灘海吹填粉細(xì)砂地基長期承載力特性試驗(yàn)研究

楊 杰，李景林，孫大權(quán)，王巖峻，邵 帥

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2.南京水科院瑞迪科技集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210029； 3.中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，河北 唐山 063000)

作為采油平臺(tái)建于近海灘涂區(qū)的人工島，多以吹填粉細(xì)砂形成陸域[1]。粉細(xì)砂具有滲透系數(shù)較大、排水速度較快、吹填成陸后較易密實(shí)、地基承載力較高等特點(diǎn)，但其松散性導(dǎo)致地基在長時(shí)間運(yùn)行后，可能出現(xiàn)密實(shí)程度分布不均勻，影響地基長期承載力，進(jìn)而影響場(chǎng)地的運(yùn)行安全。相較于已具有成熟體系的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)[2-4]，目前地基處理設(shè)計(jì)施工僅考慮施工結(jié)束時(shí)地基的承載力和剩余沉降，忽視了外部環(huán)境對(duì)地基長期承載力的影響，而這是導(dǎo)致地基失穩(wěn)等事故的主要因素之一[5-6]。近年來，極端氣候頻發(fā)[7-9]，沿海地區(qū)也面臨日益嚴(yán)重的海洋災(zāi)害，如風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)等，導(dǎo)致一些臨海構(gòu)建物結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地破壞，影響正常的生產(chǎn)經(jīng)營秩序。對(duì)于灘海人工島，因其特殊的地理位置，降雨、潮汐和波浪是主要外部環(huán)境影響因素[10-12]，而以粉細(xì)砂形成的人工島地基，對(duì)振動(dòng)和水力作用十分敏感[13-14]，考慮到在長期反復(fù)水力作用下，其密實(shí)度和均勻性可能出現(xiàn)較大變化，有必要針對(duì)灘海人工島粉細(xì)砂地基長期承載力開展進(jìn)一步研究。

1 研究場(chǎng)地基本條件

本文所研究的灘海人工島地基原為海域，經(jīng)吹填粉細(xì)砂形成陸地，地基設(shè)計(jì)承載力為120 kPa，于2007 年投入使用。場(chǎng)地兩面臨海，海域潮汐類型為不正規(guī)半日潮，年平均潮差2.6 m，最大潮差4.80 m，設(shè)計(jì)高、低水位分別為3.2 和0.2 m，極端高、低水位分別為4.7 和-0.1 m。頻率最高的波浪方向?yàn)镾 向，頻率為8.6%；強(qiáng)浪方向?yàn)镋NE 方向，其波能比為16.8%。此外，在2019 年由于連續(xù)強(qiáng)暴雨，場(chǎng)地局部曾發(fā)生沉陷冒水現(xiàn)象。場(chǎng)地自上而下依次為雜填土①1、粉細(xì)砂①2、粉質(zhì)黏土②和粉土③層，其中粉細(xì)砂層底埋深約為17.5 m，層厚約為15.0 m。

2 地基承載力現(xiàn)狀

螺旋板載荷試驗(yàn)可直接得到不同深度粉細(xì)砂地基承載力特征值，但設(shè)備配備和操作流程較為復(fù)雜，專業(yè)素養(yǎng)要求較高。而標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)相較螺旋板載荷試驗(yàn)具有易操作、成果連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但不能直接得到承載力特征值，需通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行換算，而經(jīng)驗(yàn)公式具有地域性和主觀性等局限。因此，首先對(duì)工程場(chǎng)地的螺旋板載荷試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，建立適用于灘海吹填粉細(xì)砂地基的承載力經(jīng)驗(yàn)公式，在此基礎(chǔ)上綜合分析本場(chǎng)地粉細(xì)砂承載力現(xiàn)狀。為更清晰直觀了解場(chǎng)地內(nèi)各試驗(yàn)平面分布，對(duì)場(chǎng)地平面進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后試驗(yàn)平面分布如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)平面分布Fig.1 The layout plan of test points

2.1 螺旋板載荷試驗(yàn)

為檢測(cè)人工島不同深度粉細(xì)砂層的地基承載力，選取典型位置分別在深度3、6、10、14 和17 m開展螺旋板載荷試驗(yàn)11 組，采用強(qiáng)度控制法確定地基土承載力，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。5 個(gè)典型試驗(yàn)點(diǎn)（ZH01、ZH02、ZH07、ZH08 和ZH11）的荷載-沉降（p-s）曲線見圖2，將表1 中不同深度的粉細(xì)砂地基承載力特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，結(jié)果如圖3 所示。

表1 螺旋板載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical evaluation of spiral plate load test outcomes

圖2 粉細(xì)砂地基p-s 曲線Fig.2 p-s curves for foundation with silty fine sand

圖3 螺旋板載荷試驗(yàn)確定的承載力特征值Fig.3 Determination of bearing capacity determined by characteristic value through spiral plate load test testing

由圖2 和圖3 可知，地表以下3 m 深度處承載力為250.0 kPa，6 和10 m 深度處承載力平均值分別為325.0 和358.3 kPa；14 m 處承載力為400.0 kPa；17 m 深度處承載力平均值為241.7 kPa。隨著深度的增加，粉細(xì)砂地基承載力逐漸提高，p-s曲線逐漸平緩；深度3 和17 m 位置p-s曲線相比較陡，地基承載力相對(duì)較小?？傮w上地基承載力呈半紡錘型，中間相對(duì)大、表層和深層的相對(duì)小。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

本次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)布設(shè)28 個(gè)孔位，進(jìn)行不同深度試驗(yàn)共114 次，其中ZK5 孔位于沉陷區(qū)，標(biāo)貫擊數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖4 所示；以螺旋板載荷試驗(yàn)測(cè)得的地基承載力作為實(shí)際地基承載力，將標(biāo)貫擊數(shù)統(tǒng)計(jì)平均并修正，按規(guī)范推薦公式計(jì)算所得的承載力沿深度分布如圖5 所示；修正后標(biāo)貫擊數(shù)與地基承載力的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖4 標(biāo)貫擊數(shù)測(cè)試結(jié)果Fig.4 Results analysis of standard penetration test

圖5 標(biāo)貫規(guī)范推薦公式計(jì)算承載力沿深度分布Fig.5 Suggested formula for SPT-based calculation of bearing capacity distribution with depth

圖6 標(biāo)貫擊數(shù)與地基承載力關(guān)系曲線Fig.6 Thecorrelation curve between SPT and foundation bearing capacity

由圖4 可知，運(yùn)行10 年后該場(chǎng)地的粉細(xì)砂較為密實(shí)。地表以下8 m 深度范圍內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)大于15 擊，粉細(xì)砂呈中密～密實(shí)狀態(tài)；8 m 深度以下標(biāo)貫擊數(shù)大于30 擊，粉細(xì)砂呈密實(shí)狀態(tài)。ZK5 孔粉細(xì)砂密實(shí)程度與場(chǎng)地其他區(qū)域同深度相比松散，可以推測(cè)場(chǎng)地局部沉陷與其附近粉細(xì)砂的密實(shí)程度密切相關(guān)。

由圖5 可知，將統(tǒng)計(jì)平均并修正后標(biāo)貫擊數(shù)按規(guī)范推薦公式fk=-212+222N′0.3（fk為地基承載力特征值，N'為各深度統(tǒng)計(jì)平均并修正后的標(biāo)貫擊數(shù)）計(jì)算所得的承載力大于螺旋板測(cè)得的實(shí)際承載力，尤其在淺部地層偏差達(dá)到了39.6%，說明對(duì)于灘海吹填粉細(xì)砂地基，規(guī)范推薦經(jīng)驗(yàn)公式有待進(jìn)一步優(yōu)化。為此，本文選取螺旋板試驗(yàn)3、6、10 和14 m 深度承載力平均值與標(biāo)貫擊數(shù)進(jìn)行擬合分析，由圖6 可知，標(biāo)貫擊數(shù)與地基承載力擬合經(jīng)驗(yàn)公式如式（1）所示，可見擬合程度較好。

2.3 圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)

本次圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)布設(shè)15 個(gè)超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)孔，進(jìn)行不同深度試驗(yàn)共225 次，其中DT14 孔位于沉陷區(qū)，超重型動(dòng)力觸探擊數(shù)N120測(cè)試結(jié)果如圖7 所示；將動(dòng)探擊數(shù)統(tǒng)計(jì)平均并修正，并按規(guī)范推薦公式計(jì)算所得的承載力沿深度分布如圖8 所示；修正后動(dòng)探擊數(shù)與地基承載力的關(guān)系曲線如圖9 所示。

圖7 動(dòng)力觸探擊數(shù)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of dynamic penetration tests

圖8 規(guī)范推薦計(jì)算值及實(shí)測(cè)承載力分布Fig.8 The recommended formula of DPT and tested bearing capacity distribution along depth

圖9 動(dòng)探擊數(shù)與地基承載力關(guān)系曲線Fig.9 Evaluation of foundation bearing capacity through DPT

由圖7 可知，地表以下6 m 深度范圍內(nèi)動(dòng)探擊數(shù)較為接近，粉細(xì)砂密實(shí)程度變化不大；6～14 m 范圍隨著深度的增加動(dòng)探擊數(shù)逐漸增大，對(duì)應(yīng)粉細(xì)砂密實(shí)程度也越來越高；15 m 深度以下動(dòng)探擊數(shù)逐漸減小，粉細(xì)砂密實(shí)程度相應(yīng)降低，與標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。

2.4 粉細(xì)砂地基承載力現(xiàn)狀分析

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和動(dòng)力觸探試驗(yàn)承載力擬合經(jīng)驗(yàn)公式，將各深度標(biāo)貫擊數(shù)N′和超重型動(dòng)探擊數(shù)N′120換算為地基承載力并對(duì)比，最后綜合確定粉細(xì)砂地基承載力現(xiàn)狀，如圖10 所示。

圖10 粉細(xì)砂地基承載力沿深度分布Fig.10 Depth-wise distribution of bearing capacity in silty fine sand foundation

由圖10 可知，經(jīng)過10 年運(yùn)行后，該粉細(xì)砂地基地表以下16 m 深度范圍內(nèi)地基承載力為255.6～400.9 kPa。其中，10 m 深度范圍內(nèi)地基承載力為255.6～365.7 kPa，隨深度增加承載力增大；10～14 m深度范圍內(nèi)地基承載力為365.7～394.6 kPa，變化較??；16 m 深度地基承載力降至333.2 kPa。此外，對(duì)于沉陷區(qū)附近的標(biāo)貫ZK5 孔和動(dòng)探DT14 孔，粉細(xì)砂地基承載力16 m 深度范圍內(nèi)為234.7～341.2 kPa，密實(shí)程度的降低說明地基承載力比其他區(qū)域偏小。

3 粉細(xì)砂地基長期承載力探究

通過對(duì)該吹填粉細(xì)砂地基承載力現(xiàn)狀的分析可知，地表以下16 m 深度范圍內(nèi)地基承載力為255.6～400.9 kPa，相較原地基承載力有所提高，經(jīng)過10 年以上運(yùn)行后地基長期承載力進(jìn)一步增強(qiáng)，有利于場(chǎng)地的長期運(yùn)行安全?？梢酝茰y(cè)在外部長期反復(fù)水力作用下，地基內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的不斷變化使粉細(xì)砂顆粒間產(chǎn)生相互滑移剪切變形，原本較為松散的粉細(xì)砂逐漸密實(shí)，地基承載力隨之提高，這是長期承載力增強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)理。

極端連續(xù)暴雨導(dǎo)致場(chǎng)地局部邊界條件發(fā)生改變，一方面地表徑流直接沖刷剝蝕帶走部分粉細(xì)砂顆粒；另一方面粉細(xì)砂允許滲透坡降較小，在強(qiáng)降雨條件下局部粉細(xì)砂滲透坡降超出其允許滲透坡降，從而產(chǎn)生較大滲透變形，使得部分區(qū)域出現(xiàn)地面沉陷現(xiàn)象[15]，說明外界邊界條件對(duì)地基長期承載力影響顯著。此外，地基長期承載力對(duì)地基材料的改變也十分敏感，本文地基吹填材料為粉細(xì)砂，在長期水力反復(fù)作用下其地基長期承載力進(jìn)一步增強(qiáng)，而對(duì)于其他地基材料如軟土地基，閆澍旺等[16]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M了水力循環(huán)動(dòng)荷載作用下軟土的動(dòng)力特性，得出軟土在水力作用下呈應(yīng)變軟化狀態(tài)的結(jié)論；渤海某鉆井平臺(tái)下軟土地基在長期水力作用下沉降了1.6 m，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失[17]。軟土滲透系數(shù)較小，長期反復(fù)水力作用下軟土孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力減小，最終導(dǎo)致軟土地基長期承載力弱化，與粉細(xì)砂地基結(jié)論相反。這說明不同的地基材料，其地基長期承載力特性存在較大差異。

為避免灘海人工島在極端天氣下出現(xiàn)局部場(chǎng)地沉陷問題，針對(duì)本場(chǎng)地粉細(xì)砂特性，需對(duì)其采取防滲措施。對(duì)于地面出現(xiàn)較大沉陷的區(qū)域，可采用原位固化、振動(dòng)密實(shí)處理、帷幕封閉+注漿等方法，避免粉細(xì)砂在強(qiáng)滲流場(chǎng)作用下出現(xiàn)流失；對(duì)于地面未出現(xiàn)明顯沉陷的區(qū)域，可采用集水井+應(yīng)急抽排方式將水疏導(dǎo)排出，匯集場(chǎng)地內(nèi)非正常作業(yè)條件下的外水補(bǔ)給，包括風(fēng)暴潮、持續(xù)降雨或短時(shí)暴雨等，以減少其對(duì)粉細(xì)砂的不利影響，保障地基長期承載力。

4 結(jié) 語

本文以某灘海人工島吹填粉細(xì)砂地基為研究對(duì)象，基于螺旋板載荷試驗(yàn)結(jié)果，分析了標(biāo)貫擊數(shù)N'、動(dòng)探擊數(shù)N'120與地基承載力的關(guān)系，擬合了經(jīng)驗(yàn)公式，在此基礎(chǔ)上綜合分析灘海人工島粉細(xì)砂地基承載力現(xiàn)狀，探究地基長期承載力特性，得到如下結(jié)論：

（1）吹填粉細(xì)砂地基承載力特征值可采用較為便捷的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和動(dòng)力觸探試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，但需通過螺旋板載荷試驗(yàn)等可以直接檢測(cè)地基承載力特征值的方法進(jìn)行校核，規(guī)范通用經(jīng)驗(yàn)公式有局限性。

（2）吹填粉細(xì)砂形成的灘海人工島地基在長期反復(fù)的水力作用下可進(jìn)一步密實(shí)，承載力有所提高，有利于場(chǎng)地的運(yùn)行安全。

（3）粉細(xì)砂在水力作用下易于流失，為防止場(chǎng)地出現(xiàn)沉陷脫空等問題，需做好排水和防滲措施，常用排水措施有集水井、應(yīng)急抽排等，防滲措施有原位固化、帷幕封閉等。