超载预压结合塑料排水板处理软土地基的设计参数研究

处理软土地基的设计参数研究

姜　华

（）宁波市城建设计研究院有限公司，浙江宁波　３１５０１２

摘　要：以一既定施工工期的软基处理实例为工程背景，在采用超载预压结合塑料排水板进行地基处理的前提下，研究了软基沉降速率与设计预压荷载、塑料排水板的布置形式、间距等参数之间的变化规律。研究结果表明，超载预压结合塑料排水板可以通为同类型的软基处理工程中的设计参数选择提供参考。过调整设计参数来加速软基排水固结来满足既定工期需求，关键词：软土地基；超载预压；塑料排水板；沉降速率；设计参数

（）中图分类号：Ａ　　　文章编号：１６７３５７８１２０１８０２０２２１０４　　　文献标识码：－－－０　引　　言

软土地基是指强度低，压缩量较高的软弱土层，

１］

。一般为滨海、多数含有一定的有机物质［湿地、谷２］

。具地、河滩地区、压缩性高、承载能力低的细粒土［

为了研究软土地基中采用超载预压结合塑料排水板处理时地基的沉降特性，本文以一既定施工工期的软基处理实例为工程背景，研究软基沉降速率与设计参数（预压荷载、塑料排水板的布置形式、间距、长之间的变化规律，对同类型的软基处理工程中度等）

设计参数的选择有一定的借鉴意义。

有天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、固结时灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布间长、

复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点，由于软土地基的强度低，沉隐量大，往往给道路工程后期

］３－５

。若不进行地基处理极的运营带来很大的危害［

１　工程概况

拟建立一条城市次干路，位于浙江省宁波市梅山梅山岛地属北仑区，位于穿山半岛南侧，四面环岛，

海。工程场区主要为山前海积平原和海洋地貌。场地土系为典型的第四系软弱土类型。拟建道路工程以盐田、虾塘、淤涨型滩涂为主。原地面高程一般为规划地块控制标高为２．道路路面控０．１～０．９ｍ，８ｍ，

一般路段填方高达到３．制标高为２．６～３．０ｍ，０ｍ左埋深一般介于右。场地浅层地下水以孔隙潜水为主，

补给充０．５～１ｍ。地下水主要来自于海水的供给，

足。场区内自上而下土层分布及形状情况和各土层的物理力学特性指标如表１所示。

场地上部浅层遍布①ａ层淤泥质黏土、②ｂ层淤泥质粉质黏土、含水量高（达到②ｃ层淤泥质黏土，，天然孔隙比达到１．流塑状态，高压缩５０％）３左右，性，厚层状为主，流塑，高压缩性；黏塑性好，富含有机厚１分布面积大。质。层厚状且土质均匀，６～２２ｍ，。通过对②层淤泥质土层不排水抗剪强度为１０ｋＰａ

有可能发生路基超量沉降、路基不均匀沉降、路面出现裂缝破坏和桥头搭板沉陷等一系列由地基引起的工程事故。因此，为了提高路基的承载能力和稳定性，需先对软土地基进行适当地排水加固处理。

由于上述地区土体的固结系数小，故软土的排水固结时间较长，导致工期较长。如施工时间允许，可如工期紧，可结合其单独使用超载预压法进行处理；

采用超载预压结合塑料排水他方法一起使用。其中，

６］

。该方板的处理方法在工程中得到了广泛的应用［

法是在预先施加荷载对土体进行超载预压的同时，往地基中打设竖向排水的塑料排水板，加速土体的排水固结，逐步提高地基强度的方法。采用这种处理方法，可以有效排出饱和软土地基土中的水分，加速排水固结的完成，具有使地基稳定性和承载能力显著提高、工期缩短、工程造价降低等优点，是一种有效而且经济的软基加固处理方法。

；收稿日期：修改日期：２０１８０４０７２０１８０４２４－－－－，作者简介：姜　华（男，江苏金坛人，宁波市城建设计研究院有限公司高级工程师．１９７７－）

《工程与建设》０１８年第３２卷第２期　２

２２１　

地基与基础姜　华：超载预压结合塑料排水板处理软土地基的设计参数研究水的黏土层，故渗径Ｈ＝１９ｍ。该层在路基填土附加

荷载作用下，沉降量大，固结缓慢，为主要压缩层，地是本工基沉降和稳定性难以满足工程使用上的要求，程软基处理的重点内容。

直剪试验强度

／凝聚力ＣｋＰａ

１３．６　３７．６　２２．８　８．７　

／内摩擦角°

６．４　１５．４　１３．６　２３．９　

压缩模量／ＭＰａ３．４７５．４７４．３２２２１１．５９１５２０

—２—２２ＤＩＪＩＹＵＪＩＣＨ　Ｕ　　　　　　　　　取样进行分析得，该淤泥质黏土层的渗透系数ｋ＝

－８－２

／，／，压缩系数ａ由于５．４×１０ｃｍｓ＝０．０８×１０ｋＰａ

取平均厚度１该淤泥质软土层的层厚为１６～２２ｍ，９ｍ

作为土层厚度。由于该淤泥质黏土层下一层为不透

表１　各土层分布情况及物理力学特性汇总表

土层序号

①②③④⑤⑥⑦⑧

地层名称素填土淤泥质粉质黏土

黏土粉质黏土黏性土圆砾块石

砂质粉土强风化凝灰岩中风化凝灰岩

３）（／重度／ｋＮｍ

层厚／ｍ０．６－０．８１６－２２　０．６－３．２　１．４－３．４　２．１－８．６　１．８－９．０　０．８－７．６　４．２－４．８　

１８．４　１７．６　１８．５　１８．６　２０　１８．２　１９　２２　

若不进行地基处理极　　根据类似场地的工程经验，

桥头搭板沉陷等一系列由有可能发生路基超量沉降、

地基沉降引起的工程事故。因此结合本工程的特点，拟采用超载预压和塑料排水板同时处理的办法，加速土体排水固结，使强度逐步增强，提高整个软土地基的承载力和稳定性。塑料排水板堆载预压法施工时软土地基的沉降速率与预压荷载、塑料排水板的布置

７］

形式以及塑料排水板的间距［等设计参数有关，这些

的布置形式：梅花形（亦称正三角形）和正方形。据几何学原理可以得出，塑料排水板在均匀布置的前提、下，只能按照正三角形（梅花形）正方形和正六边形

［］

３种方式进行布置１。为了方便衡量不同塑料排水板布置形式下土体的固结效果，故取土的平均固结度

在为地基处理效果评判指标。在相同的打设密度下（同样面积的加固区域内，打设相同根数的塑料排水，板）因此单根塑料排水板影响区域的面积应该相等，参照马骁提出的塑料排水板在梅花形、正方形和正六边形布置形式下平均固结度与时间因数Ｔｖ的计算关系式分别为：

珡）Ｕ００１ｍ＋０．２７１５ＩｎＴ－０．ｒ１＝（ｒ＋

（）０１２８ｍ＋１．２８４１－０．

（）５（）６（）７

参数的设置直接影响地基处理效果。

２　设计参数研究

根据太沙基的沉降固结计算理论，地基土层沉降的计算方法如下：根据已知土层的物理力学特性指标，及参数（如孔隙比，渗透系数以及压缩系数等等）由公））计算淤泥质黏土层的固结系数Ｃ参照公式（式（１２ｖ，中固结系数与时间因数Ｔ得到时间因数Ｔｖｖ的关系，与时间ｔ的变化关系，计算出不同时间所对应的时间

因数，再查询地基规范中的参数表格，根据压力比α，查）出该时间因数下的固结度Ｕ求ｔ。按规范中的公式（３）计出在外荷载作用下的总沉降量Ｓ。再依据公式（４算得到不同时间下所对应的沉降量Ｓｔ。

）ｋ（１＋ｅａγｗ（）１（）２（）３

珡）Ｕ００７ｖ＋０．２６１３ＩｎＴ－０．ｒ２＝（ｒ＋

（）０１３８ｖ＋１．２８１３－０．珡）Ｕ０００６ｗ＋０．２５９２ＩｎＴ－０．ｒ３＝（ｒ＋（）０１５ｗ＋１．２６５３－０．

其中ｍ、ｖ和ｗ之间满足关系式：

３２３槡３２。２槡ｍ＝ｖｗ＝

Ｃｖ＝

２４则ｖ＝１３，２．１０，ｗ＝１０．６１。分别代入　　假定ｍ＝１

）（）（公式（中，便得到不同布置形式下的固结度５６７）与时间因数的计算关系式，并绘制出三种布置形式下的关系曲线，如图１所示。

对图１中的变化曲线进行分析，我们不难发现，沉降早期阶段塑料排水板在三种不同的布置形式下的固结速度差异不大。随着时间的推移，三者固结速度为：正三角形布置＞正方形布置＞正六边形布置。后期再随着时间的推移，三种方式对固结速度的影响

ＣｔｖＴｖ＝２

ＨａＳ＝Ｈσｚ１＋ｅ（）ＳＵｔ４ｔ＝Ｓ２．１　塑料排水板布置形式分析

在地基处理工程中，塑料排水板一般有２种常见

２２２　

《工程与建设》０１８年第３２卷第２期　２

地姜　华：超载预压结合塑料排水板处理软土地基的设计参数研究差异又逐渐减小，所达到的固结效果基本一致。因此，在工程实际中，为了使塑料排水板在整个地基处加快施工工期，理过程中达到最好的排水固结效果，

而且出于方便插打的因素考虑，梅花形和正方形的布置形式更为常见。

基与基础—２—２３ＤＩＪＩＹＵＪＩＣＨＵ　　　　　　　　　　水速度减缓，土体固结速度变慢。但是，塑料排水板设置间距过小，一方面施工较为困难，另一方面工程造价较高。因此需根据实际工程的施工工期来选择适当的打设间距。

图１　不同布置形式下平均固结度随时间因数的变化曲线图２　不同间距下固结度随时间变化的关系曲线图

２．２　塑料排水板间距分析

研究在预压荷载一定时，在特定的正方形布置形式下，塑料排水板不同的打设间距对沉降效果的影分别计算出不响。设置排水板的间距为１．０～１．６ｍ，同间距下所对应的固结度Ｕｔ，绘制地基在不同的塑料排水板间距下固结度随时间ｔ变化的曲线关系图，

如图２所示。

从图２的关系曲线图中不难看出，当间距为大约６个月时间土体固结就基本完成。当１．０ｍ时，间距为１．沉降曲线较为平缓，需１６ｍ时，６个月左右才能使土体排水固结完成，土体固结速度和排水板的排间距成反比。随着塑料排水板的打设间距的增大，

时间／月１　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　１１　１２　１３　１４　１５　１６　１７　１８　

Ｐ＝６０ｋＰａ沉降（ｃｍ）６．４０８　８．８９０　１０．５５９　１２．１０２　１３．２９１　１４．１８８　１５．２３０　１６．０９７　１６．６９４　１７．４７９　１７．８９１　１８．４８２　１９．０７７　１９．６７５　２０．０９２　２０．４４９　２０．８０９　２１．１６６　

Ｐ＝６５ｋＰａ沉降（ｃｍ）６．９４２　９．６３１　１１．４３９　１３．１１０　１４．３９９　１５．３７０　１６．５００　１７．４３９　１８．０８５　１８．９３５　１９．３８２　２０．０２２　２０．６６６　２１．３１５　２１．７６６　２２．１５３　２２．５４４　２２．９３０　

Ｐ＝７０ｋＰａ沉降（ｃｍ）７．４７６　１０．３７２　１２．３１９　１４．１１９　１５．５０７　１６．５５２　１７．７６９　１８．７８０　１９．４７６　２０．３９２　２０．８７３　２１．５６２　２２．２５６　２２．９５５　２３．４４０　２３．８５７　２４．２７８　２４．６９４　

Ｐ＝７５ｋＰａ沉降（ｃｍ）８．０１０　１１．１１３　１３．１９９　１５．１２７　１６．６１４　１７．７３４　１９．０３８　２０．１２２　２０．８６７　２１．８４８　２２．３６４　２３．１０２　２３．８４６　２４．５９４　２５．１１５　２５．５６１　２６．０１２　２６．４５８　

２．３　预压荷载研究

为了研究地基在不同预压荷载作用下沉降量与时间的变化关系，拟以太沙基的沉降固结理论为基采用控制变量法对其沉降特性进行分析。为了更础，

好地模拟塑料排水板加速排水对地基固结的贡献作用，在此节中将塑料排水板的效果等效为使渗透系数

－７

／。根据太沙基固结理论ｋ提高至ｋ′＝３．０×１０ｃｍｓ

中计算沉降的方法，依次得出在各级荷载作用下不同

时间所对应的沉降量Ｓ见表２，将表格中的沉降数ｔ，据进行拟合得到不同预压荷载作用下沉降量随时间如图３所示。变化关系曲线，

Ｐ＝８０ｋＰａ沉降（ｃｍ）８．５４４　１１．８５３　１４．０７９　１６．１３６　１７．７２２　１８．９１７　２０．３０７　２１．４６３　２２．２５８　２３．３０５　２３．８５５　２４．６４３　２５．４３６　２６．２３４　２６．７８９　２７．２６５　２７．７４６　２８．２２２　

Ｐ＝８５ｋＰａ沉降（ｃｍ）９．０７８　１２．５９４　１４．９５９　１７．１４４　１８．８３０　２０．０９９　２１．５７６　２２．８０４　２３．６４９　２４．７６１　２５．３４６　２６．１８３　２７．０２５　２７．８７４　２８．４６３　２８．９６９　２９．４８０　２９．９８６　

Ｐ＝９０ｋＰａ沉降（ｃｍ）９．６１２　１３．３３５　１５．８３９　１８．１５３　１９．９３７　２１．２８１　２２．８４６　２４．１４６　２５．０４０　２６．２１８　２６．８３７　２７．７２３　２８．６１５　２９．５１３　３０．１３８　３０．６７３　３１．２１４　３１．７５０　

Ｐ＝９５ｋＰａ沉降（ｃｍ）１０．１４６　１４．０７６　１６．７１９　１９．１６１　２１．０４５　２２．４６４　２４．１１５　２５．４８７　２６．４３１　２７．６７５　２８．３２８　２９．２６３　３０．２０５　３１．１５３　３１．８１２　３２．３７７　３２．９４８　３３．５１３　

Ｐ＝１００ｋＰａ沉降（ｃｍ）１０．６８０１４．８１７１７．５９９２０．１７０２２．１５２２３．６４６２５．３８４２６．８２９２７．８２３２９．１３１２９．８１８３０．８０３３１．７９４３２．７９２３３．４８６３４．０８１３４．６８２３５．２７７

表２　不同预压荷载作用下沉降量随时间变化表

《工程与建设》０１８年第３２卷第２期　２２２３　

地基与基础姜　华：超载预压结合塑料排水板处理软土地基的设计参数研究—２—２４ＤＩＪＩＹＵＪＩＣＨ　Ｕ　　　　　　　　　图３　不同预压荷载作用下沉降量随时间变化关系曲线

施工期按８个月考虑，工后沉降基准期结束时间为１５年，填方高度按３．０ｍ计算，如果地基不进行处理，主要沉降层淤泥质黏土层的沉降为５５．４ｃｍ，其中５年基准期内的工后沉降为４２．６ｃｍ，

可见如不进行地基处理不满足工后沉降不大于３０ｃｍ的要求，因此需通过超载预压结合塑料排水板的地基处理办法使得地基在预压荷载作用下的沉降量至少达到５．４ｃｍ，根据地基沉降量和设定的预压工期，从图３中的沉降曲线中便能查阅出达到预期的地基处理效果所需的荷载值。结合梅山岛公路软土地基段的处理工程，将理论运用到实践，根据图３中的沉降曲线，因此能使软基处理达到规范要求的预压荷载最小值为９５ｋＰａ，实际工程中我们采用１００ｋＰａ的荷载结合塑料排水板进行预压，施工过程中对沉降量进行同步观测。观测结果显示，经过８个月的超载预压，沉降量为２７．０ｃｍ，满足预期的要求，处理效果良好。同时也验证了沉降曲线的正确性。

　结束语

通过对软土地基中采用超载预压结合塑料排水板处理方法的设计参数对地基的沉降特性的影响研究，可以得出以下几条结论：

（１

）随着预压荷载值的增大，软土地基的土体固结速度明显增大。实际工程中，出于经济和工期双方面因素的考虑，

可先根据土层特性绘制出各级预压荷２　２４《工程与建设》　２

０１８年第３２卷第２期载作用下沉降量随时间变化关系曲线，然后再根据地基处理的预期沉降量和设定的预压工期，从沉降曲线图中便能查阅出达到预期的地基处理效果所需的荷载值。

（２

）根据几何学对称的原理，塑料排水板在地基中需布置均匀，因此满足条件且常见的有梅花形（正三角形）、正方形和正六边形三种布置形式。在相同的打设密度下，三种布置形式下的固结速度在中期略

有差别，梅花形布置形式下的排水固结速度最快，正方形次之，正六边形的固结速度最慢，而早期和末期无显著性差异。

（３

）随着塑料排水板的打设间距不断增大，排水速度减缓，

土体固结速度变慢。但是需考虑施工难度、工期和造价等因素，根据实际工程选择适当的打设间距。

研究结果表明，超载预压结合塑料排水板可以通过调整设计参数来加速软基排水固结来满足既定工期需求，为同类型的软基处理工程中的设计参数选择提供参考。

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