软弱地基间接分级接力式排水固结法

摘要

本发明涉及一种软弱地基间接分级接力式排水固结法，其主要针对包括下部饱和黏性土层和上部吹填土层围海造地形成的软弱地基，通过在上部吹填土地表1.5m以下，下部饱和黏性土层顶面以上深度范围内形成水平转换层，在下部饱和黏性土层设置静力排水通道，在上部吹填土层设置动力排水通道，下部土层中的地下水排至水平转换层后，经动力排水通道排出软弱地基并在强夯动力作用下实现快速固结。此方法通过构建水平转换层，将浅层主动性轻型井点抽排和深部塑料板被动性排水有机结合，对软弱地基进行加速高效复合排水。具有施工工期短，加固影响深度大，处理效果好的优点。可广泛应用于围海造地形成的软弱地基的加固。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地基处理方法，特别是涉及一种围海造地形成的软弱地基的排水固结处 理方法。

背景技术

围海造地新近吹填形成的大面积软弱地基一般存在下部为原状饱和黏性土层(淤泥和淤 泥质土)和上部新近堆填、抛填或吹填土层的典型“二元”地层结构特征；此“二元”地层 结构的软弱地基一般具有高压缩性、高含水量、高灵敏度、承载力低的“三高一低”特点， 上部吹填土层往往还存在严重的液化性能。

对于围海造地软弱地基综合处理技术方法从技术思路和加固机理上区分主要有两大类， 一类是排水静力固结法，如堆载预压、真空预压、真空和堆载联合预压法等；另一类是排水 动力固结法，如高真空击密法、降排水强夯法、轻井塑排加固法等。其核心离不开“排水” 和“固结”，“排水”是条件、是措施；“固结”是目的，是结果。在时间工期允许的情况下， 对饱和黏性土(淤泥、淤泥质土)软弱地基的处理应优先采用排水静力固结方法。从目前的 技术现状来看，传统降水结合强夯法为代表的动力固结方式无疑是满足日益高效的开发建设 速度的最好选择，实际上由于单一降水方法结合强夯法，因地质条件不同其适用性缺陷又在 一定程度上制约着动力固结法的发展和应用前景。

从目前的技术现状及应用情况看，对于围海造地大面积软弱地基的处理，以强夯为代表 的排水动力固结法相对施工简单，处理周期短，造价较为低廉，如将轻型井点真空排水与强 夯击密相结合的高真空击密法，通过对软土地基进行多遍次交替降排水和强夯处理，可大大 提高地基表层土体密实程度，使场地表层形成一定厚度的硬壳层，显著改善地基的受力性能。 但由于轻型井点管长度的制约(一般小于6m)，该类方法对于6m以下尤其是下卧饱和黏性土(淤 泥、淤泥质土)层的加固几乎没有效果；如真空预压、真空和堆载联合预压法等，对于饱和 黏性土(淤泥、淤泥质土)加固效果明显的排水静力固结法又因其工艺复杂、处理周期较长、 承载力提高幅度有限，造价较高受到一定的制约使用。由于基本建设的需要，往往要求对围 海造地软弱地基一定深度范围内的软弱土层(吹填层及一定厚度的淤泥、淤泥质土层)进行 加固处理，改善其物理、力学性能，从而满足上部结构对地基承载力、沉降变形乃至稳定性 的要求。为提高排水动力固结方法的加固影响深度，技术人员尝试采用可以设置得更深的管 井、甚至是真空管井(加大抽排力度)结合强夯的工艺来进行场地降排水，意图加大动力固 结有效影响深度，但工程试验及实践表明，尽管场地水位降深有所增加，可达6m左右，但对 6m以下软土地层(淤泥、淤泥质土)力学性能的改善仍不明显，究其原因，是软土地层渗透 系数很小，强夯条件下超孔隙水压无法快速消散、有效应力无法增加或变化不大所致。为有 效加固深部饱和黏性土层，如“软弱地基轻型井点结合塑料排水板复合加固方法”，该方法技 术特点是将饱和黏性土处理常用竖向排水通道塑料排水板和轻型井点管直接搭接连接形成一 体化的轻井塑排井点，通过轻井塑排井点，将深部饱和软黏土中渗入塑料排水板的孔隙水通 过轻型井点管主动加速抽排出去，加快强夯条件下深部饱和软黏土层中超孔隙水压力的消散， 从而有效影响和加固深部饱和黏性土层。该技术其加固影响深度可达9m，但对于深部饱和黏 性土层的加固效果仍有待进一步提高。因为受轻型井点结合强夯施工工艺的制约，该方法轻 井塑排井点的设置密度间距一般仅能达到2.0m×2.5m，且在强夯分遍施工过程中，有一半的 塑料排水板尚未设置或处于实际失效状态(上部井点管已拔除)，而对于一般饱和黏性土(淤 泥、淤泥质土)的渗透系数及固结系数，根据工程经验及相关理论和规范(《真空预压加固软 土地基技术规程》第4.3.4条)要求，塑料排水板的设置间距通常应达到0.7～1.3m方可取得较 为理想的加固效果，并且在一定时限内饱和黏性土地基的排水固结效果与塑料排水板(竖向 排水通道)的设置密度直接相关。由此可见，轻井塑排加固法对于围海造地软弱地基深部饱 和黏性土层的加固效果也受到很大制约。

发明内容

本发明的目的是提供一种软弱地基间接分级接力式排水固结法，其目的是要克服上述围 海造地软弱地基处理现状工法的不足，提供一种既可有效加固围海造地软弱地基上部吹填土 层，又对深部饱和黏性土层(淤泥、淤泥质土)具有明显处理效果的复合排水固结方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种软弱地基间接分级接力式排水固结法，所述软弱地基包括下部饱和黏性土层和上 部吹填土层，在上部吹填土地表1.5m以下，下部饱和黏性土层顶面以上深度范围内设置水平 转换层，水平转换层以下土层采用静力排水通道，水平转换层以上土层采用动力排水通道， 水平转换层以下土层中的地下水经静力排水通道排至水平转换层中，然后经动力排水通道排 出软弱地基并在强夯动力作用下实现快速固结。

进一步地，所述水平转化层设置在渗透系数≥10^-4cm/s的砂性土层内，且在场区内连续 分布。

具体地，所述水平转换层在上部吹填土层形成之前人工吹填形成或上部吹填土层形成之 后根据下部饱和黏性土层顶面以上土层土质条件确定。

具体地，所述水平转换层的厚度根据土质条件确定。

优选地，所述水平转换层的厚度≥0.5m。

进一步地，所述动力排水通道采用工艺根据地基处理要求及转换层埋设深度确定。

具体地，当转换层的埋设深度在地表以下6m范围内，采取轻型井点的工艺；当转换层埋 设深度大于地表以下6m范围，则采取管井、砂井等工艺。

进一步地，所述静力排水通道采用塑料排水板工艺。

具体地，所述塑料排水板根据所需要求插入一定深层后，将上部露出地表的塑料排水板 回插入土体，回插深度为地表3m以下。也可根据工程状况及土质条件采用袋装砂井、砂井工 艺，其顶部应与转换层顶面平齐。

本发明与围海造地软弱地基处理现有施工方法相比具有以下特点和有益效果：

1、通过在拟处理软弱地基某一合理深度区间构建一个水平转换层，可将行之有效的深层 淤泥处理常用竖向排水通道塑料排水板和主动抽排系统(轻型井点管网)间接连接起来，通 过浅层主动性轻型井点抽排和深部塑料板被动性排水有机结合，对软弱地基进行加速高效复 合排水，发挥各自的优势和特点；同时，该工法采用目前地基处理最为便捷有效的强夯工艺， 对软弱地基进行快速固结处理。由于在深部饱和黏性土体中布设了密集的竖向排水通道，构 建了实际意义上的针对深部饱和黏性土的堆载预压体系(塑料排水板+水平转换层+上部吹填 土层+深沟明排体系)，可有效促使深部饱和黏性土在上部静覆盖压力(吹填土层)、动力荷载 (强夯)及其残余后效力的共同作用下加速排水固结，加固影响深度显著增大。因此，该工 法兼具动力固结(强夯)和静力固结(堆载预压)双重模式，是一种复合固结方法。

2、本发明尤其适用于围海造地新近吹填形成的具有浅部吹填土+深部饱和软黏土的“二 元”地层结构特征的大面积软弱地基的综合处理。地基处理设计人员可在项目吹填前期介入， 依据地勘资料及项目情况，分析吹填材料来源和性状，统筹规划吹填方式、步骤及总体建设 计划，结合采取的地基处理方法和思路，合理构建场地排水系统和预压体系，既可快速展开 地基处理施工作业、避免一些重复工序或浪费，又可充分发挥排水动力固结法的优势及其施 工后效作用(类堆载预压效应、类真空预压效应)，获得技术、经济和时间的最佳综合效益， 这也是本发明区别于其它即成软弱地基处理技术的关键环节。

3、由于转换层的设置，深部饱和黏性土地基中的竖向被动排水体系与浅部主动排水体系 可实现间接连接，发挥各自排水优势和特点，使两套体系设置更为灵活，施工更加方便，针 对性更强。

4、由于转换层的设置，软弱地基深部饱和黏性土体经塑料排水板排出的地下水即可再次 通过浅层布置的轻型井点管网真空抽排系统迅速排出。实现轻型井点管与塑料排水板的间接 分级接力式抽排水后，场地塑排排水板的设置间距即可不受轻型井点管的设置间距制约，而 仅针对淤泥或淤泥质土层具体情况进行设计，这样必然增进该工法对于深部淤泥及淤泥质软 土地层的处理效果，有效加固影响深度明显增大，一般可达塑料排水板端部深度范围，可满 足更高、更深的地基处理要求，方法适用性大大提高。

5、由于转换层的设置，既避免了塑料排水板强夯法易导致浅层土体含水量过高，往往土 体破坏形成橡皮土的弊端，又解决了轻型井点(管井、真空管井)降水结合强夯处理深层饱 和黏性土受限的技术难题。

6、本发明中浅层主动排水系统可根据不同地基条件和工程情况，采用轻型井点管网系统、 管井抽排系统、真空管井抽排系统或深沟明排系统等不同方式，且在降排水不影响强夯施工 的前提下，采用连续降排水强夯方式，可取得更为理想的加固效果，工期也可大幅缩短。

7、本发明中深部饱和黏性土中竖向排水通道可采用塑料排水板、袋装砂井及砂井等不同 方式，并可根据地基处理要求，依据相关理论和规范，进行针对性排水体系设计，避免了市 场上排水动力固结法目前还停留在经验设计方法水平导致诸多不规范的工程现象。

8、本发明强调将软土表面静覆盖压力(如砂垫层、硬壳层、填土层)、动力荷载(如强 夯、冲压)及其残余后效力与快速排水体系(主动抽排：真空、泵吸；被动排水：砂井、袋 装砂井、塑料排水板)进行有机结合对饱和软土地基进行加固，是一种兼具动力与静力双重 固结模式的复合排水固结方法，具有施工工期短，加固影响深度大，处理效果好的优点。

本发明可广泛应用于围海造地形成的软弱地基的加固。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明间接分级接力式排水模型示意图；

图2是下部饱和黏性土体的堆载预压体系示意图；

附图标记：1—上部吹填土层；2—下部饱和黏性土；3—水平转换层；4—轻型井点管；5 —塑料排水板；6—水平集水总管；7—透明钢丝软管；8—真空泵；9—深沟；10—水泵。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的 实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征 可以相互任意组合。

本发明的核心思想是，对于包括下部饱和黏性土层和上部吹填土层的围海造地形成的软 弱地基，在上部吹填土地表1.5m以下，下部饱和黏性土层顶面以上深度范围内设置水平转换 层，水平转换层以下土层采用静力排水通道，水平转换层以上土层采用动力排水通道，水平 转换层以下土层中的地下水经静力排水通道排至水平转换层中，然后经动力排水通道排出软 弱地基并在强夯动力作用下实现快速固结。其中，水平转换层的作用是为动、静排水工艺建 立水平排水通道,因此,要求该转换层应设置在渗透系数相对较大(10^-4cm/s以上)的砂性土层 中,如中粗砂、细砂、粉砂或粉质土。

上述软弱地基间接分级接力式排水固结法的工作原理为：由于水平转换层的存在，可使 下部淤泥或淤泥质土体经塑料排水板排出的地下水再次通过浅层布置的真空动力抽排系统迅 速排出。实现主动性抽排(轻型井点管网)与被动性排水通道(塑料排水板)的间接分级接 力式抽排水后，场地深部饱和黏性土中竖向排水通道的设置间距即可不受轻型井点管的设置 间距制约，而是根据淤泥及淤泥质土层具体情况，依据相关理论或规范进行分析计算并针对 性地进行设计。由于深部饱和黏性土中竖向排水通道的增加，地下水水平渗流路径的缩短， 势必加速抽排过程及强夯后孔隙水压力的消散，加快工程施工进度的同时，由于同步构建了 针对深部饱和黏性土实际意义上的堆载预压体系(塑料排水板+水平转换层+上部吹填土层+ 深沟明排体系)，也可促使深部饱和黏性土在上部静覆盖压力(吹填土层)、动力荷载(强夯) 及其残余后效力的共同作用下加速排水固结，这样必然增进该工法对于深部淤泥及淤泥质软 土地层的处理效果，有效加固影响深度可大幅增加。

在上述核心思想指导下，进行具体施工工艺时包括如下步骤，请结合图1和图2：

步骤一、根据需加固软弱地基(软弱地基为包括上部吹填土层1和下部饱和黏性土层2 的典型“二元”地层结构)的地质勘察报告及工程状况和条件确定水平转换层3；确定内容 包括水平转换层的实现方式、位置、厚度等。

步骤二、设置间接分级接力式排水体系。具体包括在水平转换层以下土层设置静力排水 通道，水平转换层以上土层设置动力排水通道。其中，静力排水通道为间隔设置的塑料排水 板5其设置间距为d；动力排水通道可采用轻型井点4与水平集水总管6组合形成的空间降 水体系或深沟9明排方式，通过在地表连接抽真空管路和真空泵8，进行真空降排水，其入 土深度可根据转换层3的深度h1及层厚h2设置。其中，轻型井点4的设置间距为S1，水平 集水总管6的设置间距为S1，两者的交接处可通过透明钢丝软管7连接。图1中轻型井点管 4和塑料排水板5应该在水平转换层厚度范围内具备重合段(指标高)，这样就可通过水平转 换层实现两套排水通道的间接连接，转换层的作用就是保障了地下水的运输排出途径连续通 畅。

步骤三、针对下部饱和黏性土层的堆载预压体系的建立，周边排水系统的完善和处理；

步骤四，完善周边明沟排水体系及主动抽排系统(轻型井点管网)后，即可进行抽降场 地地下水；软弱地基中渗流至排水明沟9中的水可由水泵10抽排至场外，或利用高差引流至场 外其它区域。当水位降至地面3.0m以下或设计要求位置，上部土层接近最佳含水量(误差 3％～5％)，满足强夯动力固结施工条件后，在处理区域布设第一遍强夯夯点，并拔除夯点影响 区域的轻型井点管后进行第一遍点夯；夯后推平，重新布置或补齐第二遍轻型井点管网系统， 方法同第一遍轻型井点管网系统布置，并进行第二遍轻型井点降排水；当水位降至地面3.0m 以下或设计要求位置时，则可拔除夯点影响区域的轻型井点管后进行第二遍点夯；如此多遍 进行降排水强夯，达到所需的承载力，经多轮降排水、点夯交替遍次施工后，最后进行1～2 遍满夯施工。交替降排水、点夯遍次可根据施工过程监(检)测情况确定，直至满足设计要 求；遍与遍强夯施工过程中需控制超静孔隙水压力消散90％以上方可进行下一遍施工。满夯结 束，待孔隙水压力消散至90％以上，即可进行下步地基处理效果检验。

步骤五，地基处理效果检验可依据设计要求及相关验收规范进行；

步骤六，交工验收遵照相关规定执行。

具体地，在根据需加固软弱地基的地质勘察报告及工程状况和条件确定好水平转换层位 置后，下面针对水平转换层的所处位置不同，设置间接分级接力式排水体系给出两种具体的 实施例。

实施例一，当水平转换层的埋设深度在地表以下6m范围内时，其具体施工工艺为：

1、在转换层以下建立静力排水通道，即采取施打塑料排水板至所需加固深度(一般可达 到20m)，塑料排水板网格可设置为0.7～1.3m×0.7～1.3m，实际布置网格可根据地质条件及 设计要求的技术指标确定。

2、塑料排水板根据所需要求插入一定深层后,将上部露出地表的塑料排水板回插入土体， 回插深度为地表3m以下，实际施工过程中可采用人工或机械方式回插，以免经强夯后形成表 层排水通道而影响表层土。

3、转换层以上建立动力排水系统,由于该转换层处于6m以上位置，则可采用轻型井点降 水或深沟明排方式，通过在地表连接抽真空管路，进行真空降排水，其入土深度可根据转换 层的深度及层厚设置，布置网格宜为4m×4m，实际布置网格可根据地质条件及设计要求的技 术指标确定。

实施例二，当水平转换层的埋设深度大于地表以下6m时，其具体施工工艺为：

1、在转换层以下建立静力排水通道，即采取施打塑料排水板至所需加固深度(一般可达 到20m)，塑料排水板网格可设置为0.7～1.3m×0.7～1.3m，实际布置网格可根据地质条件及 设计要求的技术指标确定。

2、塑料排水板根据所需要求插入一定深层后,将上部露出地表的塑料排水板回插入土 体，回插深度为地表3m以下，实际施工过程中可采用人工或机械方式回插，以免经强夯后形 成表层排水通道而影响表层土。

3、转换层以上建立动力排水系统,由于该转换层处于6m以下位置，则可采用管井、砂井 方式，通过在地表连接抽真空管路，进行真空降排水，其入土深度可根据转换层的深度及层 厚设置，布置网格一般为10～15m×10～15m，实际布置网格可根据地质条件及设计要求的技 术指标确定。

上述技术方案在具体实施时,遇表层设备、人员无法进入的场地，则可采用水挖机进入需 加固区域，采取开沟明排的方法，通过人工制作浅层硬壳层，使插板机、打井机进入需加固 区域，建立间接分级接力式排水系统。

上述技术方案在具体实施时,当设计人员在围海造地项目吹填期间介入，可根据吹填材料 性质和来源在某一合理标高区间通过有组织吹填方式或外购砂性土铺填方式形成转换层；当 围海造地软弱地基表面1.5m以下，深部饱和黏性土顶面以上范围内存在一定厚度(0.5m以上) 且渗透系数相对较大(10^-4cm/s以上)的砂性土层时，可将其直接作为转换层利用。

针对下部饱和黏性土层的堆载预压体系的建立，周边排水系统的完善和处理步骤中需要 说明如下几点：

1、构建针对深部饱和黏性土实际意义上的堆载预压体系。由于构建于深部饱粘性土地层 上部的转换层具备良好的地下水水平运输功能，为同步构建针对围海造地软弱地基深部饱和 黏性土的堆载预压体系提供了方便和可能，该堆载预压体系由塑料排水板、水平转换层、上 部吹填土层及周边排水系统组成。

2、完善处理场地周边明沟排水体系，排水明沟可沿场地周边设置；当处理场地面积较 大时，也可分块网格状布置。

3、当处理场地周边地下水补给较快、水量较大时，应在需加固区域周边设置密封墙，阻 隔或减少降排水强夯施工期间外围水的补给。当密封性要求较高，特别是场地存在不规则的 夹层土时，可采用深层搅拌的工艺设置密封墙，密封墙深度应为转换层以下，进入饱和黏性 土顶面以下不小于500mm。在采取流水作业施工方法时，则可每3～5万平米为一个区域设置。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采 用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本 发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本 发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。