排水固结法在大面积地基处理中的应用

摘要：本文根据三门核电站场地内大面积存在的软弱土层的工程特性，提出采用排水固结法处理的方案。通过计算确定回填的堆载计划、地基处理分区和施工要求，既经济合理，又满足了施工工期的要求。

1工程概况

三门核电厂位于浙江省中部三门县健跳镇北约6km的猫头山嘴半岛——娘娘殿岗上。厂区范围内存在大面积滨海滩涂，南侧海涂后建海塘堤坝，使围堤内高潮海水不致淹没。围堤内为星罗棋布的养殖场，塘堤平坦而狭窄。计划2002年年初开始场地的“四通一平”工作，2004年4月1日浇筑第一罐混凝土，地基处理及场地回填的施工过程历时两年，工期相当紧迫。 2工程地质条件

滩涂地层由素填土和第四系淤泥、淤泥质粉质粘土、粉质粘土组成。自上而下主要有： 1素填土（Qm1）层：由灰、灰黄色粘性土、块石、碎石、砂和贝壳碎片组成。松散、○

均匀性差，该层主要分布在海堤及养殖场塘堤上，厚度变化较大。

○2淤泥（Qm）层：灰色，饱和，呈流塑状态，具高压缩性。该层分布广泛。 ○3淤泥质粉质粘土（Qm）层：灰色，饱和，呈软~流塑状态，具高压缩性。常与淤泥质粘土互层，夹薄层粉细砂、砂土，含贝壳碎片及腐殖质。该层分布不均匀。

○4粉质粘土（Qa1+m）层：暗绿色，饱和，呈可塑状态，具中等压缩性。土质较致密，可见氧化铁斑点。

○5粉质粘土（Qa1+m）层：褐黄色，饱和，呈可塑状态，具中等压缩性。土质较致密，可见氧化铁斑点，常与粘土互层，局部地段为粘土层。

2）和淤泥质滩涂顶标高一般为0~+2.0m，表面分布有厚约2.5~18.0m的淤泥（土层○

3），最大厚度18.0m，平均厚度约14.0m。淤泥和淤泥质粉质粘土前期粉质粘土（土层○

固结压力小于上覆土层自重应力，超固结比（OCR）小于1，为第四系新近堆积层。其强度低，属高孔隙比、高压缩性，具流变性、触变性特征的地基土。厂区回填设计标高+7.0~13.7 m，因此该滩涂区域拟用山体开挖的土石方回填至厂区设计标高后，用于职工现场宿舍区、施工生活区、临建区、设备材料堆场及施工场地等的地基。

地基土的主要物理力学性质指标如表1所示。

表1 地基土主要物理力学性质指标表 地 层 编 号 ② ③ ④ ⑤ 含 重 水 度 γ 量 W (kN/ 3(%) m) 56.6 42.6 27.8 30.2 16.8 17.8 19.2 19.0 比 重 G 2.75 2.73 2.73 2.74 饱 和 度 Sr % 99 98 93 91 孔 隙 比 e 1.573 1.183 0.812 0.878 液 限 Wl ％ 46.6 37.9 36.6 41.7 塑 限 Wp % 26.7 22.3 21.6 24.3 液 性 指 数 I1 1.51 1.37 0.49 0.36 内 聚 力 C (kPa) 14 14 57 60 内 摩 压缩 压缩 擦 系数 模量 al-2 Es 角 -1(kPa) (kPa) φ 14.5 16.7 21.0 21.5 1.39 0.90 0.23 0.24 2.00 2.44 7.64 7.97 静力 触探 Ps平 均值 (MPa) 0.233 0.450 1.630 1.940 场地内的地下水为孔隙潜水。地下水富水性差，主要赋存于淤泥和淤泥质粉质粘土中。淤泥和淤泥质粉质粘土的平均渗透系数kv=3.67×10-7cm/s，kh=2.71×10-7cm/s，属微~不透水层。

场地内的地下水的来源为大气降水。经养殖塘渗入及场地周围山泉的补给，部分海滩区接受潮水补给，以径流、蒸发方式排泄，区内地下水位均高于海平面，地下水流向海洋。区内径流微弱，动态较稳定。

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3地基处理分区及处理方案

3.1地基处理范围

回填总面积为103.96万m2，根据回填区的使用要求、工程地质条件，按照安全适用、经济合理的原则，将回填区的一部分划分为T1-2、T3-2、和T2-1-2三个需要进行地基处理的区域，地基处理面积为34.75万m2。 a) T1-2区

T1-1和T1-2区为职工现场宿舍及招待所，均为永久建筑。为保证建筑地基基础的安全，该区域应进行地基处理。但T1-1区软弱土层较薄，约2.0~3.0m，且由于历史的原因T1-1区已经覆盖有2~6m的素填土层。该素填土层性状较好，软弱土层在填土荷载的作用下也有一定程度的固结，故T1-1区的工程地质条件相对较优。同时T1-1区位于山坳内，周边为厚实的山体，不进行地基处理地基的稳定性也有足够的保障，故此T1-1区不进行地基处理，直接分层回填。

T1-2区位于T1-1的东侧，淤泥层厚度为8～10.6m，回填层厚度约7～8.5m。场地内覆盖有厚度较薄的回填土，约1m左右，局部缺失。由于场地地质条件较不均匀，软土层的厚度较厚，考虑到建筑物的重要性，为了确保职工的安全，须对地基进行处理，以满足永久建筑物的变形要求。 b) T3-2区

T3-2区南面靠山，北面临海。该区的软土性能差，且处于欠固结状态，其中北面厚度约为12~13m，南面大致为9.5m，局部靠近山坡的地方土层变化较大。场地北侧无填土层，南面靠近山坡处有约2m的素填土层。T3-2区规划为施工单位职工生活临建区，考虑到核电工程一期施工完成后，还要进行二期和三期的施工，延续时间较长，故可视T3-2区为永久建筑物场地。考虑场地地质情况和使用要求，根据技术可行、经济合理的原则，对T3-2区域进行地基处理。北海堤的填筑与场地的回填同步进行。 c) T2-1-2区

T2-1-2区位于T1-2区域的东侧，南面是南海堤，该区域面积较大。T2-1-2区规划为施工场地，虽然不建造永久建筑物，但施工中的一些厂房必须建造在此处，如钢结构加工厂房、现场试验室等。某些带有桁架吊车的厂房对地基的要求较高，特别是地基的不均匀沉降的要求较严格，须防止现场办公楼的楼板和墙体出现严重开裂。同时考虑到该堤在两次建造期间均发生过滑动，堤身下部的淤泥未进行地基处理，淤泥的固结程度很差，根据理论计算，固结度仅为36%，建议对场地地基进行处理，以免堤后软土层上的填土增加海堤滑动的危险性。T2-1-2区的软土层厚度均在10m以上，其东侧可达14m，是大面积软土层最厚的地方。为了确保回填场地和南海堤的整体安全，避免发生施工场地内的建筑物出现严重开裂，对T2-1-2区进行地基处理。 d) 不进行地基处理的区域

T4-1区规划为设备材料堆场，无永久建筑物，场地对不均匀沉降造成的倾斜率要求不高。同时T4-1区的临海区是标准较高的北护提，堤顶建有二级进厂公路。北护堤采用爆破挤淤法施工，护堤竣工后坐落在相对工程地质条件较好的地层上，对内部回填区有部分约束作用。护堤的爆破挤淤可能对T4-1回填区的软弱土层产生扰动，即使对T4-1区插打塑料排水板进行处理，由于淤泥和淤泥质土的高灵敏性，排水固结的效果也不一定好。故考虑对T4-1区不进行处理，但护堤的设计中须考虑到直接回填对护堤的稳定性可能产生的不利影响。为减小这种不利影响，T4-1区的回填从北海堤向靠山侧进行。

其余区域靠近山脚，处于山坳中，软弱土层厚度较小，且规划中没有布置永久性建筑物，采用直接分层回填，基本可保证施工中的安全性，可能有的较大的沉降变形对该区域的使用也不造成实质性的影响。即使这些区域中有相当大的一部分面积其软土层较厚，超过规范的限值，但从节约投资的角度考虑不进行处理，由于其余区域处理得较好，且地基滑动受到约束限制，故仍然认为安全是有保证的。

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第四回填层3.2地基处理方法

排水固结法作为处理软粘土地基的有效方法，在工程上得到广泛的应用。采用排水固结法可同时解决沉降和稳定问题。使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差，且加速地基土抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。

排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的。设置排水系统主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的通路，缩短排水途径，它由竖向的排水井和水平向的排水垫层构成。由塑料芯板和滤膜外套组成的塑料排水板作为竖向排水通道在工程上的应用日益增加，塑料排水板可在工厂制作，运输方便，尤其适合象三门这样的缺乏砂源的地区使用，可同时节省投资。加压系统，即是施加起固结作用的荷载，土中的孔隙水因产生压差而渗流使土固结。

排水系统是一种手段，如没有加压系统，孔隙中的水没有压力差，不会自然排出，地基也就得不到加固。如果只施加固结压力，不缩短土层的排水距离，这不能在预压期间尽快地完成设计所要求的沉降量，土的强度不能及时提高，各级加载也就不能顺利进行。所以，排水系统和加载系统在设计时总是需要结合起来考虑。 根据沉降变形分析计算，采用塑料排水板堆载预压法处理软弱土层，要求将各处理区场地整平后，在滩涂面上铺设一层土工布和0.8m厚的碎石垫层，再插打塑料排水板。塑料排水板采用SPB-IB型标准排水板，宽度100mm，厚度为4mm，呈梅花形布置，间距1.5m。2的底面，如图1所示。各地基处理分区所需的塑料排水板见排水板的深度应穿透淤泥层○表2。 设计回填标高图1 塑料排水板布置图 设计回填标高第四回填层第三回填层第三回填层第二回填层第一回填层第一回填层级配碎石级配碎石自然地面标高设计回填高度第二回填层设计回填高度自然地面标高SPB-IB型塑料排水板打穿软弱土层SPB-IB型塑料排水板打穿软弱土层软弱土层(淤泥)塑料排水板SPB-IB型软弱土层(淤泥)塑料排水板SPB-IB型塑料排水板平面布置图塑料排水板竖向布置图塑料排水板平面布置图表2 各地基处理分区塑料排水板表 塑料排水板竖向布置图 地基处 理分区 T3-2 T1-2 T2-1-2 合计 处理区平面 面积(ha) 6.50 7.77 20.48 34.75 塑料排水板 数量(根) 33358 39876 105104 178338 - 3 - 处理区场地标高(m) 约0~4.2 约-1.0~2.0 约-1.0~2.5 为适应地基处理区和直接回填区地基的变形，防止在分界线处因地基固结程度相差较大而引起的地基开裂和承载力突变，在处理区内靠近直接回填区约20m的范围内，塑料排水板的间距从1.5m过渡到2.0m，其打设深度亦可适当减小。 4堆载计划的确定

根据土层特性，计算其在堆载回填预压荷载下的沉降变形量，进而估计达一定固结度的时间及堆载预压后地基强度增长量，以此来评价地基条件，并提出合理的回填堆载计划及地基处理方案。

因施工面较大，故假定大面积堆载。堆载回填材料为开挖山体的土石方，计算中取岩石堆密度=17.0kN/m3，回填层平均高度7.0m。软弱土层（包括淤泥层○2和淤泥质软粘土○3）计算层厚14.0m（厂区南侧滩涂），固结系数Ch=Cv=2×10-3cm2/s，Cu=10.0kPa（十字板剪切试验），三轴固结不排水剪土的内摩擦角cu=10.0°。 4.1最终沉降计算结果

回填高度为7.0m时，预压荷载下地基的最终变形为：

Sfi1ne0ie1ihi=1.50m

1e0i式中：Sf——最终竖向变形量；

e0i——第i层中点土自重压力所对应的孔隙比；

e1i——第i层中点土自重压力和附加压力之和所对应的孔隙比； hi——第i层土层厚度；

——经验系数，1.1~1.4，荷载较大，地基土较软弱时取较大值。

4.2不采取处理措施的情况

根据费连纽斯(Fellenius)公式，天然地基容许施加的第一级荷载P1：

p15.14Cu=42.83kPa K其中：Cu——天然地基的不排水抗剪强度，由现场原位十字板剪切试验结果测定。

K——安全系数。

在P1荷载作用下，固结度U=70%时提高以后地基强度为Cu1：

Cu1(CuCu)13.76kPaCuzUttgcu

式中：——为考虑剪切蠕变的强度折减系数；

Ut——地基平均固结度；

z——预压荷载引起的附加竖向压力； 相应的所需时间t：

TvH2t=12.11yr

Cv由以上计算可知，在允许的P1荷载作用下，达到70%固结度所需的时间长达12.11年之久，无法满足施工工期的要求，而且地基抗剪强度增长不大，仅为37.6%。

堆载厚7.0m，预压5年后地基固结度和强度的增长为17.44kPa，故地基抗剪强度仅提高7.44kPa左右。 结论分析：

 在7.0m厚堆载下预压5年后，软弱土层固结度仅达44.7%，不能满足施工时沉降

固结的要求；

 直接堆载7.0m厚土层，荷载P0=119kPa＞42.83kPa（第一级容许施加荷载），地

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基将发生剪切破坏；

 由以上两点可知，必须进行地基处理。考虑到工程特点、地基条件及施工期等各

种因素，采用预压排水固结法处理，排水系统采用塑料排水板。

4.3采取预压排水固结措施的地基简化方法计算

i. 采用标准型塑料排水板（宽度b=100mm，厚度=4mm）排水，排水板施工长度

打穿软粘土层，即长度为14.0m。则塑料排水板的换算直径：

Dii.

2(b)=66.2mm。

塑料排水板等边三角形布置，间距l=1.5m，则等效圆直径：

deiii.

23l=1.575m。

计算中进行了一些简化，不考虑软弱土层的竖向排水固结，只考虑向内径向排水固结。

第一级容许荷载P1=42.83kPa（堆载厚度H1=2.52m）作用下地基最终沉降量S1=0.65m。达到90%固结度时的沉降量S1′=0.59m，提高后的地基不排水抗剪强度Cu1=15.12kPa，所需时间计算（此处忽略竖向排水引起的固结度）：

ThCht 2den23n21 F(n)2ln(n)2n14nUr1e dne=23.8

D8ThF(n)t1=0.273yr=3.28mo

重复以上计算，结果列于表3。

表3 简化法计算固结沉降量 荷载级数123新增总下一层新增压力P压力P42.83107.54211.7642.8364.71104.22Ch=Cv分层固不排水抗剪据U=90%和累计固结分层加载土加载土层结时间强度Cun=23.8查得Th时间t层高度h总高度ht110.0015.1124.3333.960.6940.6940.6940.2730.2730.2730.2730.5460.8182.523.816.132.526.3312.46  由表3可知，加三级荷载共12.46m厚，大于7.0m（厂平要求需达到的计算回填厚度）和1.50m（最终沉降量）之和。按最终回填厚度8.50m计算的抗剪强度Cu=29.64kPa。  在插打塑料排水板的情况下，分三级加荷，总堆载高度8.50m，经过0.82年，沉降量

为1.50m，固结度达90%，地基的抗剪强度可由原来10.0kPa的提高到29.64kPa。 4.4改进高木俊介法计算

改进高木俊介法计算是地基处理规范推荐采用的方法。塑料排水板的形式和布置如上所述，考虑分级等速加载的条件下，t时间对应总荷载的地基平均固结度Ut：

6.316.316.31UttTT TTeeeii1i1pi——第i级荷载的加载速率； 式中：qp——各级荷载的加载速率；

niqii1- 5 -

Ti、Ti1——分别为第i级荷载加载的终止和起始时间（从零点起算）。

采用改进高木俊介法计算固结沉降量的结果列于表4，相应的地基承载力安全系数如表5。

表4 改进高木俊介法计算固结沉降量 荷载分级堆载高度（m）基底压力（kPa）荷载起止时间（d）当前总荷载下相应的固结度（%）考虑井阻等折减平均固结度（%）当前总荷载下相应固结沉降量(m)当前总荷载下最终沉降量(m)12.542.502538.5%36.6%22.542.513015594.6%89.9%32.542.52352604117.032533537067.8%95.0%77.6%95.1%88.0%94.7%64.4%90.2%73.7%90.3%83.6%90.0%0.841.161.141.581.251.740.500.69表5 施工期加载地基承载力安全裕度 分级荷载地基极限承载力(kPa)附加应力(kPa)最小安全裕度151.4042.501.21293.3285.001.1034127.23149.79127.50144.501.001.04 虽然上表中地基承载力的最小安全裕度偏小，最低值为1.0，但考虑到大面积的回填区，由于土层的相互镇压作用，地基不会滑动。且该值是一个瞬时值，由于塑料排水板良好的排水作用，孔隙水压力消散较快，地基土固结，相应的承载力也会增长。所以，有理由认为地基是安全的。

4.5两种计算方法的总结和比较

采用简化方法与按规范所用的计算结果两者基本一致，如表6所示。

表6 简化方法与规范推荐方法计算结果比较 项 目 简化方法 规范推荐方法 达90%固结度时间 （天） 300（三级） 370（四级） 最小安 全系数 1.2 1.0 加 载 方 式 分级瞬时 分级等速 最终沉降 （m） 1.50 1.74 4.6堆载方案 根据工程地质条件和回填后场地的用途不同，堆载回填区分成三类：承载回填区、控制回填区、一般回填区。承载回填区作为建筑物、构筑物承载地基的回填，如T1-2区。控制回填区作为施工现场区域、施工临建区及设备材料堆场的回填，需进行地基处理的T2-1-2和T3-2属于该区。一般回填区为备用场地的回填，主要是不须进行地基处理的区域。

堆载均采用开山石料回填，填料级配要求良好，粗石料中最大块体尺寸为500mm，且不超过每层铺设厚度的2/3，石料中500mm块石体积含量不大于20%，回填时要分散布置。T1-2承载回填区压实系数为0.92～0.95，T2-1-2和T3-2控制回填区压实系数为0.9～0.92。

地基处理区采用塑料排水板堆载预压法处理软土地基，最大堆载高度按8.5m考虑（其中包括回填厚度7m和地基沉降1.5m），分四级加荷，加载厚度分别为2.5m、2.5m、2.5m和1m。加载历程见图2，施工加载计划的每一级之间的时间差均可满足土石方开挖施工进度的要求。第一级堆载厚度包括了0.8m碎石滤水垫层。为了便于施工操作，每级又可分2层回填，但每层回填高度不能太大，约1~1.5m。只有第一级全部填完才可开始填筑第二级。两级之间在同一固定区域的回填时间差应大于4~5个月。对回填厚度较小的区域，最后一级回填高度须根据场地自然标高和要求的厂平标高且考虑了回填沉降和找平设计的需要确定。但分级回填荷载的高度仍受2.5m的限制，分级间隔时间也需满足。

图2 加载时间历程

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属于承载回填区的T1-2区顶部1.5m的范围，距建筑物周边1m以内，不得有粒径超过100mm的石块；距建筑物5m内，粗石料回填层每层铺筑厚度为0.75m，并将超过500mm粒径的石块去除。 5地基处理施工要求

回填施工过程中应符合下列要求：

 鱼、虾塘内的水应提前排干，并清除表面的淤泥和杂物。在稳定山坡上填方，应清除

基底上的植被。

 填方施工应接近水平地分层回填和压实，在检验其压实系数和压实范围符合设计要求

后，才能进行上层填筑。

 按滩涂场地自然坡度，以各施工分区为单元进行场地整平，按10m×10m的方格网验

收，整平后的加固区内地面高差在±20cm以内，整平材料为碎石。

 碎石垫层含泥量小于3%，渗透系数不小于1×10-2cm/s。对于塑料排水板要求竖向排

通量＞40×10-6m2/s，排水板的滤膜要求采用中长或长丝无纺布，渗透系数＞2×10-2cm/s，有效孔径＜0.006mm，采用自动和粘胶自动包装。

 0.8m厚碎石垫层须采用颗粒级配良好且粒径≤50mm的碎石或卵石。

回填前，应对填方基底和已完隐蔽工程进行检查和中间验收，并作好记录。在下层密实度经检验合格后，方可进行上层施工。

不合适的材料禁止用于堆载回填，包括：泥炭、木材、有机物及易腐烂的材料；易自燃的材料；液限超过80以及塑性指数超过55的粘土、泥浆；含水量大于规范中此种材料允许最大值的材料。

如果恶劣的天气条件影响回填的质量，应中止回填，施工单位安排的临时排水系统或沟坑都应在工作完成后除去。

在工程回填压实之前，施工单位应选取有代表性的小区，根据以往的工程经验，选取对应的施工机械，把经级配试验确定的级配回填料层厚、含水量、碾压遍数、碾压速度等作为参数，进行试验，找出最符合设计要求的合理参数。 6现场试验监测

为了确保排水固结法在软弱地基处理中达到预期的效果，监测施工过程中地基的变形和固结情况，及时控制加载速率和进程，防止地基的剪切破坏和滑动，保证施工安全及施工质量，必须在现场对地基的变形、固结、强度增长等进行现场监测与分析，并为今后设计地面建筑物提供必要的地基参数，以满足设计要求。

现场试验监测的主要内容有：

 基底沉降：采用沉降板上接双套管，按四等水准测量的标准进行测量。约每10000m2

布置1只沉降板。

 地基孔隙水压力：采用钻孔预埋钢弦式孔隙水压力计并用频率仪测量。约每20000m2

布置1组孔隙水压力测点，每组沿深度布置，监测采用塑料排水板处理后地基的超静

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   

a) b) c) d)

孔隙水压力的消散及地基的固结情况。

地基分层压缩变形：采用预埋分层沉降测管及磁性环，用电磁式沉降仪进行观测。约每30000m2布置1只分层沉降测孔，以了解各土层的变形与固结情况。

地基侧向位移监测：采用预埋测斜管，用测斜仪进行测量。在处理区外布置侧向位移测孔，同时监测回填石料对海堤的影响。

现场十字板及取土试验：采用预埋十字板孔用现场十字板剪切仪进行测试。约每30000m2布置1组十字板试验预留孔。沿深度每隔约1.0m剪切试验一次。

现场载荷板试验：载荷板面积2m2，约每30000m2布置1点现场载荷板试验，检测回填后的基础承载力。

根据现场试验监测的内容，提出相应的控制标准：

在排水碎石垫层上设置的沉降观测点沉降速率Smax值控制标准：[Smax] ≤10mm/d； 在距离堆载坡脚外1m处设置的边桩的侧向水平位移速率Mmax值控制标准：[Mmax] ≤4mm/d；

在地基中不同深度处埋设的孔隙水压力计的超静孔隙水压力系数Af值控制标准：[Af] ≤0.6；

其他监测项目控制标准：数值不出现急剧变化。

在施工期间，若上述控制标准中有一项标准未达到要求，应立即停止填筑。

7结论及建议

根据类似工程的监测经验，经塑料排水板堆载预压处理，明显地改善了软土层的排水固结过程，使得整个工程得以顺利进行。在回填层荷载的作用下，地基土的超静孔隙水压力不断消散，地基土承载力不断提高。软弱土层的影响深度主要与上覆荷载及排水板的处理深度有关，从分层沉降、孔隙水压力及水平位移的测试成果看，主要影响深度在排水板处理深度范围内，对排水板以下地层的影响则较小，土的物理力学指标也从淤泥变成为粘土。

场地内地基土经排水固结处理后在两年的施工期内主固结沉降将完成或接近完成，但由于软土地基的次固结特征比较明显，次固结变形将是长期的，建议所有在软土地基上的建筑物均应按规定设置永久沉降观测点，定期观测，根据建筑物的变形情况，推算建筑物的次固结变形发展规律，防止建筑物出现险情。

三门核电站本作安全、经济的原则采用排水固结法对地基进行处理，既节省投资，又满足了施工工期紧迫的要求。塑料排水板的施工方便快速，在缺乏砂源的地区相对价格便宜，且施工工艺成熟，效果显著而得到广泛的应用。三门核电站的排水固结法地基处理方案经过专家组的多次评审，得到专家们的充分肯定，认为该方案较突出地考虑了方案的可行性、经济性和施工的可行性：根据工程地质条件及场地使用的要求，分区基本合理；技术可靠，经济合理；回填要求可行，在大面积的开挖回填中将发挥良好的作用。 参考文献 1. 2. 3. 4. 5.

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