廣州亞運城軟土的工程特性

劉志方，彭衛(wèi)平

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060)

廣州亞運城軟土的工程特性

劉志方?，彭衛(wèi)平

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060)

根據(jù)廣州亞運城巖土工程勘察中大量的土工試驗、原位測試和鉆探資料，綜合分析了亞運城場地三角洲相軟土的物理力學性質(zhì)和不良工程特性，并結(jié)合工程實際，提出了軟土地基處理措施。

軟土；抗剪強度；固結(jié)變形；承載力特征值；地基處理

1 引 言

廣州亞運城是廣州市2010年舉辦第16屆亞運會的體育中心區(qū)，總面積約2.7 km2，擬建運動員村、媒體村和技術(shù)官員村等多層(3層～6層)和高層(11層～14層)建筑及相應(yīng)配套設(shè)施約210萬m2，以及多功能體育館、大量市政道路、停車場和室外運動場等。

根據(jù)勘察資料[1，2]，本場區(qū)廣泛分布厚度較大的第四系三角洲相沉積軟土，以流塑狀淤泥為主，其不良工程性質(zhì)將對建筑基礎(chǔ)、市政道路和停車場等的設(shè)計與施工產(chǎn)生不利影響。本文根據(jù)亞運城巖土工程勘察時大量的土工試驗和原位測試資料，綜合分析了淤泥(質(zhì)土)的物理力學性質(zhì)、抗剪強度和固結(jié)變形特性，進行承載力和軟土地基處理對比計算，結(jié)合亞運城工程建設(shè)實際情況，提出了合適的軟土地基處理措施。

2 軟土成因及分布結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場勘察和區(qū)域地質(zhì)資料，廣州亞運城場區(qū)已揭露軟土以淤泥為主，夾淤泥質(zhì)土，屬全新世海陸交互三角洲相超覆式沉積層()，灰黑～深灰色，流塑，局部含腐木及腐殖質(zhì)，層厚約3 m～6 m，局部厚達8 m～9 m。豎向上，呈上層淤泥(2－1層)、下層砂土(2－2層粉細砂)的二元結(jié)構(gòu)特征(如圖1所示)，粉細砂層結(jié)構(gòu)松散，含少量淤泥，下伏(3－2)層可塑狀粉質(zhì)粘土、粘土層，屬晚更新世沖積成因粘性土()，經(jīng)雨水淋濾，呈灰黃、花斑色，工程性質(zhì)較好，有較高的承載力，fak約190 kPa。

局部地段可見兩個沉積旋迴，分布上下兩層淤泥，上層淤泥(2－1層)含砂量較高，多夾粉細砂層，具有水平交錯、不規(guī)則交錯層理。下層淤泥(4層)屬晚更新世晚期三角洲相沉積()，淺灰色，土質(zhì)較純，含砂量少，手捏滑感好，多呈透鏡體狀分布，其下伏松散至稍密的中粗砂層(如圖2所示)。

圖1 亞運城軟土主要分布示意圖[4]

圖2 局部兩層軟土分布示意圖[4]

顆粒級配試驗結(jié)果統(tǒng)計表 表1

對兩層淤泥取樣進行顆粒級配試驗(如表1所示)，試驗結(jié)果表明兩層淤泥的土粒組成以粉粒、粘粒和膠粒為主，砂粒較少，級配良好，絮狀膠結(jié)，粉粒的含量約為粘粒含量的2倍，其滲透性較一般的海相或三角洲相淤泥要好，但淤泥層下伏松散至稍密砂土，地下水豐富，對軟土地基排水固結(jié)將產(chǎn)生不利影響。

3 軟土的工程特性

3.1 軟土的物理力學性質(zhì)

廣州亞運城場地勘察時，分別采取第(2－1)層和(4)層淤泥土樣各283組和104組進行室內(nèi)土樣常規(guī)物理力學性質(zhì)試驗，試驗結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。從表中可以看出，淤泥含水量高，塑性指數(shù)和液性指數(shù)大，抗剪強度低，壓縮系數(shù)和壓縮模量低，各指標變異性較少，土質(zhì)相對較均勻。

亞運城場地軟土的物理力學性質(zhì)指標 表2

滲透系數(shù)統(tǒng)計表 表3

固結(jié)系數(shù)(時間平方根法)Cv值統(tǒng)計表 表4

選取有代表性的淤泥樣進行室內(nèi)滲透試驗，統(tǒng)計豎向(KV)及水平向(KH)滲透系數(shù)統(tǒng)計如表3所示。試驗結(jié)果表明亞運城淤泥的滲透系數(shù)較其他沿海地區(qū)的淤泥要高，也高于行業(yè)手冊[3]列出的經(jīng)驗值，這與本場地淤泥顆分試驗顯示粉粒含量偏高的結(jié)果相符。

為進一步了解淤泥的固結(jié)變形特征，對(2－1)層淤泥進行了固結(jié)壓縮試驗，采用平方根法測定其固結(jié)系數(shù)(統(tǒng)計如表4所示)，固結(jié)系數(shù)與荷載的關(guān)系如圖3所示，圖3顯示淤泥固結(jié)系數(shù)隨有效應(yīng)力的增大而增大。

圖3 固結(jié)系數(shù)Cv與豎向壓力關(guān)系圖

3.2 原位測試成果

在場地內(nèi)0.5 m～5.0 m的深度范圍內(nèi)，對(2－1)層淤泥進行了靜力觸探試驗(如表5所示)和原位十字板剪切試驗(如表6所示)。

靜力觸探測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 表5

十字板剪切試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 表6

統(tǒng)計結(jié)果顯示，亞運城軟土的比貫入阻力Ps平均值約0.21 MPa，錐尖阻力Fc平均值約0.37 MPa，側(cè)摩阻力fs平均值約3.51 MPa，低于大部分沿海軟土的統(tǒng)計值。

淤泥原狀土平均不排水強度12.9 kPa，擾動土平均不排水強度2.6 kPa，靈敏度3.5～9.0，屬于中等～高靈敏度。同一孔中隨試驗深度加大，土的不排水強度有所增高，有一定的線性增長關(guān)系?？沙醪交貧w分析建立關(guān)系為:Cu＝5.53h＋3.48，如圖4所示，在測試深度1 m～4 m范圍測試點的抗剪強度主要分布在8 kPa～20 kPa之間。

圖4 十字板抗剪強度與深度關(guān)系圖

3.3 軟土的承載力特征值

目前淤泥承載力的計算方法較多，計算結(jié)果隨選用方法與選取參數(shù)不同而存在一定的差異。根據(jù)已有勘察資料選用以下三種方法計算淤泥承載力特征值:

(1)經(jīng)驗法

按淤泥土工試驗指標天然含水量w，參照廣東省標準DBJ15－31－2003《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3]中表4.4.2－5沿海地區(qū)淤泥和淤泥質(zhì)土承載力特征值的經(jīng)驗值fak，可初步確定亞運城場地(2－1)層淤泥的承載力特征值為40 kPa，第(4)層淤泥的承載力特征值為60 kPa。

(2)原位測試法

靜力觸探經(jīng)驗公式:

式中:q——地基土的容許承載力(kPa)

ps——靜力觸探探頭的比貫入阻力(kPa)

根據(jù)現(xiàn)場靜力觸探試驗數(shù)據(jù)，(2－1)層淤泥的ps值平均值0.21 Mpa，標準值0.20 MPa，計算得q＝43.9 kPa。

中國建筑科學研究院、華東電力設(shè)計院建立的十字板剪切試驗公式[4]:

式中:q——地基承載力(kPa)；

Cu——修正后的十字板抗剪強度(kPa)；

r——土的有效容重(kN/m3)；

h——基礎(chǔ)埋置高度(m)；

根據(jù)現(xiàn)場原位十字板剪切試驗數(shù)據(jù)，第(2－1)層淤泥的Cu平均值為12.9 kPa，標準值11.6 kPa，取Cu＝12.9 kPa，r＝16 kN/m3，h＝2.0 m，穩(wěn)定地下水位取0.5 m，浮容重r′＝6 kN·m3，計算得q＝37.8 kPa。

(3)按規(guī)范公式計算

參照行業(yè)標準[5]推薦的根據(jù)原狀土強度指標確定軟土地基容許承載力[fa]:

式中:m——安全系數(shù)，1.5～2.5，軟土靈敏度高，且基礎(chǔ)長寬比小時取高值；

Cu——不排水抗剪強度(kPa)；

kP——基礎(chǔ)形狀及傾斜荷載的修正系數(shù)，取1；

r2——基底以下土的容重，地下水位以下取浮容重(kN/m3)；

h——基礎(chǔ)埋深(m)。

計算出(2－1)層淤泥的容許承載力＝38.5 kPa。

以上4種方法的計算結(jié)果分別為40 kPa、43.9 kPa、37.8 kPa和38.5 kPa，平均值約40 kPa，可確定(2－1)層淤泥的承載力特征值為40 kPa。

3.4 不良工程性質(zhì)

綜合分析廣州亞運城原狀土樣常規(guī)物理力學性質(zhì)、原位測試成果及現(xiàn)場勘探資料，可以確定亞運城軟土具有以下不良的工程性質(zhì):

(1)高含水量:亞運城(2－1)層淤泥的含水量w平均值為72.5%，最大值達128%，含水量高于液限，呈飽和狀態(tài)?？紫侗却?，平均值為1.886，最大值達3.508，土體組成以粉粒和粘粒為主，絮狀膠結(jié)，結(jié)構(gòu)疏松。

(2)高壓縮性:壓縮系數(shù)a1－2試驗值主要分布在1.1 MPa～2.3 MPa，平均值為1.628 MPa－1，最大值高達3.65 MPa－1，比大部分沿海軟土高，壓縮模量平均值1.889 MPa，壓縮沉降量大，且固結(jié)系數(shù)低，排水固結(jié)緩慢，地基穩(wěn)定性差。

(3)低強度:現(xiàn)場十字板剪切試驗實測原狀不排水抗剪強度為12.9 kPa，重塑土不排水抗剪強度為0.9 kPa～5.2 kPa，平均值2.6 kPa，屬高靈敏度軟土，靜力觸探測試軟土的錐尖阻力和側(cè)摩阻力不大，標貫擊數(shù)〈1擊，呈稀泥狀，表明亞運城軟土的抗剪強度和承載力極低，臨界自穩(wěn)高度很小。

(4)觸變性:亞運城軟土屬高靈敏度土，受振動荷載后，土體抗剪強度急劇降低，易產(chǎn)生側(cè)向滑動、沉降或基礎(chǔ)下土體擠出等不良現(xiàn)象。

(5)不均勻性:受沉積環(huán)境影響，軟土層中間夾薄層粉土或粉細砂透鏡體，水平和垂向上分布不均勻，各向異性較明顯。

亞運城淤泥尚具有低滲透性、流變性等不良工程性質(zhì)，在長期荷載作用下，發(fā)生緩慢而長期的剪切變形，對地基不均勻沉降有較大的影響。鄰近地區(qū)填土修筑的市政快速路路面均出現(xiàn)不規(guī)則的波狀起伏，給行車安全和后期養(yǎng)護帶來了較大的麻煩。

4 軟土地基處理

廣州亞運城內(nèi)擬建運動員村、媒體村及配套公共建筑等，主要為3層～14層多層至小高層建筑，下設(shè)一層地下室。場地地表標高5.0 m～5.50 m(廣州高程系)，設(shè)計± 0.00標高相當于廣州高程系7.50 m，基坑實際開挖深度4 m～4.5 m，地下室底板主要位于淤泥層中。因此所有建筑物均采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，選擇強風化基巖做樁端持力層，且在基坑開挖后施工，有效樁長15 m～22 m，避免了淤泥的不良工程性質(zhì)對樁基礎(chǔ)施工的影響。

市政道路、停車場等設(shè)計地面標高約7.2 m～7.4 m，對地基承載力的要求約為60 kPa～80 kPa，填土整平后如何控制地面不均勻沉降和保證地基承載力是軟土地基處理設(shè)計的關(guān)鍵，常用的軟土地基處理方法有水泥土攪拌樁法和堆載預(yù)壓法。

水泥土攪拌法是加固飽和軟土地基的一種常用方法，在廣州地區(qū)已有非常成熟的施工經(jīng)驗和質(zhì)量檢測標準，其處理深度一般為8 m～12 m左右，最深可達16 m～18 m，由水泥土攪拌樁與樁間土構(gòu)成復合地基，其力學性質(zhì)大大改善，地基的抗剪強度顯著提高，工后沉降較少。根據(jù)場地淤泥分布特征，參照行業(yè)標準[6]中11.2.9－1、11.2.9－2公式計算水泥土攪拌樁復合土層的壓縮變形及樁端下臥層的壓縮變形。工況計算參數(shù)如下:填土層厚2.0 m，路基附加應(yīng)力取60 kPa～80 kPa，淤泥層厚分別取3.5 m、5.5 m、7 m.5 m，水泥土攪拌樁穿過淤泥進入(3－2)層可塑狀粘性土中1 m，樁徑0.5 m，梅花形布置，樁間距取1.3 m，樁體壓縮模量Ep＝50 MPa，填土重度取20 kN/m3，施工期3個月，估算3種厚度淤泥復合地基的沉降分別為38 mm、45 mm、73 mm，下臥層沉降約14 mm，施工后沉降小于29 mm。

堆載預(yù)壓排水固結(jié)法是采用砂井或塑料排水板在軟土層內(nèi)形成垂向滲水通道，在填土荷載預(yù)壓下加快排出孔隙水，提高軟土的固結(jié)速率，從而提高軟基強度和承載力。亞運城場地設(shè)計地面標高比原地面高約2 m，需堆土填高，采用堆載預(yù)壓法結(jié)合場地堆填，既經(jīng)濟又節(jié)省工期，對室外地坪和綠化用地等差異沉降控制要求不高的場地能達到較理想的加固效果。假定采用塑料排水板做豎向排水體，間距1.5 m，填土高度2.4 m，施工期5個月，按上述規(guī)范[6]5.2.12式計算一級荷載作用下不同厚度淤泥層的最終豎向沉降量分別為387 mm、626 mm、943 mm，施工期平均固結(jié)度能達到65%～74%；如果不設(shè)置塑料排水板，施工期平均固結(jié)度能達到42%～47%，施工后沉降相對穩(wěn)定需11個月～12個月。

考慮到地面建筑施工工期，對室外地坪、綠化用地及公共廣場采用填土堆載預(yù)壓是可行的，而對市政道路、停車場，則因工后沉降較大，且受淤泥層厚度變化影響，存在安全隱患，宜采用水泥土攪拌樁進行加固處理。

5 結(jié) 論

(1)廣州亞運城廣泛分布厚度較大的第四系三角洲相淤泥，絮狀膠結(jié)，流塑狀態(tài)，豎向上呈上層淤泥、下層砂土的二元結(jié)構(gòu)特征。

(2)淤泥具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低滲透性和低強度等不良工程性質(zhì)，承載力特征值僅為40 kPa。

(3)綜合比較確定對于一般的室外地坪、綠化用地及公共廣場等場地，可結(jié)合填土整平采用堆載預(yù)壓法處理軟土地基，對市政道路和停車場，應(yīng)采用水泥土攪拌法加固構(gòu)成復合地基以消除淤泥層不均勻沉降和過大工后沉降的不良影響。

[1] 廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院.廣州亞運村工程地質(zhì)普查報告[M].2007

[2] 廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院.廣州亞運城運動員村巖土工程勘察報告[M].2008

[3] DBJ 15－31－2003.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007

[5] JTG D63－2007.公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[6] JGJ79－2002.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

Engineering properties of soft clay of Guangzhou Asian Games City

Liu ZhiFang，Peng WeiPing
(Guangzhou urban planning＆survey research institute，Guangzhou 510060，China)

According to a large number of geotechnical engineering soil tests，in situ tests and survey data of Guangzhou Asian Games City，this paper gave a comprehensive analysis of the physical and mechanical properties and bad engineering properties of soft clay，and put forward the foundation treatment measures combined with engineering practice.

Soft clay；Shear strength；Consolidation deformation；Bearing capacity value；Foundation treatment

1672－8262(2010)06－156－05

TU447

B

2010—10—07

劉志方(1981—)，男，工程師，國家注冊土木工程(巖土)師，主要從事巖土工程設(shè)計、勘察及監(jiān)測等工作。