和上部荷載作用下，采用常規的堆載預壓技術，土體的沉降量達到600mm以上。

2.2 工藝原理

本技術的原理如下：

2.2.1 基本原理

攪拌樁和排水板堆載預壓聯合處理軟土地基，由于攪拌樁的約束，使得排水板堆載預壓區域處于剛性約束下進行預壓固結。在攪拌樁的約束下，減少了地基附加應力向四周的擴散作用，加大了附加應力在豎向的傳播。在外圍的深層攪拌樁約束下，能大大降低加載預壓區以外土體的隆起，進而有效控制了加載預壓區的土體沉降量。

2.2.2 有限元分析

（1）有限元模型的建立

根據本工程淤泥的基本情況，建立攪拌樁完全打穿淤泥層（模型 1）、攪拌樁打到淤泥層一半（模型 2）和沒有打設攪拌樁（模型 3）的堆載預壓模型。在淤泥層中的排水板打穿淤泥層，正三角形布置，間距1.3m。攪拌樁采用1.0m間距的正三角形布置，樁體的壓縮模型為200MPa。土體加載的總等效荷載為80kPa，加載總厚度為4m，分4級進行加載。

（2）分析模型

為提高孔隙水壓力精確度，首級加載、恒載期間的時間步長取一天，計算步是三十步；后續加載、恒載期間的時間步長取兩天，計算步為一百三十五天，預計總預壓固結計算時間為三百天。

①有效應力分析

在土體的排水固結中，土體固結是在荷載施加后由于土體的有效應力增加所引起的。在本計算模型中，不考慮地下水的存在，只有把z方向的應力減去土體在該深度的自重應力則為土體的有效應力增量，可得出3種模型沿深度方向的有效應力增量分布圖。

②地表沉降分析

在地表上部堆載過程中地表發生較大的沉降，在堆載完畢后土體固結過程中地表沉降隨著時間慢慢減少，最后趨于穩定狀態。

③孔隙水壓力分析

孔隙水壓力分布不均勻，主要與土體的受力和排水條件有關。

④土體內部水平位移分析

由于在堆載預壓區外打設了攪拌樁，攪拌樁為堆載預壓區域提供了較強的位移邊界條件，限制了土體在上部荷載作用下向外發展的趨勢。模型 1土體的水平位移都很少，只有10-3mm的位移量。

⑤土體固結度分析

預壓區域的土體在上部荷載作用下進行排水固結，隨著孔隙水壓力的逐漸消散，土體的固結度不斷提高。固結度是反映土體的排水固結情況的重要指標。在本文計算中，假設土體的瞬時沉降在上部荷載施加完畢時已經完成。因此，可以利用土體在預壓結束時的總沉降減去土體的主固結沉降來求出土體的瞬時沉降。模型1、模型2和模型3這三個模型土體的主固結沉降，可以根據在上部荷載作用下引起的土體內部各土層的附加應力應用分層總和法來計算。

⑥結論

對比分析各個模型中附加應力分布、地表沉降、孔隙水壓力消散和土體內部水平位移的情況，得出在不同攪拌樁約束條件下土體固結的規律：（如表1所示）

因此，在堆載預壓區域邊界上打設攪拌樁可加快預壓區土體固結，縮短施工期。

2.3 施工工藝及操作要點

2.3.1 工藝流程

有約束邊界的堆載預壓法，即攪拌樁深層處理和塑料排水板堆載預壓法聯合處理方法如圖1所示。

2.3.2 操作要點

①有約束邊界的堆載預壓法

利用深層攪拌樁將較大面積的軟土切分成較小面積的小塊區域，在每個小分塊區域里進行排水板的堆載預壓施工。

圖1 聯合處理方法示意圖

表1 固結規律表

圖2 荷載施加示意圖

②深層攪拌樁的施工方法

攪拌樁采用間距1.2m的正三角形布置，樁徑為 600mm。攪拌樁的樁長根據現場的地質情況采用12～14m。

攪拌樁的施工流程：

鉆孔就位→噴漿預攪下沉→到達設計孔深→噴漿提升→提升噴漿成樁→重復噴漿攪拌下沉→重復提升噴漿→重復噴漿成樁

③塑料排水板施工方法

塑料排水板打穿淤泥層，打設深度約8～10m，采用正三角形布置，間距為 1.2m。在塑料排水板區域鋪設了土工格柵和砂層以加強其加載效果和排水效果。

堆土加載分為四級進行，首級加載時間為10天，堆土的厚度是1m，預壓時間是20天。二級加載歷時 10天，加載堆土厚度為 1m，累計加載堆土厚度為 2m，預壓時間為 20天。三級加載歷時 10天，加載堆土厚度為 1m，累計加載堆土厚度為 3m，預壓時間為 20天。四級加載歷時為10天，堆土厚度是1m，累計堆土厚度是4m，預壓時間是180天。堆土總厚度是4m，歷時共270天，如圖2所示。

3、結論

采用有約束邊界的堆載預壓法加固軟基，可以加快堆載預壓法的土體固結速度，較原定工期節省了半年時間。同時采用該技術處理完軟土地基后，土體的最大沉降量僅為350mm，而根據計算，在相同地質條件和同等上部荷載作用下，采用常規的堆載預壓技術，該區域土體的沉降量達到600mm以上。這表明了該技術能有效減少土體向預壓區外移動，減少預壓土體的沉降，有效減小對附近建筑物和地下管線的影響，控制了工后沉降。

有約束邊界的堆載預壓法可安全快速地完成軟基處理的施工，該技術在東城車輛段軟基處理工程中的成功應用，對相類似的工程施工具有借鑒作用，為軟土地基處理的深入研究進一步積累數據和資料。