排水固结法在大面积地基处理中的应用 - ABBS建筑论坛.doc

排水固结法在大面积地基处理中的应用　　黄小林 王明弹　（上海核工程研究设计院五所，200233）　摘要：本文根据三门核电站场地内大面积存在的软弱土层的工程特性，提出采用排水固结法处理的方案通过计算确定回填的堆载计划、地基处理分区和施工要求，既经济合理，又满足了施工工期的要求 　1工程概况　三门核电厂位于浙江省中部三门县健跳镇北约6km的猫头山嘴半岛——娘娘殿岗上厂区范围内存在大面积滨海滩涂，南侧海涂后建海塘堤坝，使围堤内高潮海水不致淹没围堤内为星罗棋布的养殖场，塘堤平坦而狭窄计划2002年年初开始场地的“四通一平”工作，2004年4月1日浇筑第一罐混凝土，地基处理及场地回填的施工过程历时两年，工期相当紧迫　　2工程地质条件　滩涂地层由素填土和第四系淤泥、淤泥质粉质粘土、粉质粘土组成自上而下主要有：　素填土（Qm1）层：由灰、灰黄色粘性土、块石、碎石、砂和贝壳碎片组成松散、均匀性差，该层主要分布在海堤及养殖场塘堤上，厚度变化较大　淤泥（Qm）层：灰色，饱和，呈流塑状态，具高压缩性该层分布广泛　淤泥质粉质粘土（Qm）层：灰色，饱和，呈软~流塑状态，具高压缩性常与淤泥质粘土互层，夹薄层粉细砂、砂土，含贝壳碎片及腐殖质。

该层分布不均匀　粉质粘土（Qa1+m）层：暗绿色，饱和，呈可塑状态，具中等压缩性土质较致密，可见氧化铁斑点　　　粉质粘土（Qa1+m）层：褐黄色，饱和，呈可塑状态，具中等压缩性土质较致密，可见氧化铁斑点，常与粘土互层，局部地段为粘土层　　滩涂顶标高一般为0~+2.0m，表面分布有厚约2.5~18.0m的淤泥（土层）和淤泥质粉质粘土（土层），最大厚度18.0m，平均厚度约14.0m淤泥和淤泥质粉质粘土前期固结压力小于上覆土层自重应力，超固结比（OCR）小于1，为第四系新近堆积层其强度低，属高孔隙比、高压缩性，具流变性、触变性特征的地基土厂区回填设计标高+7.0~13.7 m，因此该滩涂区域拟用山体开挖的土石方回填至厂区设计标高后，用于职工现场宿舍区、施工生活区、临建区、设备材料堆场及施工场地等的地基　　　地基土的主要物理力学性质指标如表1所示　　　表1 地基土主要物理力学性质指标表　地层编号　含水量　　W(%)　　　重度　γ(kN/m3)　　　比重　G　　　饱和度　　　Sr%　孔隙比　e　　液限　Wl％　　塑限　　　Wp%　液性指数　　I1　内聚力　　　C　　(kPa)　内摩擦角　　φ　压缩系数　al-2(kPa-1)　　压缩模量　　　Es(kPa)　　静力触探Ps平均值　　(MPa)　②　　　　　　　2.75　　99　1.573　　46.6　26.7　　1.51　　14　　14.5　　1.39　2.00　0.233　③　　　42.6　　17.8　2.73　98　　　　　　　　22.3　1.37　14　16.7　　0.90　　2.44　　　　　④　　　27.8　　19.2　　　　　93　0.812　　　　　　　0.49　　57　　　　　　0.23　7.64　　　　⑤　　　30.2　　　　　2.74　91　　　　41.7　24.3　　　　60　　　21.5　0.24　7.97　　　　　 场地内的地下水为孔隙潜水。

地下水富水性差，主要赋存于淤泥和淤泥质粉质粘土中淤泥和淤泥质粉质粘土的平均渗透系数kv×10-7cm/s，kh×10-7cm/s，属微~不透水层　　 场地内的地下水的来源为大气降水经养殖塘渗入及场地周围山泉的补给，部分海滩区接受潮水补给，以径流、蒸发方式排泄，区内地下水位均高于海平面，地下水流向海洋区内径流微弱，动态较稳定　　　3地基处理分区及处理方案　　　3.1地基处理范围　　2，根据回填区的使用要求、工程地质条件，按照安全适用、经济合理的原则，将回填区的一部分划分为T1-2、T3-2、和T2-1-2m2　　　a) T1-2区　　T1-1和T1-2区为职工现场宿舍及招待所，均为永久建筑为保证建筑地基基础的安全，该区域应进行地基处理但T1-1区软弱土层较薄，约2.0~3.0m，且由于历史的原因T1-1区已经覆盖有2~6m的素填土层该素填土层性状较好，软弱土层在填土荷载的作用下也有一定程度的固结，故T1-1区的工程地质条件相对较优同时T1-1区位于山坳内，周边为厚实的山体，不进行地基处理地基的稳定性也有足够的保障，故此T1-1区不进行地基处理，直接分层回填　T1-2区位于T1-1的东侧，淤泥层厚度为8～，回填层厚度约7～m。

场地内覆盖有厚度较薄的回填土，约1m左右，局部缺失由于场地地质条件较不均匀，软土层的厚度较厚，考虑到建筑物的重要性，为了确保职工的安全，须对地基进行处理，以满足永久建筑物的变形要求　　b) T3-2区　T3-2区南面靠山，北面临海该区的软土性能差，且处于欠固结状态，其中北面厚度约为12~13m，南面大致为9.5m，局部靠近山坡的地方土层变化较大场地北侧无填土层，南面靠近山坡处有约2m的素填土层T3-2区规划为施工单位职工生活临建区，考虑到核电工程一期施工完成后，还要进行二期和三期的施工，延续时间较长，故可视T3-2区为永久建筑物场地考虑场地地质情况和使用要求，根据技术可行、经济合理的原则，对T3-2区域进行地基处理北海堤的填筑与场地的回填同步进行　c) T2-1-2区　　T2-1-2区位于T1-2区域的东侧，南面是南海堤，该区域面积较大T2-1-2区规划为施工场地，虽然不建造永久建筑物，但施工中的一些厂房必须建造在此处，如钢结构加工厂房、现场试验室等某些带有桁架吊车的厂房对地基的要求较高，特别是地基的不均匀沉降的要求较严格，须防止现场办公楼的楼板和墙体出现严重开裂同时考虑到该堤在两次建造期间均发生过滑动，堤身下部的淤泥未进行地基处理，淤泥的固结程度很差，根据理论计算，固结度仅为36%，建议对场地地基进行处理，以免堤后软土层上的填土增加海堤滑动的危险性。

T2-1-2区的软土层厚度均在10m以上，其东侧可达14m，是大面积软土层最厚的地方为了确保回填场地和南海堤的整体安全，避免发生施工场地内的建筑物出现严重开裂，对T2-1-2区进行地基处理　　　d) 不进行地基处理的区域　　T4-1区规划为设备材料堆场，无永久建筑物，场地对不均匀沉降造成的倾斜率要求不高同时T4-1区的临海区是标准较高的北护提，堤顶建有二级进厂公路北护堤采用爆破挤淤法施工，护堤竣工后坐落在相对工程地质条件较好的地层上，对内部回填区有部分约束作用护堤的爆破挤淤可能对T4-1回填区的软弱土层产生扰动，即使对T4-1区插打塑料排水板进行处理，由于淤泥和淤泥质土的高灵敏性，排水固结的效果也不一定好故考虑对T4-1区不进行处理，但护堤的设计中须考虑到直接回填对护堤的稳定性可能产生的不利影响为减小这种不利影响，T4-1区的回填从北海堤向靠山侧进行　　　其余区域靠近山脚，处于山坳中，软弱土层厚度较小，且规划中没有布置永久性建筑物，采用直接分层回填，基本可保证施工中的安全性，可能有的较大的沉降变形对该区域的使用也不造成实质性的影响即使这些区域中有相当大的一部分面积其软土层较厚，超过规范的限值，但从节约投资的角度考虑不进行处理，由于其余区域处理得较好，且地基滑动受到约束限制，故仍然认为安全是有保证的。

　　　　　排水固结法作为处理软粘土地基的有效方法，在工程上得到广泛的应用采用排水固结法可同时解决沉降和稳定问题使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差，且加速地基土抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性　　　排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的设置排水系统主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的通路，缩短排水途径，它由竖向的排水井和水平向的排水垫层构成由塑料芯板和滤膜外套组成的塑料排水板作为竖向排水通道在工程上的应用日益增加，塑料排水板可在工厂制作，运输方便，尤其适合象三门这样的缺乏砂源的地区使用，可同时节省投资加压系统，即是施加起固结作用的荷载，土中的孔隙水因产生压差而渗流使土固结　排水系统是一种手段，如没有加压系统，孔隙中的水没有压力差，不会自然排出，地基也就得不到加固如果只施加固结压力，不缩短土层的排水距离，这不能在预压期间尽快地完成设计所要求的沉降量，土的强度不能及时提高，各级加载也就不能顺利进行所以，排水系统和加载系统在设计时总是需要结合起来考虑　根据沉降变形分析计算，采用塑料排水板堆载预压法处理软弱土层，要求将各处理区场地整平后，在滩涂面上铺设一层土工布和0.8m厚的碎石垫层，再插打塑料排水板。

塑料排水板采用SPB-IB型标准排水板，宽度100mm，厚度为4mm，呈梅花形布置，间距1.5m排水板的深度应穿透淤泥层的底面，如图1所示各地基处理分区所需的塑料排水板见表2　　图1 塑料排水板布置图　　　　　　表2 各地基处理分区塑料排水板表　　　地基处理分区　　处理区平面面积(ha)　　塑料排水板数量(根)　处理区场地标高(m)　　　T3-2　　　6.50　33358　　约0~4.2　T1-2　　　　　39876　　　　　　T2-1-2　　　20.48　105104　　　　　　合计　　　34.75　　178338　　　　　为适应地基处理区和直接回填区地基的变形，防止在分界线处因地基固结程度相差较大而引起的地基开裂和承载力突变，在处理区内靠近直接回填区约20m的范围内，塑料排水板的间距从1.5m过渡到2.0m，其打设深度亦可适当减小　　　4堆载计划的确定　根据土层特性，计算其在堆载回填预压荷载下的沉降变形量，进而估计达一定固结度的时间及堆载预压后地基强度增长量，以此来评价地基条件，并提出合理的回填堆载计划及地基处理方案　　　因施工面较大，故假定大面积堆载堆载回填材料为开挖山体的土石方，计算中取岩石堆密度r3，回填层平均高度7.0m。

软弱土层（包括淤泥层和淤泥质软粘土）计算层厚14.0m（厂区南侧滩涂），固结系数Ch=Cv=2×10-3cm2/s，Cu=10.0kPa（十字板剪切试验），三轴固结不排水剪土的内摩擦角jcu°　　4.1最终沉降计算结果　　回填高度为7.0m时，预压荷载下地基的最终变形为：　　=1.50m　　式中：Sf——最终竖向变形量；　　e0i——第i层中点土自重压力所对应的孔隙比；　e1i——第i层中点土自重压力和附加压力之和所对应的孔隙比；　　hi——第i层土层厚度；　x——经验系数，1.1~1.4，荷载较大，地基土较软弱时取较大值　　　　　根据费连纽斯(Fellenius)公式，天然地基容许施加的第一级荷载P1：　　　=kPa　其中：Cu——天然地基的不排水抗剪强度，由现场原位十字板剪切试验结果测定　　　K——安全系数　　在P1荷载作用下，固结度U=70%时提高以后地基强度为Cu1：　　　　　　　式中：h——为考虑剪切蠕变的强度折减系数；　Ut——地基平均固结度；　　——预压荷载引起的附。