淺談塑料排水板堆載預壓法處理深厚軟土路基

鄭朝煒

（廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州 510060）

淺談塑料排水板堆載預壓法處理深厚軟土路基

鄭朝煒

（廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州 510060）

首先，介紹了塑料排水板堆載預壓法處理深厚軟土路基的設計。接著，闡述了堆載預壓法的要素和原理，以及豎向排水體的設計要點；并通過工程實例，論述了塑料排水板和預壓荷載的設計及地基固結度計算。計算結果表明：塑料排水板堆載預壓法處理深厚軟土路基具有良好的效果，而涂抹和井阻作用對土體固結的影響比較顯著。

深厚軟土；塑料排水板；堆載預壓；排水固結；固結度；設計

0 引言

軟土是指在靜水或緩慢的流水環境中沉積，天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于1.0的細粒土。其特點是含水量高、孔隙比大、抗剪強度很低、壓縮性高、滲透性小、靈敏度高、具有明顯的觸變性和流變性、自然固結程度低，固結變形持續時間長；在外荷載作用下或降低地下水位，容易產生固結變形和較大不均勻沉降。在軟土路基，特別是深厚軟土路基，如果不對軟基作加固處理或處理方法不當，會出現路基工后沉降過大和較大不均勻沉降，造成路面平整度差或出現裂縫、滑移錯臺，排水管道下沉、斷裂，甚至出現地基失穩、路堤滑塌等病害。

軟土地基的加固處理方法有很多，但目前對深厚軟土路基加固處理最常用的方法主要有深層水泥攪拌樁法和豎向排水（袋裝砂井或塑料排水板）堆載預壓法。深層水泥攪拌樁法，其優點是施工速度快、工期短，無地面隆起，不污染環境和對相鄰建筑物影響小。但施工質量較難管理和控制，常出現斷樁、縮徑或樁長達不到設計要求。

豎向排水體的袋裝砂井或塑料排水板的作用是縮短軟土中的排水距離。軟土中的水通過砂井或塑料排水板及頂部的砂墊層和排水溝排走，使軟土中孔隙水壓力得以較快地消散，從而加速地基固結，地基強度迅速提高。袋裝砂井加固軟土地基法是在一般砂井法的基礎上發展起來的一種工藝、技術，與普通砂井相比，其井徑小，更能體現“細而密”的設計原則，其排水固結效果更好；施工質量易于保證，不會出現縮頸、或砂井不連續等質量問題；設備輕便，可以在更軟弱的地基上施工；節省砂料，施工進度快，工程造價較低。

塑料排水板是一種人工排水體，其結構由芯板和濾膜組成。芯板由不易產生壓縮變形且有較高強度的聚乙烯或聚丙烯塑料制成兩面有間隔槽的板體；濾膜則由滲透性好且耐腐蝕的滌綸襯布制成。采用塑料排水板作為豎向排水體，地基土層中的孔隙水在固結壓力作用下滲流通過濾膜層進入芯板溝槽，并通過溝槽從排水砂墊層中排出，其作用與原理和袋裝砂井相同。塑料排水板因系工廠生產，質量穩定可靠；質量輕、強度高、耐久性好；而且單孔過水斷面大，透水性好，通水量大，排水固結效果好；具有加固深度大、施工簡便快捷、造價低、對土層擾動小，施工質量易于保證；在技術、性能和經濟上比袋裝砂井更具有很大優勢。其缺點與袋裝砂井一樣，相較于深層水泥攪拌樁法的施工期長，必須有足夠的堆載預壓工期。在工期允許的前提下，塑料排水板堆載預壓法處理深厚軟土路基是一種經濟、有效、可行的加固方法，其排水固結原理與天然土層的固結過程相同，只要精心設計、認真施工、預壓時間充裕，就可以達到比較理想的處理效果。處理后的地基一般較均勻，差異沉降小，因而道路修建成后路面的平整度較好，可提高行車質量和道路運行壽命與安全性。所以，塑料排水板堆載預壓法處理深厚軟土路基得到了廣泛應用。

1 堆載預壓法的要素和原理

1.1 堆載預壓法要素

堆載預壓法是堆載預壓排水固結法的簡稱，是運用地基排水固結規律，對天然地基進行堆載預壓，或先在地基中設置豎向排水體（砂井或塑料排水板），然后進行堆載預壓，使土體中的孔隙水排出而發生固結，提高地基承載力的一種方法。其要素主要由加壓系統和排水系統兩部分組成。排水系統則由豎向排水體、橫向排水砂墊層、盲溝和排水溝構成。在豎向排水體施工之前，應先在地表面鋪設厚度不小于50 cm的中粗砂墊層、設置排水盲溝，并在預壓區邊緣設置排水溝，以便將地基中排出的水引出預壓區。對于道路工程的加壓系統，即預壓荷載一般利用路堤等載自重或路堤超載自重。

1.2 堆載預壓法原理

軟土地基在壓力作用下，土層中孔隙水以滲流形式慢慢匯入豎向排水體（砂井或塑料排水板），經豎向排水體向上流入橫向排水砂墊層，再經砂墊層注入排水溝，使軟土中孔隙水壓力得以消散，孔隙體積減小而土體發生壓縮固結，地基強度相應提高。根據有效應力原理，在荷載作用下，土層的固結過程就是孔隙水壓力消散和有效應力增加的過程，假設某點的總應力為σ，有效應力為σ′，孔隙水壓力為μ，則三者關系為σ＝σ′＋μ。從關系式中可以看出，堆載預壓法處理軟土地基必須滿足壓力和排水兩個條件，排水固結效應與固結壓力的大小成正比。

根據固結理論，在達到同一固結度時，固結所需的時間與排水距離的長短的平方成正比。為了加速固結，最有效的辦法就是在天然土層中增加排水途徑，縮短排水距離。在天然地基中設置豎向排水體（砂井或塑料排水板）的作用就是優化排水條件，縮短排水距離，加速地基的固結，加速抗剪強度的增長，加速沉降的發展。從而達到縮短堆載預壓工期，減小軟土地基的工后沉降量和沉降差；提高地基承載力，滿足建（構）筑物荷載對地基穩定性的要求。

2 豎向排水體設計要點

（1）豎向排水體砂井或塑料排水板的設計均相同，平面布置一般采用等邊三角形和正方形兩種形式，直徑和間距宜采用“細而密”的設計原則；而豎向排水體的直徑過小、間距過密，則將加大土體擾動影響，增加井阻和涂抹作用，增加施工工期和提高造價。根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012），塑料排水板或袋裝砂井的間距按井徑比n=15～22選用。

（2）由于預壓荷載在地基中引起的附加應力是隨深度而逐漸減少，在地基深處，豎向排水體的排水固結作用將很小，因此豎向排水體不一定要打穿整個壓縮層。當軟土層不太厚時，豎向排水體應打穿；如軟土層較厚，而土層中夾有砂層時，則應盡量打到砂夾層中，以利于排水固結。

（3）對于以地基抗滑穩定性控制的工程，豎向排水體深度應大于最危險滑動面以下2.0 m。

（4）豎向排水體的長度、直徑和間距可根據工程對預壓固結時間的要求，通過固結理論計算確定，一般要求在預壓期內能完成80%的固結度。豎向排水體的設計，一般是先給定豎向排水體的長度、直徑和間距，然后計算擬達到設計固結度所需的預壓時間，如不符合要求，再予以修正調整。

3 工程實例

3.1 工程概況

廣州南沙開發區某道路工程，路寬60 m，設計荷載100 kPa，路堤填土高3.20 m。道路某里程段路基的地層情況及巖土參數見表1所列，地下水位埋深1.20 m。

表1 路基地層情況表

3.2 塑料排水板設計

由表1可知，地表面以下軟土層厚度為14.0 m，其下臥為細砂層。地基處理擬采用B型塑料排水板，塑料排水板寬度b=100 mm，厚度δ=4 mm，滲透系數kw=5×10-4cm/s，縱向通水量qw≥25 cm3/s。塑料排水板平面布置采用等邊三角形，間距1.2 m，插入細砂層作雙面排水固結。預壓荷載與設計荷載相等，根據工期要求，預壓加荷時間定為4個月，預壓時間定為3個月。為簡化計算，設預壓荷載是等速施加，則堆載預壓歷時可按5個月計算。

3.3 預壓荷載設計

該項道路工程設計荷載為100 kPa，需要施加預壓荷載為100 kPa，取填土重度γ=19.5 kN/m3,則需要填土高度為5.13 m。由于淤泥層的強度低，為了使之施加預壓荷載后，不致造成地基失穩破壞，因此采用分級施加荷載。填土極限高度可按下式計算：

式中：Hc為極限高度，m；Cu為十字板剪切強度，kPa；γ為填土重度，kN/m3。

根據上述已知：Cu=11.5 kN/m3，γ=19.5 kN/m3，代入公式（1）計算得：填土極限高度Hc=3.26 m。取安全系數為1.2，則填土容許高度為2.72 m。所以該項道路工程可分二級施加預壓荷載，首級填土高度為2.72 m，第二級填土高度為2.41 m。

3.4 地基固結度計算

3.4.1 豎向固結度

根據豎向平均固結度計算公式：

根據上述已知：Cv=0.792×10-3cm2/s，t=150 d, H=700 cm，代入公式（2）計算得：z=23%。

3.4.2 徑向固結度

根據徑向平均固結度計算公式：

理想井時：

根據上述已知：l=120 cm，dw=6.62 cm，de= 126 cm，n=19，Fn=2.2（理想井時），Ch=1.728×10-3，代入公式（3）計算得：理想井時，徑向平均固結度Ur=99.4%。

當考慮涂抹和井阻作用對土體固結的影響時:

式中：kn為天然土水平滲透系數，cm/s；ks為涂抹區土的水平滲透系數，取為涂抹區直徑ds與豎井直徑dw的比值，取s=3.0；L為豎井深度，cm；qw為豎井縱向通水量，為單位水力梯度下單位時間的排水量，cm3/s。

3.4.3 平均固結度

根據總平均固結度計算公式：

當豎向排水體未穿透軟土層時，可按下式計算地基平均固結度：

4 結論

（1）該路基工程的軟土厚度大，其含水量高、孔隙比大、壓縮性極高、地基承載力很低，采用了塑料排水板堆載預壓法進行地基處理，軟土地基經歷時5個月的堆載預壓后，理想井時地基的總平均固結度fffffbrz=99.5%，考慮了涂抹和井阻作用時地基的總平均固結度fffffbrz=89.3%，表明了塑料排水板堆載預壓法處理深厚軟土路基具有良好的效果。

（2）從地基固結度計算結果可以看出，地基以徑向固結為主。軟土路基經歷時5個月的堆載預壓后，理想井時地基的徑向平均固結度已達99.4%，而豎向平均固結度只有23%，徑向平均固結度與總平均固結度只差0.1%。這主要是由于該路基工程的軟土厚度大，豎向固結系數小，水平向固結系數較大，且塑料排水板的間距較密，所以豎向固結度很小，完全可以忽略豎向排水引起的固結度。

（3）從理想井與考慮涂抹和井阻作用的地基固結度計算結果分析，涂抹和井阻作用對土體固結效果的影響比較顯著。該項工程因涂抹和井阻作用使土體的總平均固結度降低了10.2%，其考慮涂抹和井阻作用的地基固結度僅為按理想井計算的固結度0.87倍。

（4）經典型斷面沉降估算，工后沉降基準期按20 a計算，在100 kPa荷載作用下，該路基最終沉降量為1.75 m，工后沉降量為18.2 cm，滿足規范要求。

TU447

A

1009-7716（2017）03-0057-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.017

2017-01-17

鄭朝煒（1986-），男，廣東揭陽人，工程師，從事道路橋梁工程設計工作。