袋装砂井在软土地基工程中的使用

【内容提要】 【关键词】

一、工程概况

我国东南沿海和内陆地区广泛分布着海相、河相以及湖相沉积的软弱地层，其工程地质特征为地下水位高、含水量大、孔隙比大，压缩性高，地质松软，地基承载力低等，在路基恒载和汽车活载的共同作用下会产生相当大的沉降和沉降差，而且沉降的延续时间长，影响公路的正常使用。软弱地基通常需要采取处理措施，袋装砂井加固软土路基是有效方法之一。

袋装砂井加固软土地基的基本原理是：根据巴伦固结理论，粘性土固结所需时间与排水距离的平方成正比，与土的渗透系数成反比。砂井是人为地形成排水信道，缩短排水距离，同时使垂直排水固结变成水平排水固结，加快排水速度，提高软土固结速度，从而达到加快加速土体的固结沉降，提高土的抗剪强度的目的。由于普通砂井在施工过程中，容易产生缩颈，砂不易密实，以及砂井在施工挤压及承载工作阶段，地基的剪切变形可能使砂井切断。且用砂量大，材料及施工费用高，故逐步应用袋装砂井及塑料排水板代替，近十几年来袋装砂井在国内外得到广泛的发展应用。

二、袋装砂井的设计原则

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袋装砂井的直径，间距和长度，应根据工程地质条件，荷载的大小，工期对固结度的要求，允许的剩余沉降大小等，通过固结理论计算进行确定。

2-1直径和间距

根据固结理论，缩小砂井间距比增大砂井直径能使加固效果更加显著，设计时采用“细而密”的方案，比“粗而疏”的方案效果好。一般袋装砂井直径选用7cm，井距一般为1.0~2.0m，相当井径比15~30，砂井长度大于20m时，宜采用直径10cm的砂袋。

2-2 砂井深度

砂井的深度是软土层排水固结效果决定因素之一，而排水固结效果与固结压力的大小成正比，当地基深处的附加应力很小时，砂井的作用就很小了，故砂井有一个最佳有效长度，对于以地基的稳定性为控制的工程，如路堤等，以滑弧稳定分析来确定砂井深度，砂井深度以超过最危险滑弧深度为好。

2-3 砂井平面布置及砂垫层

砂井平面布置一般采用等边三角形和正方形两种形式。三角形布置比正方形排列紧凑，采用较多。砂井的布置范围，一般比路堤范围宽一些为好，这是因为路堤以外一定范围内地基仍然产生由于路堤荷载作用而引起的压应力和剪应力，路堤以外的地基土如能加速固结对提高地基的稳定性和减小侧向变形以及由此引起的沉降是有好处的。

为了保证袋装砂井内渗流出来的水能够顺利[排出，在砂井顶部一般铺设30~60 cm厚的砂垫层，袋装砂井伸入砂垫层内。砂要求用中粗砂，

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含泥量小于3%。

当加固面积较大时，需设置纵横盲沟，在纵横盲沟交叉设排水井，用水泵排水。砂垫层的边部用干砌片石，以利排水和防止砂垫层的砂流失。加固区应有排水沟，构成较完整的排水系统。在加固软土地基工程中保证排水体系畅通是软基处理的关键。

2-4 袋装砂井处理软土地基的沉降和固结计算

砂井地基的设计主要的条件是路堤的允许剩余沉降量并在一定时间内地基达到一定的固结度。为满足这两个条件，要安排合理的砂井间距，以 沉降和固结度计算用来较核假定砂井间距是否能能满足这两个条件。

砂井设计要有详细的地质资料，和各种分析资料，1、地层状态，软土层的厚度及透水层的位置；2、各土层抗剪强度与不同深度的变化；3、固结试验；测定固结试验荷载与孔隙比的关系（e-p）曲线和固结系数Cr、Ch； 4、地基土的各种物理试验指针。

2-4-1 沉降计算

沉降计算一般应用单向压缩分层总和法，按e-бe曲线计算，将地基分成若干薄层，如分为n层，其中第i层的压缩量为：

△Si=(e0i-e1i)/(1+e0i) * △hi 总压缩量为： S0=∑△Si

式中：e0i ——第i层中点土自重应力所对应的孔隙比

e1i ——第i层中土的自重应力和附加应力之和相对应的孔隙比

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△ hi —— 第i层的厚度

2-4-2 固结度的计算

当地基中打设砂井时，砂井地基固结属于三向固结问题，求解是可分成垂直固结和径向固结两种状态来研究。三维固结方程为：

u/t = Cr×2u/Z2 ＋Cn(2u/r2＋1/r＋u/r)

式中表示每个砂井范围内任一点(z , r)在任意时间t的孔隙压力微分方程，上式又可分解为：

u/t = Cr×2u/Z2 -------------------（1） u/t = Cn (2u/r2＋1/r＋u/r) -------------------（2） 式（1）为竖向排水固结式，式（2）为径向排水固结式。

三、袋装砂井加固软土地基的试验分析

施工时为了检验砂井加固效果，应对被加固软土地基的变形，孔隙水压力及加固后地基的物理力学指针变化进行观测试验，从有关资料分析表明，袋装砂井加固软土地基效果是显著的，验证其固结理论是正确的。

从水平位移观测中发现，加载后地基水平位移较大，为了考虑侧向位移的影响，沉降计算采用三维沉降固结理论，固结度采用改进的高木俊介法，其计算结果与实测的结果进行比较，二者吻合较好，计算成果为今后软基设计提供了可靠的理论依据。

3-1 计算方法

3-1-1 三维沉降固结理论

地基的最终沉降量，通常采用分层总合法进行计算，该方法通过假定

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地基土体压缩时不允许侧向变形，即采用完全侧限条件下的压缩指针，当预压荷载底面以下地基可压缩层较薄且地基下为不可压缩的地层时，由于基底摩阻力和表层层面的摩阻力对可压缩土层的，土层压缩时只出现很少的侧向变形，因而认为它与压缩仪中土样的应力和试验条件很接近，在这种情况下计算出的沉降才能和实际情况相吻合。

实际上，大多数地基的可压缩土层很厚，尤其是软土地基，在预压荷载作用下会产生较大的侧向变形，在这种情况下计算沉降，计算结果一般要乘以沉降计算的经验系数，由于各地区地层情况复杂，当缺少临近地区沉降观测资料时，很难使得计算结果与实际情况相吻合。

采用压缩指数法计算最终沉降，其计算结果较接近实测值，但是它没有反映土层的次固结沉降和侧向位移，以及路基的超填土，再加上室内土工试验精度要求较高，在我国并不常用。

三维沉降理论最早由美国斯坦布列诺（W.steinbrenner）等提出,我国黄文熙教授作了改进,使计算工作大大简化,该理论考虑了土体侧向变形的影响。

三维沉降理论的基本公式如下式：

S = ∑(1－μ)/(1－2μ)[б2i－μ/(1＋μ) × Hi] ×бi/(1+ei) ×Hi 式中： S —— 最终沉降量 μ—— 各土层的泊松比 H —— Z方向土层计算厚度 3-1-2 固结度计算

固结度计算采用改进的高木俊介法进行计算，此方法根据巴伦的理论

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解，考虑变速加荷时地基在水平和垂直向排水固结条件，推得平均固结度计算公式，其优点是，无须先计算瞬时外荷载条件下的固结度，再根据荷载情况修正，而是两者合并计算出修正后的地基平均固结度。

其计算公式从略。

四、施工工艺和质量保证

首先对原材料：砂、编织袋检验必须满足施工规范要求。在施工中还要保证垂直度，平面误差，置入深度，控制回带范围等，特别是袋装砂井如何保证密实度而不致发生颈缩和顶断现象，是至关重要的。尤其是用湿砂灌袋时，经过曝晒后砂袋置入孔穴时就有可能产生颈缩或顶断，影响竖向排水效果。目前通常采用机械灌砂和人工补灌相结合，用称重方法检查，对于直径为7cm的砂袋，干重大于n/m为好。

袋装砂井施工中，多少都存在回带现象，一般控制回带范围小于50cm，施工只特别要注意打设深度及减少回带现象。施工前要进行试打桩，取得实际资料，在今年芜宣路的施工中，就遇到这样的问题，经过和设计院协商，减少了置入深度，加快了施工进度。

砂井在打设过程中对土体的扰动主要是有两个方面的原因，一是成孔时套管压入土中时，孔壁周围的土被挤压和剪切。二是套管通过土层时，套管上的粘土带上，在通过砂和粉砂层时抹在孔壁上，由此使孔壁周围的土的渗透系数降低，尤其是后者的影响比较大，从而减慢了排水速度和减少了土体固结速度，降低了砂井的效果，这种对土的扰动被称为“涂抹效应”。所以在相同直径的袋装砂井的情况下，减少成孔直径，以减少对孔

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壁的挤压，可减少涂抹效应的影响。在施工中一般成孔外径在107mm以内。

排水固结法加固软土地基常用的施工机械有静压和振动两大类，由于需要在软基上 施工，因此要求施工机械有较小的接地压力，一般采用宽带式行走底盘，较为方便，在特别松散的场地上施工时更为重要。

施工工艺流程图： 测机拔置成移量架入套放定孔砂 线 位 袋管机 砂垫 层铺 设 砂袋检查砂质检查灌制砂袋质量检查运到孔口袋口检查处理 质量检查贯穿全过程，落实到工序中 袋装砂井在软基处理中只是其中的一种方法，从设计到施工，尚有些问题，如涂抹效应、回带现象等，还需要进一步研究和完善。在施工过程中，要加强质量保证体系。软基处理对整个路基的质量影响极大，稍一疏

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忽，就会造成大的工程质量事故。施工操作人员和质检人员要有很强的责任心，项目部要有相应的制度做保证。

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