濱海區(qū)軟弱地基處理設(shè)計(jì)

□李書群 姬宏奎

濱海區(qū)軟弱地基處理設(shè)計(jì)

□李書群 姬宏奎

軟弱地基一般具有含水量高、壓縮性大、地基承載力低等問(wèn)題。沿海吹填地區(qū)在高地下水位的情況下，飽和粉砂及砂壤土排水困難，不利于土體固結(jié)。曹妃甸工業(yè)園區(qū)為吹填造地形成，結(jié)合曹妃甸工業(yè)區(qū)某蓄水池的工程實(shí)例，介紹吹填地區(qū)軟弱地基處理設(shè)計(jì)，通過(guò)多方案對(duì)比，最終選用沉管震沖排水、強(qiáng)夯固結(jié)、沉模板墻隔水等組合工藝對(duì)地基進(jìn)行處理，效果良好。

軟弱地基；吹填砂；沉管震沖；強(qiáng)夯固結(jié)

曹妃甸工業(yè)區(qū)某蓄水池面積19.84萬(wàn)m2，蓄水池總?cè)莘e94.6萬(wàn)m3，有效容積90萬(wàn)m3。池區(qū)設(shè)計(jì)底高程0.0m，基礎(chǔ)換填高程-1.5m。蓄水池長(zhǎng)342m、寬324m，挖深6m，基坑自堤頂至基礎(chǔ)底面總高9.5m。蓄水池工程位于濱海灘涂區(qū)，場(chǎng)區(qū)利用灘涂采用吹填砂土造地形成，表層為人工吹填砂，下部為高壓縮性的淤泥質(zhì)黏土、粉砂、壤土、砂壤土互層結(jié)構(gòu)，存在地震液化、岸坡穩(wěn)定性差、地基變形大等問(wèn)題。

1. 工程區(qū)地質(zhì)條件及存在問(wèn)題

曹妃甸一帶為灤河三角洲平原海岸，內(nèi)側(cè)大陸岸線為沿灤河古三角洲前沿發(fā)育的沖積、海積平原，潮灘發(fā)育。工程區(qū)內(nèi)分布的地層巖性依次為：表層為人工吹填砂壤土和粉砂的混合土(mlQ4)；第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)陸相、海相沉積(alQ3)的壤土、砂壤土、粉砂。

工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.15g，地震基本烈度7度。

場(chǎng)區(qū)地面高程4.21m～4.76m，蓄水池圍堤坐落在人工吹填土上，下部為海相沉積層，存在地基承載力低、岸坡穩(wěn)定性差、地基沉降變形嚴(yán)重和砂土液化等主要工程地質(zhì)問(wèn)題。人工吹填土、海相沉積的淤泥質(zhì)土層等土層結(jié)構(gòu)疏松，淤泥質(zhì)壤土大部呈流塑、軟塑狀態(tài)，屬高壓縮性土。場(chǎng)區(qū)地下水埋深較淺，地下水對(duì)工程施工及運(yùn)行安全影響大，需采取措施降地下水，保障施工干場(chǎng)作業(yè)和運(yùn)行期堤坡安全。

地基中的砂土層呈飽和狀態(tài)，液化指數(shù)1.93～20.91，大部為中等液化，局部為嚴(yán)重液化，液化深度范圍在3.5m～11.9m之間，需采取消除地震液化的處理措施。

2. 地基處理方案及比選

根據(jù)工程特點(diǎn)和場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件，適用于本場(chǎng)區(qū)消除地基液化、加速土體固結(jié)減小變形、增強(qiáng)岸坡穩(wěn)定性常用的處理措施有振沖法、排水強(qiáng)夯法、真空預(yù)壓法、混凝土框格圍封法等，考慮到吹填區(qū)吹填料的不均勻性，圍封法的混凝土地下連續(xù)墻和橫隔連系墻容易造成圍堤剪切變形，不利于堤身整體穩(wěn)定性，結(jié)合工程特點(diǎn)，對(duì)振沖法復(fù)合地基、排水強(qiáng)夯法、真空預(yù)壓法等3種方法進(jìn)行比較。

2.1 振沖法

震沖法利用振動(dòng)、沖擊或水沖等方式，把礫、碎石、無(wú)害建筑廢料等擠入土中，混合填料形成大直徑密實(shí)樁體，依靠樁的擠密置換和施工過(guò)程中的振動(dòng)作用使樁周土密實(shí)度增加，提高地基承載力，降低壓縮性。同時(shí)樁體是良好的排水通道，可以快速消散地震引起的超孔隙水壓力，并且通過(guò)樁體約束避免土體地震液化。振沖震沖采用75kW振沖器及配套工具施工，樁身填料采用3cm～7cm的碎石，平均樁徑0.8m，樁長(zhǎng)10m～14.5m，樁間距2.0m，處理范圍為沿圍堤外緣延伸2排樁，內(nèi)堤腳向池內(nèi)側(cè)延3排樁。

2.2 排水強(qiáng)夯法

由于場(chǎng)區(qū)地下水位高，淤泥質(zhì)地層分布廣，為加速其排水固結(jié)，避免強(qiáng)夯形成“橡皮土”，布設(shè)沉管碎石樁作為排水體，為孔隙水壓力消散提供排水通道。沉管碎石樁平均樁徑0.4m，樁長(zhǎng)12m，樁間距3.0m。強(qiáng)夯夯擊點(diǎn)橫向處理范圍按圍堤內(nèi)外坡腳線分別向外延伸6m。場(chǎng)地地下水位低于現(xiàn)狀地坪0.5m左右，表層松軟，為保證強(qiáng)夯機(jī)具正常工作，便于“夯擊能”擴(kuò)散。強(qiáng)夯前鋪設(shè)碎石墊層，墊層厚度取0.5m，采用震動(dòng)碾碾壓兩遍。強(qiáng)夯夯擊能初步選擇4000kN·m，具體由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。夯錘底面直徑2.5m，夯擊擊數(shù)按現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊擊數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定，控制最后兩擊的夯沉量不大于10cm；當(dāng)夯坑過(guò)深提錘困難時(shí)，用推土機(jī)將夯坑推平并平整后，繼續(xù)夯擊。

2.3 真空預(yù)壓法

豎向排水體采用寬100mm，厚4mm、長(zhǎng)14m的塑料排水板，排水板伸入粗砂墊層中長(zhǎng)度不小于0.5m，間距1.0m；水平向排水體采用厚80cm的粗砂墊層，并在砂墊層中布置排水濾管，濾管直徑Φ60mm，垂直圍堤軸線布置，間距1.0m，在圍堤中心線處布置直徑Φ 100mm的主管，濾管與主管之間采用變截面三通連接。為達(dá)到完全密封效果，預(yù)壓加固寬度定為54.0m，保證堤基邊緣產(chǎn)生相當(dāng)?shù)恼婵蘸奢d，降低差異沉降。為減少周邊地下水側(cè)向補(bǔ)給，沿處理邊界設(shè)置沉模板墻圍封，阻斷地下水補(bǔ)給。真空度控制在550mmHg以上，相當(dāng)于70kPa以上的荷載，處理后固結(jié)度要求達(dá)到95%。

2.4 方案比選

振沖法可以先期施工振沖碎石樁，沿蓄水池周邊形成排水通道，利于施工期排水，處理后的地基抗剪切強(qiáng)度提高。振沖法在蓄水池周邊形成排水通道，利于蓄水池開(kāi)挖，施工工藝成熟，工期短，效果評(píng)價(jià)直觀；不利條件是投資高。

排水強(qiáng)夯法以沉管碎石樁為排水體，利用強(qiáng)夯產(chǎn)生的巨大能量加速土體固接，同時(shí)，將空隙水積壓到樁體中，沿樁體排出地面。樁體擠壓周圍土體形成土石混合體，達(dá)到消除液化和減小不均勻變形的目的。其優(yōu)點(diǎn)是施工進(jìn)度快、效果評(píng)價(jià)直觀，經(jīng)加固處理后土體固接度高；不利條件是處理前需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，排水不暢時(shí)容易形成“橡皮土”。

真空預(yù)壓法借助不透氣膜通過(guò)射流泵和埋設(shè)在墊層中的塑料排水管，將土體中的空氣抽出，形成真空，產(chǎn)生負(fù)壓并通過(guò)排水板將軟基中的地下水垂直排出地表，使地基壓密，達(dá)到消除液化的目的。真空預(yù)壓法的優(yōu)點(diǎn)是加固費(fèi)用低、無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)；由于沿周邊增加了隔水帷幕，阻斷了外水補(bǔ)給，施工期排水費(fèi)用低，容易保證干場(chǎng)作業(yè)；不利條件是真空預(yù)壓法工期相比其它兩種施工方案工期長(zhǎng)，離心泵需要引接電源，而且曹妃甸區(qū)吹填砂性質(zhì)不均勻，周邊補(bǔ)水源不容易截?cái)?，閉氣效果差，處理效果需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

投資方面：振沖法地基處理投資最高，真空預(yù)壓法地基處理投資最低。以上3種處理方法均可以防止地震液化，圍堤軸線長(zhǎng)度超過(guò)1300m，處理地基耗資較大。排水強(qiáng)夯法兼顧了地基液化處理、渠坡穩(wěn)定、場(chǎng)內(nèi)排水條件，本工程選擇排水強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理。

沉管碎石樁樁徑400mm，樁長(zhǎng)12m，樁間距3.0m(在內(nèi)坡腳部位加密布置)，等邊三角形布樁；強(qiáng)夯點(diǎn)夯采用正方形布置夯點(diǎn)，夯點(diǎn)間距為5m×5m；強(qiáng)夯預(yù)處理點(diǎn)夯夯擊能采用2000kN· m，滿夯600kN·m～1000kN·m；強(qiáng)夯采用“夯二平一”的施工工藝進(jìn)行，第一遍、第二遍點(diǎn)夯單擊夯擊能均為4000kN·m，滿夯單擊夯擊能600kN·m～1000kN·m。

3. 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)選擇

為驗(yàn)證工藝的適用性，在工程區(qū)選擇有代表性的場(chǎng)地南側(cè)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排水強(qiáng)夯試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)區(qū)面積30m× 75m。實(shí)驗(yàn)區(qū)可能發(fā)生地震液化的砂土層埋身范圍3.5m～11.9m，將可能發(fā)生液化的砂性土埋深設(shè)為處理深度。

3.2 沉管碎石樁及夯點(diǎn)布置

碎石樁直徑400mm，樁長(zhǎng)12m，樁間距3.0m，等邊三角形布樁，填料直徑采用小于5cm的新鮮碎石，控制碎石含泥量小于5%。

試夯采用“夯二平一”工藝，即每個(gè)場(chǎng)區(qū)夯擊3遍，點(diǎn)夯2遍，滿夯1遍。點(diǎn)夯采用正方形布置夯點(diǎn)，夯點(diǎn)間距為5m×5m。將實(shí)驗(yàn)區(qū)分為3個(gè)區(qū)域，根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果，3個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯第1遍、第2遍點(diǎn)夯單擊夯擊能分別采用3500kN·m、4000kN·m、4500kN·m進(jìn)行試驗(yàn)，強(qiáng)夯時(shí)點(diǎn)夯夯擊次數(shù)按照最后兩擊貫入度不大于10cm為控制標(biāo)準(zhǔn)，以期達(dá)到最佳效果。滿夯單擊夯擊能800kN·m～1000kN·m，每點(diǎn)夯2擊，夯印搭接1/3錘底面積。

根據(jù)本工程場(chǎng)地實(shí)際情況，第1遍點(diǎn)夯與第2遍點(diǎn)夯之間間隔3天，第2遍點(diǎn)夯與滿夯之間間隔3天。

3.3 試驗(yàn)檢測(cè)及成果

檢測(cè)項(xiàng)目包括地基變形模量、壓縮模量、回彈模量、壓實(shí)系數(shù)等巖土力學(xué)物理指標(biāo)。在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)取3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)先做靜力觸探試驗(yàn)，然后做標(biāo)貫取土孔，每米進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，最后進(jìn)行單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)，3個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域地基處理后地基承載能力均滿足要求，通過(guò)不同土層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，夯擊能4000kN·m、 4500kN·m兩種方案處理及影響深度均達(dá)到12m，處理后砂土相對(duì)密度大于0.75，消除了地震液化，從不同夯擊能的夯擊次數(shù)上，夯擊能4000kN·m實(shí)驗(yàn)區(qū)夯擊次數(shù)8～10擊，區(qū)域內(nèi)未出現(xiàn)大的隆起和夯錘拔出困難問(wèn)題，最終選定夯擊能4000kN·m，單點(diǎn)夯擊遍數(shù)8～10擊。強(qiáng)夯施工的工藝流程見(jiàn)圖1。

4. 防滲帷幕布置

防滲帷幕用于阻斷地基處理施工過(guò)程中外水補(bǔ)給，并減少運(yùn)行期排水量。防滲帷幕底界高程-9.44m～-3.82m。防滲帷幕厚度根據(jù)采用施工工藝選用，對(duì)于沉模板墻，其厚度不小于120mm；薄墻防滲系數(shù)不大于1×10-6cm/s；抗壓強(qiáng)度不低于5.0MPa；彈性模量為1500MPa；薄墻傾斜度控制在2‰以內(nèi)。配制墻體材料的水泥、骨料、水、摻合料及外加劑等應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其配合比及配制方法應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。

5. 結(jié)論

針對(duì)軟弱地基上地震液化和堤坡穩(wěn)定問(wèn)題，通過(guò)振沖法、排水強(qiáng)夯法、真空預(yù)壓法、混凝土框格圍封法等多方案對(duì)比，選用沉管震沖排水、強(qiáng)夯固結(jié)、沉模板墻隔水等組合工藝，通過(guò)以上措施結(jié)合排水方案，既解決了砂土液化和堤基不穩(wěn)定問(wèn)題，還將復(fù)雜的海上易液化環(huán)境簡(jiǎn)化為常規(guī)干場(chǎng)施工，改變了曹妃甸工業(yè)區(qū)內(nèi)通常采用的向吹填砂中擠入長(zhǎng)距離調(diào)運(yùn)山皮石、2m2外調(diào)土置換1m2吹填砂的惡劣施工環(huán)境，僅此一項(xiàng)，節(jié)省投資近7000萬(wàn)元，并在曹妃甸工業(yè)區(qū)內(nèi)其他工程推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著?！?/p>

圖1 強(qiáng)夯施工流程圖

2017-08-20

李書群，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，教授級(jí)高級(jí)工程師，副總工程師。姬宏奎，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，工程師。