軟土路基塑料排水板沉降分析

吳志敏，于 靜，卓 敏

(1.東莞市水務技術中心，廣東 東莞 523000；2.浙江水利水電學院，杭州 310000)

1 概述

東莞市是廣東省中心城市，隨著城市的開發發展，須不斷完善市政道路的建設。而東莞地區位于珠江三角洲海陸交互相堆積平原，其東江三角洲河網地區蘊藏著厚達數十米的軟土層，市政道路的建設須對軟土路基進行處理。因道路工程軟土路基處理設計主要以工后沉降為控制指標[1]，在采用堆載預壓塑料排水板進行軟基處理設計時，對于提前估算沉降量和工后沉降量，規范[2-3]沒有給出明確規定；同時對于堆載預壓或超載預壓的載荷量亦沒有明確規定，且堆載預壓固結處理的分級加載標準也需根據不同工程考慮；本文通過一例東莞市軟土路基處理工程的設計實踐，探索了塑料排水板處理軟土路基的設計計算方法，并通過實際監測數據來進行驗證，對類似路基處理工程設計有借鑒意義。

2 工程背景

擬建市政道路工程項目位于東莞市麻涌鎮新沙工業園，為城市次干路，道路全長約2.4 km，雙向四車道，路幅總寬度為28 m，車道處理寬14 m，設計時速為40 km/h，為瀝青混凝土柔性路面。

2.1 工程地質

經勘探，按地層成因類型和巖土層性質，場區內的第四系地層自上而下分為：填土層(Qml)、第四系全新統海陸交互沉積相(Qmc)、殘積土層(Qel)及上第三系中新統(N1)。具體描述如下。

1-1雜填土：稍濕，結構松散，成分雜，主要以粘性土為主，夾碎磚、石、砼塊等建筑垃圾及部分生活垃圾，新近回填。揭露層厚約0.80～3.70 m，平均1.87 m。建議本層地基承載力基本容許值[fa0]=70 kPa。

1-2素填土：灰黃、黃褐色，稍濕，結構松散，成分主要以粘性土及回填砂為主，局部夾少量碎磚、石、砼塊，露層厚約0.50～3.60 m，平均2.12 m。承載力基本容許值[fa0]=90 kPa。

2-1有機質高液限粘質土：灰黑色，飽和、軟～流塑，成分以粉粘粒為主，含部分有機質及粉細砂，稍具異味，揭露層厚約4.60～21.40 m，平均9.44 m。該層進行標貫試驗33次，實測擊數N=1.0擊，平均值1.0擊，標準值1.0擊；承載力基本容許值[fa0]=45 kPa。最大含水量81.2%，平均含水量71.3%。

2-2細砂土：灰白、黃褐色，飽和，松散，組份以粉、細砂粒為主，含少量淤泥質成份及粗顆粒，礦物成分以石英、云母、長石為主。揭露層厚約1.00～8.50 m，平均4.63 m。該層進行標貫試驗13次，最大值N=9.0擊，平均值7.4擊，標準值6.0擊。承載力基本容許值[fa0]=100 kPa。

2-3有機質高液限粘質土：灰黑色，飽和、軟塑為主，成分以粉粘粒為主，含部分有機質，粉細砂含量稍高，稍具異味，干強度一般、韌度一般、壓縮性高。揭露層厚約0.85～8.70 m，平均4.43 m。該層進行標貫試驗6次，實測擊數N=1.0～2.0擊，平均值1.5擊；承載力基本容許值[fa0]=55 kPa。最大含水量80.3%，平均含水量71.1%。

2-4細砂土：灰白、黃褐色，飽和，松散，組份以粉、細砂粒為主，含少量淤泥質成份及粗顆粒，礦物成分以石英、云母、長石為主。揭露層厚約1.50～7.30 m，平均4.74 m。該層進行標貫試驗5次，最大值N=9.0擊，平均值8.6擊，標準值8.0擊。地基承載力基本容許值[fa0]=115 kPa。

2-5中砂土：黃褐色，飽和，稍密，組份以粗砂粒為主，含少量細礫，礫徑2～5 mm，礦物成分以石英、云母、長石為主。揭露層厚約350～6.15 m，平均5.06 m。該層進行標貫試驗6次，最大值N=14.0擊，平均值13.7擊，標準值13擊。承載力基本容許值[fa0]=150 kPa。

2.2 水文地質條件

根據鉆探揭露并結合地質環境，場地內地下水主要為第四系孔隙水及下伏基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于砂土層中，為強透水含水層，水量較大；基巖裂隙水主要賦存于基巖風化裂隙中，水量不均勻，其補給來源主要為外圍基巖裂隙水和構造裂隙水的側向補給，并接受上部第四系土層孔隙水的垂向補給。

填土層包氣帶中局部隔水層上含上層滯水，上層滯水的季節變化劇烈，一般多在雨季存在，旱季消失，水量一般較為有限。典型地質剖面示意見圖1，巖土參數見表1。

圖1 典型地質剖面示意

表1 主要巖土層參數

3 軟基處理設計及計算分析

3.1 軟基處理設計方案比選

常規的深層軟土路基處理方法有真空堆載預壓、塑料排水板堆載預壓、攪拌樁復合地基、CFG樁復合地基等方法，各軟基處理方法優缺點[4]見表2所示。

由于本工程位于工業區，周邊有其他交通出行通道，對于工期的要求不高，對于經濟性的要求較高；因此經綜合比選，選擇排水能力強、質量可靠、造價最低的塑料排水板堆載預壓處理方法，典型處理斷面示意見圖2。

3.2 路床頂車輛荷載計算

根據《城市道路工程設計規范》[5](CJJ37—2012)的規定，市政道路路面設計以雙輪組單軸載100 kN為標準軸載，雙圓荷載的靜壓力p=0.7 MPa(輪胎與地面的接觸壓力)；設計路面結構層厚度為0.63 m；因此，按照分布角方法[6]計算土基頂面附加應力及結構層自重應力見表3所示，因此設計路基頂面應力取80 kPa。

3.3 固結度計算

3.3.1分級加載設計

為模擬通行后路床頂車輛荷載，設計排水板頂砂層厚1.0 m，設計路床頂回填土0.3 m，超載預壓填土3.0 m，總荷載約為1.0×19.0+3.3×18.5=80.55 kPa。

為防止加荷速率過快而使地基土產生剪切破壞，應嚴格控制加荷速率[8]。荷載加載計劃如下，第一階段施工砂墊層和排水板后，加載1 m厚填土，總加載時間為60 d；第二階段再加載約1.2 m厚填土，總加載時間為60 d；第三階段再加載約1.1 m厚填土，總加載時間為100 d；總工期220 d(分級加載設計示意見圖3)。加載時間特點為隨著超載值的增加，加載速率減慢，各級荷載恒載時間在不斷增加，在總工期不變的情況下更能有效地排出孔隙水。

圖3 計劃加載時間示意

3.3.2固結度計算

塑料板排水法可采用砂井地基的固結理論與設計方法，計算時根據排水板和砂井與周圍±接觸面積相等的原理將塑料板換算成相當直徑的砂井；塑料排水板按等邊三角形布置，邊長L=1.1 m，按《建筑地基處理技術規范》(JGJ 79—2012)，插板影響直徑為de=1.05×1.1=1.155 m；100 mm×4 mm排水帶等效砂井直徑為：dw=6.624 cm；因此井徑比為1 155/66.24=17.44；F≈2.013；β≈0.0207，根據勘察報告，主要處理土層為2-1有機質高液限粘質土，其固結系數Cv=0.46×10-3cm2/s，Ch=0.46×10-3cm2/s(按各向同性考慮)。

固結度計算公式如下：

(1)

將分級加載及加載速率、井徑比等參數代入上述計算公式計算得理論固結度為：Ut=90.82%>90%，滿足規范要求(見表4)。

表4 分級加載計劃及固結度

3.4 堆載預壓沉降計算

主固結沉降變形參照《建筑地基基礎設計規范》[9](GB 50007—2011)按照壓縮模量法進行總沉降變形量的計算；受附加荷載作用后地基主固結變形量可按下式進行計算：

(2)

式中：

Ψs——沉降計算經驗系數，取1.4。

次固結計算公式[10-11]如下：

(3)

其中H取有機質高液限粘質土土層厚度，初始孔隙比e0=2.12，Ca取參考值0.03估算；次固結計算終點時間t2為道路設計年限10 a，起始時間t1為預壓期時間240 d。

1)取典型鉆孔ZK53對應對應樁號K0+200斷面進行計算，設計排水板長度21 m；地層為：填土厚度為1.8 m，2-1地層厚19.2 m，2-2層厚1 m，2-3層厚7.5 m，以下為中砂。處理路基寬度為14 m，b=14/2=7 m。

按分層總和法計算的總沉降為：1 171.22 mm。

理論計算固結度為90.82%，完工后沉降量為：1 063.7 mm；主固結剩余沉降約為：1 171.22×9.18%=107.52 mm，次固結沉降約為212 mm，工后沉降為319.52 mm<500 mm，滿足規范要求。

2)同理計算出鉆孔59和鉆孔64對應樁號K0+800與K1+400斷面處完工沉降分別為1 022.57 mm和930.58 mm，估算工后沉降分別為275.36 mm和241.06 mm，均滿足規范要求。

3.5 計算結果與實測結果對比

本工程共布置22個淺層沉降板觀測斷面[12]，觀測點沉降板S-2、S-8、S-14分別對應樁號K0+200、K0+800、K1+400處斷面和地質鉆孔，其測量結果趨勢線如圖4～圖6所示。

圖4 沉降板S-2(樁號K0+200)沉降量—時間過程線示意

圖5 沉降板S-8(樁號K0+800)沉降量—時間過程線示意

圖6 沉降板S-14(樁號K1+400)沉降量—時間過程線示意

各沉降板測點處工后沉降采用雙曲線法[13]擬合沉降變化趨勢曲線進行計算所得。

S-2測點雙曲線方程：

y=-0.006 3x2+3.405 8x+967.11。

S-8測點雙曲線方程：

y=-0.039x2+13.374x+ 422.82。

S-14測點雙曲線方程：

y=-0.014x2+6.397 8x+655.55。

各測量點處計算沉降與實測結果對比見表5～表7。從計算結果和實際監測結果對比可知，預壓期沉降計算結果偏小，實際觀測沉降偏大，但設計工后沉降相對偏大，按趨勢線推測工后沉降偏小；分析原因一是加載時間比設計時間多出將近20 d，二是可能因為場地淤泥地層中含砂有利于土體孔隙水的排出，致使實際沉降偏大的，工后沉降相對偏小；總體來說設計計算的沉降量與實際沉降量總體偏差不大，沉降分析計算方法合理，可以用于指導工程實踐。

表5 S-2樁號K0+200斷面計算結果與實測結果對比

表6 S-8樁號K0+800斷面計算結果與實測結果對比

表7 S-14樁號K1+400斷面計算結果與實測結果對比

4 結語

本文在東莞地區深厚軟土路基處理中成功地采用了堆載預壓塑料排水板方法進行軟基處理，路基工后沉降滿足規范要求。

1)根據土力學可知，土體物理參數和受力特性受應力歷史影響較大，因此塑料排水板處理軟土路基設計時，合理估算其堆載或超載值是一個關鍵要點。目前規范中其堆載預壓超載的取值沒有明確規定，本文從車輛荷載特性和土體受力結構的角度進行分析計算，得出路基頂部較為合理的豎向附加應力，并以此作為塑料排水板地基處理的附加荷載，更好的模擬了通車后的汽車荷載，使地基土體處于正常固結或超固結狀態，以減少工后沉降。

2)合理設置排水固結的分級荷載和加載時間也是堆載預壓處理軟土路基設計要點；本工程排水固結的分級荷載按1 m、1.2 m、1.1 m設置，荷載加載分布較為均勻，加載時間特點為隨著超載值的增加，加載速率減慢，各級荷載恒載時間在不斷增加，則在總工期不變的情況下更能有效地排出孔隙水。

3)從計算結果和實際監測結果對比可知，預壓期沉降計算結果偏小，實際觀測沉降偏大，但設計工后沉降相對偏大，按實測趨勢線推測的工后沉降偏小；總體來看兩者偏差不大，分析計算方法合理可靠。實測結果表明超載預壓處理的效果較好，說明堆載預壓塑料排水板處理方法在含砂淤泥軟土層中具有較好的工程應用。

4)工程實踐表明，在工期允許條件下，堆載預壓塑料排水板排水固結法具備排水能力強、質量可靠、施工速度快、造價低等特點，在軟土路基處理時，采用此方法具有顯著的社會、經濟效益[14]。