固结排水新理论的工程应用研究
阮 翔
（深圳市工勘岩土工程有限公司，深圳518026）
摘 要:引入以“土质学”概念为基础的固结排水新理论，对大连普湾新区的某堆载预压工程进行了沉降量计算分析。经过近260d堆载后，得到了场地的最终沉降量实测值。将本文新理论的计算结果与实测数据进行对比分析，验证了新理论计算结果的正确性。同时将规范方法的计算结果与实测数据进行对比分析，也验证了其计算结果偏小的结论。
关键词:固结排水；堆载预压；终极沉降量；计算值；实测值
Research on Engineering Application of the New Theory for Consolidation and Drainage
Ruan Xiang
（Shenzhen Gongkan Geotechnical Engineering Co.Ltd.，Shenzhen518026）
Abstract:A new theory for consolidation and drainage which is based on concept of Soil Theory is introduced in this paper.Settlement of the pre-loading engineering in Puwan New District of Dalian is calculated by the new theory.The final settlement is obtained after a nearly 260days＇heaped load.Compared with the calculated value of the new theory and the measured value，the validly of the result with the new theory is proved.The calculated value of the code is also compared with the measured value；this proves that the calculated value of the code is relative small.
Key words:consolidation and drainage；pre-loading；ultimate settlement；calculated value；measured value
1 绪论
自1948年Barron对砂井地基的固结解析进行了研究［1］，至今竖向排水地基的固结理论计算在堆载预压设计中已经发展成熟，且广泛地应用于填海造地、港口、码头、高速公路等工程的深厚软土地基处理计算中，并写入各个相关规范［2］。但该方法是以1925年Terzaghi的饱和黏土的一维固结理论为基础发展而来，在实际过程中发现Terzaghi一维固结理论计算的沉降速率远小于实测值［3］，沉降量也偏小［4］。由于上述理论存在的问题，许多专家学者半个多世纪以来一直在探寻解决办法，其中沈孝宇依托深圳地区大量的软基处理工程实践，从地质学的角度提出了“饱水黏性土主固结理论”［5］。该理论揭示了固结沉降发生的真实原理，深圳地区大量工程实践证明该理论计算结果比现有规范方法计算结果更接近工程实测结果。
2 理论研究
新的理论认为对饱水软黏土的预压排水主固结研究应从其排水的本质出发，即从软土在预压过程中的含水量变化上研究主固结量的变化规律，利用土的基本性质指标导出主固结比基本公式及主固结量（沉降量）、绝对主固结量、绝对固结度等理论计算方法。与传统的算法相比，这些算法与预压荷载（即固结应力）无关系，直接计算出主固结的效果及评价预压排水固结地基处理卸载的可行性［5］。
其核心的主固结比η计算公式如下:
在利用基本的指标求得主固结比η后，与饱和软黏土厚度相乘后可得t时间软土的沉降量（St）。该沉降量发生的过程即为饱和软黏土中自由液态水排出的过程。随着土体的固结度增大，其含水量逐渐减小。由于土中自由液态水的排水不可能无限量，所以取样测得的软土含水量减少也有一个限量，这个限量就是软土的液限（WL）。液限作为软土流态和塑性状态的界限含水量标志着土中自由液态水“排尽”，此时土中剩下的主要是结合水。这个终结与固结应力大小无关而只与液限大小有关。因此，对应于预压排水固结终结的固结量定义为“极限主固结量”或“极限沉降量”，以Sη表示，以区别于一般理论中的与固结应力有关的“最终沉降量”。
3 工程实践
3.1 工程概况
拟建场地位于大连市普湾新区（普兰店市石河镇）境内，占地总长约1 800m，宽约600m，面积约108万m2，分两期开发建设，一期场地已在建筑施工。二期长度长约1 300m，宽约600m，面积约78万m2，目前约26万m2已被回填，未填的海滨盐田约52万m2。
依据中冶沈勘工程技术有限公司提供的场地岩土工程勘察报告，拟建场地地基土层自上而下依次为:填土（石）层、淤泥及淤泥质土层及粉质黏土层，典型地质剖面如图1所示。
图1 Ⅰ区典型地质剖面图
①素填土:主要由块石、碎石、黏性土等组成，各组成成分分布不均匀，密实度呈松散—密实状态。其中块石粒径20～80mm，占总量的50%～60%，碎石粒径在2～20mm，约占总量的30%～40%，黏性土约占总量的10%。该层分布场地北侧及西南侧，层厚2.7～6.4m。
②杂填土:杂色，由砖块、碎石、植物根系及少量黏性土等组成，松散。该层分布不连续，层厚0.5～2.0m。
③淤泥质黏土:深灰色，软塑—流塑，有异味，可见贝壳。切面光滑，摇振反应无，干强度高，韧性高。局部夹淤泥薄层。该层分布连续，层厚2.4～13.1m。
④粉质黏土:黄褐色，可塑，局部硬塑。摇振反应无，切面稍有光泽，干强度中等，韧性中等。局部地段有黏土夹层。该层分布连续，层厚0.4～19.1m。
其中，淤泥及淤泥质土层最大厚度为13.1m，全区平均厚度7.48m，是高含水量、高压缩性、欠固结、低强度的饱和软黏土，非经加固处理不能作为建（构）筑物地基，是本场地地基需处理的土层。
软基处理采用插塑料排水板堆载预压法，将盐池及堆填区域划分为Ⅰ、Ⅱ两个大区，并根据淤泥厚度再各自划分小区域。由于场地较大且受到堆载土源限制，现场首先施工盐池区（Ⅰ区，52万m2），盐池区淤泥厚度5.13～9.13m（均值）。根据淤泥厚度，Ⅰ区又分为Ⅰ1、Ⅰ2、及Ⅰ3三个小区。
与地基处理有关的土层主要物理力学性质指标见表1。
表1 土层物理力学参数
注:上表中数据均为统计平均值，计算时将③、④层取平均值进行计算。
同时根据勘察报告:
淤泥质黏土层垂直固结系数（Cv）（100～200kPa）为:4.9×10-4～7.8×10-4cm2/s
平均值为:6.35×10-4cm2/s
场地淤泥土的垂直渗透系数（Kv）平均值为:Kv＝4.24×10-7cm/s
3.2 软基处理设计
根据业主要求，场地地基处理的技术要求如下:
（1）交工面上承载力标准值≥120kPa。
（2）工后剩余沉降≤15cm（30年使用期）。
（3）差异沉降≤1.5‰。
（4）交工面高程:5.0m。
Ⅰ区设计插板间距1.0m，三角形布置，插板长度6.93～10.93m，堆载厚度5.86～6.90m不等（分五级进行堆载），详见图2。其中Ⅰ1区堆载总厚度5.96m，恒载天数不少于40d；Ⅰ2区堆载总厚度6.34m，恒载不少于60d；Ⅰ3区堆载总厚度6.90m，恒载天数不少于90d。堆载总工期为Ⅰ1区110d，Ⅰ2区130d，Ⅰ3区160d。
图2 I区竖向结构设计图
3.3 沉降实测数据及分析
设计在场地布置沉降板进行观测，按照100m×100m网格布置，沉降板均在垫层之下0.5m处安装，板底面积为1m2，钢板厚2cm，详见图3。
图3 监测点布置平面图
Ⅰ区施工自2012年6月开始，由于工期较为宽松，业主在设计堆载结束时并未卸载，继续堆载。沉降监测数据自2012年8月5日第一级堆载开始至2013年4月16日结束。各区至计算堆载结束时的沉降量监测数据及至4月16日的沉降量监测数据如表2所示（由于监测点较多且各区分步施工，为减少人为因素干扰，选取每个小区域中间位置的监测点进行分析）。
表2 Ⅰ区沉降量观测结果
为验证本文理论计算结果的准确性，并证实现有理论的计算值偏小问题，我们用规范方法及本文介绍的新理论分别计算本场地的最终沉降，并将它们与实测值进行对比（由于堆载时间较长，沉降量早已收敛，可以认为三点法推算的最终沉降量即为实际最终沉降量）。
其中“规范”推荐的沉降量计算公式如下:
式中各符号详见文献［6］。
三点法计算公式如下:
详细计算结果如表3所示。
表3 Ⅰ区沉降量计算与实测对比
从表3计算结果不难看出，新理论计算值与三点法推算的最终沉降量之间差值仅为-24.85～44.21mm，误差绝对值仅为2.68%～3.88%，精度完全可以满足工程要求。而采用规范的方法计算结果均小于三点法推算的沉降量，它们之间差值为-172.44～-208.76mm，误差绝对值在14.98%～27.77%之间。为解决计算值偏小问题，现行的规范是通过引入沉降量修正系数来弥补该误差，若该工程所在地缺少类似经验，则很难在建设初期通过理论计算得出与实际相近的沉降量。
由于目前工程仅完成盐池区，堆填区域尚未完工，本文的研究只是初步的。
4 结论与建议
（1）本文引入了一种新的排水固结理论，并对之进行了简介。
（2）利用新的理论对大连市普湾新区一个面积约78万m2的场地（目前仅52万m2盐池区完成了堆载预压）进行了沉降计算分析。
（3）将规范方法与本文新理论方法计算结果及实测值进行了对比，验证了本文理论方法的正确性。同时也证实了规范计算值偏小的问题，与前人的研究结果一致。
（4）由于目前尚有部分堆填区没有完成堆载，本文的研究只是初步的。
参考文献
［1］Barron R A.Consolidation of fine grained soils by drainwells［J］.Transactions of American Society of Civil Engineers，1948，113:718-742.
［2］地基处理手册编写委员会.地基处理手册（第二版）［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.
［3］魏汝龙.从实测沉降过程推算固结系数［J］.岩土工程学报，1993，15（2）:12-19.
［4］问延熙，施建勇.Terzaghi一维固结理论研究综述［J］.西部探矿工程，2003，2:1-3.
［5］沈孝宇.饱水黏性土主固结理论［J］.地球科学——中国地质大学学报，2003，30（7）:493-497.
［6］中华人民共和国行业标准.JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013.
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