大面积堆载预压工程中集水井排水效果的探讨

时间：2024-07-28

郭栋，江辉煌

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳 518000)

堆载预压法是加固软土地基常用的方法之一[1]。在堆载预压过程中，通过加载使软土地基产生附加应力，使孔隙水产生水头差，并通过由塑料排水板(砂井)、砂垫层、盲沟、集水井组成的排水通道向外排水，使得有效应力增加，土的抗剪强度增加，进而达到地基加固的目的[2-3]。

顺利排出孔隙水是加速土体固结的关键条件之一，然而在填海造地等大面积软土地基处理工程中，排水系统工作效果常常达不到预期，地基处理质量受到影响。本文结合一机场填海工程堆载过程沉降监测情况对工程中出现的集水井排水少或排不出水的现象进行分析。

1 工程概况及集水井排水情况

1.1 工程概况

本工程是一机场填海造陆的一部分，用海面积7.58 km2，吹填及处理面积为6.95 km2。

堆载过程：①场地首先吹填至标高2.0 m，并进行整平；②场地用小型机械填砂垫层或吹填砂垫层，厚0.5 m；③埋设塑料排水板，排水板采用SPB-100B型整体式，间距1.0 m；④吹填砂至5.0 m，施工吹填围堰，吹填砂至9.0 m；⑤堆载砂料至最终堆载厚度；⑥设计满载预压时间150 d，实际满载时间由沉降观测数据推算工后沉降确定；⑦预压完成后，卸载预压砂至设计标高。

沉降监测点按水平距离50 m呈正方形布置。场地共分P2，P3，S9，S10，S11(P2，P3为二跑道和三跑道)5个区，沉降监测点按照P2(区号)-4(序号)形式进行编号。

1.2 集水井排水情况

工程堆载在完成砂垫层铺设后按施工区域分为2个阶段依次堆载，在第1阶段堆载完成后，27个集水井中1#，2#，3#，13#—19#等10个集水井排不出水或排水很少。施工单位自行在原设计集水井旁重新补充的集水井(见图1)效果也不佳。

图1 集水井分布示意

2 集水井排水效果不佳原因分析

2.1 砂垫层断裂或被堵塞

选取场地中的淤泥厚度分别为1.5，12.0 m的P2-4、P3-8这2个具有代表性沉降观测点进行分析，得到的堆载-沉降曲线见图2。

图2 堆载-沉降曲线

由图2可知：场地中各点的沉降变化是一个沉降、隆起、稳定不断反复的过程。在反复的过程中，剧烈沉降对砂垫层有拉薄作用，严重者甚至拉断砂垫层;反复的沉降隆起则会对砂垫层有类似揉搓的作用，改变砂垫层形态，同时使淤泥与砂垫层混合，降低砂垫层渗透系数，影响场地排水效果。

2.2 洼地积水

堆载预压过程中，受地形、软土层厚度、荷载、施工扰动等因素影响，场地中的沉降是不均匀的。各点的沉降实际上也是砂垫层的沉降。在整个堆载预压过程中，砂垫层的位置会随着淤泥层沉降的变化不断变化，最终随着淤泥层不断固结形成一个相对稳定的褶皱的曲面。堆载53周时场地沉降云图如图3所示，可知洼地积水在场地中是普遍现象。

图3 堆载53周时场地沉降云图(单位：mm)

图4 跑道不均匀沉降分布(时间：2016年5月—2017年1月)

根据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》[4]，渗水暗沟的纵坡不宜小于5‰，施工困难时亦不应小于2‰。图4为场地中P2跑道的一条与跑道方向平行的监测点组成的监测线，且为各沉降监测点堆载过程中每月拟合的沉降曲线，其中相邻点平均坡度>5‰的有6处。在排水过程中，水头差足以使地下水向沉降最大的点方向汇集，达不到设计排水路径的效果[5]，形成局部积水，导致场地中孔隙水无法通过相应的集水井及时排出去。

堆载过程不均匀沉降会导致砂垫层断裂或淤泥颗粒进入砂垫层，堵塞砂垫层。不均匀沉降会导致洼地积水，集水井位置没有布置到洼地积水的位置。这2方面因素将会导致集水井无法正常发挥作用。

3 洼地积水对于地基处理质量的影响

3.1 洼地积水减少了有效应力

积水处相对砂垫层为水平面状态时，在积水浮力作用下，1 m高的积水将使荷载减小10 kPa。根据JGT 79—2012《建筑地基处理技术规范》[6]有

τft=τf0+σzΔUtanφcu

(1)

式中：τft为地基处理后抗剪强度；τf0为地基土的天然抗剪强度；σz为堆载预压引起的该点附加应力；ΔU为该点土的固结度；φcu为三轴固结不排水压缩试验求得的土的内摩角。

设积水压力为荷载的1/n，则地基增长强度为设计值的(n-1)/n。以本工程中最大堆载荷载120 kPa(最大超载预压情况)为例，在积水1 m的情况下，也会使预压效果减小8.3%以上。

3.2 从渗流角度分析洼地积水对地基处理质量的影响

堆载预压土体固结的过程从渗流角度可以理解为：堆载荷载使土体内各点产生不均等的水压增量，形成土体内水压与边界间水压分布的不平衡，然后孔隙水排出，直到水压转化为与边界相适应的新平衡为止，固结完成[7]。

设积水厚度为1 m，则积水处固结排出的孔隙水相对于砂垫层水平状态需要克服10 kPa的重力才能够排出去[8](如图5)。当超孔隙水压力消散到10 kPa时土体内外水压相等，渗流停止，达到相对稳定状态。同样以工程中最大荷载为例，洼地积水处将会在固结度为91.7%时停止固结。假设竣工时水平状态固结度为1，结合积水减少荷载的影响，根据式(1)洼地积水处的固结度将为0.9172=0.841，说明总荷载的约15%没有产生效益。根据积水水压力等效固结模型(如图6 所示)，最大沉降差接近2 m，最终固结度为0.694，可知约30.5%的荷载没有产生效益。

图5 洼地积水固结模型

图6 积水水压力等效固结模型

洼地积水会改变孔隙水的渗流条件，降低最终渗流平衡时的固结度，地基增长强度为设计值的[(n-1)/n]2。

3.3 固结方程固结度计算

积水压力为边界力，理由为：①在大面积堆载预压过程中，塑料排水板附近无外来水源;固结过程中，孔隙水向外渗流、汇集到达集水井底部后排出，积水是整个渗流排水中的一个环节；②孔隙水向外渗流过程中，竖向渗流和径向渗流同时进行，土体中孔隙水压力大于外部静水压力；③相对于砂垫层水平状态，1 m的水头差可以等效为洼地处减少10 kPa的渗透力，会降低孔隙水的渗流速度。因此积水压力是边界力。

将积水压力等效为渗透力[9]，它使得水力坡降降低，渗流速度减缓，固结速度降低[10]。根据式(2)[8]可等效为渗透系数的降低。通过式(3)、式(4)进行径向固结度的计算和对比。

v=ki

(2)

(3)

(4)

设砂垫层水平状态下淤泥层平均固结度为0.9(JGJ 79—2012验收标准)，则在积水1 m高时径向固结度为0.85;积水2 m高时，径向固结度为0.68。结合前面减少的有效应力通过式(1)计算，积水1 m时的增长强度为设计预期的0.86，14%的荷载没有发挥效益，积水2 m时的增长强度只有设计预期的0.5，50%的荷载没有发挥效益。

固结方程计算结果与渗流分析计算结果近似，说明洼地积水厚度将会降低固结度，最终地基增长强度约为设计值的[(n-1)/n]2。