井點降水聯(lián)合低能量強夯法在某碼頭工程中的應(yīng)用

林佑高，林國強

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

軟土地基處理的方法眾多，如沖振擠密法、化學加固法、真空預(yù)壓法、換填法[1]等，但不同的處理方法在處理效果、工期、價格等方面存在明顯差異，因此有必要根據(jù)具體的工程地質(zhì)特點選擇一種處理效果好，比較經(jīng)濟，而又不延誤工期的方法。大量工程實例證明，利用強夯法[2-3]對碎石土、砂性土、濕陷性黃土及含水率不高的雜填土地基進行加固處理，能取得良好效果。然而飽和軟黏土在傳統(tǒng)強夯法作用下超靜水壓力無法迅速消散，且土體結(jié)構(gòu)也往往過度破壞，這兩方面原因制約了強夯法在飽和軟黏土地基中的運用。

針對上述問題，人們提出井點降水聯(lián)合低能量強夯法[4-6]，利用井點降水技術(shù)，加速強夯產(chǎn)生的超靜孔壓的消散和孔隙水的排出，迅速提高軟黏土的固結(jié)速率；同時用低能量強夯法代替?zhèn)鹘y(tǒng)強夯法，以避免由于過高強夯能引起的軟黏土結(jié)構(gòu)過度破壞的問題，取得了良好的效果。

廣州南沙某碼頭工程場區(qū)內(nèi)淤泥或淤泥質(zhì)土等軟土厚度不深，且夾有薄砂層。針對該類型地基以往常采用的處理手段是堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓。然而，堆載預(yù)壓需要大量砂石填料，經(jīng)濟性較差，且工期過長；而真空預(yù)壓法抽氣降水需采用大功率的真空泵，其造價和施工費用也相對昂貴，不具備良好的經(jīng)濟性。相比上述兩種地基處理手段，井點降水聯(lián)合低能量強夯法具有明顯的經(jīng)濟性，且工期更短。對此，筆者作為設(shè)計者提出利用井點降水聯(lián)合低能量強夯法對該工程進行軟基加固，取得了良好的加固效果，拓寬了強夯法的適用范圍。

1 工程概況

碼頭工程位于廣州市南沙港區(qū)，含有7個1～10萬噸級糧食和通用泊位。碼頭后方為糧食筒倉區(qū)、件雜貨堆場區(qū)、輔助建筑區(qū)和港區(qū)道路等功能分區(qū)，場地均布荷載介于 30～60 kPa。

地表以下勘察深度內(nèi)揭露的土層自上而下為：①淤泥混（夾）砂：灰色，松散，含大量中粗砂，平均厚度2.5 m。②淤泥混（夾）砂：灰色，流塑，混夾粉細砂、中粗砂、少量塊石，且夾薄層砂，平均厚度3 m。③淤泥：灰色，流塑，局部混粉細砂、中粗砂，夾較多薄層砂，平均厚度4.2 m。④淤泥混（夾）砂：灰色，流塑，混夾較多粉細砂、中粗砂，夾較多薄層砂，平均厚度1.6 m。⑤淤泥質(zhì)土：灰色，流塑，含粉細砂、中粗砂，局部夾薄層砂，平均厚度5.1 m。⑥粉質(zhì)黏土～黏土：灰色、灰黃色，可塑，局部含少量砂，平均厚度1.4 m。⑦粉質(zhì)黏土：灰白色，濕，可塑，局部呈粉土狀，平均厚度3 m。⑧中砂、中粗砂：灰黃色，稍密，含少量黏粒，平均厚度1.7 m。各軟土主要的物理力學指標如表1所示。

碼頭后方陸域地基主要為厚度約18 m的淤泥質(zhì)土與砂混合層，在荷載作用下，地基沉降較大，為滿足上部結(jié)構(gòu)的使用要求，需采取適當?shù)氖侄芜M行地基加固處理。從處理效果、工期、價格等因素出發(fā)，對堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓、井點降水聯(lián)合低能量強夯法等多個加固方案進行分析對比，最終確定選取2.25萬m2的試驗區(qū)場地采用井點降水聯(lián)合低能量強夯法對軟土地基進行加固處理。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計參數(shù)

1） 設(shè)計荷載：均布荷載60 kPa。

2） 交工面標高：+5.10 m。

3） 殘余沉降：小于30 cm。

4）固結(jié)度：卸載前固結(jié)度不小于88%。

5）地基承載力：交工面以下1 m處的地基容許承載力不小于130 kPa。

2.2 設(shè)計方案

1）中細砂層：在泥面上設(shè)置0.60 m厚中細砂，含泥量＜10%。

2）中粗砂墊層：在中細砂頂面設(shè)置0.70 m厚中粗砂墊層，砂墊層含泥量＜5%。

3）塑料排水板：作為設(shè)置在軟土層中的排水通道，插板深度18～24 m。排水板布置按照沉降、固結(jié)度最終確定。

為達到88%固結(jié)度的設(shè)計要求，由式（1）、（2）計算，確定采用B型塑料排水板，正方形布置，間距1.1 m的方案。插板深度穿過淤泥層進入下臥黏土層或砂層0.5 m。

4） 設(shè)置深層井點：滲透系數(shù)K、涌水量Q是確定井點布置方案的關(guān)鍵參數(shù)。滲透系數(shù)K可由現(xiàn)場抽水試驗根據(jù)式 （3） 求得。

涌水量可根據(jù)裘布衣-Dupuit穩(wěn)定潛水井流原理按式（4） 計算確定。

表1 軟土的物理力學指標

施工前抽水試驗得到，場地土層平均水平向滲透系數(shù)K=3.8 m/d。根據(jù)式（3）、式（4） 計算，確定降水井布置方案為：正方形布置，點距30 m，井深23.5 m，深度穿透軟土層進入硬土層3 m，抽水至井內(nèi)水位1 m。

5） 泥漿攪拌樁防滲墻：作為加固區(qū)周邊防滲墻，泥漿攪拌樁防滲墻采用雙排樁形式，單樁直徑700 mm，搭接200 mm，深度穿透透氣（水）層進入其下不透水層500 mm，平均深度8 m。墻體采用淤泥土制成泥漿，泥漿比重≥1.35，黏粒的摻入比為15%～20%。

6）降水預(yù)壓+強夯：深井井點降水施工30 d后，地基地下水位降深5 m左右，進行強夯施工。夯點按正方形布置，間距5 m，點夯兩遍，采用隔點插檔跳夯工藝，夯擊能量1 500～2 500 kN·m，每點夯擊次數(shù)共12～16擊，分4遍進行夯擊。特別值得注意的是，該工程是在軟土地基上進行強夯，容易產(chǎn)生夯錘擊沉過深甚至“埋錘”現(xiàn)象，因而需采用“由小及大、多遍少擊”的施工方式?，F(xiàn)場施工時，先通過試驗確定最佳起夯夯能，第一遍開始時采用500~800 kN·m夯能進行強夯，然后逐漸加大夯能。最后，進行1遍普夯，夯擊能量500~800 kN·m，夯點搭接1/3夯錘。

3 監(jiān)測

3.1 地面沉降

地面沉降由地表沉降標測量，沉降標在插板前埋設(shè)于砂墊層上。由沉降標實測的地表沉降資料整理得施工期地面沉降—時間曲線，如圖1所示。根據(jù)推算當固結(jié)度88%時主固結(jié)沉降1 017 mm，其中插板期沉降559 mm，此部分沉降主要由吹填土及砂墊層約70 kPa荷載作用產(chǎn)生，降水預(yù)壓25 d沉降298 mm，降水預(yù)壓后期沉降160 mm，此部分沉降在填土荷載及降水預(yù)壓荷載共同作用下產(chǎn)生；強夯期間總沉降量311 mm，其中強夯動力固結(jié)引起土體沉降251 mm，強夯引起表層砂密實沉降量60 mm；施工期總沉降量1 328 mm。

圖1 地面沉降-時間曲線

3.2 深層分層沉降

深層分層沉降埋設(shè)于加固區(qū)中心處，在淤泥等軟土層中沿沉降管每隔3 m布設(shè)1個沉降磁環(huán)。由圖2可知，沉降較大的深度主要出現(xiàn)在7~10 m處土層，此范圍每個磁環(huán)的沉降量基本在10 cm左右，10 m以下的土層每個磁環(huán)沉降量基本在7 cm左右。但在4 m處，淤泥含砂量高，磁環(huán)的沉降較小只有7.4 cm，這說明軟土組成成分也會對其沉降產(chǎn)生影響。

圖2 深層分層沉降-時間曲線

3.3 地下水位

由位于4個降水井中心處的地下水位觀測點PMZX7的實測資料顯示，水位管內(nèi)水位在降水初始階段下降的速率較快，降水約25 d時基本趨于穩(wěn)定，介于5.5~6.0 m之間，之后水位基本在5.5 m深度左右范圍小幅波動，如圖3所示。強夯施工時水位呈短時間上升之勢，但隨著時間推進，水位又逐漸回落。這說明通過設(shè)置深層井點，有效地加速了強夯產(chǎn)生的超靜孔壓的消散和孔隙水的排出。由穩(wěn)定階段的有效降水深度推算得知，在該區(qū)深井降水可形成約50~60 kPa的有效荷載對水位以下的軟土產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)壓作用。

圖3 地下水位降深-時間曲線

3.4 孔隙水壓力

孔隙水壓力計布設(shè)在加固區(qū)中心處，采用鉆孔方法埋管，孔壓計在淤泥軟土層內(nèi)按2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m和16 m深度埋設(shè)。由圖4可知，在降水初期25 d左右軟土層孔隙水壓力消散速率最快，之后基本趨于穩(wěn)定，在強夯施工期間又呈小幅上升，但隨著時間推進，漸趨于穩(wěn)定。這說明即使采用低能量強夯也會引起土體內(nèi)的超孔隙水壓力在短時間內(nèi)增大，但上升幅度不大，不致引起軟土發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，而通過設(shè)置深層井點可以為孔隙水提供排水通道，有助于超孔隙水壓力的迅速消散?！癙MZX7-1~PMZX7-3”等3條曲線的最大孔壓消散值分別為67.3 kPa、64.5 kPa和49.15 kPa，平均值60.3 kPa。

圖4 孔隙水壓力消散-時間曲線

4 加固效果分析

為進行加固效果評價，對加固前后土體分別進行了室內(nèi)土工試驗、十字板剪切試驗、靜力觸探試驗和載荷板試驗。

4.1 土體物理力學性試驗

經(jīng)室內(nèi)土工試驗獲得的加固前后土體物理力學性指標如表2所示。由表2可知，加固后土體的含水量、孔隙比明顯降低，土體壓縮性降低，地基土強度顯著提高，各項物理力學性指標均得到明顯改善。說明在本工程中運用井點降水聯(lián)合低能量強夯法進行軟基處理取得了突出的加固效果。

表2 加固前后土體的各項物理力學性指標

4.2 十字板剪切試驗

由圖5可知，加固后土體十字板抗剪強度Cu由3~12 kPa增加到24~69 kPa，增幅十分明顯。這也說明井點降水聯(lián)合低能量強夯法加固效果突出，顯著提高了地基土強度。

圖5 抗剪強度-深度曲線

4.3 靜力觸探試驗

由圖6可知，加固后土體比貫入阻力P s除小部分小于550 kPa外，其它均在550 kPa以上，其平均值由加固前的310 kPa提高到608 kPa，增加了298 kPa，提高幅度顯著，進一步驗證了井點降水聯(lián)合低能量強夯法突出的軟土加固效果。從深度上看，7 m深度以上土體的加固效果要略好于該深度以下土體的加固效果，主要是因為該深度范圍正好是低能量強夯的影響范圍。深部土體的比貫入阻力指標也得到大幅提高，這說明深部土體同樣得到有效加固。經(jīng)分析，認為主要是由于深層井點降水產(chǎn)生的預(yù)壓作用對深層軟土產(chǎn)生了加固效果。

圖6 比貫入阻力-深度曲線

4.4 載荷板試驗

加固后地基土的載荷板試驗結(jié)果如圖7所示。當荷載施加至260 kPa時，曲線仍未出現(xiàn)明顯的“拐點”，地基仍未出現(xiàn)屈服破壞，說明加固后地基容許承載力不小于130 kPa，達到設(shè)計要求。

圖7 p-s曲線

5 結(jié)語

1） 結(jié)合該碼頭工程場區(qū)內(nèi)軟土不厚不深，且夾薄砂層的工程地質(zhì)特點，采用井點降水聯(lián)合低能量強夯法進行軟基加固處理。工程實際運用證明：通過設(shè)置深層井點，可有效增加軟土水平排水通道，加速強夯產(chǎn)生的超靜孔壓的消散和孔隙水的排出；同時，采用“由小及大、多遍少擊”的施工方式可以有效地避免因夯擊能量過高導(dǎo)致的軟土結(jié)構(gòu)過度破壞。

2） 經(jīng)井點降水聯(lián)合低能量強夯處理的飽和軟黏土，各項物理力學指標得到明顯改善，地基承載力明顯增強，這說明井點降水聯(lián)合低能量強夯法對本工程軟土地基的處理效果良好；另一方面，經(jīng)分析對比，該方法在造價上較真空預(yù)壓法或堆載預(yù)壓法可節(jié)省15%~20%，經(jīng)濟性較好；第三，采用該方法對本工程軟土地基進行地基處理施工期僅為100 d，明顯短于真空預(yù)壓法或堆載預(yù)壓法處理類似地質(zhì)條件下的類似工程的工期。綜上可知，在本工程中運用井點降水聯(lián)合低能量強夯法進行軟土加固是成功的。

3） 地下水位監(jiān)測和孔隙水壓力監(jiān)測表明：深井降水可對水位以下的軟土產(chǎn)生約50~60 kPa的預(yù)壓荷載，有利孔隙水消散和土體強度迅速增長。

4） 井點降水聯(lián)合低能量強夯法的加固效果可分兩部分，強夯通過動力固結(jié)、密實作用對上部7 m深度范圍內(nèi)的土體加固效果顯著；而井點降水通過降低地下水位，可對軟土產(chǎn)生約50~60 kPa的預(yù)壓荷載，再加上在原泥面新吹填疏浚土及砂墊層等約70 kPa附加荷載，施工期可形成約120~130 kPa附加荷載，從而有效地加固了深部軟土。

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