An unfunctional case of vertical drains-reinforced soft foundation
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摘要: 台湾高速公路匝道路堤（10 m高）工程,由于基础为软弱土层（N63.5<1）,特选择塑料排水板加固工法。该路堤底层共使用3层土工布为分隔层。由于导管无法穿过第一层上方厚1.5 m的碎石层,因此务必先行引孔（直径200 mm）始能插入排水板,本案共打设900余孔。监测系统包括测斜管、分层沉降仪、水位计、孔压计等。路堤填筑过程中侧向位移（垂直于填筑路堤）持续扩大（于填筑至7.0 m时已超过200 mm）,相关监测数据分析比对以及现地坡趾侧向排水沟陆续产生裂缝的现象,推论因排水板未能有效发挥功能,填筑路堤造成软弱基础土层向外（临农路侧）推挤。因此,研究的阶段性结论要求立刻停止施工,并对现况的稳定性进行分析时亦应纳入土工布的短期加筋效果并提供有效应急处置对策,以顺利完成后续填筑工作。Abstract: The vertical drains (VD) of ground reinforcing method is used for the very soft foundation of highway new ramp projects in Taiwan. The total lift of embankment is up to 10 m, and three layers of woven fabrics are used in the base of embankment. It is found that the mandrel can not insert through the 1.5 m-gravel layer above the first layer of woven fabric. Therefore, pre-bored holes are used to install VD, and a total of 900 pre-bored holes (20 cm in diameter) are made. These pre-bored holes may cause the loss of confining effect, and the excess pore pressure is found to be not built up with each lift of embankment. Based on the series of monitoring data and the cracks found in the side drainage trench adjacent to the dike toe, it is considered that probably the installed VD behaves with poor performance. Consequently, it may result in the lateral squeezing of the mud waves and pushing outward. Through the rigorous analysis at the stage of 7 m-lift constructed, the conclusion is strongly called to stop the lift works. The further analysis is strongly requested for the short-term reinforcement function provided from woven grotextile at this stage of embankment. The emergency action needs to be engaged for on-going 3.0 m-embankment, plus 2.0 m-preloading surcharge.
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Keywords:
- ground improvement /
- reinforcement /
- consolidation /
- soft soil /
- vertical drain /
- woven geotextile
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1. 工程概况
本工程为某道路5号桩29K+900 m—31K+000 m段软土地基加固,设计要求增设上下匝道,并移设北上出口匝道。大部分路基为软弱土层,设计选用塑料排水板加固,其打设深度10 m。路堤设计填方高度自桩号4K+280.5 m处的11.50 m缓降至桩号4K+380 m处的8.65 m,路堤顶部宽为10 m,路堤边坡为1∶1.5。
依据钻探试验报告路堤北侧钻孔BH-1—BH-3、BH-7—BH-8,路堤地基土层分布：土层深度0.0～-6.0 m为OH层,N63.5<1,非扰动土样尖峰剪力强度为0.15～0.23 kPa,地层渗透系数为1.06×10-4～1.32×10-6 cm/s；土层深度-6.0～-20.0 m为SM层,N63.5>10。各土层物理力学性质见表1,钻探点位见图1。
表 1 各土层物理力学性质Table 1. Physical and mechanical properties of foundation soils土层深度/m 干密度ρd/(g·cm-3) 黏聚力c/kPa 内摩擦角φ/(°) 含水率w/% 孔隙比e GL.0.0~-3.0 1.503 0.15 0 180~75 2.2~1.2 GL.-3.0~-4.5 1.522 0.23 0 75~45 2.2~1.2 GL.-4.5~-6.0 1.779 0.23 0 45~30 2.2~1.2 GL.-6.0~-20.0 2.300 0.10 0 <30 1.3~0.7 由于塑料排水板打设设备重达80 t,因此设计方建议在第一层土工布（规格如表2所示）上方填筑1.5 m厚的碎石层以利于机具施工。第二层土工布上方填筑1 m厚的回填土层。第三层土工布上方填筑0.5 m厚的砂层。但因塑料排水板（规格如表3所示）打设中静压驱动导杆无法穿透1.5 m厚碎石层[1-2],故需预先在碎石层打设引孔（直径20 cm）。塑料排水板的打设排列形式为三角形排列见图2,其中S=1.5 m。
表 2 土工布规格Table 2. Specifications of woven geotextile项目 材料性质 试验规范 材料种类 聚丙烯 — 极限张力强度/(kN·m-1) >70 ASTM D 4595 延伸率/% <17 ASTM D 4595 透水系数/(cm·s-1) >1×10-2 ASTM D 4491 表 3 排水板规格Table 3. Specification of VD项目 材料性质 试验规范 材料厚度/mm 5 ASTM D 5199(P=2 kPa) 整体抗拉降服强度/N >200 ASTM D 4595 整体抗拉伸长率/% 达降服强度前伸长率>20 ASTM D 4595 纵向排水量/(cm3·s-1) >20 ASTM D 4716（i=1） 外围滤层透水系数/(cm·s-1) >1×10-2 ASTM D 4491 外围滤层抗拉降服强度/N >60 ASTM D 4595 外围滤层抗拉伸长率/% 40~100 ASTM D 4595 外围滤层撕裂强度 25(kg·f) ASTM D 4533 注： 1 (kg·f)=9.8 N。2. 监测设置
为控制路堤填筑速度、掌握塑料排水板加固效果[3]以及通车后的路堤稳定安全性状,设置安全监测系统及时分析评估。依据监测结果提出建议调整路堤填筑施工内容与进度,控制施工期路堤填筑速度和路堤沉降发展。安全监测系统包括测斜仪、分层沉降计、水位计、孔隙水压力计和裂缝观测玻璃片。监测仪器数量、编号与监测频次见表4。监测平面布置图和两组剖面布置图,见图3～5。
表 4 安全监测系统配置Table 4. Configuration of monitoring system编号 监测仪器 监测频次 S1~S3 沉降板 每周一次 I1~I5 测斜管 每周两次 W1~W4 孔隙水压力计 每周两次 D1~D4 分层沉降仪 每周两次 l1~l4/L1~L6 裂缝观测玻璃片 两周一次 3. 监测成果
3.1 地基土体中心区域沉降
施工期填土高度与各沉降板测得沉降的填土高度与施工过程线如图6所示,可以看出,桩号4+335 m处沉降板“S2”的沉降明显异于其他两处,呈现沉降速率较大。桩号4+310 m处与桩号4+360 m处沉降板测得在引孔时沉降量快速增加,在排水板打设后却无特别反应（即沉降没有明显加速）。
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图 6 施工期沉降测读与填土高度Figure 6. Measured settlements and embankment heights during construction period3.2 地基土体水平位移
从桩号4+360 m断面I-4测斜管的监测土体水平位移如图7所示,可以看出,在高程0 m,即路堤与软弱土层交界处附近,A轴方向（垂直车行方向）最大水平位移量为+150 mm,在B轴方向（沿车行方向）最大水平位移量达-55 mm；路堤有向外侧明显推挤位移,侧向水平位移远大于车行方向水平位移,前者约为后者的3倍。
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图 7 测斜管I4在桩号4+360 m处测得的地基土体水平位移Figure 7. Measured horizontal displacements from inclinometer “I4” at section of 4 + 360 m3.3 地基土体分层沉降
地基土体不同深度的沉降以分层沉降仪D3的结果（如图8,9所示）最为完整（施工中无受损状况）,从中可以看出,EL.0.0m以上,各层磁环随着路堤填筑高度的增加呈现明显的沉降（沉降为负值）,但是EL.0.0 m以下各层磁环转为隆起（隆起为正值）,EL.-5.4 m处的最大隆起值约为+20 cm。由图9可见EL.-0.4 m土层以下均持续产生隆起增量,情况实属紧急。根据本阶段研究分析结果,填土高度7 m时暂停填筑施工。
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图 8 分层沉降仪D3在4+360 m处各磁环埋置高程（深度）Figure 8. Elevations (depth) of each cell along continuous settlement rod D3 at section of 4 + 360 m![]()
图 9 分层沉降仪(D3)在4+360 m处各深度测值与路堤填筑高度的关系Figure 9. Relationship between reading（D3）of each settlement cell and embankment height at section of 4+360 m综上所述,均发现在路堤填高过程中地基土层产生的明显水平位移和隆起,似乎没有产生地基土体固结沉降现象。为确认此观察结果,下面特针对孔隙水压力的监测结果作进一步分析。
3.4 孔隙水压力
孔隙水压力计布置于填土剖面近中央区厚度较高处,为评估区域孔压消散影响范围。每处钻孔深度至填土面下方3 m位置配置1组孔压计。配合孔位上方填土作业进度逐阶续接讯号缆线,孔位相邻周遭填土采用人工压实,防止监测仪器损坏。
W1孔压计监测结果如图10所示,可以看出,填筑高度约3 m时,孔隙水压力起始读数约为10 t/m2。此较高值乃是引孔机具开始施工的超静孔隙水压力。一开始钻掘引孔,超静孔压立即消散,并非排水板加速消散行为。土层围束效果因引孔完全丧失,可能导致泥浆四处窜流现象。而后的孔压读数趋于稳定,均约为5 t/m2。在紧急停止填土时加密测读次数（1次/d）,其值仍无任何变化。孔压无激发无消散的现象是排水板工法不可能发生的,其读值亦与地下水位变化无任何关联。此分析更反映了引孔令土层围束效果丧失,排水板工法失效。
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图 10 孔隙水压力计(W1)在桩号4+360 m处测值与路堤填筑高度的关系Figure 10. Relationship between reading (W1) of pore pressure and embankment height at section of 4+360 m4. 加固失效状况
为进一步掌握前述四项监测结果可能揭示的填方失稳现象,特别将工地观察的现况细节分两点陈述如下：
（1）如图11所示,路堤中央土工布回包层搭接处有扯脱、撕裂等现象发生。
（2）边沟发现多处裂缝,因此利用玻璃片,覆盖于裂缝两侧以观察裂缝的变动,当裂缝有任何变化,玻片会立即随之破裂,或被动开裂,或剪切断裂。这简易的观测辅助系统,有效地提供了裂缝变化的讯息,进而可推估沿土堤边坡侧挤的现象或征兆。详细点位分布见表5和图12,裂缝简易检视玻璃片及其破坏现象见图13,14。
表 5 玻璃片编号与设置点位Table 5. Marked No. and location of slide glass玻片编号 设置点位 L1 4+287 m L2 4+288 m L3 4+303 m L4 4+310 m L5 4+346 m L6 4+350 m l1 4+289 m l2 4+291 m l3 4+292 m l4 4+293 m ![]()
图 14 裂缝扩张造成的玻璃片张力破坏现象Figure 14. Observed tension failure of the slide glass cause by crack Opening5. 加固失效综合分析
为有效掌握施工现场的加固失效情况,结合沉降数据及土工布回包重迭扯脱现象,进一步对前述监测成果进行推演与仿真探讨,对现场固结失效进行多方面比对分析。
（1）位置推估,引孔的打设（D=20 cm）与土工布扯脱造成碎配层砾石大量落入软弱土层,造成测沉板沉陷量异常。由于路堤两端有箱涵束制,因此4+335 m处成为沉陷明显处,详见图6中沉降板S2的异常沉降。
（2）由第一点推论结合孔隙水压力计数据分析成果推估,引孔的施打使土工布丧失“分隔功能”,导致加载时软弱土层中的泥浆流窜,超静孔压没有明显上升与消散行为,塑料排水板加速固结作用并不明显。因此只能将土工布层视为暂时性的“加筋层”。
（3）由第一点推论结合测斜管与分层沉降仪数据分析成果推估,碎配层的砾石因土工布搭接扯脱而陷落于软弱土层,并将其向侧向推挤,形成泥波导致软弱土层隆起。图15～17为泥波影响测斜管与分层沉降仪示意图。
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图 15 泥波影响测斜管示意图Figure 15. Schematic diagram of inclinometer displacement affected by mud waves![]()
图 16 泥波影响分层沉降仪示意图Figure 16. Schematic diagram of movement of continuous settlement cells affected by mud waves![]()
图 17 综合泥波影响测斜管与分层沉降仪示意图Figure 17. Schematic diagram of movement of inclinometer and continuous settlement cells with integrated mud wave effect（4）由第二点推论结合边沟的多处裂缝与软弱土层被挤出地面推论,路堤填筑有如图18所示[4]的可能发展现象,此为塌陷侧向挤出破坏。因西侧旧有国道提供围束,所以塌陷往东侧（临农路侧）发展。
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图 18 路堤塌陷侧向（临农路侧）挤出破坏Figure 18. Mud waves caused by lateral squeezing effect of embankment movement (at side drainage ditch)在此阶段的多项证据拼图分析的结论如下：
（1）引孔的打设使土工布丧失分隔的功能,从监测数据中看不到超静孔压的激发与消散,导致塑料排水板的成效不足。
（2）土工布回包处的扯脱与破坏,令碎配层的砾石陷落软弱土层中,导致塑料排水板打设区域的中间部分产生快速沉降,可能形成塌陷破坏。
（3）边沟裂缝的持续产生,间接验证了路堤向两侧塌陷,边沟持续受侧向力挤压。
（4）由于塑料排水板的功能未完全发挥,加速固结的效果与评估分析已不具意义。
（5）对该填筑路堤的稳定性分析时,不仅要考虑软弱土层部分程度固结后的强度,亦应对土工布的暂时性加筋效果进行评估。
6. 结论与建议
（1）立即停工（填土高已接近7.0 m）,检讨并提出应急方案。
（2）依据上述结论,本案使用土工布的抗拉强度为70 kN/m,远大于要求。因此若考虑引孔导致了土工布的强度折减,仍可将此分隔土工布层视为暂时性的“加筋层”。
（3）路堤填方有侧向挤出的趋势,并向塌陷破坏模式发展。根据边沟裂缝产生的位置推估,在土工布回包处未呈现扯脱破坏的区段中,其填方荷重集中推挤排水沟造成裂缝,因此需做土工布加筋暂时性的成效检核分析。
（4）所有分析应采取较保守方式为之,尤其软弱土层的强度亦应考虑加速固结效果未能呈现的方向多做评量。
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图 6 施工期沉降测读与填土高度
Figure 6. Measured settlements and embankment heights during construction period
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图 7 测斜管I4在桩号4+360 m处测得的地基土体水平位移
Figure 7. Measured horizontal displacements from inclinometer “I4” at section of 4 + 360 m
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图 8 分层沉降仪D3在4+360 m处各磁环埋置高程（深度）
Figure 8. Elevations (depth) of each cell along continuous settlement rod D3 at section of 4 + 360 m
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图 9 分层沉降仪(D3)在4+360 m处各深度测值与路堤填筑高度的关系
Figure 9. Relationship between reading（D3）of each settlement cell and embankment height at section of 4+360 m
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图 10 孔隙水压力计(W1)在桩号4+360 m处测值与路堤填筑高度的关系
Figure 10. Relationship between reading (W1) of pore pressure and embankment height at section of 4+360 m
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图 14 裂缝扩张造成的玻璃片张力破坏现象
Figure 14. Observed tension failure of the slide glass cause by crack Opening
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图 15 泥波影响测斜管示意图
Figure 15. Schematic diagram of inclinometer displacement affected by mud waves
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图 16 泥波影响分层沉降仪示意图
Figure 16. Schematic diagram of movement of continuous settlement cells affected by mud waves
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图 17 综合泥波影响测斜管与分层沉降仪示意图
Figure 17. Schematic diagram of movement of inclinometer and continuous settlement cells with integrated mud wave effect
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图 18 路堤塌陷侧向（临农路侧）挤出破坏
Figure 18. Mud waves caused by lateral squeezing effect of embankment movement (at side drainage ditch)
表 1 各土层物理力学性质
Table 1 Physical and mechanical properties of foundation soils
土层深度/m 干密度ρd/(g·cm-3) 黏聚力c/kPa 内摩擦角φ/(°) 含水率w/% 孔隙比e GL.0.0~-3.0 1.503 0.15 0 180~75 2.2~1.2 GL.-3.0~-4.5 1.522 0.23 0 75~45 2.2~1.2 GL.-4.5~-6.0 1.779 0.23 0 45~30 2.2~1.2 GL.-6.0~-20.0 2.300 0.10 0 <30 1.3~0.7 
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表 2 土工布规格
Table 2 Specifications of woven geotextile
项目 材料性质 试验规范 材料种类 聚丙烯 — 极限张力强度/(kN·m-1) >70 ASTM D 4595 延伸率/% <17 ASTM D 4595 透水系数/(cm·s-1) >1×10-2 ASTM D 4491
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表 3 排水板规格
Table 3 Specification of VD
项目 材料性质 试验规范 材料厚度/mm 5 ASTM D 5199(P=2 kPa) 整体抗拉降服强度/N >200 ASTM D 4595 整体抗拉伸长率/% 达降服强度前伸长率>20 ASTM D 4595 纵向排水量/(cm3·s-1) >20 ASTM D 4716（i=1） 外围滤层透水系数/(cm·s-1) >1×10-2 ASTM D 4491 外围滤层抗拉降服强度/N >60 ASTM D 4595 外围滤层抗拉伸长率/% 40~100 ASTM D 4595 外围滤层撕裂强度 25(kg·f) ASTM D 4533 注： 1 (kg·f)=9.8 N。
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表 4 安全监测系统配置
Table 4 Configuration of monitoring system
编号 监测仪器 监测频次 S1~S3 沉降板 每周一次 I1~I5 测斜管 每周两次 W1~W4 孔隙水压力计 每周两次 D1~D4 分层沉降仪 每周两次 l1~l4/L1~L6 裂缝观测玻璃片 两周一次
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表 5 玻璃片编号与设置点位
Table 5 Marked No. and location of slide glass
玻片编号 设置点位 L1 4+287 m L2 4+288 m L3 4+303 m L4 4+310 m L5 4+346 m L6 4+350 m l1 4+289 m l2 4+291 m l3 4+292 m l4 4+293 m
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[1] FHWA . Prefabricated Vertical Drains, “Vol. I: Engineering Guidelines”[M]. Washington D C. 1986.
[2] JAMIOLKOWSKI M B, LANCELLOTTA R, PEDRONI R, et al. Prefabricated Vertical Drains: Design and Performance[C]//CIRIA Ground Engineering Report: Ground Impro Vement, 1991, London.
[3] CHANG DAVE T, LIAO T J C, LAI S P. Laboratory study of vertical drains for a ground improvement project in Taipei[C]//Fifth International Conference on Geotextiles, Geomenbranes and Related Products, 1994, Singapore.
[4] DAS Braja M. Advanced Soil Mechanic Fifth Edition[M]. Boca Raton: CRC Press, 2019.
[5] FHWA . Geosynthetic Design &Construction Guidelines Reference Manual[M]. Mclean: Turner-Fairbank Highway Research, 2009.
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期刊类型引用(10)
1. 裘友强，张留俊，刘洋，刘军勇，尹利华. “双碳”背景下公路软土地基处理技术研究进展. 水利水电技术(中英文). 2025(01): 113-131 . 
百度学术
2. 徐方，吴其长，门小雄，杨俊芳，彭扬发，解裕荣，杨奇. 堆载预压下塑料排水板地基的侧向变形预测方法. 铁道科学与工程学报. 2025(01): 416-428 . 百度学术
3. 邓尚强. 滨海软土地基塑料排水板堆载预压处理效果分析. 铁道建筑. 2025(03): 126-133 . 百度学术
4. 钟振宇，肖杨. 海堤提级加固工程设计实践. 陕西水利. 2024(12): 79-81 . 百度学术
5. 刘运兴，杨永民，杨智诚. 塑料排水板堆载预压技术处理软土路基变形特性研究. 广东土木与建筑. 2023(02): 23-26 . 百度学术
6. 王晓飞. 道路工程深厚淤泥软土地基处置关键技术研究. 科学技术创新. 2023(11): 131-134 . 百度学术
7. 苏若宾，陈庚，林民国，孙贝贝. 塑料排水板外土体淤堵的试验与固结计算方法研究. 科学技术与工程. 2023(12): 5210-5216 . 百度学术
8. 项良俊，刘根. 考虑运营过程的散货堆场稳定性分析. 工程质量. 2023(S1): 185-188 . 百度学术
9. 邹雨良，肖梦芬. 土工布加筋颗粒土力学特性及其在河道护坡工程中的应用研究. 水利技术监督. 2022(01): 211-214 . 百度学术
10. 刘庭，万仁新，李波. 湖北咸宁三元路市政道路工程软基处理方法. 地基处理. 2021(04): 313-321 . 百度学术
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