塑料排水板堆載預壓法加固軟土路基試驗研究

楊 斌

(北部灣港防城港碼頭有限公司，廣西 防城港 538000)

0 引言

隨著我國經濟社會的發展以及土地資源的緊缺，沿海城市的填海造陸工程日益增多，此類建設場地多為軟土地基，而軟土地基具有含水量高、土體孔隙比大、壓縮性大、抗剪強度和承載力低等特點，為了使軟土地基滿足使用要求，必須對其進行加固處理[1-2]。目前，常見的軟土地基加固處理方法有復合軟土地基處理法和豎向排水預壓固結法兩種[3-4]。前者施工工期較短，但其造價相對較高，且成樁質量難以控制，容易對軟土地基的加固效果產生不利影響；豎向排水預壓固結法中包含真空預壓法、堆載預壓法和真空-堆載聯合預壓法。其中，真空預壓法和真空-堆載聯合預壓法適合用于處理高填方土坡的穩定問題，弊端是不適用于大面積的軟土地基加固項目。塑料排水板堆載預壓法[5]因具有施工方便、成本低、在大面積軟土地基加固中效果明顯等特點而得以廣泛使用。

塑料排水板堆載預壓法加固軟土地基的基本原理[6-9]是：在軟土地基中設置排水系統和加壓系統，在加壓系統的作用下，土體中的孔隙水經排水系統流出，使得土體的孔隙水壓力減小，地基土發生固結沉降，進而達到改善地基土強度的目的。本文以廣西某沿海城市的填海造地道路軟土地基加固工程為例，設計塑料排水板堆載預壓試驗方案，并在堆載預壓前后進行標準貫入試驗、靜力觸探試驗和平板載荷試驗，通過對比分析試驗結果，研究塑料排水板堆載預壓法對深厚軟土路基的加固效果。

1 工程概況

試驗區位于廣西某沿海城市的人工回填場地，根據地質勘察資料可知本場地的地層自上而下分布為：(1)淤泥：灰色-灰黑色，軟塑狀，局部含貝殼殘骸，底部含少量粗砂，層厚為3.10～13.70 m；(2)粗砂：灰色-灰黑色，稍密，部分為中密狀態，成分以石英為主，局部含淤泥及貝殼殘骸，層厚為0.60～18.35 m；(3)礫砂：灰白色-灰黃色，中密，部分為密實狀態，成分以石英為主，局部含淤泥及貝殼殘骸，揭露層厚為1.20～13.40 m；(4)可塑粉質黏土：灰藍色-灰褐色，可塑，局部接近軟塑，部分見含少量石英角礫，揭露層厚為0.80～3.40 m；(5)硬塑粉質黏土：灰白色-灰紅色，硬塑狀態，含較多砂巖風化形成的砂狀物，部分地段見含較多石英角礫或碎塊，層厚為0.60～10.60 m；(6)全風化砂巖、粉砂巖：灰黃色-黃色，巖石已風化呈中密-密實粗砂及碎石土狀，該層場地局部地段鉆孔見有揭露，鉆探深度內部分地段(于深海方向)未揭穿該層，最大揭示厚度為0.90～15.30 m；(7)強風化砂巖夾泥巖：灰色-灰黃色，局部夾有頁巖，巖石基本風化呈碎塊狀或堅硬黏土狀，該層部分鉆孔見有揭露，部分地段未揭穿該層，最大揭示厚度為16.50 m；(8)中風化砂巖：灰黃色-黃色，粗粒結構，中厚層狀構造，巖石較硬，巖體較完整，場地部分鉆孔見有揭露，鉆探深度未揭穿該層，最大揭示厚度為3.70 m。各土層物理力學參數如表1所示。

表1 各土層物理力學參數表

2 塑料排水板堆載預壓試驗方案

場地表層淤泥厚度較大，其含水量高、強度低、壓縮性大，采用塑料排水板堆載預壓處理后場地應滿足地基承載力特征值fak≥120 kPa。

塑料排水板堆載預壓試驗方案：

(1)采用SPB-B型塑料排水原生料板，打入排水板時插穿淤泥質土等軟土層進入下臥硬土層約1.0 m，當軟土層下方為砂礫石或巖面時，排水板打至軟土層底即可。排水板按正方形布置，間距為1.0 m，布置方式如圖1所示。

圖1 塑料排水板布置方式示意圖(mm)

(2)插入排水板后進行分級堆載預壓，為進一步減小施工后沉降，同時考慮縮短施工工期，堆載厚度取2.5 m，分兩級施加，第一級厚度為1.2 m，加荷時間為5 d，間歇30 d加第二級荷載；第二級厚度為1.3 m，加荷時間為5 d，持荷時間為150 d。堆載料采用中細砂，設計容重按18 kN/m3考慮，堆載高度在荷載不變的情況下根據堆載料的實際容重進行調整。

(3)分級堆載預壓滿載后，根據實測沉降曲線按雙曲線法推算加固深度范圍內的地基，平均固結度≥92%時，即可卸載。卸載前，除固結度需滿足要求外，場地的沉降速率暫按連續10 d內≤1 mm/d，但沉降速率不作為卸載的強制性標準。同時，卸載標高應在交工面標高的基礎上預留0.5 m的振沖沉降量。

(4)預壓卸載后對試驗場地進行振沖處理，選用功率為75 kW的振沖器，振沖點采用等邊三角形布置，間距為2.0 m，如圖2所示。

圖2 振沖點布置方式示意圖(mm)

(5)振沖完成后碾壓平整至交工標高，碾壓時采用激振力≥380 kN的振動壓路機，碾壓遍數為5～8遍。

3 塑料排水板堆載預壓加固效果分析

試驗時分別在堆載預壓前后的試驗場地開展標準貫入試驗、靜力觸探試驗和平板荷載試驗，根據試驗結果分析塑料排水板堆載預壓的軟土地基加固效果。

3.1 標準貫入試驗結果分析

分別在堆載預壓前和堆載預壓后的試驗區進行了7次標準貫入試驗，根據試驗結果，得出預壓堆載前后標準貫入擊數平均值隨處理深度的變化關系(見圖3)。由圖3可知，各深度堆載預壓處理后的標貫擊數與堆載預壓處理前的標貫擊數相比均有所增加，分析其原因為堆載預壓處理后，土體的孔隙水排出，孔隙水壓力減小，土體發生固結，密實度提高，表明試驗區的淤泥質土層經排水固結后承載力得到了有效提升。由試驗結果可知，堆載預壓處理后標貫總擊數的平均值為3.79擊，根據《建筑地基檢測技術規范》(JGJ 340-2015)查表(見表2)，初步判定試驗區的地基承載力特征值為120.8 kPa，滿足設計要求。

表2 地基承載力特征值fak一覽表(kPa)

圖3 堆載預壓前后標準貫入試驗結果對比曲線圖

3.2 靜力觸探試驗結果分析

堆載預壓前后分別在試驗區進行2次靜力觸探試驗，得出試驗區堆載預壓前后錐頭阻力沿深度方向變化的關系曲線(見圖4)。根據《工程地質手冊》中提出的關于靜力觸探液化勢的判斷方式可知，飽和粉土液化的錐頭阻力基準值為2.35～3.75 MPa，當實測錐頭阻力大于基準值時可認為土層不發生液化[10]。《建筑地基檢測技術規范》(JGJ 340-2015)中提出地基土為粉土時，承載力特征值fak與比貫入阻力標準值的關系為：

fak=47ps+40

(1)

ps=1.1qc

(2)

式中：fak——地基承載力特征值；

ps——比貫入阻力標準值。

(a)第一次

由式(1)和式(2)可知，為滿足設計要求中地基承載力特征值fak≥120 kPa，則錐頭阻力qc≥1.55 MPa。分析圖4的試驗結果，發現試驗區域內土層經堆載預壓處理后的錐頭阻力值均>1.55 MPa，地基承載力特征值達到設計要求，表明塑料排水板堆載預壓法對深厚軟土路基具有良好的加固效果。

3.3 平板載荷試驗結果分析

在堆載預壓處理后的試驗區內選取6個試驗點，按《水運工程地基基礎試驗檢測技術規程》(JTS 237-2017)的有關規定進行平板載荷試驗。壓重平臺反力裝置如圖5所示。承壓板面積為1.0 m2，采用慢速維持荷載法進行試驗，試驗最大荷載為2倍地基承載力特征值，即240 kPa，分9級進行加載，得出6個試驗點荷載-沉降(p-s)曲線如圖6所示。分析圖6曲線可知，6個試驗點的p-s曲線均為緩降型，未達到極限狀態，最大荷載作用下地基承載力仍有較大富余量，表明地基承載力特征值>120 kPa，符合設計要求，進一步證實了塑料排水板堆載預壓法的地基加固效果。

圖5 壓重平臺反力裝置示意圖

圖6 平板載荷試驗p-s曲線圖

4 結語

本次試驗采用塑料排水板堆載預壓法處理具有深厚軟土層的路基，并通過標準貫入試驗、靜力觸探試驗和平板載荷試驗研究塑料排水板堆載預壓法在此類軟土地基上的加固效果，得出以下結論和建議：

(1)試驗區域內的深厚軟土路基經塑料排水板堆載預壓法加固后，標貫擊數明顯提升，表明土體孔隙水壓力減小，固結度有效提高。通過靜力觸探試驗研究發現土體的錐頭阻力明顯高于液化的基準值，有效地降低了地基土發生液化的幾率。

(2)進行標準貫入試驗、靜力觸探試驗和平板載荷試驗得出一致結論：塑料排水板堆載預壓加固后地基土的承載力特征值≥120 kPa，達到設計要求。表明塑料排水板堆載預壓法對深厚軟土路基具有良好的加固效果。

(3)分析試驗過程，建議采用塑料排水板堆載預壓法大面積施工前，首先選擇具有代表性的區域進行試驗以確定振沖和碾壓的有關參數，由此可以有效降低成本，提高工作效率和施工質量。