軟土地基砂井排水堆載預壓處理方案設計

李衛(wèi)鵬

（水利部新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

我國沿海地區(qū)、內河兩岸地區(qū)和湖泊地區(qū)廣泛分布著軟弱黏性土，尤其是飽和淤泥和淤泥質黏土，此類軟土都具有以下特征：含水量高、壓縮性大、滲透性差、靈敏度高、強度低和厚度不均勻等特點[1]。此類軟土地基不經(jīng)過處理，在工后建筑物荷載作用下地基會發(fā)生較大沉降量，且沉降持續(xù)時間長，嚴重影響建筑物的正常使用，甚至會導致建筑物失穩(wěn)破壞。

預先施加荷載進行堆載預壓，同時輔以豎向排水系統(tǒng)，能夠排出飽和軟土地基中的水分，加速土體固結，具有使地基承載能力和穩(wěn)定性顯著提高等優(yōu)點，是一種行之有效的軟土地基加固處理方法。以往的工程實踐證明，這也是一種比較經(jīng)濟合理的方法[2-5]。本文結合新疆某平原水庫供水兼退水建筑物地基堆載預壓加固的實際工程，采用分層總和法等理論方法，對預壓荷載下天然地基的最終沉降量、預壓處理后砂井范圍土層的平均固結度、砂井底部下臥層的平均固結度和工后地基沉降量等進行了計算，可為今后類似地基處理提供借鑒。

1 工程與地質概況

新疆某平原水庫依托山前洪積扇前沿天然地形，通過東、西、南、北四面筑壩而成。壩頂高程689m，最大壩高18m，壩軸線長6.0km，總庫容2700萬m3。壩頂寬8.0m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2.0。水庫主要組成建筑物包括水庫大壩、入庫建筑物、供水兼退水建筑物等。該水庫位于洪積扇前沿的洼地內，庫區(qū)地形較平坦，地勢開闊，總地勢西高東低，地面高程672～688m，地下水位埋深2.5～11.8m。水庫庫盤內覆蓋層巨厚，巖性主要為第四系全新統(tǒng)～上更新統(tǒng)洪積含土角礫和低液限黏土，夾中-粉細砂和粉土層。含土角礫和低液限黏土在庫盤內分布不均一，其中含土角礫主要分布于西庫盤，低液限黏土廣泛分布于東庫盤。供水兼退水建筑物坐落于水庫東壩段低液限黏土地基上，黏土層巨厚，地勘資料顯示80m深鉆孔覆蓋層未揭穿。

2 預壓法原理

堆載預壓法遵從Terzaghi有效應力原理。飽和軟土地基在施加外部荷載后，土層中孔隙水通過滲流逐漸排出，使土中孔隙體積隨著時間推移逐漸減小，土層出現(xiàn)壓縮變形，地基承載能力逐漸得到提高。根據(jù)Terzaghi有效應力原理，在總應力保持不變的情況下，由于超靜孔隙水壓力的緩慢消散，作用在土體骨架上的有效應力逐漸提高，地基土的強度逐漸增長。經(jīng)過預壓或超載預壓，卸除預壓荷載后再造建筑物，可顯著減小工后建筑物的沉降量。根據(jù)有效應力原理，假設地基中某點的總應力為σ，有效應力為σ′，孔隙水壓力為μ，則三者關系為：

根據(jù)式（1）可以看出，預壓法處理軟土地基必須滿足外加載系統(tǒng)和排水系統(tǒng)兩個條件。外加載系統(tǒng)是軟弱地基土層在一定荷載作用下固結所對應的荷載大??；排水系統(tǒng)主要起到改變地基原有排水邊界條件、縮短排水距離、提高排水效率的作用。

3 排水系統(tǒng)設計[6]

根據(jù)JGJ79—2012《建筑地基處理技術規(guī)范》的表述，豎向排水系統(tǒng)主要包含：普通砂井、袋裝砂井、塑料排水板等。排水系統(tǒng)涉及到需要確定的內容主要包括深度、直徑、間距、平面布置形式、砂墊層材料及厚度等項目。

3.1 深度

砂井深度一般宜穿透受壓土層，以10~25m為宜。本工程由于地基低液限黏土層巨厚，80m深鉆孔覆蓋層未揭穿，因而本工程砂井采用未打穿砂井，砂井深度結合施工能力和施工效率確定為25m。

3.2 直徑

普通砂井直徑一般為300~500mm，本工程砂井直徑采用300mm。

3.3 平面布置

普通砂井的平面布置主要有等邊三角形和正方形兩種布置形式。不同的砂井平面布置形式所對應的等效直徑de與砂井間距L的關系為：

等邊三角形布置：de=1.05L；

正方形布置：de=1.13L。

本工程砂井平面布置采用正方形布置，砂井間距初擬為2000mm，則等效直徑de=1.13×2000=2260mm，最終間距根據(jù)砂井的井徑比計算確定。

3.4 砂井的井徑比

砂井的井徑比n=de/dw=7.53，普通砂井的井徑比n一般可按6~8選用，因而對于所選300mm的砂井而言，初擬的砂井間距2000mm是合理的。

4 預壓加載過程設計

根據(jù)工期要求，倒排施工計劃初擬預壓加載過程如下：本工程預壓荷載分3級施加，其中1級預壓荷載120kPa（根據(jù)地勘資料提供的地基承載能力確定），加載歷時60d，恒載預壓時間300d；2級預壓荷載120kPa，加載歷時60d，恒載預壓時間300d；3級預壓荷載160kPa，加載歷時60d，恒載預壓時間870d。預壓荷載施加須在砂井施工結束后進行，分級加載預壓過程設計如圖1。

圖1 分級加載預壓過程設計

5 固結度與工后沉降量計算

5.1 地基平均固結度

實際工程中，預壓荷載大多是采用分級施加的方式。分級加載下，工程中常用改進太沙基法和改進高木俊介法（JGJ79—2012《建筑地基處理技術規(guī)范》推薦方法）進行各級預壓荷載下的地基平均固結度計算。本工程計算選用改進高木俊介法，修正后的平均固結度計算公式為：

各級預壓荷載恒載預壓結束時刻，地基砂井處理層和砂井底部下臥層平均固結度計算結果如表1。

表1 各層地基平均固結度計算結果

5.2 工后沉降量計算

三級恒載預壓結束（即預壓結束）時刻，地基砂井處理層和砂井底部下臥層沉降量分別按照上述兩層在預壓荷載下天然地基的最終沉降量與各層在預壓結束時刻的平均固結度相乘確定；工后沉降量為預壓荷載下天然地基的最終沉降量減去預壓結束時刻地基砂井處理層沉降量和砂井底部下臥層沉降量之和。堆載預壓荷載下天然地基的最終豎向變形量按照式（6）進行計算：

式中sf為最終豎向變形量（mm）；e0i為第i層中點土自重應力所對應的孔隙比；e1i為第i層中點土自重應力與附加應力之和所對應的孔隙比；hi為第i層土層厚（mm）；ξ為經(jīng)驗系數(shù)，對于正常固結飽和黏性土地基可取ξ=1.1~1.14，荷載較大、地基土較軟弱時應取較大值。預壓結束時刻，地基砂井處理層沉降量和砂井底部下臥層沉降量及工后沉降量計算結果如表2。

表2 地基各層沉降量及工后沉降量計算結果

6 結語

（1）在工期允許的情況下，砂井排水堆載預壓法在水利工程建設中對飽和軟土地基處理是一種可行的方案。

（2）堆載預壓結束時刻，砂井處理層地基平均固結度達到了98.47%，地基固結基本完成；砂井底部下臥層平均固結度僅19.19%，工后沉降量主要發(fā)生在該層。

（3）砂井排水堆載預壓處理后，有效控制了地基的工后沉降量，工后沉降量僅202.76mm，相比未處理的天然地基沉降量減少了789.18mm，即本文的堆載預壓方案處理的地基變形量占總沉降量的79.56%，處理效果十分顯著。

[1]魏汝龍.軟粘土的強度與變形[M].北京：人民交通出版社，1987.

[2]本書編寫委員會.地基處理手冊（第二版）[K].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[3]梅國雄，徐鍇，宰金珉.真空預壓加固軟土地基變形機理的探討[J].巖土工程學報，2006，28（9）：1168-1172.

[4]黃建華，張建勛，陳國周.飽和軟土地基堆載預壓排水固結沉降特性研究[J].貴州大學學報，2011，28（6）：87-93.

[5]唐良明，劉丹，黃己偉.預壓法加固淤泥質粘土地基的技術分析[J].交通科技與經(jīng)濟，2015，17（2）：103-105.

[6]JGJ79—2012，建筑地基處理技術規(guī)范[S].