关于塑料排水板排水固结法在填海造地工程地基处理的应用
2015-07-13
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前言
填海造地是人类向海洋拓展生存和发展空间的一条主要途径，也是国际社会常用的解决土地瓶颈问题的重要手段。在我国沿海一些地区，人多地少，随着近几年国内社会经济快速发展，建设用地日趋紧张。同时国家实行土地宏观调控，严把建设用地，因此填海造地成了缓解土地资源紧缺的主要方式。目前，较良好的基岩、砂砾质等海岸线大多为港口及旅游用地等综合岸线；淤泥质等海岸线为人类向海洋索取土地资源的有效途径，即填海造地项目大多为滩涂区域。
莆田兴化港区涵江作业区后方临港产业园陆域形成一期工程位于兴化湾南岸湾顶，江口与三江口之间东侧的滩涂海域。本项目填海造地充分利用塑料排水板排水固结法进行大范围进行围堰软基及路基软基加固处理。根据实践，塑料排水板排水固结法在粘性软土地基处理中从技术上和经济上考虑，采用排水板是经济、有效、可行的方法之一。塑料排水板排水固结法以其施工简单易行、加固效果好和经济利益明显等特点在软基处理上得到较为广泛的应用。我国东南沿海和内陆广泛分布着海相、湖相以及河相沉积的软弱黏性土层，这种土的特点是含水量大、压缩性高、强度低、透水性差且不少情况埋藏深厚，因此塑料排水板排水固结法在填海造地类似地质工程中在软基处理中占有不可或缺的地位。
1 排水固结法地基处理的应用
港工建筑物地基处理常用方法有换填法、排水固结法、轻型真空井点法、强夯法、振冲法、水系深层水泥搅拌法等。
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的。
排水系统。设置排水系统主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的通路，缩短排水距离。该系统是由竖向排水井和水平排水垫层构成的。当软土层较薄，或土的渗透性较好而施工期较长时，可仅在地面铺设一定厚度的排水垫层，然后加载。土层中的孔隙水竖向流入垫层而排出。当工程上遇到深厚的、透水性很差的软季粘土层时，可在地基中设置砂井或塑料排水带等坚向排水井，地面连以排水砂垫层，构成排水系统。
加压系统。即是施加起固结作用的荷载。它使土中的孔隙水产生压差而渗流使士固结。
排水固结法适用于淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和粘性土地基，但不适用于泥炭土，对于渗透性较低的土层效果不佳，对饱和度较高的粘性土加固效果较好。其加固方法为对天然地基，或先在地基中设置砂井（袋装砂井或塑料排水带）等竖向排水体，通过加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发成沉降，同时强度逐步提高的方法，最后达到满足设计荷载的要求。目前在港工建筑物上采用的排水固结法有堆载预压法和真空预压法，适用于码头后方堆场、仓库地坪、利用软土人工造陆、人工岛、道路以及斜坡式护岸堤身下软基加固。
2 塑料排水板排水固结法
排水固结法施工工艺成熟，特别是采用插打塑料排水板形成竖向排水通道的做法得到广泛的应用，具有工程造价经济、软基加固效果明显的优点，其缺点在于预压加载时间较长，后期存在一定的工后沉降及不均匀沉降，对地震区土层液化问题无法解决。
塑料排水板排水固结法是塑料排水板用插板机插入软土地基，在上部预压荷载作用下，软土地基中空隙水由塑料排水板排到上部铺垫的砂层或水平塑料排水管中，由其他地方排出，加速软基固结。塑料排水板（带）是针对淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和粘性土及杂填土地基运用排水固结法进行软基处理的良好垂直通道，可大大缩短固结时间，以增加作用于土颗粒的有效应力来加速地基固结沉降，从而达到提高强度的目的。
塑料排水板加固软土地基的优点：质量容易控制，成本较低；材料有良好的强度和延展性，能适合地基变形能力而不影响排水性能；在施工过程中没有排水孔断面不均匀和受堵塞的情况，断面小，对地基扰动小；打设机械轻，可在超软弱地基上进行插板施工；施工快、工期短。对于深厚的软土地基采用排水固结法进行加固时，从技术上和经济上考虑，采用排水板是经济、有效、可行的方法。
3 塑料排水板在港工建筑物上的应用
塑料排水板在港工建筑物上的应用结合莆田兴化港区涵江作业区后方临港产业园陆域形成一期工程中相应的西南堤（围堤）进行举例。
莆田兴化港区涵江作业区后方临港产业园陆域形成一期工程位于莆田兴化港区涵江作业区，莆田兴化港区涵江作业区位于兴化湾南岸湾顶，江口与三江口之间东侧的滩涂海域。本工程占地面积约1649.9万m2，形成陆域面积约1512.9万m2，围堤总长7507m，隔堤总长15131m，规划道路路基长度9113m，区域填海造地工程成陆标高为+4.14m（85国家高程系统，下同）。整个陆域南北侧最大纵深约3313m，东西侧最大宽度约4607m，陆域形成总吹填土方8671.51万m3。
本工程地质根据地面调查及钻探揭露，拟建工程场地淤泥质地基土如下。淤泥（Q4m）：呈灰黑、灰、深灰色，揭示厚度5.9～13.4m，饱和，总体呈流塑状，含少量腐植物，局部混贝壳碎屑，有臭味，切面光滑，干强度及韧性较高。该层属高压缩性、低强度、固结速度慢的软弱土，工程地质性能差。细砂混淤泥（Q4m）：呈灰、深灰色，揭示厚度0.40～3.60m，饱和，松散。以细砂为主，含泥约10～30%，呈透镜体夹层状分布于淤泥之中。该层标贯击数一般为1.6～6.4击，平均为3.36击，工程地质性能较差。
本工程西南堤：建筑物结构安全等级为Ⅳ级，5级堤防。西南堤呈南北走向，泥面标高由陆侧向海侧倾斜，根据围堤内侧是否吹填疏浚物及所在的滩涂面标高等选取不同的断面形式，共分成九段，上部结构多斜坡式防波堤，软基多采用塑料排水板排水固结法进行处理，现选择其中一段进行分析。
西南堤桩号XK0+000～XK0+375范围，内坡侧为吹填疏浚物区；围堤采用带挡浪墙的斜坡式结构，挡浪墙顶高程为5.24m，按允许部分越浪考虑，挡浪墙内侧堤顶高程为4.64m，堤顶宽9m。围堤外侧边坡坡比为1：2，护面面层从上到下依次为300～400kg抛理块石二层厚1000mm，30～50kg块石垫层厚500mm、袋装碎石垫层厚300mm及400g/m2无纺土工布一层，围堤临海侧设置宽15m肩台，肩台顶标高3.14m，其护面层从上到下依次为大于300kg块石一层厚650mm、30～50kg块石垫层500mm、袋装碎石垫层 300mm及400g/m2无纺土工布一层，堤脚采用充填袋装砂护脚，袋装砂顶及外侧亦为块石护面。围堤内侧吹填疏浚物，内坡坡比为1：3，布置宽10m的压载平台，平台顶面及坡面铺设无纺土工布400g/m2一层，土工布上采用500mm袋装砂压载，压载位置位于坡脚及平台夹角处，夹角两侧各宽2m，要求在土工布铺设后及时进行内侧疏浚物吹填，防止土工布受日晒老化的影响。
围堤下存在约12m厚的淤泥软弱土层，基础采用铺填厚度不小于1m的中粗砂垫层+土工格栅一层（中粗砂垫层两侧为充填袋装砂护脚），及插打A型塑料排水板，间距1m，呈正三角形布置，要求穿透淤泥层至卵石层，堤身填料为吹（回）填海砂，利用堤身填料自重进行堆载预压。
现对西南堤（围堤）进行相关计算说明如下。
（1）地基稳定整体验算
按照《港口工程地基规范》（JTS147-1-2010）的要求，选取不利断面对各个堤段的整体稳定进行复核计算。
持久工况复核计算采用固结快剪指标，短暂工况复核计算采用直剪快剪指标（塑排处理区域考虑60%的固结度）。计算选取土体力学特性指标如下：
土体力学指标取用表
计算原理采用圆弧滑动简单条分法进行计算，计算工况包括短暂工况（主要是施工期）及持久工况。
计算西南堤断面整体滑动计算图例：
西南堤（XK0+200）使用期计算结果（1.13）
理论计算结果见下表：堤身整体稳定性计算结果（持久工况）
计算结果表明，围堤整体圆弧滑动稳定安全系数能满足规范整体圆弧滑动稳定要求。塑料排水板排水加固后地基土C值（粘聚力）与φ值（内摩察角）得到一定程度的提升，从而使西南堤满足其圆弧滑动的抗力分项系数最小值要求。
（2）地基沉降量理论计算
按照《港口工程地基规范》（JTS147-1-2010）相关规定，天然地基沉降量根据天然地基最终沉降量和对应时期固结度确定。土体沉降量采用分层总和法进行复核计算，固结度按照太沙基一维固结理论进行复核计算。
计算结果说明，采用塑料排水板排水固结法对土地固结速度较快，强度增长明显。
4 塑料排水板在港工建筑物上的适用性及局限性
塑料排水板（带）具有质量容易控制，成本较低；在施工过程中没有排水孔断面不均匀和受堵塞的情况；断面小，对地基扰动小；打设机械轻，可用于较软弱的地基等优点。目前国内塑料排水板排水固结法的施工工艺和技术随着该法的广泛使用而得到了发展，但在处理效果及施工工艺等方面存在一定的局限性：
（1）排水加固形成的地基承载力不高。在港工工程中，一般适用于对地基承载力要求不高的建筑物，如斜坡式护岸等，而对地基承载力要求较高的重力式码头结构较难达到其地基承载力要求。
（2）对使用土质有限制。塑料排水板排水固结法最适宜于淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和粘性土地基，但在处理泥炭土或地下水具有侵蚀性时不适合采用此法。同时，如地质有卵石等夹层时，需确定塑料排水板是否可以穿过，否则难于达到其预期效果。
（3）在沿海港口工程中受潮水水位的影响。塑料排水板即可陆上施工，也可通过船机水上作业，但水上施工每延米单价约为陆上单价的两至三倍，因此在沿海超简单塑料排水板在水上或陆上需赶潮水位进行施工，施工条件受到限制。
（4）是否穿插到底对承载力有很大的影响。塑料排水板是是排水固结法进行软基处理的良好垂直通道，其是否施打到软弱土层底部对地基处理影响较大。因此，为保证施工质量，塑料排水板施工要求监理全过程旁站。
5 结束语
随着近几年国内社会经济快速发展，建设用地日趋紧张。同时国家实行土地宏观调控，严把建设用地，因此填海造地成了缓解土地资源紧缺的主要方式。针对我国东南沿海和内陆广泛分布着海相、湖相以及河相沉积的软弱黏性土层采用塑料排水板排水固结法进行加固形成土地资源，塑料排水板具有适宜、经济及合理的等优势。因此，塑料排水板推广和应用将会产生巨大的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]编写委员会，龚晓南.地基处理手册（第三版）.中国建筑工业出版社，2008.
[2]港口工程地基规范[M].人民交通出版社，2010.
作者简介：修建辉（1984，12-）职称：助理工程师，专业：港口航道与海岸工程，工作单位：厦门长广设计咨询有限公司，职务：设计人员，研究方向：软土地基处理技术研究。
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