堆載預壓法在處理灰堤軟土地基中的應用

饒俊勇，彭德剛，何利君

(西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

1 概述

在東南亞各國及我國沿海地區承建火力發電廠，常會遇上軟土地基情況。軟土地基一般是以淤泥或淤泥質土為代表，是指在濱海、湖泊、谷地、河灘上沉積的天然含水量高、壓縮性大、抗剪強度和承載力低的軟塑到流塑狀態的細粒土。這類土具有高壓縮性、高含水量、大孔隙比、低密度、低強度、低滲透性、顯著流變性等特點，如印尼某工程，表層土為厚度近20 m的淤泥層，承載力特征值只有40 kPa，天然孔隙比2.298，壓縮模量只有1.7 MPa，承載力特征值只有40 kPa，滲透系數只有6.89×10-7cm/s，場坪到設計標高后(平均填土5 m，其中2 m為補償沉降)，預估的場地整體沉降量達到2.0 m左右。

在這種軟弱地基上修建建構筑物，會發生較大的沉降和差異沉降,嚴重影響建構筑物的正常使用，并且加載過程易出現穩定問題。淤泥質軟土地基上的灰堤，是濱海、河、湖灰場的主要組成部分。因特殊的地質條件，加上灘涂型灰場特殊的設計、施工、運行要求，對淤泥質軟土地基上的灰堤設計提出了特殊的要求，如處理不好，有可能造成灰場滑坡等安全事故，或費用太高，造成浪費，故對其進行研究有重要意義。

2 軟土地基處理方法分析與比較

根據軟土的性質，常用的方法可分為兩大類：土質改良法與復合地基法。前者包括排水固結法、強夯法等；后者包括水泥土樁復合地基、碎石樁復合地基、低強度樁復合地基與加筋土復合地基等。在土質改良法中，排水固結法是一種較好的地基處理方法，該法包括堆載預壓法、真空預壓法與真空聯合堆載預壓法等。堆載預壓法在軟基處理中比較常見，該法易施工，造價較低，但存在工期較長，引起的地面變形較大，后期超載體需移除等缺點，真空預壓法具有不需要堆載材料、易施工、工期相對較短的優點；此二者結合形成真空聯合堆載預壓法。與堆載預壓法相比，后兩者有需專業施工隊伍，造價稍高缺點，但具有工期短、加固效果明顯等優勢。對于強度很低的淤泥質地基，強夯法無法使用機具，施工很困難；水泥土樁、碎石樁、低強度樁復合地基使用也很廣泛，可以使處理后的地基達到較高的承載力和壓縮模量，但造價較排水固結法高。

對于灘涂型干灰場，灰堤一般作法是先修建一個3 m高左右的初期堤(一般為土質圍堤)，然后在初期堤圍成的灰場內貯灰。當貯灰標高達到堤頂時，在其上用灰渣放坡形成灰渣邊坡，灰渣邊坡高度在10 m左右。初期堤就相當于灰渣邊坡的坡腳。

由于灰堤對地基承載力要求并不高，并由于其為柔性結構，有一定適應沉降的能力，基本上所有軟土地基處理方法在技術上都可行，但因軸線長，處理范圍大，故單位造價對總造價影響很大。相比而言，單位造價較低的堆載預壓法總費用低很多；且堆載預壓的堆載體，可用填筑灰堤的土體和灰渣兼任，不需要移除，達到了施工期堆載和使用期貯灰的“永臨結合”，可節省費用，修建初期堤和灰渣邊坡，就是灰堤形成和使用灰場，一般3～5年(灰場容積按照3～5年電廠排灰量設計)，周期很長，可克服堆載預壓法處理周期較長的問題；施工技術簡單，故采用堆載預壓法處理地基對位于淤泥質土地基上的灰堤更合適；因灰堤地基為很長的帶狀地形，寬度并不寬，真空預壓法的密封墻工程量會很大，使造價提高，故即使和真空預壓法相比，堆載預壓法也便宜得多。故用堆載預壓法處理灰堤的軟土地基有巨大優勢。

3 堆載預壓法機理及計算方法

3.1 堆載預壓法處理軟土地基機理

一般來說, 作用于軟土地基上的荷載, 在最初時刻, 全部由土中孔隙水壓力承擔從而造成很大的超孔隙水壓力。超孔隙水壓力由壓力高的區域向壓力小的區域流動，這就是孔隙水壓力的消散。伴隨著孔隙水的排走, 超靜孔隙水壓力場消散, 超靜孔隙水壓力轉化為有效應力, 導致土體變形和強度增加。由此可見, 孔隙水壓力的消散過程就是土的壓縮固結過程, 也就是土的強度增長過程。堆載預壓加固軟基的效果取決于堆載的大小和超靜孔壓的消散程度；為了達到加固效果, 需要較大的堆載, 但如一次加載易超出軟基的強度, 引起剪切變形破壞，因而堆載速度不能太快, 預壓必須維持一定時間。當超載較大時，可采用分級加載的方式，使每級超載控制在一定范圍內，不致發生剪切破壞，待固結度提高到一定程度后再施加下一級荷載，如此循環。每級加載荷載的大小和施加的時間，控制標準就是不發生剪切變形和固結度達到一定標準。可見，堆載預壓的效果由超靜孔隙水壓力場的大小和分布決定、與堆載的大小, 分布以及土體力學性質有關。由于軟土的滲透系數很小, 孔隙水的流出十分緩慢, 故而孔隙水壓力的消散是一個相當長的過程。有時為了縮短加固時間、加快固結過程，可在地基中打設一定深度的豎向排水通道(Pre-fabricated Vertical Drain,PVD)(如砂井、袋裝砂井或塑料排水板等)，因塑料排水板價格低廉，施工方便，得到大范圍推廣。

3.2 計算方法

由 PVD 加固的地基，從宏觀上來說是增加了軟土的豎向滲透性，這樣在荷載的作用下，使地下水加速從地層中排出，從而加快土體的固結，達到加速固結的目的。在PVD 加固地基的設計計算中，為了考慮PVD 的排水作用，柴錦春等等提出了一種更為直觀簡潔的方法估計PVD 加固地基的等效豎向滲透系數(kve)。有了這個等效滲透系數值就可以像分析天然地基一樣分析PVD 加固地基在荷載下的性狀并設計PVD 的深度、間距等。柴錦春等從理論上證明了用這種方法得到的平均固結度的最大誤差小于用更精確更復雜方法得到值的10%。如果考慮土層的豎向排水和井阻作用，誤差將小于實際工程中采用更精確方法時的誤差。故該方法在工程中使用完全可達到要求。

PVD 加固地基的等效豎向滲透系數kve可以用式(1)計算。

預壓中土體抗剪強度指標根據《建筑地基處理技術規范》5.2.11條計算獲得。有了等效土體，有了土體抗剪指標隨固結度的變化關系式，即可利用應力和滲流耦合原理計算軟土在荷載作用下固結度及強度隨時間的變化，并計算不同時間的堆載體邊坡穩定和地基沉降。

4 工程實例

我國在東南亞某國投資電廠項目的灰場，位于一個較為平坦的半島區域，三邊環河，臨陸地側即為電廠，灰場為灘涂型灰場。初期壩為高約3.9 m的均質粘土壩，壩軸線長約950 m，其上為灰渣邊坡，粘土堤坡比1∶2.5，灰渣邊坡1∶4，灰渣邊坡大約在5年內形成，見圖1。

4.1 地質條件

灰場區域表層為20 m左右厚淤泥(②1層)或軟塑粘土(②3層)，主要土層指標表1、表2。

圖1 灰堤地基處理剖面圖

表1 土層物理力學指標建議值(物理指標、剪切強度)

表2 土層物理力學指標建議值(壓縮、固結參數)

4.2 地基處理方案比較

可能的處理方法有堆載預壓法、真空預壓法、水泥攪拌樁法等。各處理方案比較見表3，其中水泥攪拌樁法處理地基認為地面標高不變，真空預壓和堆載預壓估計地面大約會沉降0.6 m，故需另外填0.6 m厚土補償沉降。灰堤沿軸線方向需處理長度950 m，垂直軸線方向處理寬度按照50 m估算，見表3。

表3 地基處理方案比較

堆載預壓法時間較長，處理土層的指標提高程度有限；真空預壓法處理效果和堆載預壓法類似，處理時間短，比堆載預壓法貴；水泥攪拌樁法處理的地基指標提高較多，處理深度也較深，但費用較貴。因灰場貯灰到頂大約要5年時間，灰堤的塑料排水板施工可和廠區地基預處理一同施工(廠區內建筑物施工前)，而使用是在廠內建筑物施工完成后，一般周期在2年以上，有足夠的時間預壓，故在保證堆載過程中邊坡穩定的條件下，優先使用堆載預壓法；當邊坡穩定達不到要求時，可用水泥攪拌樁處理部分范圍，或采用放緩灰渣邊坡、留馬道等方式保證邊坡穩定。

4.3 堆載預壓法處理方案

由地質條件可見，軟弱土層(淤泥層和軟塑粘土層)下有③1層細砂層，故插塑料排水板后，軟弱土層為雙面排水，堆載預壓效果會比較好，在不長的時間內即可達到需要的固結度，故在灰堤基礎并超出一定范圍布置塑料排水板，布置范圍長50 m。根據施工進度估算，灰堤堆載分2級，第一級堆載2 m，第二級堆載1.9 m。預估的筑堤時程如下：第1天～第5天施工第一級堆載，在靜置10天后(第6天～第15天)，第16天～第20天施工第二級堆載，第110天后允許堤頂上過汽車，第180天時灰場內有水，頂標高達到2.8 m (模擬因降雨而使灰場內水位升高工況，該國降雨量遠大于蒸發量，故灰場內水位會上升。2.8 m為灰場排水水位，高于該水位時可溢流，故水位不會高于2.8 m)。

由上可見，灰堤分級堆載、過汽車及灰場內貯水過程就是加載過程。在加載過程中，淤泥質土地基的固結度、強度隨加載時程變化。在施工各級灰堤堆載時，也就是各級荷載施加過程中和剛施加時，固結度較低，而荷載較大，邊坡最危險，故需驗算各級荷載施時的邊坡穩定參數。根據計算，僅用堆載預壓法而堆灰邊坡不預留平臺無法滿足穩定要求，故在灰堤后預留20 m寬灰渣平臺，各級加載時，邊坡穩定系數分別為1.835，1.294，1.315，1.162，滿足要求，并沒有安全富裕。180天后灰場內開始貯灰，因周期很長，可忽略灰場內堆載對灰堤地基固結度的影響，僅需計算達到最終堆灰高程時邊坡的穩定。經計算，邊坡穩定滿足要求，故該處理方案及加載計劃可行。

4.4 堆載預壓計算結果和施工中監測

根據上述處理方案，經計算，在180天時，地基平均固結度為0.908，達到固結度達到90%以上的要求，此時地表沉降見圖2，沉降為盆形，最大沉降量發生在中心位置，最大值0.643 m，沉降比較大。

在施工中，應對堆載預壓法處理的灰堤地基進行監測，監測預壓體的水平位移和豎向位移，根據位移大小控制加載速率；還應監測沉降和孔隙水壓力，根據沉降和孔隙水壓力的變化，推算最終沉降量和固結度。

故實際施工中，灰堤堆載應有部分超高，待達到時間，并根據監測結果沉降基本穩定后，對灰堤斷面進行修整，最后再施工堤頂路面。應避免過早修整灰堤斷面和施工路面，以免在繼續發生的沉降中破壞造成返工。

圖2 加載結束時地面沉降

5 主要結論

綜上所述，得到以下主要結論：

(1)位于軟土地基上灰堤的地基處理，主要是費用高、對安全影響大的問題。不同的處理方案對造價和安全性也有較大影響，對其進行研究有較大的意義。

(2)在諸多處理軟土地基的方法中，堆載預壓法因其施工簡單、價格低廉而得到推廣，但因有處理周期長、地面沉降大的缺點，限制了其應用范圍。

(3)對于灰場而言，貯灰周期長，正好彌補了處理周期長的缺點；灰堤和堆灰體均為柔性結構，適應沉降和不均勻沉降的能力較強，又彌補了堆載預壓法處理地基地面沉降大的問題，且灰堤的填筑和灰渣的貯放，又正好是可作為堆載預壓的堆載體，不需再移除。故堆載預壓法處理位于軟土地基上的灰堤地基有很大優勢。

(4)排水固結法常用的豎向排水體是塑料排水板。塑料排水板的水平向布置范圍可在灰堤底寬并每邊延出2～5 m，因灰堤外的塑料排水板上無直接加的荷載，僅有灰堤擴散來荷載，超靜水壓力比較小，處理效果很有限，不宜延處太多。

(5)豎向排水體豎向布置范圍上端為灰堤底，設砂墊層(兼水平排水體)，下端建議穿透淤泥層，如淤泥層下有砂層等透水性比較好的土層，建議進入該層，則豎向排水體增加一個排水面，可加快固結。

(6)灰堤可分層加載，并結合合理加載時序，確保施工過程中邊坡不滑動，并保證固結效果。

(7)灰堤斷面的修整、護面和堤頂路面的施工，應結合堆載預壓的計算和監測，待沉降基本完成后再施工，以免繼續發生的較大沉降使其遭到破壞。

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