井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法加固吹填土路基的試驗(yàn)研究

徐新星，李冠澤，張季超

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州市白云區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，廣東 廣州 510605；3.江蘇省地質(zhì)工程勘察院，江蘇南京 211102）

井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法加固吹填土路基的試驗(yàn)研究

徐新星1，2，李冠澤1，3，張季超1

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州市白云區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，廣東 廣州 510605；3.江蘇省地質(zhì)工程勘察院，江蘇南京 211102）

針對(duì)某海濱城市圍海造陸區(qū)域內(nèi)吹填路基加固的難題，采用插板堆載+井點(diǎn)降水+強(qiáng)夯法的新型工藝進(jìn)行加固處理，開展試驗(yàn)研究.通過(guò)孔隙水壓力、表層沉降及土工試驗(yàn)、靜載荷試驗(yàn)等指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以滿足路基對(duì)工后沉降的要求，大幅提高地基承載力，而且砂土液化問(wèn)題也得以解決.

吹填土；路基；井點(diǎn)降水；排水固結(jié)；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

對(duì)于沿海吹填造陸形成的新城，市政道路的建設(shè)是最先面臨的工程難題，大面積深厚軟土處理加固問(wèn)題已經(jīng)成為巖土工程領(lǐng)域的難題之一［1］.單一的加固技術(shù)已不能完全滿足地基處理的需要，綜合考慮多種加固技術(shù)已成為解決該難題的主要方法.井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法自1990年初開始在我國(guó)推廣使用后，已經(jīng)在上海、深圳、廣州等沿海城市得到成功應(yīng)用，尤其適合于大面積吹填區(qū)、軟粘土的機(jī)場(chǎng)、道路、碼頭等地基處理［2-3］.本文采用井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法進(jìn)行軟基加固試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析聯(lián)合化加固技術(shù)的處理效果，可為后續(xù)類似工程設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo).

1 井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法

井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法是由降水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和動(dòng)力荷載3者共同組成的，在加固吹填后的飽和粘土?xí)r，一般還需要設(shè)置軟土覆蓋層，如砂墊層或人工填土等，見圖1.

圖1 井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法示意圖Fig.1 Schematic diagram of well-point dewatering combined with dynamic compaction method

強(qiáng)夯法不適用于飽和軟粘土地基、滲透性較差的淤泥或淤泥質(zhì)土，因?yàn)樵擃愜浲猎诤粨裟艿淖饔孟?，?huì)在土層中產(chǎn)生超孔隙水壓力，孔隙水壓力無(wú)法消散則土體強(qiáng)度得不到有效提高［4］.而井點(diǎn)降水可以通過(guò)真空力的作用，將孔隙水由所形成的排水通道從井點(diǎn)系統(tǒng)抽走，降低地下水面以下軟土層中的含水量和飽和度，增加原地下水位面以下軟土層的有效應(yīng)力，土體因而產(chǎn)生固結(jié)沉降并得到加固［5-6］.強(qiáng)夯法配合井點(diǎn)降水法可以充分發(fā)揮強(qiáng)夯和降水兩者的優(yōu)勢(shì)，形成一套“上—下”雙層加固模式.通過(guò)降水來(lái)加速地基土中超孔壓的消散，不僅提高了軟土的固結(jié)度，避免像“橡皮土”等現(xiàn)象的出現(xiàn)，還縮短了工期與投入，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍［7］.

2 工程概況

本工程位于廣東省汕頭市，井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法試驗(yàn)區(qū)面積為10 500 m2（150 m× 70 m），地下水在地面以下0.5 m.本工程抗震設(shè)防烈度為8度，場(chǎng)地土類別為Ⅲ類，屬對(duì)抗震不利地段.根據(jù)地勘報(bào)告，各層描述見表1.

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 The soil physical and mechanical parameters

不良地質(zhì)條件分析：

（1）填土

場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布填土層，因人工回填形成，填料來(lái)源多以附近海域上部砂層及土層為主.其主要問(wèn)題為回填料不均勻、未經(jīng)處理、密實(shí)度差異大，泥沙混雜、層位較復(fù)雜，局部存在少量淤泥夾層等，其不均一性會(huì)對(duì)后續(xù)軟基處理造成影響.

（2）軟土

場(chǎng)地廣泛分布②1淤泥～淤泥質(zhì)土、④1淤泥質(zhì)土～粘土等軟土層，上述軟土層分布廣、厚度大、物理力學(xué)性指標(biāo)差、地基承載力低，需要對(duì)其進(jìn)行加固，另外依據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范及巖土工程勘察規(guī)范，本工程需考慮軟土震陷影響.

（3）液化砂土

場(chǎng)地20 m深度內(nèi)等效剪切波速Vse＜140 m·s-1，建筑場(chǎng)地的覆蓋層厚度在15～80 m，故場(chǎng)地土類別為Ⅲ類，屬對(duì)抗震不利地段.按標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果對(duì)場(chǎng)地液化進(jìn)行判別，對(duì)粘粒含量百分率，標(biāo)貫錘擊數(shù)基準(zhǔn)值擊，地震設(shè)計(jì)分組調(diào)整系數(shù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)，可判別本試驗(yàn)段場(chǎng)地內(nèi)中等液化鉆孔共3個(gè)，輕微液化鉆孔有1個(gè)，從工程安全角度考慮，需對(duì)松散砂土進(jìn)行處理.

3 試驗(yàn)方案及技術(shù)參數(shù)

3.1 地基處理方案

（1）豎向排水系統(tǒng)

塑料排水板采用SPB-B型原生板，斷面尺寸為100 mm×4 mm，正方形布置，間距為1 m×1 m，按打穿④1淤泥質(zhì)土～粘土層底板并進(jìn)入砂層或粘土層0.5 m施工，長(zhǎng)度約為19.0 m.

（2）堆載設(shè)計(jì)

采用動(dòng)力固結(jié)法加固吹填土?xí)r，為避免出現(xiàn)“掉錘”事故，設(shè)計(jì)在表層土上填筑一定高度的砂土墊層，不僅有利于應(yīng)力擴(kuò)散，還可以起到堆載預(yù)壓的作用，有利于軟土排水固結(jié).根據(jù)固結(jié)度和工后沉降的要求，本區(qū)采用厚3.0 m的海砂進(jìn)行堆載，相當(dāng)于在表層施加54 kPa的荷載，堆載料分兩級(jí)施工，堆載高度分別為1.0 m和2.0 m.

（3）降水方案

為了配合強(qiáng)夯施工，并且對(duì)土層形成預(yù)壓，試驗(yàn)區(qū)采用降水的方法配合施工.降水井井徑0.3 m，長(zhǎng)14～15 m，降水井和截水井均采用φ≥500 mm孔徑機(jī)械成井后洗井，然后采用PVC硬質(zhì)波紋管下井，管外回填約10 cm厚粗礫砂或圓礫，地面以下1.0 m用粘性土封堵.

（4）動(dòng)力固結(jié)設(shè)計(jì)

動(dòng)力固結(jié)首先在第1級(jí)填土后普夯1遍，之后進(jìn)行第1、2遍點(diǎn)夯，第3、4遍點(diǎn)夯在第2級(jí)填土后進(jìn)行，滿夯后振動(dòng)碾壓4～5遍，并進(jìn)行整平，相關(guān)參數(shù)見表2.

3.2 監(jiān)測(cè)方案

試驗(yàn)A區(qū)在施工過(guò)程中進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)、孔隙水壓力監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)、分層沉降監(jiān)測(cè)及測(cè)斜監(jiān)測(cè)等，在預(yù)壓前、點(diǎn)夯后、卸載后開展了部分土工試驗(yàn)、靜載荷和靜力觸探試驗(yàn)，而且對(duì)路基填土的壓實(shí)度進(jìn)行了檢測(cè)，以確保施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求.試驗(yàn)A區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目平面布置見圖2.

表2 強(qiáng)夯參數(shù)表Table 2 Dynamic compaction parameter table

圖2 A區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布置Fig.2 Monitoring project layout of zone A

4 監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

4.1 表層沉降

試驗(yàn)A區(qū)共布設(shè)了9個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取中心線上4～6號(hào)沉降板的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，地基土的總沉降量需考慮插板過(guò)程中發(fā)生的沉降量，根據(jù)高程測(cè)量數(shù)據(jù)，可得表層總沉降量見表3.

表3 表層沉降量Table 3 The surface subsidence scale

由表3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（2012年12月1日～2013年6月27日）可得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)高程測(cè)量數(shù)據(jù)，塑料排水板施工期間沉降量達(dá)220 mm，約占總沉降量的1/3，為地基處理期間發(fā)生的最大沉降量，平均沉降速率為11 mm ·d-1.

（2）從試驗(yàn)區(qū)沉降板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，第1級(jí)堆載時(shí)地表沉降速率較快，平均累計(jì)沉降量為145 mm，沉降速率為7.3 mm·d-1，第2級(jí)堆載時(shí)地表沉降速率較慢，平均累計(jì)沉降量為66.3 mm，沉降速率為3.3 mm·d-1，井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法加固軟土產(chǎn)生的地面平均沉降量為659 mm.

（3）在第1、2遍點(diǎn)夯過(guò)程中，夯擊引起的平均沉降量（約80.3 mm）大于第3、4遍點(diǎn)夯引起的平均沉降量（約23.1 mm），而最后滿夯階段沉降板沉降量很小，這是因?yàn)殡S著堆載和降水預(yù)壓的作用，以及強(qiáng)夯次數(shù)的增加，土層中的孔隙水迅速排出，軟土的孔隙比和含水量大幅降低，地基承載力和壓縮模量等參數(shù)逐漸增大，因此沉降量變得越來(lái)越小.另外，堆土的高度和后續(xù)形成的硬殼層也在一定程度上影響了沖擊應(yīng)力向土層深層傳遞，強(qiáng)夯施工也給沉降點(diǎn)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)帶來(lái)一定難度.

4.2 孔隙水壓力

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置了3組孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為KY1～KY3，由于施工進(jìn)展的原因，孔壓監(jiān)測(cè)開始于2012年12月20日，因此無(wú)法觀測(cè)到第1次填土和降水時(shí)的變化情況.選取試驗(yàn)區(qū)中部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)KY-2分析從②1淤泥～淤泥質(zhì)土層以下3.0 m深度處的孔壓曲線，其他類比.由監(jiān)測(cè)資料可知：

（1）孔隙水壓力大小受地下水壓力影響較大，由于在2013年2月20日（第60 d）開始第2次降水的緣故，孔隙水壓力曲線隨降水開始迅速下降，之后停止抽水，孔隙水壓力又隨之上升，曲線較為平緩，各孔隙水壓力計(jì)大小隨其埋設(shè)深度的增加而增加.

（2）在第1、2遍點(diǎn)夯過(guò)程中，埋置于淺層淤泥中的孔壓計(jì)數(shù)值有較大幅度的增長(zhǎng)，之后又恢復(fù)為正常值.第3、4遍強(qiáng)夯過(guò)程也有一定的孔壓增長(zhǎng)和消散，但因?yàn)榻邓挠绊懚幻黠@.

4.3 地下水位

（1）場(chǎng)地原始水位為1.3 m左右，經(jīng)過(guò)第1次降水，水位維持在-0.5 m左右，上下波動(dòng)，降深1.8 m；第2次降水，水位又從-0.5 m降至-2.0 m，降深1.5 m.

（2）由于管井降水工作的進(jìn)行，地下水位迅速下降，說(shuō)明截水井和抽水井效果良好.在停泵后，地下水位逐漸上升，最終回復(fù)到原始水位.

（3）在第2級(jí)堆載加載過(guò)程中，孔隙水壓力上升，水位管中的水位隨之上升，之后孔隙水壓力消散，水位逐漸恢復(fù)正常.在兩次點(diǎn)夯過(guò)程中，由于強(qiáng)夯破壞了土體的結(jié)構(gòu)，使得一部分區(qū)域土體產(chǎn)生液化，地基土由此產(chǎn)生的裂隙增加了排水通道，孔隙水得以順利逸出，從而引起水位上升，待超孔隙水壓力消散后，水位恢復(fù)下降的趨勢(shì)［8］，這表明夯擊作用會(huì)引起地下水位的驟然升降.具體地下水位變化圖見圖3.

圖3 試驗(yàn)區(qū)地下水位變化圖Fig.3 Underground water level variation of experimental zone

5 檢測(cè)及結(jié)果分析

5.1 靜力觸探與標(biāo)貫試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)采用了WJCL機(jī)動(dòng)履帶式液壓靜力觸探車進(jìn)行靜力觸探檢測(cè)，結(jié)果見圖4.

經(jīng)井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法處理過(guò)的試驗(yàn)區(qū)，有以下幾點(diǎn)特征：

（1）表面砂層（0～6 m）加固效果最明顯，其比貫入阻力增長(zhǎng)幅度大部分超過(guò)100%，最大值為594%，這說(shuō)明強(qiáng)夯施工可提高表層吹填粗砂的密實(shí)度.

（2）處理前后②1淤泥～淤泥質(zhì)土層（6～10 m）比貫入阻力有較大幅度的提高，而④1淤泥質(zhì)土～粘土層（13～17m）比貫入力也有所提高，但小于淺層淤泥，說(shuō)明井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法對(duì)于提高深層軟土的強(qiáng)度是有限的.

5.2 標(biāo)貫試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)典型鉆孔標(biāo)貫數(shù)據(jù)，吹填土（0～6 m）范圍內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)實(shí)測(cè)值見表4，經(jīng)處理后，鉆孔平均標(biāo)貫擊數(shù)為24擊，試驗(yàn)A區(qū)場(chǎng)地砂土液化問(wèn)題已消除.其中粘粒含量百分率ρc＝3%，標(biāo)貫錘擊數(shù)基準(zhǔn)值No＝12擊，地震設(shè)計(jì)分組調(diào)整系數(shù)β＝0.8.

5.3 室內(nèi)土工試驗(yàn)

加固前后表層淤泥②1層物理力學(xué)指標(biāo)（見表5）出現(xiàn)明顯的改變，其含水率降低了18.9%，孔隙比降低了18.3，粘聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮模量則分別提高了117.0%、81.0%和42.1%.在塑料排水板插設(shè)深度范圍內(nèi)，軟土層的含水量、孔隙比、粘聚力和內(nèi)摩擦角等均發(fā)生了較大的變化，說(shuō)明井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法對(duì)淤泥層的加固效果非常明顯.

圖4 靜力觸探檢測(cè)結(jié)果圖Fig.4 The static cone penetration test results

表4 砂土液化判別表Table 4 Sandy soil liquefaction discrimination

5.4 靜載荷試驗(yàn)

采用1 m×1 m載荷板進(jìn)行慢速維持荷載法加載，加載至240 kN，地基承載力特征值均未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，比例界限無(wú)法確定，承載力特征值必定大于120 kPa，完全滿足設(shè)計(jì)要求.經(jīng)推算，試驗(yàn)點(diǎn)的回彈率為30.1%，淺層土體變形模量為31.8 MPa，表明處理后吹填砂層的塑性變形小，密實(shí)度高，剛度大.具體靜載試驗(yàn)P-S曲線見圖5.

表5 ②1淤泥層的物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比表Table 5 ②1physical and mechanical index of silt layer contrast table

圖5 靜載P-S曲線圖Fig.5 Static load P-S curve

6 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)A區(qū)地面平均沉降量為659 mm，塑料排水板施工期間的沉降量達(dá)220 mm，占地基處理期間發(fā)生總沉降量的1/3左右.強(qiáng)夯施工期間地基土的沉降較小，分析原因如下：①由于強(qiáng)夯施工影響了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的正常沉降；②受到填土的影響，減弱了強(qiáng)夯對(duì)吹填土的加固效果［9-10］.

（2）根據(jù)靜力觸探、靜載荷及壓實(shí)度試驗(yàn)，可知淺層土體變形模量為28.7 MPa，比貫入阻力為15.48 MPa，分別較處理前提高了200%左右；標(biāo)貫擊數(shù)由處理前的12擊提高至24擊，漲幅為100%.以上數(shù)據(jù)表明強(qiáng)夯施工提高了淺表砂層的密實(shí)度，有利于消除砂土液化.

（3）分析土工試驗(yàn)及靜力觸探試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，②1淤泥～淤泥質(zhì)土層（6～10 m）的含水率和孔隙比分別降低了約18.9%、18.3%，粘聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮模量均有大幅度提高，且④1淤泥質(zhì)土～粘土層（13～17 m）物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)也有一定程度的改善，但幅度略高于②1層，這說(shuō)明排水板排水形成的排水通道在沖擊荷載下對(duì)深層軟土的加固效果良好.

（4）井點(diǎn)降水聯(lián)合動(dòng)力排水固結(jié)法可以消除場(chǎng)地的工后沉降（小于30 cm）和砂土液化問(wèn)題，并且處理后路床頂面下的壓實(shí)度可以滿足規(guī)范要求，該方法加固效果好，對(duì)周邊環(huán)境影響小，適用于圍海造陸工程中對(duì)吹填土路基的加固處理.

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The experimental study on the well point precipitation combined dynam ic drainage consolidation method in the reclaimed soil roadbed reinforcement

XU Xin-xing1，2，LI Guan-ze1，3，ZHANG Ji-chao1
（1.School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Baiyun District Construction Engineering Quality Safety Surveillance of Guangzhou，Guangzhou 510605，China；3.Environmental Geology Exploration Institute of Jiangsu Province，Nanjing 211102，China）

The well point precipitation combined dynamic drainage consolidation method is used to solve the problem of reinforced hydraulic fill roadbed foundation in a coastal city reclamation project.On the basis of water pressure monitoring，surface settlement monitoring，laboratory soil test and static load test，the results show that well point precipitation combined dynamic drainage consolidation method not only meets the requirement of design and enhances the bearing strength of foundation，but solves the prediction of sand liquefaction.

reclaimed soil；subgrade；the well point precipitation；drainage consolidation；field test

TU 472

A

1671-4229（2016）01-0051-06

【責(zé)任編輯：孫向榮】

2015-09-11；

2015-12-22

徐新星（1981-），男，博士研究生.E-mail：13707508＠qq.com