陳盛原，葉華洋，張偉鋒*，韋 未

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣州 510642；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

珠三角地區(qū)是中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及參與經(jīng)濟(jì)全球化的主體區(qū)域，同時(shí)也是全球有影響力的制造業(yè)和服務(wù)業(yè)基地。近年來珠三角地區(qū)快速發(fā)展，用地需求激增，而該地區(qū)多數(shù)屬于軟土地基，因此，對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理，是平衡地區(qū)發(fā)展與土地使用矛盾的重要手段[1-2]。

珠三角地區(qū)的海陸交互相沉積層軟土具有高壓縮性、含水率高、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)[3-7]，常常不能滿足上部荷載結(jié)構(gòu)對(duì)地基的要求，軟基問題處理不好會(huì)對(duì)上部建(構(gòu))筑物帶來極大的安全隱患。

軟基處理方法有排水固結(jié)法、樁基法、加筋法等。近年來，研究學(xué)者在軟基處理方面進(jìn)行了大量研究。陳明曉等[8]研究采用帶排水板功能的半剛性樁來加固軟基，該處理方法既能達(dá)到排水固結(jié)的作用，同時(shí)也有效發(fā)揮樁間土的承載力；蔡銳等[9]運(yùn)用塑料排水板來處理海域公路軟基時(shí)取得了良好的固結(jié)效果；韋應(yīng)彬等[10]采用水泥土攪拌樁處理珠三角地區(qū)一軟基時(shí)，從地表沉降、孔隙水壓力、深層水平位移及分層沉降四個(gè)方面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明水泥土攪拌樁能較好地解決了軟基的不利影響；林文霞[11]以真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理閩東南特殊濱海港地質(zhì)區(qū)市政道路深厚軟土路堤，有效解決此類地質(zhì)工程中高含水量，力學(xué)性質(zhì)極差的難點(diǎn)，具有較高的經(jīng)濟(jì)性；趙振平[12]認(rèn)為真空聯(lián)合堆載預(yù)壓是一種加固軟土地基的有效方法，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓對(duì)沉降的影響深度達(dá)到15 m左右，對(duì)孔隙水壓力的影響深度超過18 m，孔隙水壓力與沉降影響深度之間并不存在必然的聯(lián)系；朱森林[13]為解決潮汕機(jī)場大面積深厚軟土地基處理的問題，系統(tǒng)地研究了以塑料排水板和砂井作為豎向排水通道的堆載預(yù)壓技術(shù)并應(yīng)用于該工程中。

常用的堆載排水固結(jié)法能有效地固結(jié)軟土，從而減少工后沉降；而樁基處理法能快速提高軟基的承載能力，工期較短，但也伴隨著一些問題：堆載排水固結(jié)法在處理厚層淤泥、有機(jī)質(zhì)土及飽和黏土?xí)r常常需要消耗較長時(shí)間，不利于工期的控制；由于軟土含水率較高，通過樁基處理法來處理軟土?xí)r會(huì)影響樁體強(qiáng)度的提升速度以及樁間土的固結(jié)效率，有時(shí)會(huì)依賴于提升水泥的摻量來解決此類問題，這會(huì)導(dǎo)致施工成本的增加。

針對(duì)上述問題，依靠中山某變電站的軟基處理工程，擬進(jìn)行水泥攪拌樁聯(lián)合堆載固結(jié)法不同方式處理軟土地基的試驗(yàn)研究，探究“先堆載后成樁”及“先成樁后堆載”兩種工藝處理的工程特性，尋求工藝的改善及工期、成本節(jié)約的途徑，明晰各自的優(yōu)異情況及適用的工況條件，以期為實(shí)際工程提供服務(wù)。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)簡介

1.1 工程概況

擬建的某200 kV變電站工程位于中山市民眾鎮(zhèn)浪網(wǎng)第一工業(yè)區(qū)附近，地貌單元屬珠江三角洲濱海平原，場區(qū)附近廣泛分布著大面積魚塘。試驗(yàn)場地各土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)場地土層主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Main physical and mechanical indexes of soil in the test site

1.2 試驗(yàn)方案及監(jiān)測點(diǎn)布置

根據(jù)劃定的現(xiàn)場試驗(yàn)場地(堆載區(qū)形狀大致呈矩形，長約9.5 m，寬約6.5 m)，先將場地進(jìn)行平整，然后在場區(qū)鋪設(shè)一層土工布進(jìn)行簡單處理，以滿足初步施工的荷載要求。研究路線如圖1所示。

圖1 研究路線Fig.1 Research route

為研究兩種工藝對(duì)軟基變形的發(fā)展情況和加固效果，在試驗(yàn)現(xiàn)場設(shè)置了監(jiān)測系統(tǒng)，包括地表沉降、孔隙水壓力和堆載邊界深層水平位移監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每3 d一次，但根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度情況會(huì)有一定調(diào)整，在重要的工序節(jié)點(diǎn)會(huì)適當(dāng)頻繁?，F(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測為期7個(gè)月，現(xiàn)場試驗(yàn)所用到的儀器設(shè)備如表2所示。

表2 試驗(yàn)儀器設(shè)備Table 2 Testing equipment

分別在DZ區(qū)和ZD區(qū)的堆載區(qū)中心、邊界及外側(cè)(據(jù)堆載邊界2 m處)安裝沉降標(biāo)，各區(qū)沉降標(biāo)的布置如圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)場地的地質(zhì)情況，每個(gè)測點(diǎn)埋設(shè)兩個(gè)孔隙水壓力計(jì)，分別位于地表以下4、8 m處，以監(jiān)測兩個(gè)區(qū)不同深度的孔隙水壓力變化情況。水平位移的監(jiān)測點(diǎn)布置于各堆載區(qū)的邊界處，以探究兩種工藝對(duì)邊界的水平位移影響程度。

測斜管的安裝采用鉆孔法埋設(shè)，并用黏土球固定，安裝深度為：DZ區(qū)18.5 m，ZD區(qū)18 m，測斜管底部埋入地基加固期間不變形的土層中3 m以上。

預(yù)埋好監(jiān)測器材后，在擬插打塑料排水板區(qū)域鋪設(shè)0.4 m厚的砂墊層，并采用液壓式插板機(jī)施工，塑料排水板(寬100 mm，厚4 mm，B型標(biāo)準(zhǔn)塑料板)打設(shè)深度為16 m，間距為1.0～1.2 m，梅花形布置；然后先對(duì)DZ區(qū)堆載2.5 m高；當(dāng)DZ區(qū)沉降逐漸穩(wěn)定下來后，對(duì)DZ區(qū)和ZD區(qū)同時(shí)打水泥攪拌樁(水泥摻量18%，水泥漿液水灰比0.65)，樁徑為0.5 m，樁長15 m，樁距1 m，；在樁后7 d對(duì)ZD區(qū)堆載2.5 m高?，F(xiàn)場試驗(yàn)平面布置示意圖和橫截面如圖2、圖3所示。

D-C1、D-C2、D-C3、Z-C1、Z-C2、Z-C3為沉降標(biāo)測點(diǎn)；D-X1、Z-X1為測斜管測點(diǎn)；D-S1、Z-S1為孔隙水壓力計(jì)測點(diǎn)；樁1～4為試樁點(diǎn)圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)平面布置示意圖Fig.2 Layout diagram of field test

圖3 現(xiàn)場試驗(yàn)布置橫截面Fig.3 Cross-sectional view of field test arrangement

2 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地表沉降分析

地表沉降是反映地基處理效果和固結(jié)情況的重要指標(biāo)[14]。圖4為現(xiàn)場沉降監(jiān)測圖，各區(qū)地表沉降曲線如圖5所示。

圖4 沉降監(jiān)測Fig.4 Settlement monitoring

從圖5中可以看出，兩個(gè)區(qū)在插入排水板后，地表沉降量相對(duì)較小，說明在土體自重的作用下排水板能夠起到排水固結(jié)的作用，但僅依靠塑料排水板來處理軟基，效果不太理想。

圖5 各區(qū)地表沉降曲線Fig.5 Surface subsidence curve by region

在DZ區(qū)，堆載對(duì)D-C1的影響最大，堆載后D-C1沉降速率迅速增大，而堆載對(duì)D-C2、D-C3兩者的沉降影響不及D-C1；在44 d成樁后，D-C1、D-C2和D-C3的沉降速率都相對(duì)較小，主要原因是前期堆載預(yù)壓使孔隙水消散，土體固結(jié)程度較高，土體強(qiáng)度已經(jīng)得到較大增長，而成樁時(shí)所附加的荷載影響相對(duì)前期的堆載作用小得多，因此，堆載后再成樁對(duì)土體再固結(jié)的作用有限。

在ZD區(qū)，由于先打樁的原因，樁體發(fā)揮了一定的承載作用，削弱了堆載對(duì)周圍環(huán)境的影響，因此在成樁后堆載，除了位于堆載區(qū)中心的Z-C1產(chǎn)生了瞬時(shí)大沉降外，Z-C2和Z-C3的沉降速率相對(duì)較小。堆載后Z-C2和Z-C3的沉降曲線還出現(xiàn)了一小段時(shí)間的“平臺(tái)現(xiàn)象”，說明樁體延滯了上部荷載對(duì)周圍環(huán)境的影響作用，“先成樁后堆載”工藝有利于對(duì)周圍環(huán)境的保護(hù)。

總體來看，在相同的荷載條件(堆載2.5 m高)下，“先堆載后成樁”工藝的沉降量相對(duì)更大，其最大沉降量是“先成樁后堆載”工藝的1.77倍，固結(jié)效果更好；而“先成樁后堆載”工藝達(dá)到沉降穩(wěn)定所用時(shí)間相對(duì)較短，且對(duì)堆載邊界及外側(cè)的影響較小。

2.2 孔隙水壓力分析

孔隙水壓力是了解地基土體固結(jié)狀態(tài)最直接的手段，其變化規(guī)律也是檢驗(yàn)土體固結(jié)機(jī)理和強(qiáng)度增長的重要手段[15]。兩個(gè)區(qū)不同深度的孔隙水壓力變化曲線如圖6所示。

兩個(gè)區(qū)9 d同時(shí)插打排水板；DZ區(qū)：20 d堆載，44 d成樁；ZD區(qū)：41 d成樁，48 d堆載圖6 孔隙水壓力變化曲線Fig.6 Pore water pressure curve

對(duì)比分析兩個(gè)區(qū)不同深度的孔隙水壓力變化曲線(圖6)，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)區(qū)、同一測點(diǎn)不同深度的孔隙水壓力變化曲線走勢(shì)相似；ZD區(qū)的孔隙水壓力變化幅度比DZ區(qū)的稍小；DZ區(qū)由于打樁前土體已經(jīng)過一定程度的堆載預(yù)壓固結(jié)，土體中的孔隙水消散，因此打樁階段的孔隙水壓力變化程度不如ZD區(qū)明顯；受樁體支撐力及其對(duì)樁周土體的固結(jié)作用，ZD區(qū)在樁后堆載時(shí)孔隙水壓力的變化不如DZ區(qū)堆載時(shí)明顯；從后期孔隙水的消散速率可以看出，ZD區(qū)的孔隙水消散速率明顯要比DZ區(qū)的慢，說明ZD區(qū)的樁體已經(jīng)對(duì)后面施加的上部荷載產(chǎn)生了一定的抵抗作用，減緩了土體固結(jié)沉降的速率。

此外，孔隙水壓力消散的過程也是地基土體固結(jié)沉降的過程[16]。對(duì)比圖5、圖6，可以看出孔隙水壓力變化曲線與沉降曲線的“斜率突變點(diǎn)”一一對(duì)應(yīng)，這主要是因?yàn)槎演d和成樁階段都使沉降加快，同時(shí)也使對(duì)應(yīng)的孔隙水壓力增加；施工后期，孔隙水逐漸消散，孔隙水壓力值逐步趨于穩(wěn)定區(qū)間，孔隙水壓力不斷降低并轉(zhuǎn)化為土體有效應(yīng)力，土體顆粒逐漸密實(shí)，對(duì)應(yīng)的沉降曲線也慢慢收斂，固結(jié)速率減緩。

綜合來看，兩個(gè)區(qū)淺層的孔壓變化都較為明顯，隨著深度的增加，孔壓的變化趨勢(shì)較緩慢，孔壓達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間也越長。ZD區(qū)孔隙水壓力的消散期要比DZ區(qū)稍長，但孔壓能較快趨于穩(wěn)定。

2.3 水平位移分析

水平位移變化規(guī)律能夠反映軟基各深度土體的水平向變形發(fā)展趨勢(shì)[17]。兩個(gè)區(qū)水平位移隨時(shí)間變化的曲線如圖7所示。

以向非堆載區(qū)位移為正圖7 水平位移變化曲線Fig.7 Horizontal displacement curve

DZ區(qū)在堆載期間，水平位移量向堆載區(qū)外側(cè)迅速增大，最大水平位移增量為10.25 mm。DZ區(qū)的測斜管頂部向堆載區(qū)內(nèi)的最大水平位移為-5.09 mm，說明該區(qū)堆載邊界的上層土體有往堆載區(qū)內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)；在土層深度9 m以上的范圍，水平位移變化較顯著，最大水平位移量為15.09 mm，發(fā)生在深度3.5 m處的淤泥質(zhì)黏土層。

ZD區(qū)在成樁期間水平位移量不大；堆載期間最大位移增量為1.48 mm，相比DZ區(qū)堆載期間的最大水平位移增量少了6.93倍。ZD區(qū)測斜管頂部向堆載區(qū)外側(cè)移動(dòng)的最大水平位移為5.44 mm，說明該區(qū)淺層土體被堆載擠壓，呈現(xiàn)向堆載區(qū)外側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)；該區(qū)土體的最大水平位移量為6.42 mm，其同樣位于深度3.5 m的軟土層中。

綜合來看，在DZ區(qū)，受堆載作用的影響，其堆載邊界處有較大的深層水平位移；在ZD區(qū)，邊界處水平位移的變化規(guī)律與DZ區(qū)相類似，但是位移量相對(duì)較小，這主要是因?yàn)樵搮^(qū)堆載前進(jìn)行了樁處理，樁發(fā)揮了一定的穩(wěn)定及固結(jié)地基的作用，因此邊界的水平位移受堆載的影響小。從堆載邊界的測斜管數(shù)據(jù)可定量得到：DZ區(qū)處的最大水平位移量是ZD區(qū)的2.35倍?！跋瘸蓸逗蠖演d”工藝對(duì)邊界的影響相對(duì)較小，更有利于保護(hù)堆載區(qū)外側(cè)的環(huán)境。同時(shí)，對(duì)比兩個(gè)區(qū)水平位移變化曲線與對(duì)應(yīng)的沉降曲線可知，兩種工藝對(duì)深層水平位移的影響與土體垂直加固深度之間存在正關(guān)系性，即側(cè)向位移與土體的垂直變形將相互促進(jìn)。

2.4 樁與樁間土的宏觀力學(xué)特性

為了對(duì)比兩種工藝條件下樁體承載力的實(shí)際情況，在各區(qū)分別抽取了兩組樁體進(jìn)行了單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，試樁點(diǎn)位置如圖2所示。檢測時(shí)先將待檢樁鑿平，保證樁頭位置平整且露出土面10～30 cm，本次試驗(yàn)采用建筑砂裝袋進(jìn)行加載，靜載荷試驗(yàn)采用快速維持荷載法，1 m×1 m的方形承壓板。圖8為現(xiàn)場靜荷載試驗(yàn)圖，28 d齡期的單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)荷載-沉降(p-s)曲線如圖9所示。

圖8 靜載荷試驗(yàn)Fig.8 Static load test

從圖9可以看出，兩種工藝處理后的單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)p-s曲線都為緩變型曲線，根據(jù)規(guī)范可按相對(duì)變形值來確定單樁復(fù)合地基承載力特征值fspk，采用沉降與承壓板直徑之比s/b=0.006時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力計(jì)算單樁復(fù)合地基承載力特征值[18]，得出的單樁復(fù)合地基承載力特征值如表3所示。

圖9 單樁靜載試驗(yàn)p-s曲線Fig.9 p-s curve of single pile static load test

從表3可知，試驗(yàn)現(xiàn)場的軟基經(jīng)“先堆載后成樁”和“先成樁后堆載”工藝處理后，對(duì)應(yīng)的單樁復(fù)合地基承載力特征值fspk分別為142.3、129.5 kPa，“先堆載后成樁”工藝處理后的地基承載力優(yōu)于“先打樁后堆載”工藝，但兩種施工工藝的單樁復(fù)合地基承載力特征值fspk≥120 kPa，都滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 水泥攪拌樁單樁復(fù)合地基承載力特征值Table 3 Characteristic value of bearing capacity of single cement mixing pile composite foundation

在土質(zhì)情況、樁體材料及齡期相近的條件下，工藝不同對(duì)軟基處理的效果有所差異，“先堆載后成樁”工藝能給成樁前營造一個(gè)預(yù)先達(dá)到一定固結(jié)度的軟基環(huán)境，再成樁時(shí)土質(zhì)環(huán)境相對(duì)有所改善，更有利于樁體承載力的提升；而對(duì)于“先成樁后堆載”工藝，打攪拌樁前軟基未經(jīng)固結(jié)處理，成樁后的樁體承載力表現(xiàn)得不如“先堆載后成樁”工藝。但由于兩區(qū)在前期都預(yù)先插入了塑料排水板，ZD區(qū)在成樁后堆載時(shí)，塑料排水板和樁體的聯(lián)合作用相當(dāng)于帶排水功能的半剛性樁，軟基在排水固結(jié)的同時(shí)樁體的承載力也在快速提升。

3 兩種工藝效果評(píng)價(jià)

堆載預(yù)壓可以使土體中孔隙水排出，土體變密實(shí)，提高軟基的承載力和穩(wěn)定性。水泥攪拌樁能快速有效提高軟基的承載力，而且工程進(jìn)度易于靈活把控，造價(jià)低。雖然“先堆載后成樁”工藝和“先成樁后堆載”工藝都結(jié)合了堆載、攪拌樁這兩種處理方式的特點(diǎn)，但是因?yàn)槎演d、成樁兩者截然相反的先后施工順序，導(dǎo)致了“先堆載后成樁”工藝與“先成樁后堆載”工藝各自有著明顯的工程特性。

“先堆載后成樁”工藝由于先進(jìn)行堆載預(yù)壓，因此對(duì)周圍的環(huán)境影響作用較大，其對(duì)邊界的最大水平位移是“先成樁后堆載”工藝的2.35倍；而“先成樁后堆載”工藝由于是先打了水泥攪拌樁，攪拌樁屬于非擠土樁，因此打樁對(duì)周圍環(huán)境的影響遠(yuǎn)小于堆載作用，而攪拌樁對(duì)隨后施加的上部荷載有抵抗作用，削弱了堆載對(duì)周圍土體的影響半徑。總的來說，“先成樁后堆載”工藝對(duì)周圍環(huán)境的保護(hù)作用要優(yōu)于“先堆載后成樁”工藝。

“先堆載后成樁”工藝沉降量相對(duì)較大，固結(jié)程度高，其最大沉降量是“先成樁后堆載”工藝的1.77倍。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)，可由現(xiàn)場實(shí)測豎向位移變形與時(shí)間的關(guān)系推算出兩種工藝處理后的不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的固結(jié)度U，以此來評(píng)價(jià)軟基的處理效果，計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：Sf為最終豎向變形量(最終沉降量)；St為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的沉降量；Ut為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的固結(jié)度(%)；t1、t2、t3為時(shí)間，并取t2-t1=t3-t2；S1、S2、S3分別為時(shí)間t1、t2、t3相應(yīng)的沉降量。

根據(jù)式(1)、式(2)可得DZ區(qū)和ZD區(qū)的固結(jié)度分別為90.96%、84.62%；“先堆載后成樁”工藝處理后的土體固結(jié)度要高于“先成樁后堆載”工藝。但兩個(gè)區(qū)的固結(jié)度都比較高，說明兩種工藝都能使軟基在施工處理期間得到絕大部分沉降量，減少了工后沉降，都能達(dá)到使地基固結(jié)的效果，對(duì)于無特殊要求的工程，可以考慮采用工期較短的“先打樁后堆載”工藝。

現(xiàn)場試驗(yàn)中，“先堆載后成樁”工藝的工期為60 d；而“先成樁后堆載”工藝工期為37 d，相對(duì)“先堆載后成樁”工藝節(jié)約30 d的工期。在兩種工藝加固后的單樁復(fù)合地基承載力特征值fspk都滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，“先成樁后堆載”工藝工期較短，具有一定的推廣價(jià)值。兩種工藝的工程特性如表4所示。

表4 兩種工藝的工程特性對(duì)比Table 4 Comparison of engineering characteristics of the two processes

根據(jù)表4中兩種工藝的工程特性，筆者簡單列舉了三種工況條件，以便為日后類似工程提高參考借鑒，合理選擇可行的工藝。

工況1工廠道路、圍墻、儀器設(shè)備安裝點(diǎn)等非重要建(構(gòu))筑物的軟土地基或者周邊有管道、電纜等需要控制環(huán)境影響的工程，可采用“先成樁后堆載”工藝。

工況2項(xiàng)目施工期間便于工程開展而建設(shè)的臨時(shí)(附屬)建筑物，這些建筑物往往要求工期短，可采用“先成樁后堆載”工藝。

工況3高壓線鐵塔、有特殊要求的重要建筑物等必須高承載力或后期沉降量較小的軟土地基可采用“先堆載后成樁”工藝。

4 結(jié)論

借助某變電站軟基處理工程，進(jìn)行了“先堆載后成樁”與“先成樁后堆載”兩種不同工藝的現(xiàn)場試驗(yàn)，探究了工藝上的差異對(duì)軟基處理效果的影響，得出如下主要結(jié)論。

(1)“先堆載后成樁”工藝的總體沉降量較大，土體的固結(jié)程度更高；而“先成樁后堆載”工藝沉降更快趨于穩(wěn)定。

(2)“先堆載后成樁”工藝的孔隙水壓力消散更快，土體固結(jié)速率大?！跋瘸蓸逗蠖演d”工藝由于成樁后才開始堆載，這種半剛性樁也發(fā)揮著類似預(yù)制樁的機(jī)理，能快速達(dá)到穩(wěn)定，節(jié)約工期。

(3)“先堆載后成樁”工藝對(duì)深層水平位移影響相對(duì)較大；而“先成樁后堆載”工藝對(duì)周圍環(huán)境影響較小，更有利于對(duì)周邊建構(gòu)筑物的保護(hù)。

(4)“先成樁后堆載”工藝中，塑料排水板結(jié)合樁體的作用相當(dāng)于帶排水功能的半剛性樁，軟基在排水固結(jié)的同時(shí)樁體的承載力也能得到快速提升，可達(dá)到節(jié)約工期的目的。