塑料板排水法在软土地基加固中的应用

　　塑料板排水法在软土地基加固中的应用贾宁，张永波李学亮（太原理工大学建筑与环境工程学院）（山西省晋城市水利局）结法消除地基沉降的原理最后对塑料板排水法在今后的发展作了展望：塑料排水板；固结；抗剪强度；沉降：TU753：A：贾宁，男，1975年8月生，在读硕士，研究方向：岩土工程，太原，030024 1塑料板排水法简介塑料板排水法属于地基处理中的排水固结预压法。它是通过在饱和软土地基中打设可排水的塑料板，使砂垫层共同组成排水系统，然后在砂垫层上加载预压软土中的孔隙水在水力梯度作用下，通过塑料板向砂垫层排出，超孔隙水压力逐渐消散地基排水固结，强度得到增长，沉降逐渐发展，从而提高了地基的承载力和稳定性，同时减少或消除了建筑物修建后的沉降和不均匀沉降。

　　塑料板排水法源于美国丹尼尔莫兰（Daniel，E°Moran）在1925年提出的砂井预压固结法。由于砂井施工质量难于控制，很容易出现缩径、断、错位等现象，况且施工机械笨重，不能在超软土地基上进行施工，所以后来又逐渐发展了袋装砂井和塑料板排水法。我国于1981~ 1982年正式将塑料板排水法应用于天津塘沽新港软土加固工程。到今天，塑料板用量持续几年维持在6500~7000万m以上⑴，而且塑料板加固软基应用的重点已从港口转向高速公路和高等级公路路基机场，同时，在海堤加固处理中的应用也不断增力口。

　　尽管塑料板排水法是一种较为成熟的地基处理方法，但随着塑料板排水法的大量使用和应用场合的转移，出现了许多新的问题，如：由于处理的软土层越来越厚，原来的不考虑井阻和涂抹作用的理想井固结理论就显得不够精确；由于工期的紧迫，为了充分地利用好每一天，地基的抗剪强度增长的精确计算也是一个需要解决的问题；在高等级公路路基的应用上，由于公路对路基不均匀沉降有严格的要求，所以如何计算及评价工后沉降和不均匀沉降也是一个迫在眉睫的事情另外随着人们环境意识的提高，使用多次回炉的废旧塑料或新旧混合的塑料制成的塑料板对地下水造成的污染也受到了人们的重枧2塑料板排水法加固软基的固结理论固结理论是整个排水固结预压法设计与实践的理论基础。软土强度增长和沉降发展直接与固结度相关，所以它是塑料板排水法设计中的一项重要内容但是由于边界条件、受力状态、应力历史的复杂性和固结介质一一土本身的复杂性，使得固结度的计算十分困难自砂井问世以来它一直受到人们的重视，这也使得固结理论的发展成为排水固结法理论研究的核心和主线。

　　塑料板排水地基固结度的计算实际上应以群井理论计算，但为了计算和参数测定方便，地基的固结度计算一般都是以单井计算下面是对单井排水物理模型的描述塑料排水板一般是按正三角形布置或正方形布置，因此一条塑料板所固结的有效范围是一个以塑料排水板为中心的正六棱柱体或正四棱柱体，棱柱体内为各向异性、不均匀土体。在塑料板插入时会在塑料板周围形成一个经过重塑的土体（即涂抹区）同时塑料板在排水时对水也有阻力（即井阻）棱柱顶面为砂垫层，下部为透水的砂层或不透水的粘土层。在上覆预压荷载的作用下，在棱柱中产生超静孔隙水压力。假定塑料板中的水可自由地通过砂垫层排出，则由于棱柱内的土体的孔隙水与塑料板中的孔隙水存在水力梯度，所以棱柱内土体的孔隙水会向塑料排水板流动，并通过砂垫层排出土体内的超孔隙水压力逐渐消散，有效应力增加，土体逐渐固结，强度增加，柱体逐渐被压缩在此过程中，水平向的固结系数Ch，竖向固结系数Cv逐渐减小，土体的压缩系数逐渐减小，井阻逐渐增大由于在靠近塑料板的轴心附近固结较快，而较远处固结较慢，从而产生中心处沉降发展比边缘处快的现象所以上部预压土体在固结过程中会或多或少的产生拱型作用，中心处的压力有一定减小，而边缘处压力会有一定的增加。

　　从以上描述可知，固结度若按实际情况计算会十分复杂，所以迄今为止所有解析法求固结度大小的理论都作了不同的假设但他们共同的假设为：涂抹区及棱柱形土体匀简化为圆柱形；塑料板等效为圆柱形砂井；砂垫层的透水性为无穷大（即柱体顶部为自由排水面）；柱体底部为不透水面（当底部为透水的砂层时，由对称性，取二分之一柱体为研究对象，则底部亦为不透水层）；井阻涂抹效应不随时间变化；土体上部各点荷载不随时间变化（自由应变）或土体内各点应变不随距中心点的远近而变化（垂直等应变）另外，不同学者根据工程的具体情况，在不同的假设条件下，如土的均匀性、渗透性随时间的变化适用的渗透定律、排水体的影响（井阻，涂抹）、加荷速率和蠕变效应等，得出了土体固结的解析解。其中最为著名的为Barron（1948）的固结理论解，他分自由应变理想井（不考虑井阻和涂抹），自由应变有涂抹作用及垂直等应变情况下考虑井阻与涂抹作用等三种情况，给出了固结度计算的解析解赵维炳（1988）的研究指出：Barron在推导垂直等应变情况下考虑井阻及涂抹作用下的解时，因不满足N.Carrillo定理而只能是近似解而非精确解尽管如此，Barron的砂井固结理论被广泛应用于工程设计中，并取得了较好的效果。随着袋装砂井小，长度大，施工扰动也大，所以井阻和涂抹作用也大，若采用理想井理论计算地基的固结度，则往往存在较大的误差（Mitchell，1982；hansbo，1981）因此引起人们对非理想井理论的研究Barron提出的非理想井理论，虽然能考虑井阻和涂抹作用，应用也方便，但是由于数学上处理过于粗略，属于近似解，计算的结果偏于保守；Yoshikuni（1974）提出的较严密的自由应变条件考虑井阻的砂井固结解析解，其结果为非显式表示，应用不太方便；Hanmsbo（1981）提出的等应变条件下考虑井阻的砂井地基固结理论，其解仅给出某一深度径向平均固结度，地基的平均固结度仍然是个近似式；钱家欢等人（1984）认为饱和粘土地基应属于粘滞体，从而基于流变模型提出了自由应变和等应变条件下非理想井地基粘弹性体固结理论解，并在某些工程中应用而获得良好的效果，它对于分析预压工程后期变形及地基强度具有实用意义，这是对砂井地基固结理论有意义的发展；谢康和（1987）在总结前人研究的基础上，提出了等应变条件下非理想井固结理论精确解及其简化式，这一解与Hansbo的解接近，与Yoshikumi的精确解更接近，并且公式表达简明，物理概念清楚，参数易于测定，易于应用。第三届塑料板排水法加固软基技术研讨会（1996）上，专家们建议在工程上采用谢康和的理论分析计算固结度《塑料排水带地基设计规程》（CTAG02-97）用的也是谢康和固结度计算的简化式及分级连续等速加荷的计算式。

　　3强度增长与排水固结的关系在预压荷载作用下，一方面，随着排水固结的进行，地基的抗剪强度逐渐增长；另一方面，剪应力随着荷载的增加而加大，而且在施工扰动和剪切蠕动作用下，地基强度还有一定衰减因此，在附加荷载作用下，地基中某一点、某一时间的抗剪强度f为f+Af限抗压强度试验来测定；Af一一由于固结而增长的抗剪强度增量；f一一由于剪切而引起的抗剪强度衰减量目前，计算f还有困难，所以曾国熙建议用下式计算f.和塑料排水5的出现排水体直径小间距的强度较低荷载较大时，剪应力较大剪切变效其中，Z为剪切蠕变及其它因素对强度的折减系数，大多数书中z的取值在0.75-Q95之间。当土应较大，则Z应取较低值；反之，取高值。

　　事实上，Z的取值更还应与时间有关王盛源在第四届塑料板排水法加固软基技术研讨会（1999）上，发表论文指出“排水体施工前后对土体扰动造成土体强度降低达50%”这时若堆载预压，Z显然应取较小值；在预压后期，随着施工扰动的恢复，Z应有所增加Af的计算方法很多，如：按单轴无侧限抗压强度或不排水抗剪强度计算，Skempton经验公式推算法，有效应力法，含水量法，天然地基十字板强度推算法等，但以沈珠江等人（1963）提出的有效固结应力法较为合理，其计算公式如下：上式可进一步简化为下式：其中：Ae一一竖向附加应力增量；J-一地基平均固结度上式即现行规范中建议的强度增长计算公式4地基的沉降计算预压能消除主固结变形，这一点人们的认识较为一致关于次固结变形发生的时间，有人认为在主固结阶段也有次固结变形，但根据试验研究，对于正常固结土，主固结阶段的次固结变形很小，可以忽略不计，次固结发生在主固结以后对于超载预压，若选择一超载量Ps，使其与相当于建筑物永久荷载量pf的堆载的共同作用下的沉降大于pf作用下主固结变形，超载卸除以后，土层变为超固结状态，土层中水平有效应力和竖向有效应力之比较正常固结土大，从而使该点剪应力降低，次固结系数Ca降低。卸去的超载越大，Ca降低越显著，预压期越长Ca降低越明显，次固结发生的时间越迟这就是超载预压能消除主固结降低和推迟次固结的原因从以上讨论看出，土中有效应力的变化，是地基发生次固结变形的原因。据此，赤石胜于1981年根据卸载前后土体中的应力变化提出一种计算工后次固结沉降的方法。

　　5发展方向正如前面所说，砂井的固结理论是砂井排水法的核心，它一直是人们研究的重点从Barron总结前人研究成果提出经典砂井地基排水固结理论以来，一直到80年代，考虑各种因素的固结理论出现很多。这些方法大致可分为两类，一类是以Barron公式为基础的解析方法，它们只能求加固区中点的沉降和强度；另一类是利用边界元或有限元联立求解位移和孔隙水压的数值法。在这些固结分析中，各种本构模型被引入计算，使得固结理论不断趋于合理。

　　在排水固结作用下，高压缩性土将产生很大的变形，很多都超过10%，应属于大变形问题，用大变形理论计算将更加合理但由于该方法较为复杂，现在大多应用于一维和二维平面应变情况西安公路学院编制了大变形固结有限元沉降分析程序。该程序应用了Biot固结理论和Duncan-Chang非线性弹性模型，它能反映打设塑料板后空间渗流和垂直土层不同刚度的特点，与实际较符随着固结模型的完善，软土参数指标选取受到重枧铁道部科学研究院的李国周和欧阳葆元提出了地基沉降的概率计算方法，杨高升和刘家豪（1999）从分析塑料板排水加固地基的受力和固结特点入手，建立了地基失稳的概率模型这些都是对塑料板地基的进一步认识，并将更好地指导设计和计算1989年谢康和和曾国熙首次提出地基的优化计算理论和方法，为以后塑料板排水法处理粘土地基的优化设计奠定了基础但这方面的研究还不多，优化设计的方法在具体的设计中应用还较少。

　　最后值得一提的是塑料板这种土工合成材料在其它新领域的应用，特别是在环境岩土工程中的应用尤为值得注意。例如，在打区周围或间土打设塑料板来消除打时引起的孔隙水压力，从而降低打对周围建筑的危害；日本京都大学教授嘉门雅史用水平铺设的塑料板以发挥其排水加筋作用，来处理疏浚工程产生的弃土这些都说明塑料排水板是一种很有潜力可挖的土工合成材料，值得我们进一步深入研究