基于袋装砂井预压法的海边软土地基处理技术研究

1 滨海软土地基的特点

滨海软土是在较弱海浪暗流及潮汐的水动力作用下, 逐渐沉积淤成。表层有硬壳层0~3m, 下部为淤泥夹带粉性细砂透镜体, 软土厚4m~60m, 常含有贝壳及海生物残骸, 表层硬壳下, 局部中间含有薄层泥炭透镜体。

2 常用软土地基处理方法

软土地基是指在地基敷设的自然地面下存在含水量丰富、孔隙比大和承载力低的地基。软土地基加固就是将低承载能力和大压缩性的原状土加固到足以承担地基所需的强度和工后沉降要求, 有时也为了减少地基的渗透性。为了达到上述目的, 通常有二类方法:一类是对天然地基土体进行土质改良;另一类是在天然地基中插入 (也包括置换) 材性较好的材料, 如砂石、土工合成材料、混凝土、钢管等。土质改良的方法可分为下述几类:预压使软粘土产生排水固结;振密、挤密松散土体;灌入固化物使之与天然地基土体形成复合土体, 如水泥土;冻结或烧结天然土体以改善其物理力学性质。

由各种地基处理方法获得的人工地基可以分为两类:一类是对天然地基土体全部进行土质改良, 如预压 (排水固结) 法、强夯法、原位压实法、换填法等。另一类是形成复合地基。它可以由复合土与天然地基土体形成, 如水泥土复合地基;也可以由插入 (也包括置换) 的材料与天然地基土体形成, 如低强度桩复合地基法、树根桩复合地基;也可以山插入的材料以得到改良 (如挤密) 的天然土体形成, 如振冲挤密碎石桩复合地基。软土地基加固方法主要有换填法、上工织物加筋法、排水固结预压法、强夯法、砂石桩法和搅拌桩法等。

目前工程中常用的地基处理方法归纳分类如下。

(1) 置换。置换是用物理力学性质较好的岩土材料置换天然地基中部分或全部软弱土或不良土, 形成双层地基或复合地基, 以达到提高地基承载力、减少沉降目的。

(2) 排水固结。排水固结是指土体在一定荷载作用下固结, 孔隙比减小, 强度提高, 以达到提高地基承载力, 减小工后沉降的目的。

(3) 灌入固化物。灌入固化物是向地基中灌入或拌入水泥, 或石灰, 或其他化学固化材料在地基中形成复合土体, 以达到地基处理的目的。

(4) 振密、挤密。振密、挤密是指采用振动或挤密的方法使土体进一步密实以达到提高地基承载力和减少沉降的目的。

(5) 加筋。加筋是在地基中设置强度高、模量大的筋材, 以达到提高地基承载力、减少沉降的目的。

(6) 冷热处理。冷热处理是通过冻结, 或焙烧、加热地基土体改变土体物理力学性质以达到地基处理的目的。

3 袋装砂井预压处理技术

3.1 加固机理及加固作用

在软土地基上填土时, 软土地基在荷载的作用下失去了原有的平衡, 饱和软粘土随着空隙水压力的消散, 地基就会产生排水固结, 同时孔隙比会减小, 从而抗剪强度会得到相应的提高, 同时由于排水固结和剪切变形, 地基会产生很大的沉降, 甚至由于强度不足而产生破坏。对于工期不紧的工程, 常采用分级加载预压的方法, 使地基强度的增长能适应附加荷载的增加。由于土体固结排水所需的时间和渗透路径长度的平方成正比, 在地基中设置连通的排水体可以大大缩短预压固结所需的时间, 因此通常在预压时先在地基中设置砂井之类的排水体, 然后分级加载预压, 我们将这种方法称为排水固结法。

排水固结法是由两大部分组成的, 即排水系统和加载系统, 这两个部分缺一不可, 只有排水系统而无加载系统, 孔隙水压力差不能自动排出, 因而地基就得不到加固;反之, 如果只有加载系统而无排水系统, 排水距离不能缩短, 就不能在预压期尽快地提高地基强度, 因此, 在排水加压设计中, 必须把排水系统和加载系统联系起来考虑。

3.1.1 排水砂井的作用

排水系统就是在软土中设置一些排水通道, 改变原有地基的边界条件, 增加孔隙水的排出途径, 通过袋装砂井就是这个“通道”, 在荷载作用下, 使得软基中的水分能够迅速排出, 从而缩短固结时间、加快软土固结速率。山于砂井的间距远小于被加固软土层的厚度, 因此土体中的孔隙水主要是从水平向集中到砂井中排出的, 竖向排水只是少量的。

3.1.2 袋装砂井

袋装砂井是近年来竖向排水井工艺的发展, 是砂井排水法的延续。从砂井固结理论可知:砂井的直径越大, 间距越密, 对某一固结度而言所需的时间越短, 或者某一个时间内所达到的固结度越大。比较砂井的直径与间距两者对固结度的影响, 在同一井径的情况下, 砂井间距减小一半, 固结时间约缩短3倍;在同一间距的条件下, 井径增大一倍, 固结时间约只减少三分之一。因此缩短间距比增大井径效果更好, 所以应采用“细而密”的原则。一般砂井的施工采取的是沉管法, 井径通常为30cm~40cm, 砂井的直径太细, 施工时不能保证砂井灌砂的密实和连续, 间距太小则对周围土扰动较大, 反而降低了土的强度和渗透侄, 影响加固效果。为了克服砂井的一些弊端, 逐步出现了袋装砂井和塑料排水板井, 这样可以使得砂井的直径和间距大大缩小, 加快地基的固结袋装砂井是将散体砂装入用化纤织物做成的细长袋子内置于软土中作为竖向排水体的一种方法。由于它可以做成很细的形状, 通常为7cm~12cm, 同时, 根据“细而密”的原则, 能将井间距大大缩小, 加快排水固结时间, 是一种有效、简便而又普通的软基处理方法, 因此在机场、堤防、码头、变电站等工程中得到了广泛的应用。

3.2 设计与计算

3.2.1 确定井长、井径、间距等指标

根据勘察调查的实验数据, 考虑到工期、容许工后沉降、地基高度、施工条件等因素, 并通过固结理论计算来确定袋装砂井的直径、间距和长度。在预压期内要求完成的固结度大小, 则根据地基剩余沉降以及不均匀沉降可能造成地基面层结构破坏这一因素来考虑, 一般取固结度U=8 0%~9 5%。

(1) 直径和间距。

我们知道缩小砂井间距比增大砂井直径使得加固效果更为明显, 因此设计时采用“细而密”的方案比用“粗而疏”的方案好, 但是应该充分考虑到经济和施工的问题。

(2) 砂井长度。

砂井的长度主要取决于软土层排水固结效果。一般当软土层较薄或其底层为透水层时, 砂井应贯穿软土层;当软土层较厚时, 砂井深度由地基稳定和容许工后沉降计算来确定。当地基深处的附加应力很小时, 砂井的作用很小, 因此砂井应有最佳有效长度。

(3) 袋装砂井的平面布置及砂垫层。

砂井的平面布置, 目前国内外采用等边三角形的较多, 这种布置比正方形排列更为紧凑、有效。为了保证袋装砂井内渗出的水能够顺利排出, 一般在砂井的项部铺设30cm的砂垫层, 砂井的上部外露部分应埋在该层内。若改用碎砾石应有级配要求, 以保证排水效果。

3.2.2 袋装砂井地基的计算

软土地基在预压荷载作用下, 经过一段时间 (t) 所产生的变形量 (St) 与土层的最终变形量 (S) 之比称为固结度 (用Ut表示) 。软土地基经袋装砂井处理后, 其固结属于三维固结, 计算时可以分为竖向固结和水平向 (径向) 固结两种情况分别确定在指定时间内的固结度。具体计算方法可以参考相关文献, 笔者在此不再赘述。

摘要：笔者基于多年工作经验, 研究探讨了滨海地区袋装砂井预压法软土地基处理技术, 文章基于笔者参与某变电站建设的需求, 在参考大量相关文献的基础上, 总结了软土地基的处理方法, 而后着重论述了袋装砂井预压法的处理技术, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：袋装砂井预压法,软土地基,处理方法,处理技术