袋装砂井在软基处理中的应用

袋装砂井在软基处理中的应用
徐广富
【摘要】排水固结法软基处理
【关键词】袋装砂井软基处理应用
1 工程概况
角江路一期道路工程位于龙海市角美镇境内，城市综合性Ⅰ级主干道，设计道路宽50m，路面设计高程为4.50～5.45m。场地原始地貌为海湾滩涂，现陆地地貌地面高程为2.38～4.97m，拟建道路沿线地表水体较为发育，场区分布着物理力学性能较差的淤泥，淤泥层厚3.50～14.90m，工程性能极差，为Ⅱ类建设场地。
2 工程地质条件
○1耕植土（QΡd）。
②有机质高液限粘土（Q4m）：深灰色，流塑状，由粘、粉粒组成，含腐植质及少量砂粒，略具臭味，摇震反应慢，干强度高，韧性低，切面光滑。为高压缩性欠固结土，力学强度低。深度分布在地表下1～2米开始，厚度达到1～16米。
③微含细粒土中砂（Q4al-pl）：力学强度一般。
④中液限粘质土（Q4al-pl）：力学强度较好。
⑤残积中液限粘质土（Qel）：天然状态下力学强度较高，但该层属特殊性土，具有泡水易软化、崩解的不良特性。
地下水主要赋存和运移于微含细粒土中砂③的孔隙及中液限粘质土④的孔隙、残积中液限粘质土⑤的孔隙、网状裂隙以及下部花岗岩风化带的裂隙中。场地地下水具微承压性。除微含细粒土中砂③的渗透性较好外，其余地层属弱透水及相对隔水层，渗透性及富水性均较差，但由于微含细粒土中砂③分布有限，大部分呈透镜体状分布，连通性较差，因此其富水性也较差。总体来说地下水量不大。最高地下水位按路面设计标高下1m考虑。
3 方案比选
3.1 沉降分析
沉降分析：
该项目道路填土高度分布在2～4米。
该项目的软基埋深浅（地表下0.5～3.3米）、厚（3.5～14.9米）。淤泥层的几个主要指标为：重度r=16kN/m3，天然含水量w=76%，液、塑限分别为51%、30%，水平、竖直固结系数0.38（100KPa）、0.52（200KPa），渗透系数5×10-6 ，容许承载力[σo] =40KPa。
根据计算，淤泥厚度超过3.5m时的沉降就不满足规范要求，最大沉降量可达90～100cm。需进行地基处理。
3.2 软基处理方案的比较
3.2.1 排水固结法
排水固结法的原理是改善地基的排水条件和施加预压荷载，加速地基的固结和强度增长，提高地基的稳定性并使基础沉降提前完成。地基孔隙中的水在荷载作用下慢慢排出，空隙体积慢慢减小，地基发生固结变形；同时，随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐增加，地基土的强度逐渐增长。在不破坏土体稳定的前提下，可以通过增大荷载和减小排水通道的距离的方式来加速固化。
排水固结法分为：砂垫层预压、堆载预压、真空预压以及真空联合堆载预压法。适宜于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。但是，该方法需要较长的预压时间。另外由于真空预压的条件较难控制，所以，一般较多采用堆载预压的处理方式。
3.2.2 水泥深层搅拌桩
水泥深层搅拌桩是一种较好的软基处理和加固的方法。通过机械拌合，将水泥添加到土体中，经过物理、化学作用，改善土体的性质，提高地基强度和增大变形模量。该方法加固效果明显、速度快，但造价较高。
3.2.3方案的经济比较
通过经济比较，排水固结法约为水泥土搅拌桩造价的1/2.
3.2.4社会效率比较
水泥土搅拌桩一般施工后一个月时间既可以开展大规模的施工作业。排水固结法至少需要半年至一年的预压期。水泥搅拌桩至少可以提前半年的时间开放交通，有较好的社会效益。
4 综合设计方案
由于项目的工期容许，综合比较上述方案，为节省投资，本项目软土地基处理采用袋装砂井+堆载预压+临时路面软基处理。为控制台后沉降，避免台后跳车，对于台后20米和台前6米范围内采用水泥搅拌桩处理。待路基整体沉降满足设计、规范要求后再实施市政管道以及路面的施工。
5 袋装砂井软基处理设计
排水固结设计的目的主要是解决沉降问题和稳定问题。沉降是要在加载期大部分或者是基本完成，使项目在使用期不致因沉降和沉降差产生破坏。稳定是加速地基土的抗剪强度的增长，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。排水系统由水平排水层（砂垫层50cm）和竖向排水体（袋装砂井）组成；固结时间与排水距离的平方成反比，减少排水距离会有效的降低排水固结的时间。加压系统则是堆载填土。
5.1 技术设计
袋装砂井：
直径为7cm，采用正三角形布置，桩中间距为150cm，桩长为穿透有机质高液限粘土层100cm。
砂带选用聚丙烯或其他适用的编制料织成，抗拉强度需保证承受砂袋自重，装砂后砂袋的渗透系数应不小于砂袋本身的渗透系数。中、粗砂中大于0.6mm颗粒的含量宜占总重点50%以上，含泥量小于3%，渗透系数大于5×10-2mm/s，砂袋渗透系数应不小于砂渗透系数。
砂袋入井，用桩架吊起垂直起吊，以防砂袋发生扭结、缩颈、断裂、磨损，并防止带出或损坏砂袋。砂袋留出孔口长度应保证伸入砂垫层至少30cm，不得卧倒。砂井在打设中孔位偏差控制在15cm以内，孔位必须保持垂直状态，垂直度允许偏差在1.5%以内，打设深度必须穿透淤泥层并进入下层深度不小于1m。井径不小于设计规定，灌砂率允许偏差小于-5%以内。
水平垫层：砂垫层厚度50cm，宽出路基两侧各100cm，并保证排水出路的通畅。

加载控制：
填土高度在3m以下：可以在2个月内填筑完成。
填土高度在3～6m之间：在第1月初～第2月底，填筑3m，停载一个月；在第4月初～第7月底，填筑完毕剩余高度。
填土高度在6～8m之间：在第1月初～第2月底，填筑3m，停载一个月；在第4月初～第7月底，填筑3m，停载一个月；在第9月初～第11月底，填筑完毕剩余高度。
5.2 稳定分析
经过计算，预压过程中在各级荷载作用下地基可以保证稳定性。
5.2 袋装砂井软基处理施工控制标准
5.2.1 填土期控制标准：
① 地面沉降速率≤1.0cm/d；
② 道路坡脚水平位移速率≤0.5cm/d；
③大于初始值的累计孔压增量（Σ⊿u）与累计荷载增量（Σ⊿p）之比≤0.6；
④ 预压部分应满足路基的设计压实度，超载预压部分压实度≥96%。
注：填筑速率以水平位移控制为主。
5.2.2 卸载标准：
① 路面修筑前地基处理后的软基固结度≥90%；
② 累计月沉降量≤0.8cm/d。
6 施工期软基监测
设计路堤填筑期大致为6个月，恒载期为6～8个月，设计观测期为2年。
6.1 观测内容
沉降观测（地表沉降），目的是了解沉降速率，得到沉降、时程曲线，推算最终沉降量，计算地基平均压缩度，分析参与变形，并确定各工序开始时间；
深层沉降观测（土体内不同层位的压缩变形），目的是实测土体内不同土层的压缩量，控制加荷速率，分析、对比土体内各层的压缩比，为工后沉降计算提供依据；
土体空隙水压力，目的是利用孔压～荷载关系，控制加荷速率，了解荷载的传递规律，推算固结度；
深层水平位移观测（土体内不同层位的水平位移），目的是实测位移速率，控制加荷速率，分析路堤的稳定性。
6.2 观测设计
观测断面间距为80～180米。断面布设沉降板、深层分析仪、空隙水压力计、测斜仪等。其中，沉降板安装在左右路肩和路中；深层分层沉降仪布置在路幅中部，孔深贯穿淤泥及淤泥质土层，磁环间距视孔深而定；空隙水压力计布置在路幅中部；测斜仪布置在断面的左或者右侧的路趾部。
6.3 观测结果
6.3.1 加固前后土的物理力学性质汇总（袋装砂井处理）
项目含水量w(%) 孔隙比e 湿密度
g/cm3 液性指数IL 直剪强度 Es(MPa)
C(kPa) Ф(°)
有机质高液限粘性土
加固前均值 72.1 1.95 1.6 9.0 1.0
有机质高液限粘性土
加固后均值 56.5 1.54 1.67 1.24 11.7 1.27 2.2
由此可见，经过地基处理加固后，地基中软弱层的力学性质有了一定的改善，地基的承载能力有了一定的提高。
6.3.2加固前后软弱土层的平均比贯入阻力（ps）比较
对于有机质高液限粘性土：加固后的ps是加固前的1.16～1.75倍。就本项目而言，经袋装砂井+堆载+临时路面方式进行软基处理后，地基中软弱层的力学性质有了一定的改善，地基的承载能力有了一定的提高。
6.3.3 地基平均压缩度
根据公式：地基的压缩度
计算出经袋装砂井+堆载+临时路面处理的道路段，观测断面处地基的平均压缩度为87.0％～97.4％，可见地基取得了良好的加固效果。
6.3.4 孔压固结度
本项目路基软弱土层（有机质高液限粘性土）经过袋装砂井+堆载+临时路面处理后，除K0+740、K0+980断面因测点被过早破坏无法进行计算外，其余两个区段各测点孔压固结度值均在83.9%以上，平均固结度≥90%，满足设计要求。
7 结束语
本项目共计采用了三种软基处理方式，一是在桥台后采用水泥搅拌桩加固处理的方式；二是在普通路段采用袋装砂井+堆载+临时路面的处理方式；三是在局部区段采用了抛石挤淤的处理方式。在检测期结束时，前两种方式处理的区段，均取得了良好的处理效果，固结度均在83.9%以上；后一种方式，由于处理的区段的软基埋深大、层厚大，软基处理的固结度在72.9%～96.0%，平均 <90%，处理效果不佳。
袋装砂井对环境的污染少，造价节省，在时间允许、场地条件具备的前提下，是一种不错的软基处理方式。