CN102296591A - 一种软土基的快速排水固结处理方法 - Google Patents

一种软土基的快速排水固结处理方法 Download PDF

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江宇渊
江宇阳
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Abstract

本发明公开了一种软土基的快速排水固结处理方法,其包括以下步骤:(1)将淤泥挖至交工高程以下2-3m,边挖边回填第一层砂至交工高程以下0.8-1.2m,插塑料排水板深度到达交工高程8m以下,覆盖第二砂垫层至交工高程以上0.5-1.5m,设置排水系统持续抽水;(2)回填到位12-18天后开始第一遍动载,能量500-650千焦,夯坑深度不超过1.5m;(3)5-8天后第二遍动载,能量700-900千焦,夯坑深度不超过1.5m,(4)5-8天后开始第三遍动载,能量1100-1500千焦,夯坑深度不超过1.5m;(5)5-8天后开始第四遍动载,能量1800-2200千焦,夯坑深度不超过1.5m;(6)5-8天后挖运多余填料、600千焦全场动载一遍,2次整平交工。本发明可降低造价75%,工期由原来的360天以上缩短为90天左右。

Description

一种软土基的快速排水固结处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种软土基的处理方法,具体地涉及一种软土基快速排水固结处理方法。
背景技术
[0002] 随着开发建设,软土基的处理,尤其是沿海地区的滩涂地基处理也就十分重要。软土是指在滨海、湖泊、谷地、河滩上沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度和承载力低、触变性大的软塑状态的细粒土,如淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土,以及其他高压缩性饱和粘土、粉土等。对于饱和淤泥质粘土或者淤泥粉土,由于其含水量高,粘粒含量多,粗颗粒含量少,渗透性差,目前,通常采用堆载预压、真空预压、降水预压、电渗等排水固结方法。但传统的方法例如堆载预压处理方法工期长,一般需360天,且成本高。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种软土基的快速排水固结处理方法,以解决现有技术中存在的上述问题。本发明的方法成本低且周期短。
[0004] 本发明提供的技术方案如下:
[0005] 一种软土基的快速排水固结处理方法,包括以下步骤:
[0006] (1)将淤泥挖至交工高程以下2-;¾,边挖边回填第一层砂垫层至交工高程以下
0. 8-1. 2m,插塑料排水板深度到达交工高程8m以下,然后继续覆盖第二层砂垫层至交工高程以上0. 5-1. 5m,设置排水系统持续抽水;
[0007] (2)回填到位12-18天后开始第一遍动载,能量500-650千焦,夯坑深度不超过
1. 5m ;
[0008] (3)5-8天后第二遍动载,能量700-900千焦,夯坑深度不超过1. 5m ;
[0009] (4) 5-8天后开始第三遍动载,能量1100-1500千焦,夯坑深度不超过1. 5m ;
[0010] (5)5-8天后开始第四遍动载,能量1800-2200千焦,夯坑深度不超过1. 5m ;
[0011] (6)5-8天后挖运多余填料、600千焦全场动载一遍2次整平交工。
[0012] 在本发明的较佳实施例中,所述的砂垫层含泥量不超过5%。
[0013] 在本发明的较佳实施例中,每遍动载的次数为5-8次。
[0014] 在本发明的较佳实施例中,排水板在第一层砂垫层以上的外露长度不小于0. an。
[0015] 在本发明的较佳实施例中,塑料排水板平面布置为正三角形,该正方形的边长
0. 8-1. 2mO
[0016] 在本发明的较佳实施例中,每遍动载的布点为正方形,正方形边长为5-8mX5_8m。
[0017] 在本发明的较佳实施例中,第一遍动载为5次,第二遍动载次数为6次,第三遍动载次数为7次,第四遍动载次数为8次。
[0018] 本发明的排水系统主要分为水平排水体和竖向排水体。水平排水体一般为排水砂垫层和设于其间的盲沟,其形式有碎石、中粗砂、塑料盲沟、集水井等以及排水垫层外的排水沟;竖向排水体(多用于较厚软土层)主要是用以缩短排水的距离,加快排水固结的速度,保证排水固结加固地基的效果。通过设置水平排水体系(挖设盲沟,在盲沟交汇处设集水井;地表铺设一定厚度的砂垫层),并设置竖向排水体系(插设塑料排水板),改善地基土的排水条件;土层在适量的静(覆盖)力、变化的动力荷载及其持续的后效力(动力残余力,即动力作用后,在软弱土层上的土体静态覆盖力下仍保持的残余力,该残余力对促进软弱土体的排水固结作用必不可少且十分重要)的超载作用下,形成孔隙水高压力梯度,在人工排水体系及动载下产生的裂纹排水系统下,多次发生孔隙水压力的升降,孔隙水不断排出,孔隙体积减小、有效应力增加,土的抗剪强度就不断提高,孔隙比也逐步减小,工后沉降大大降低,地基土成为超固结土,从而达到了软基加固的目的。
[0019] 本发明的特点是:
[0020] (1)动载前,保证地基软土顶面有一定的顶压层(作为静力荷载及施压垫层),处理的土层利用适量的静力荷载、冲击荷载及其持续的后效力作为加载系统。
[0021] (2)设置与加载系统相应的排水系统,保证软土层在复合力作用下产生的孔隙水压力能迅速消散,土体固结。这是软土强度得以提高的另一基本条件。
[0022] (3)保证冲击荷载的作用不对软黏土微结构破坏。软土结构遭受破坏后大幅降低软土层渗透性,超孔隙水在停夯后难以排出,极有可能夯成“橡皮土”导致工程失败。
[0023] (4)本发明通过信息化施工,进行施工质量的工程控制、处理平面或空间内的点控制(便于减小差异沉降)。
[0024] 需要指出的是,从某些方面看来,本发明的方法似乎是强夯法与静力排水固结法的结合。但无论从加固原理还是工艺流程来讲都有很大的不同。本发明方法既弥补了传统单纯的强夯法不适合加固饱和软黏土地基的不足,克服了其不能有效排除软土中高压孔隙水的缺点,加速了孔隙水的消散,改变了软黏土的渗透性;同时与静力排水固结法相比又简化了排水固结法中繁杂的加压系统,并在施工时间内大部分或基本完成主固结沉降,大大减小了次固结沉降,缩短了工期,有效提高地基承载力。
[0025] 本发明方法处理后的地基是一均勻地基,地基承载力可大大提高以满足包括道路在内的建、构筑物的承载力与变形要求,有效防止地基工后沉降及不均勻沉降造成的各种危害并充分发挥地基土自身的作用。如:①消除及减少不均勻沉降造成的附加应力及可能产生的裂纹;②使处理后的地基直接成为持力层,地基土与基础结构层始终保持接触,可直接承受地面荷载,并实际增大建筑物的结构承载面积,分担可观结构荷载;③保证地下埋设管线的正常与安全使用;④防止建筑物附近地坪、道路开裂及局部下陷;⑤消除松软地基对各类桩的负摩擦效应,特别是对于填土厚度、淤泥厚度变化较大的情况,更还可消除建、 构筑物使用前期0〜3年)因固结产生大小不一的下沉效应,将不均勻沉降减少到最低水平。
[0026] 本发明的思路是在淤泥表层进行填砂、设置水平排水通道,布设集水井;在淤泥层内插打塑料排水板,设置竖向排水通道;通过施加动荷载,使淤泥内产生超孔隙水压力,迫使淤泥内的水沿着竖向排水通道和横向排水通道快速排出,最终达到淤泥快速固结,提高了淤泥的承载力与强度,满足使用功能要求。
[0027] 本发明加固的可能的机理如下:
[0028] (1)、能量转换[0029] 夯锤冲击瞬间,冲击荷载一般是夯锤质量的十几倍至几百倍,夯击能量一部分消耗在地表面(扰动只涉及到一定深度)向四周辐射传播;另一部分消耗在夯锤气垫作用和土体摩擦过程中;余下部分以瞬间冲击力形式从夯坑底面往深部传播。冲击完成后,冲击能量以动力残余(即在软弱土层上的土体静态覆盖力下仍保持的残余力)的形式储存于土层中。特别需要指出的是,由于水的(近似)不可压缩性。冲击力通过排水体周围的水柱传递至软土深部,从而形成了有利的排水压力。
[0030] 动力残余力:由于夯击产生的巨大冲击能远远大于表层土的极限强度,使地表体土产生冲击破坏,并产生较大的瞬时沉降,由此引起锤底土形成土塞向下运动,并使锤底以下形成一定范围的压缩区,在土塞和周围土体的抵抗力的作用下,压缩区由于土体的结构性、各向异性、流变性及变形平衡过程等因素而产生的高水平附加力的残余力。
[0031] O)、部分水性发生变化
[0032] 强大瞬间冲击力的剪切波作用使土体弱结合水甚至部分强结合水变成自由水,并激发超孔隙水压力;夯击完成后,在软弱土层上保持残余应力。随击数增加,残余应力不断增大,影响深度与范围增加,土骨架受压缩,由于软黏土低渗透性,孔隙水无法短时间内排
出ο
[0033] (3)、土体排水固结
[0034] 静力排水固结法形成了有利于排水压力条件与边界条件,主要表现为:
[0035] (a)静力荷载、冲击荷载及其持续的后效力(残余应力)产生的高应力水平造成土体中孔隙水压力梯度大,形成了有利压力条件;
[0036] (b) 土体在强大夯击能作用下,土中出现很大的应力和冲击波,致使地表面形成竖向裂隙(分布在夯击点的周围),并在地基内部出现定向裂纹,形成树枝状排水网络,土的渗透系数增加,大大改善了土体排水边界条件;
[0037] (c)通过设置人工材料组成的有利的快速排水体系(水平和竖向排水体系)排水。
[0038] 在多遍的夯击过程中,软土在有利的排水压力条件与边界条件下,多次发生孔隙压力的升降,孔隙水不断快速排出,孔隙体积减小,加快地基土排水固结。
[0039] 、固化
[0040] 当孔隙水压力消散后,达到小于颗粒之间的横向压力时,地基内部裂隙闭合,土体的有效应力增加,土的抗剪强度不断提高,工后沉降大大降低,地基土成为超固结土,从而达到了软基加固的目的。
[0041] 本发明的关键点:淤泥在整个加固处理过程中不得受到扰动破坏,否则透水性就会大幅降低,研究表明,淤泥扰动土的渗透系数只有原状土 30〜50%,固结系数不足原状土的10 %,因此,通过设置塑料排水板缩短排水路径,先施加较小的动荷载,在不破坏土体结构的条件下小幅提高孔隙水压力,使浅层软土中的水能迅速排出,并迅速提高软土强度; 然后再增加动荷载的级别,再次提高孔隙水压力,再次排水固结;如此经过四次由小到大逐步施加动荷载,如动载分级为600、800、1200、2000kJ,使淤泥排水固结不断向深部发展,最终达到预期的加固效果。表面覆盖层作为动荷载的直接载体,在施工过程中会松动,需最后再用小能量如600kJ拍实。
[0042] 本发明工程造价降幅高达76%,施工工期由原来的360天缩短到90天,降幅高达 75%。
5具体实施方式
[0043] 一、工程概况
[0044] 招商局漳州开发区为填海造地区,区内分布多处填海时因围堰限制局部富集的淤泥区,淤泥厚10-20米,含水量60-80%,呈流塑状态,属低强度、高压缩性、高灵敏度土,物理力学强度极低。因场地建设需要,招商局漳州开发区有限公司拟对一区姊坑(淤泥富集区)进行软基处理,面积约6. 4万平方米,分A、B、C三区,A区为淤泥出露区,淤泥厚度 15. 2〜18. 4m ;B区为填土覆盖区,覆盖层厚度大于3m,淤泥厚度12. 0〜14. &1。C区也为填土覆盖区,拟建道路,覆盖层厚度大于6m,淤泥厚度3. 9〜12m。
[0045] 作为开发区内道路和厂区储备用地,建构筑物基础拟由以后入区单位另行二次处理,本次软基处理的目标是提供厂区建设工作面和道路路基,所以建设单位提出的处理要求是:A区(淤泥出露区,拟建厂区)地基土承载力特征值不小于60kPa,覆盖层厚度不小于 2. 5m,淤泥处理深度不小于8m ;B区(填土覆盖区,拟建厂区)地基土承载力特征值不小于 60kPa ;C区(填土覆盖区,拟建道路)地基土承载力特征值不小于120kPa。B区为场地柱锤强夯置换区,覆盖层厚度大于:3m,淤泥厚度12. 0-14. 2m,C区为道路柱锤强夯置换区,覆盖层厚度大于6m,淤泥厚度3. 9-12m。本发明主要介绍对A区的处理方法。
[0046] 1)、第一层砂垫层厚度:厚度不小于1. 5m且高程不低于交工高程以下1. Om,砂垫层材料要求:含泥量不超过5% ;堆载预压地基处理A区为已回填区域,回填土中含有部分石块对塑料排水板打设有较大影响,施工采用增大打板设备击振力,并开挖换填一定厚度素填土层,预成孔等施工措施。
[0047] 2)、打设塑料排水板前,先铺设1. 5m厚度砂垫层,塑料排水板施打深度大于8m,即末端高程低于-1.9〜-0. 5m,正三角形布置,边长1.0m,B型(宽:100mm,厚:3. 5〜4. 5mm), 上端留出长度大于0. 2m,堆砂3. 5m,含泥量小于8%,再进行堆载预压;
[0048] a、打设塑料排水板采用套管式打设法;
[0049] b、塑料排水板打设范围及打设间距符合设计要求,板位间距偏差不大于士30mm, 打设机定位时,管靴与板位标记的偏差控制在士70mm范围内;
[0050] C、打设过程中控制套管垂直度,其偏差不大于士 1. 5% ;
[0051] d、按设计要求严格控制塑料排水板的打设标高,无出现浅向偏差;当发现地质情况变化,无法按设计要求打设时,及时与现场监理工程师了联系并征得其同意后变更打设标高;
[0052] e、打设塑料排水板时未出现扭结、断裂和撕破滤膜等现象;
[0053] f、打设时塑料排水板回带长度未超过500mm,且回带的根数未超过打设总根数的 5% ;
[0054] g、剪断塑料排水板时,砂垫层以上的外露长度大于200mm ;
[0055] h、塑料排水板打设过程中逐板进行自检,并按要求作好施工记录,当检查每根板的施工情况符合验收标准时才移机,打设下一根;
[0056] i、采用滤膜内板芯对插搭接的连接方式时,搭接长度不小于200mm ;
[0057] j、塑料排水板打设验收合格后,及时用砂垫层砂料仔细填满打设时在板周围形成的孔洞,并将塑料排水板埋置于砂垫层中。[0058] 3)、第二层砂垫层厚度:厚度不小于2. Om且高程不低于交工高程以上1.0m;同时按设计要求设置集水井及周边的排水沟,及时将集水井中水抽排至加固区以外,堆载料数量应考虑现场实际沉降和预估沉降差异的影响。③堆砂至交工高程以上1. Om(静置15天) 抽水,设置排水系统持续抽水。在于对施工了排水板,缩短了排水路径的淤泥施加动力荷载,促使淤泥内水分沿竖向排水板排到表面砂层,再通过砂垫层横向排水通道汇集到集水坑,用水泵抽排。
[0059] 4)、第一遍动载:能量600kJ,动载点正方形布置,间距6 X 6m,频率5次,夯坑深度不得超过1. 5m;
[0060] 5)、第二遍动载:能量800kJ,动载点正方形布置,间距6X6m,插在四个第一遍动载点中心,频率6次,夯坑深度不得超过1. 5m,与第一遍动载时间间歇不少于5天;
[0061] 6)、第三遍动载:能量1200kJ,动载点正方形布置,间距6 X 6m,插在二个第一遍动载点和二个第二遍动载点中心,频率7次,夯坑深度不得超过1. 5m,与第二遍动载施加时间间歇不少于5天;
[0062] 7)、第四遍动载:能量2000kJ,动载点正方形布置,间距6X6m,插在二个第二遍动载点和二个第一遍动载点中心,频率8次,夯坑深度不得超过1. 5m,与第三遍动载施加时间间歇不少于5天。
[0063] 8)、全场动载:能量600kJ—遍2次。与第四遍动载施加时间间歇不少于5天。
[0064] 具体地:A区采用超孔隙水压力速效排水固结法:铺设路基板将淤泥挖至交工高程以下2. 5m,边挖边回填第一层砂至交工高程以下1. 0m,插A型塑料排水板深度到达交工高程以下8m(平面布置正三角形边长1. Om),覆盖砂垫层至交工高程以上1. 0m,设置排水系统持续抽水,回填到位15天后开始第一遍动载(能量600千焦,布点正方形间距6mX 6m,频率5次,夯坑深度不超过1. 5m),7天后第二遍动载(能量800千焦,布点正方形间距6mX 6m, 频率6次,夯坑深度不超过1. 5m),再7天后开始第三遍动载(能量1200千焦,布点正方形间距6mX 6m,频率7次,夯坑深度不超过1. 5m),再7天后开始第四遍动载(能量2000千焦, 布点正方形间距6mX6m,频率8次,夯坑深度不超过1. 5m),挖运多余填料、600千焦全场动载一遍2次整平交工。
[0065] 1.施工监测:地基处理过程中对地表沉降及孔隙水压力进行监测,布置了四组孔隙水压力、沉降板。堆载预压施工过程中施工参数可根据监测的水平位移及竖向位移的控制指标进行调整。
[0066] 2.检测:经地基处理后的各区承载力特征值由载荷试验确定(承压板面积为小于 0. 5m2)覆盖层厚度采用面波方法检测或钻探,淤泥处理效果采用十字板剪切试验、土工试验进行评估。竖向测试的项目其深度直至加固深度要求的7m,检验加固效果,夯前夯后孔平面上相距0. 5〜1. Om0
[0067] 3、动载参数
[0068] 动载锤:动载锤直径2m,动载锤选用组合式高效减震锤;
[0069] 动载点布置:每遍动载点间距6mX 6m,最后形成3mX 3m正方形布置;
[0070] 间隔时间:每遍动载之间间隔5天;
[0071] 全场动载能量:600kJ,锤印相切,一遍二次。
[0072] 本发明所要处理的区域,按传统的方案(原方案)为挖淤泥、铺土工布和砂垫层、打塑料排水板、堆载、卸载、强夯,主要材料有:挖运淤泥:11万m3,山皮石9万m3,海砂21 万m3,塑料排水板141万m,动载机械340台班。按本发明的方法(新方案),主要材料有: 挖运淤泥:3. 7万m3,海砂5万m3,塑料排水板22万m,砂碎石6千m3,强夯机械490台班。 新方案节省:挖运淤泥:7. 7万m3,山皮石9万m3,海砂16万m3,塑料排水板119万m。节约材料的措施关键在于采用新的超孔隙水压力速效排水固结法的施工方案。 [0073] 本发明处理前后淤泥层指标对比情况
[0074]
Figure CN102296591AD00081
[0075] 地基处理后7m范围内地基土瑞雷波波速比处理前平均提高117%,处理前后地基土的物理力学发生了明显的变化。
[0076] 新旧方案主要指标对照表
[0077]
Figure CN102296591AD00082
[0078]
Figure CN102296591AD00091
[0079] 环境效益:
[0080] 采用超孔隙水压力速效排水固结法大幅降低了土石方特别是淤泥挖运、塑料排水板的使用量,资源消耗量小,对附近道路、场地及海域的污染大幅降低,排除了二次污染隐患,又为低碳施工提供借鉴,环境效益十分显著。工程造价由原方案的1700万元降到393 万元,降幅高达76 %,施工工期由原来的360天缩短到90天,降幅高达75 %,淤泥挖运量大幅减少。
[0081] 上述仅为本发明的一个具体实施例,但本发明的设计构思并不局限于此,凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动,均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1. 一种软土基的快速排水固结处理方法,包括以下步骤:(1)将淤泥挖至交工高程以下2-;¾,边挖边回填第一层砂垫层至交工高程以下 0. 8-1. 2m,插塑料排水板深度到达交工高程8m以下,然后继续覆盖第二层砂垫层至交工高程以上0. 5-1. 5m,设置排水系统持续抽水;(2)回填到位12-18天后开始第一遍动载,能量500-650千焦,夯坑深度不超过1. 5m ;(3)5-8天后第二遍动载,能量700-900千焦,夯坑深度不超过1. 5m ;(4)5-8天后开始第三遍动载,能量1100-1500千焦,夯坑深度不超过1. 5m ;(5)5-8天后开始第四遍动载,能量1800-2200千焦,夯坑深度不超过1. 5m ;(6)5-8天后挖运多余填料、600千焦全场动载一遍2次整平交工。
2.如权利要求1所述的一种软土基的快速排水固结处理方法,其特征在于:所述的砂垫层含泥量不超过5%。
3.如权利要求1所述的一种软土基的快速排水固结处理方法,其特征在于:每遍动载的次数为5-8次。
4.如权利要求1所述的一种软土基的快速排水固结处理方法,其特征在于:排水板在第一层砂垫层以上的外露长度不小于0. an。
5.如权利要求1所述的一种软土基的快速排水固结处理方法,其特征在于:塑料排水板平面布置为正三角形,该正方形的边长0.8-1. ail。
6.如权利要求1所述的一种软土基的快速排水固结处理方法,其特征在于:每遍动载的布点为正方形,正方形边长为5-8mX5-8m。
7.如权利要求3所述的一种软土基的快速排水固结处理方法,其特征在于:第一遍动载为5次,第二遍动载次数为6次,第三遍动载次数为7次,第四遍动载次数为8次。
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