何贵堂

(上海市政工程设计研究总院(集团）有限公司 200092）

引言

深厚软土地区的排水工程， 其主要构、 建筑物(如污水处理池、 污泥脱水机房、 综合楼等）受到基础沉降量、 沉降差的限制， 一般直接采用预制管桩、 钻孔灌注桩等深基础形式。 桩基础除了承受竖向荷载、 减小基础沉降外， 对埋深较大的水池， 还兼顾池体抗浮作用。

除水处理构筑物外， 厂区内还有地下管道(含检查井、 转折井等）、 道路， 分布在水处理构筑物周边。 为减小地下管道、 厂区道路的沉降， 避免管线与构筑物产生过大的沉降差造成管道与构筑物接口拉断， 并满足施工期间机械设备的运输和使用， 在深厚软土地区， 需对其进行必要的软基处理。 考虑工程经济性， 采用深基础以外的地基处理方式。 其中， 排水固结，尤其是真空预压排水固结越来越多的运用到了这类工程中。

1 工程概况

1.1 工程规模及构筑物

广州南沙某污水处理厂工程， 污水处理规模为3 万 m3/d， 再生水处理规模为 0.5 万 m3/d，占地面积约26671m2。 工程采用集约化设计， 主要构(建）筑物包含一座一体化厂房及两栋综合楼。 厂区内地下管线众多， 有污水管、 雨水管、给水管、 再生水管、 消防水管等， 多位于厂区道路下及道路两侧， 工程总平面及管线布置如图1所示。 其中， 污水进水总管、 尾水排放管管径较大， 分别为1.2m 及0.8m。

一体化厂房为平面尺寸为110m ×92m 的半地下箱体， 设计埋深11.50m ～7.10m。 由于一体化厂房池内水位高， 基底压力大， 空池状态下抗浮也不满足要求， 因此采用预应力混凝土预制管桩基础， 以解决地基承载力、 变形控制及构筑物抗浮的问题。

图1 工程总平面Fig.1 Plane drawing of project

1.2 工程地质

1.3 软基处理的必要性

南沙地区淤泥层深厚， 本工程②灰黑色淤泥层厚度达15.60m ～38.10m， 如不予处理， 最为普遍的问题就是地基沉降量大。 场地原始地面标高约3.80m ～4.60m， 根据排水专业设计， 厂区设计地面标高为8.00m， 即厂区内将有4m 左右的覆土， 大面积堆载引起的淤泥层的压缩量巨大， 最终的地面沉降将影响厂区内的道路、 地下管线的安全。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

由于淤泥承载力较低且表层的素填土层作为硬壳层较薄， 不利于施工机械设备的稳定， 增大了诸如管桩沉桩、 基坑开挖等施工的难度及风险。而且大型施工车辆的进出也比较困难， 需要小型车辆进入短驳。 尤其对于基坑， 大大降低了土方外运的效率， 而土方开挖是软土地层中的基坑产生变形的主要原因， 也是基坑安全的关键因素。

因此， 工程需对软土地基进行先行处理。

1.4 软基处理方式的选择

本工程软基处理的主要目的为减小地面沉降及提高地基承载力， 前者主要是保证工程竣工后厂区道路、 地下管道的安全， 后者则是要提高工程施工阶段的地基强度， 增加施工设备的地基稳定性。 对于基底压力较大的新建构(建）筑物主要由预制管桩承载。 因此， 整个场地对地基土承载力和沉降的要求， 主要需满足后期4m 左右的覆土。

由此， 可采用排水固结法对场地进行整片处理， 其造价远低于诸如水泥土搅拌桩等形式的复合地基。 而选择真空预压方式， 一方面可以大大缩短预压时间， 节省工期。 另一方面， 与堆载预压方式相比， 能最大程度地减小本工程一体化厂房的基坑开挖深度， 减小基坑施工的风险， 同时大大降低基坑造价。

2 真空预压工程设计

2.1 总体平面布置

场地中部有一条水泥路， 高出周边地面约3m， 由于其建成时间较早， 该道路区域相当于经历了长时间的堆载预压， 因此不再进行真空预压处理， 如图2 所示。 由此， 主厂区真空预压以场地中部现状水泥路为分割， 分为南北两区。 场地最南侧为现状道路， 该区域20m 宽度范围内采用水泥土搅拌桩复合地基， 兼做真空预压隔离带，保证相邻市政道路安全。 南区处理面积约10000m2， 北区处理面积约 12000m2， 真空预压总处理面积约22000m2。

图2 场地真空预压处理平面示意Fig.2 Plane drawing of vacuum preloading field

2.2 排水板设置

根据工程地勘报告， 北区淤泥土层较厚， 层底深度达23m ～40m。 南区则较浅， 淤泥土层层底深度为17m ～27m， 因此塑料排水板按两种打设深度设计。

鉴于本工程淤泥层下为细中砂层及粗砾砂层， 为透水层， 采用真空预压方式的排水板不可打穿淤泥层进入细中砂层或粗砾砂层。 同时在预估真空预压效果时， 考虑排水板的设置深度与淤泥层的厚度相匹配。 由此， 设计塑料排水板打设深度北区为20m， 南区为15m， 保证真空预压的可靠性。 塑料排水板采用 C 型， 截面 100mm ×4.5mm， 按正三角形布置， 间距1.2m。

2.3 密封膜设置

场地整平后， 先设25cm 厚砂垫层， 砂垫层采用洁净中粗砂， 含泥量不大于3%。 再施工塑料排水板及铺设真空管， 后填筑另外25cm 厚砂垫层。

砂垫层顶设一层无纺土工布及三层聚氯乙烯密封膜。 密封膜上方设60cm 覆水保护层， 也作为预压荷载的一部分。

2.4 真空管路及真空泵布置

排水主管、 循环管及滤管均采用PVC 管， 主管、 循环管直径均为75mm， 滤管直径为63mm。滤管间间距5m， 滤管采用成品花纹管， 并采用无纺土工布包裹； 主管与循环管、 滤管连接由三通和四通构成， 三通、 四通与各管采用钢丝橡胶软管。 真空射流泵选取7.5kW 的真空泵， 抽真空能力≥95kPa， 每台泵控制面积800m2～1200m2。

2.5 真空压力及卸载标准

本工程要求保证80kPa 真空压力(稳压）下4个月， 设计有效预压荷载为95kPa， 本工程卸载标准: (1）达到设计恒载期10d 实测地面沉降量小于 2mm/d； (2） 地基土固结度达到 85%；(3）施工期沉降量接近计算值。

3 沉降理论计算

预压荷载下地基最终竖向变形量可按式(1）计算。 根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79 -2012）[1]， 预压荷载下地基的变形包括瞬时变形、 主固结变形和次固结变形三部分。 次固结变形大小和土的性质有关， 泥炭土、 有机质土或高塑性粘性土土层， 次固结变形较显著， 而其他土则所占比例不大。 因此， 经验系数ξ对饱和粘性土可取1.1 ～1.4。

参照广东省《地基处理技术规范》(DBJ 15 -38 -2005）[2]， 经验系数ξ为考虑一维压缩公式加上考虑软土侧向变形而引入后得到， 荷载大、软土软则影响变形大， 广东的软土较软， 强度低， 一般取更大一点的ξ值。 综合以上两本规范的相关说明， 设计计算中经验系数ξ取大值。

选取南、 北两区典型地质剖面， 南区淤泥层厚度23m， 下卧层厚度19m， 北区淤泥层厚度28m， 下卧层厚度13m。 沉降经验系数ξ按规范统一取1.40 计算， 施工期计算沉降量、 最终计算沉降量及工后沉降量见表2。

表2 沉降理论计算值Tab.2 Settlement of theoretical calculation

4 实测沉降数据分析

4.1 监测点布置

本工程软基处理设置了地表沉降(沉降板）、土体分层沉降、 周边地面水平位移、 空隙水压力、 地下水位等监测项目， 其中地表沉降各测点布置如图3 所示。 测点CJB1、 CJB11 位于水泥土搅拌桩隔离区， 测点CJB2 ～CJB5 位于真空预压南区， 测点CJB6 ～CJB10 位于真空预压北区。

图3 地表沉降测点布置Fig.3 The layout of ground settlement measure point

4.2 北区实测沉降

南北两区真空预压分期进行， 北区先行实施。按每周一次的频率进行沉降监测， 北区各测点累计沉降量变化曲线如图4 所示。

图4 北区各测点累计沉降量变化曲线Fig.4 Curves of ground settlement surfaces in north area

北区在稳压4 个月后， 沉降板沉降速率连续10 天小于2mm/d， 基本满足了卸载标准中的沉降速率要求。

根据实测沉降数据， 采用双曲线法推算最终沉降量[3]， 从而计算当前的地层固结度。 北区5 个沉降板累计沉降量、 推算固结度等数据见表3。

表3 北区各测点累计沉降量、 推算固结度Tab.3 Settlement and consolidation degree of the measure point in north area

由表3 可知， 各测点推算固结度均已满足要求。 总体沉降量除CJB8 测点以外， 均接近于理论计算值。 对CJB8 测点沉降量较小的原因进行分析， 主要是由于该点位于先前相邻工程堆载预压时的临时施工便道上， 经过土方车辆长时间的碾压， 该区域表层土体已被压密， 完成了部分固结， 而本次真空预压相当于对深层土体进行排水固结。

4.3 南区实测沉降

南区在北区施工完成后， 按每周一次的频率进行沉降监测， 各测点累计沉降量变化曲线如图5所示。 同样的， 采用双曲线法推算最终沉降量，从而计算当前的地层固结度。 南区4 个沉降板累计沉降量、 推算固结度等数据见表4。 其中， 测点CJB4 的实测沉降量与计算值误差较大， 主要是由于该测点位置实际淤泥层厚度与理论计算中的典型地质剖面差异较大所致。

图5 南区各测点累计沉降量变化曲线Fig.5 Curves of ground settlement surfaces in south area

表4 南区各测点累计沉降量、 推算固结度Tab.4 Settlement and consolidation degree of the measure point in south area

5 沉降经验系数取值

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79 -2012）及《地基处理技术规范》(DBJ 15 -38 -2005）两本规范对经验系数的说明可知， 经验系数ξ的取值与土层性质有关。 对于变形计算深度内有不同土层时， 经验系数ξ应根据不同的土层选取相应的数值， 因此式(1）宜写成如下的式(2）形式。

以下根据沉降监测实测数据推算的最终沉降量， 对经验系数ξ进行反算。 由于地层有较大起伏， 计算时每个沉降板位置选取最近的勘察孔揭露的各土层埋深进行计算。 规范上， 压缩层变形计算深度取附加应力与土自重应力的比值为0.1的深度。 但将真空预压作为大面积荷载考虑时，计算深度将很深， 结合工程实际情况， 选取全风化花岗岩层顶部作为计算深度。 为简化计算， 同时考虑到淤泥的下卧土层压缩模量高， 变形小， 因此其经验系数取按规范的低值1.1， 计算结果见表5。

表5 北区淤泥层经验系数ξ 反算Tab.5 The calculation of silt's empirical coefficient ξ in north area

由表5 可知， 通过北区实测数据推算的总沉降， 反算得到的本工程四个测点的淤泥层经验系数ξ为 1.30 ～1.35， 平均值为 1.325。

同样地， 根据南区实测数据推算的总沉降，反算各沉降板测点的淤泥层经验系数ξ， 见表6。由计算结果可知， 反算得到的南区四个测点的淤泥层经验系数ξ为1.30 ～1.35， 平均值为1.335，与北区结果接近。 反映了本工程的沉降计算中，按淤泥层及其下卧层变形经验系数ξ分别取1.33及1.10 是比较准确的。

表6 南区淤泥层经验系数ξ 反算Tab.6 The calculation of silt's empirical coefficient ξ in south area

6 结语

1.对于计算深度内有性质差异较大的不同土层时， 沉降计算中经验系数ξ应根据不同的土层选取相应的数值， 饱和淤泥及淤泥质土取大值， 软粘土取小值。

2.通过实测沉降数据分析， 得到本工程中的淤泥层的沉降经验系数为1.33， 可作为广州南沙地区相似土层分布下真空预压沉降计算的参考。