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水力吹填地基的水平排水板振动碾压处理法
    【技术领域】

    本发明涉及一种水力吹填地基或填方地基的水平排水板振动碾压处理法。背景技术

    目前吹填砂的处理多用振冲桩、砂桩和强夯法，价格偏高。对大面积地基进行处理时，为了降低成本，国外还有爆炸致密法处理饱和松散无粘性土，以及深层振动致密法(带振动翼的振动杆)加固砂土。吹填软土中常用竖向排水板预压法，它先用插板机在软土内竖向压入透水的排水板、然后在地表堆土作为压载，将土中水体挤出排走，从而使软土的孔隙减小、强度提高、工后沉降降低。这是一种非常好又经济适用的软土加固方法，在土木建筑等行业得到了广泛地应用。但是本法需堆积很多土方，压载时间很长，通常要6个月至1年。以上方法的共同不足是：(1)都要在吹填完成后才能进行地基处理；(2)要用专门的机械来施工；(3)需很长的工期。地基处理的各种动力方法中，排水减压效果的好坏直接影响到加固效果。强夯法在地表铺设砂砾石垫层的目的之一就是加速土中的超静孔隙水向地面排出，提高强夯效果。该法加固杂填土特别有效，原因就是它破坏了这类土的结构，产生的超静孔压通过裂隙形成的排水通道流出。爆炸致密法开始时产生很高孔隙水压力，可以使砂土进入悬浮状态，并增加土颗粒骨架结构重新调整的可能性。如果爆炸引起的超静孔隙水压力能很快消散，则动剪应力的压密效果会很好。对深层振动致密，特别是在饱和砂土的情况下，若其渗透性小得不能使孔隙水从土中迅速排出，则效果不显著。例如，在荷兰Oosterschelde坝的修筑期间，曾对表面夯压进行过试验。分层将粒径0.3-32mm的砂石料倒入水中，每层厚3m。此砂石层主要作为坝基的地基土。用底面积3.6×2.4m2、冲击力140kN/m2、振动频率15-25Hz的特殊振动板，从浮船上进行表层振动压实处理。振动压实前后测得圆锥探头阻力值qc分别为4MN/m2和30MN/m2。但是，在振动板下必须开圆孔，其面积为底板总面积的25％，以使振动板下土中阻碍压实的超静孔隙水压力得以大大降低，否则加固效果不佳。对液化地基的处理中，有一种消散法加固，即在可能液化的砂土中设置竖向排水通道，加速地震时产生的超静孔隙水压力消散，从而降低或消除砂土地震液化的可能性。可见，孔隙水的排出是发生沉降的必要和充分条件，这个理论不仅适用于渗透性小的饱和细粒土，同样适用于瞬间加荷的饱和砂土。对砂土液化机理的研究证明，当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时，将发生体积的收缩和趋于密实，在砂土无排水条件时体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升。发明内容

    为了消除现有技术的三点弊病，本发明构想了一种在吹填施工过程中就可进行地基处理的水平排水板振动碾压处理法。这种水平排水板振动碾压处理方法将产生一种新结构的水力吹填地基。

    本技术方案的核心思想是：(1)将地基中原来竖向使用的排水板改为水平放置；(2)将“在待处理地基的最终地表竖向设置和施打排水板”的工法，改为在吹填或填方施工过程中同时放置排水板，再根据需要来施加振动碾压。操作步骤是：(1)吹填或填土一层；(2)铺设一层水平放置的塑料排水板；(3)填土一层；(4)振动碾压。如此反复至填土结束。这里所说的排水板，可以采用现有竖向排水板预压法中的塑料排水板，关键是改为水平放置。在饱和砂土中铺设水平排水板，目的是在地基中形成渗透性良好的人工水平排水减压通道，加速因局部液化而产生的超静孔隙水压力消散，增加松散颗粒间孔隙水的排出量，提高压密程度。排水板的布置和间距，要根据吹填土类型、振动碾大小、碾压次数、处理后要求达到的目标等因素综合确定：对粗砂土可大间距布置；对细砂、粉砂土和软土，要小间距布置，甚至每层双向交错布置来提高排水压实程度。其参考数值为：两层排水板之间土层的厚度为0.5～2米，排水板之间的横向距离为1～3米，各层排水板间呈梅花型或正方形布置。本发明所述的“振动碾压”可采用传统技术中的振动碾压机械及方法。在振动碾压的作用下，使原本对地基不利的超静孔压变成了排水的动力，从而降低孔隙比，达到加密土体的目的。这里所说的“如此反复至填土结束”是指达到吹填地基的厚度要求为止，所以这种“反复”可以只是一次而不再反复。碾压遍数要根据地基的加固程度确定，一般可采用1～3遍，若要取得更好的密实效果，可将振动碾压遍数增加到5遍。但也可以不碾压，也就是说：碾压遍数可以为0。依据碾压和排水是加密吹填粉细砂二大有效方法之关键，将水平排水板与振动碾压有机的结合在一起。它在融合了压实法和排水板预压法的基础上，吸取了爆炸法、强夯法和深层振动法的动力作用后，提出的一种吹填地基处理法。其加固机理是：(1)用排水板来缩短土中超静孔隙水的渗出路径；(2)用振动碾一方面施加预压荷载，一方面产生较大的循环剪应力，使表层砂土局部液化，形成超静孔隙水，经排水板和地表排出，土体被压密。水平排水板碾压法综合应用了剪应力、振动能量和排水系统，它对吹填细砂土的作用主要有三方面：静力压实、振动密实、排水减压。此外，水平放置的排水板，即使没有预压荷载，仍能起到很好的自然排水作用，加密地基。本发明可以在吹填泥砂的同时就实施地基的处理，能大幅度提前地基成型与使用的时间，并且减少施工的难度。对吹填粉细砂，一般吹填后10天左右，就可承受大型振动碾压。对吹填软土，要用轻型振动碾，甚至不能施加振动碾压，而只利用水平排水板的自然排水功能和后续填方的自重预压功能而加密地基。本发明所述地基处理方法设计：由吹填砂的平均粒径、工程所在地最大地面加速度，计算出不同深度处土单元不产生液化所需的相对密度Dr，再由Dr和标贯击数N的关系查得N值，此即为满足地基抗液化要求时的最小标贯击数。然后，据此最小标贯击数用上述公式验算地基承载力和沉降是否满足。最终提出满足承载力、沉降和抗液化要求时不同深度处砂土应达到的最小标贯击数。由于水平排水板振动碾压法是在吹填施工过程中逐步实施的，所以，很容易在施工中进行该法的可行性试验。对某一砂类土，适当拟定几个排水板间距、振动碾压速度和遍数，在任一吹填区进行排水振动碾压试验，然后用标准贯入试验(SPT)确定处理后地基的标贯击数和相对密度。若能满足设计要求的地基承载力、沉降和抗地震液化能力，则首先采用该法；若不能满足，则在吹填施工完毕后再通过试验采用振冲桩或其它地基处理方案。

    本发明从土力学的基本原理出发，将地基中原来竖向使用的排水板水平放置；根据水力吹填地基分层施工的特点，有效地将吹填施工和地基处理结合了起来；所吹填出的地基排水顺利，施工简便，可达到或超过传统方法处理后的地基质量。与传统的堆载预压法相比，它的特色有三：(1)省去了竖向插板的工序，价格便宜；(2)振动碾取代堆载，免除了堆方和弃方；(3)重要的是节省了地基处理时间，使填方施工和地基处理同步完成。用本发明的方法处理后的地基，标准贯入试验显示：吹填细砂的标贯击数提高到不处理时的3～4倍。标准贯入、静力触探和荷载板试验均表明，加固的地基可达到造地工程要求的承载力、沉降和不液化目标。本发明主要适用于没有较大集中荷载的大面积、中小荷载的吹填地基，如港口、电厂等土木工程的堆场、道路、贮灰场等。吹填料需为粉土和细砂，要求吹填数天后能承受振动碾自重和振动力。本方法虽然针对吹填的粉细砂提出并应用成功，但其基本原理同样适用于吹填软土和含水量较大的填方，直接采用或稍加变化就可推广至这些工程中。我国有长江、黄河、珠江等众多流域和成千上万公里的海岸线，每年有大量的河滩吹填和围海造地工程。随着陆地可耕面积的减少，吹填工程还将愈来愈多。由于水平排水板振动碾压法的快速、低价和简单，在水力吹填工程地基加固中具有广阔的应用前景，可节省大量的工程投资和建设时间。附图说明

    图1为实施例1结构示意图；

    图2为图1的东西剖面图；

    图3为图1的南北剖面图。具体实施方式

    实施例1，某45万千瓦电厂需要吹填形成一个90公顷场地，并对其中24公顷进行地基处理，要求达到50kPa的地基承载力、在50kPa荷载作用下工后沉降小于50mm以及在地震条件下砂土不液化。在吹填施工过程中采用水平排水板振动碾压法，形成水力吹填地基，参照图1～图3：最先填的土层为1，后铺设一层水平放置的塑料排水板2，各排水板之间距离1.5m。再填一土层3后进行振动碾压处理，如此重复吹填、铺设排水板、再吹填、碾压直至结束。图1中，3为正在碾压的土层；4为多级子堰，5为原地面。本实例的原招标书中建议采用桩长8～15m、总长14.6m、成本高达378万美元的振冲碎石桩法；采用本发明的水平排水振动碾压法以后，成本仅50万美元，与原方案相比节省了地基处理费320多万美元。重要的是按期完成吹填和地基处理工作，避免了延期交付每天3万美元的巨额罚款，经济效益非常巨大。