海工重載場地軟土地基加固設(shè)計(jì)與現(xiàn)場試驗(yàn)

宣廬峻， 付 桂

(1. 中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司， 上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心， 上海200063；2. 交通運(yùn)輸部長江口航道管理局， 上海200003)

珠海深水海洋工程裝備制造基地位于珠海市高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)西南臨海， 岸線長1 349 m， 為圍海造地而成， 總用地面積約295.4 萬m2(圖1)。 其中一期工程需要建造36.89 萬m2的總裝區(qū)。 根據(jù)總體布置， 海工產(chǎn)品在總裝區(qū)進(jìn)行總裝， 因此對總裝場地的荷載使用要求極高。

圖1 海油珠海深水海洋工程裝備制造基地項(xiàng)目地理位置

工程區(qū)域由于回填形成的陸域上部雜填土松散、 密實(shí)度低， 而下部淤泥質(zhì)土含水率高、 強(qiáng)度低。 如何使場地既能滿足生產(chǎn)的使用要求， 又節(jié)省工程投資、 加快施工進(jìn)度， 是本工程場地地基處理設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

對軟土地基的加固處理， 國內(nèi)外已有近百種方法， 如排水固結(jié)法、 換填墊層法、 堆載預(yù)壓法、深層攪拌法、 強(qiáng)夯法、 化學(xué)加固法、 加筋法、 動力擠密法等[1-6]， 其中適合深厚軟土地基處理的主要有排水固結(jié)法和深層攪拌法等。 深層攪拌法屬于化學(xué)加固方法， 考慮到經(jīng)濟(jì)等原因， 應(yīng)用不是很廣泛。 排水固結(jié)法又包括打設(shè)豎向排水體的堆載超載預(yù)壓法、 真空預(yù)壓法、 電滲法、 井點(diǎn)降水法以及動力排水固結(jié)法等， 由于沿海吹填陸域軟黏土的特點(diǎn)， 預(yù)壓法和動力排水固結(jié)法的應(yīng)用十分廣泛[7-8]。

本文以該基地中海工模塊總裝場地的軟土地基處理為例， 針對場地使用荷載的特點(diǎn)與地質(zhì)條件變化情況， 設(shè)計(jì)分區(qū)域采用了強(qiáng)夯置換法、 動力固結(jié)排水法等不同軟基地基加固方案， 通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行分析與比選， 選擇最優(yōu)的軟基加固設(shè)計(jì)方案， 為該場地的大面積地基處理提供了依據(jù)，同時(shí)也對動力固結(jié)法在軟土地基處理的推廣應(yīng)用具有借鑒作用。

1 地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

工程位于珠江口西岸， 原為珠江出海口灘涂地， 沿岸入海河流眾多， 海岸以回淤灘涂為特征，近期經(jīng)過人工填海圍墾形成較為平坦的陸地， 工程范圍內(nèi)地層自上而下依次為雜填土、 素填土、淤泥、 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、 粉質(zhì)黏土、 中粗砂、 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、 粉質(zhì)黏土、 細(xì)中砂、 粗礫砂、 粉質(zhì)黏土、 殘積砂質(zhì)黏性土， 下伏基巖為燕山期花崗巖。 主要土層工程特性指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 地層工程特性指標(biāo)

1.2 地質(zhì)特性

1)軟弱土層深厚。 擬建場地填土層下軟弱土層厚度較大且分布不均， 最大厚度達(dá)到30 m， 平均含水率W=59.6%， 平均天然孔隙比e=1.59，平均壓縮系數(shù)a0.1～0.2=1.42 MPa-1， 為高壓縮性的軟弱土層。

2)填土層條件復(fù)雜。 擬建工程陸地區(qū)域表層填土成分不均勻， 欠固結(jié)， 主要是花崗巖、 中粗砂、 粉質(zhì)黏土混雜物。 塊石直徑0.05 ～0.15 m，最大直徑為0.35 m， 層底多以中粗砂混少量碎石為主。 由于此層塊石及碎石較多， 且厚度較大(最大厚度達(dá)到10.4 m，平均厚度為6.29 m)， 排水板施工較困難。

2 軟土地基處理要求

2.1 場地使用荷載分析

場地主要須滿足600 t 與800 t 大型履帶吊為海工產(chǎn)品組裝的使用要求， 考慮到履帶板是在一定尺寸范圍內(nèi)向地面?zhèn)鬟f壓力， 因此， 場地的控制荷載應(yīng)該理解為局部壓力， 而非大面積均載的概念。

2.2 設(shè)計(jì)荷載

根據(jù)600 t 履帶吊荷載資料并考慮面層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力擴(kuò)散作用， 表層天然地基承載力不小于350 kPa， 場地內(nèi)滿足均布荷載100 kPa。

3 軟土地基處理方案

3.1 地基處理方案選擇與分區(qū)

在現(xiàn)有表層填土下分布有厚度20 m 左右的淤泥或淤泥質(zhì)土層， 場地若僅滿足表層持力層的地基承載力是不夠的， 還須驗(yàn)算下臥軟弱層的強(qiáng)度。

為加固深層軟弱土體， 傳統(tǒng)的地基處理方案包括水泥土攪拌樁、 高壓旋噴樁加固以及剛性樁體復(fù)合地基等， 雖然此類方案可以達(dá)到一步到位的效果， 但是造價(jià)昂貴， 工期長， 方案對比見表2。因此如何根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝的使用要求提出設(shè)計(jì)荷載， 是總裝場地地基處理經(jīng)濟(jì)、 合理的關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)提出通過加固場地上表層一定厚度的硬殼層以及淺層的軟土， 而深層下臥軟弱土層通過地基應(yīng)力擴(kuò)散的幫助來滿足地基承載力的強(qiáng)度要求。 深層的淤泥質(zhì)土在長期使用過程中產(chǎn)生沉降將不可避免， 但是可以選擇柔性面層結(jié)構(gòu)， 在生產(chǎn)使用過程中采用定期回填的方法逐步消除此部分沉降所產(chǎn)生的影響， 同樣能夠滿足場地的使用要求。

表2 方案對比

場地表層的雜填土粒徑較大， 但是厚度變化較大， 在總裝場地范圍內(nèi)最厚的地方達(dá)到7 m 左右， 最薄的地方僅為2.4 m。 因此在處理方法的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了區(qū)分。

對于目前雜填土頂高程低于-1.5 m 的區(qū)域，在回填至預(yù)留沉降的場地高程后， 淤泥頂面的覆蓋層總厚度不小于6 m， 采用強(qiáng)夯置換法形成墩體， 同時(shí)結(jié)合井點(diǎn)降水， 增強(qiáng)加固表層覆蓋層以及淺層淤泥的效果， 而較深的軟弱下臥層通過應(yīng)力擴(kuò)散能滿足承載力要求。

對于雜填土頂高程高于-1.5 m 的區(qū)域， 回填后淤泥頂面的覆蓋層總厚度小于6 m， 軟弱下臥層難以滿足承載力要求， 然而單純的強(qiáng)夯法加固淤泥效果差， 且強(qiáng)夯引起的孔隙水壓力的增長不能及時(shí)消散， 容易形成橡皮土。 近年來在諸多工程成功應(yīng)用的動力排水固結(jié)法通過設(shè)置水平及豎向的排水體系并調(diào)整夯擊參數(shù)， 加速孔隙水消散，促進(jìn)軟土排水固結(jié)， 提高下臥軟土層的地基強(qiáng)度，同時(shí)使淤泥層在短時(shí)間內(nèi)完成大量沉降， 加大了上部覆蓋層的厚度， 可謂一舉兩得。 該法顯現(xiàn)出效果、 經(jīng)濟(jì)、 工期上的綜合優(yōu)勢， 因此， 該部分區(qū)域設(shè)計(jì)推薦采用動力排水固結(jié)法進(jìn)行地基處理。

3.2 強(qiáng)夯置換法加固技術(shù)參數(shù)

單擊能量采用6 000 ～8 000 kN·m， 根據(jù)填土厚度變化作相應(yīng)調(diào)整， 填土厚度小于6 m 取下限、大于8 m 取上限。

單點(diǎn)夯擊次數(shù)應(yīng)通過試夯確定， 以滿足最后兩擊的平均夯沉量為控制標(biāo)準(zhǔn)為: 單擊夯擊能小于4 000 kN·m時(shí)為50 mm； 單擊夯擊能4 000 ～6 000 kN·m 時(shí) 為100 mm； 單 擊 夯 擊 能 大 于8 000 kN·m時(shí)為200 mm； 第1 遍夯擊前填開山石料至預(yù)留下沉頂高程4.5 m， 每遍夯擊結(jié)束后， 要求以開山碎石推平夯坑。

夯點(diǎn)布置見圖2， 夯擊5 遍。 第1、 2 遍為主夯點(diǎn)， 單擊能量為6 000 ～8 000 kN·m， 正方形布置。 第3 遍夯點(diǎn)在主夯點(diǎn)之間進(jìn)行， 單擊能量為4 000 kN·m， 夯點(diǎn)間距為9 m。

最后進(jìn)行2 遍低能級普夯， 夯錘相互搭接1∕3面積， 夯點(diǎn)布置見圖2。

圖2 夯點(diǎn)布置

3.3 動力固結(jié)排水法技術(shù)參數(shù)

3.3.1 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

垂直排水系統(tǒng)處理對象為②1層淤泥、 ②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土， 豎向排水通道同樣采用袋裝砂井， 直徑12 cm， 正三角形布置， 間距暫定1.3 m×1.3 m，砂井頂部位于中粗砂墊層內(nèi)， 底部以進(jìn)入第②3層粉質(zhì)黏土、 第②5層中粗砂或以下土層1.0 m為準(zhǔn)。

水平向排水系統(tǒng)采用砂墊層， 由中粗砂鋪設(shè)而成， 墊層厚度不小于0.6 m， 砂含泥量不大于5%； 區(qū)域內(nèi)設(shè)置盲溝以及排水井。

3.3.2 夯擊參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則: 少擊多遍、 循序漸進(jìn)， 根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)及工程地質(zhì)變化， 調(diào)整工藝參數(shù)。

夯點(diǎn)布置與夯擊數(shù): 第1 遍， 以點(diǎn)距4.0 m，正方形布置跳夯， 夯擊能2 000 kN·m； 第2 遍， 以點(diǎn)距4.0 m， 正方形布置跳夯， 夯擊能3 000 kN·m；第3 遍， 以點(diǎn)距6.0 m， 正方形布置跳夯， 夯擊能4 000 kN·m； 第4 遍， 以點(diǎn)距9.0 m， 正方形布置跳夯， 夯擊能5 000 kN·m； 第5 遍， 夯錘相互搭接1∕3 面積普夯， 能量為2 000 kN·m； 第6 遍，夯錘相互搭接1∕3 面積普夯， 能量為1 000 kN·m。

單點(diǎn)夯擊收錘標(biāo)準(zhǔn): 國家有關(guān)強(qiáng)夯規(guī)范收錘標(biāo)準(zhǔn)并不完全適用于動力固結(jié)排水法， 一般情況下要滿足最后2 擊平均夯沉量不大于10 cm， 由現(xiàn)場土體變形與孔壓確定要求單擊次數(shù)依據(jù)實(shí)測沉降位移觀測和孔壓增量來控制。

間歇時(shí)間: 2 遍夯擊的間隔時(shí)間以超靜孔壓完全或基本消散為控制標(biāo)準(zhǔn)， 現(xiàn)場施工取超孔壓消散80%以上的時(shí)間， 預(yù)計(jì)為8 d 左右。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 設(shè)計(jì)要求

強(qiáng)夯法與動力排水固結(jié)法尚未形成一套系統(tǒng)完整的設(shè)計(jì)方法， 許多設(shè)計(jì)參數(shù)還是經(jīng)驗(yàn)性的，影響因素又復(fù)雜多變， 設(shè)計(jì)時(shí)常采用工程類比法和經(jīng)驗(yàn)法； 在正式大面積施工前， 通過試夯， 對地基處理現(xiàn)象和效果作出定量評價(jià)， 反饋后再調(diào)整設(shè)計(jì)， 以校正各設(shè)計(jì)、 施工參數(shù)， 考核施工機(jī)具的能力， 為正式施工提供依據(jù)， 直到達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。 由于本工程地質(zhì)情況較為復(fù)雜， 須實(shí)施現(xiàn)場為主、 室內(nèi)試驗(yàn)為輔的監(jiān)控測試。 試驗(yàn)分區(qū)設(shè)計(jì)要求及監(jiān)測、 檢測內(nèi)容分別見表3、 4。

表3 試驗(yàn)分區(qū)設(shè)計(jì)要求

表4 監(jiān)測、 檢測內(nèi)容

4.2 試驗(yàn)技術(shù)要求

4.2.1 強(qiáng)夯法

單點(diǎn)夯監(jiān)測地表位移(豎向、水平)、 深層沉降、 每擊夯沉量、 測定夯坑深度及口徑， 測定孔隙水壓力增長與時(shí)間關(guān)系， 振動影響值與范圍。群點(diǎn)試夯監(jiān)測內(nèi)容除上述外， 計(jì)算各遍推平夯坑填料量， 以便正式施工調(diào)整預(yù)留下沉量及校核加固效果。 夯擊結(jié)束一至數(shù)周后對試夯場地進(jìn)行檢測。 檢測方法采用動力觸探、 標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、 地質(zhì)鉆探、 靜力荷載試驗(yàn)等。

4.2.2 動力排水固結(jié)法

由于動力排水固結(jié)法加固的區(qū)域上部填土較薄， 要求下部淤泥得到加固的同時(shí)， 保證沖擊荷載不至于對軟土微結(jié)構(gòu)形成破壞， 導(dǎo)致夯擊成“橡皮土”， 因此要求加強(qiáng)以下4 項(xiàng)監(jiān)測控制: 夯沉量控制、 孔隙水壓力、 水平位移控制、 地表隆起控制。

4.3 分析結(jié)果

通過試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯過程監(jiān)測和夯后檢測結(jié)果(圖3、 4， 表5)， 得出如下主要結(jié)果:

1)孔隙水壓力的測量結(jié)果基本反映了回填土及其下部淤泥在強(qiáng)夯過程中孔壓增長與消散的規(guī)律， A、 B 區(qū)遍夯間隔時(shí)間較短， 一般在6 ～10 d。C 區(qū)超孔隙水壓力消散較慢， 14 d 超孔壓消散為64%～70%。 可見， 在淺層分布軟土層的場地上采用強(qiáng)夯加固， 宜采用動力排水固結(jié)法以加快施工速度并能防止發(fā)生“橡皮土” 現(xiàn)象， 若下臥軟土層上部的覆蓋層較厚， 可采用大能量擊強(qiáng)夯法進(jìn)行加固以大幅提高地基承載力， 且采用強(qiáng)夯置換成墩體的方法優(yōu)于平錘法。

2)根據(jù)靜載試驗(yàn)并結(jié)合動力觸探與瑞雷波試驗(yàn)結(jié)果判定， 強(qiáng)夯置換加固與動力固結(jié)排水法對場地加固效果顯著， 可根據(jù)填土層厚度選擇處理方法與設(shè)計(jì)參數(shù)； 在類似地質(zhì)條件下， 能夠滿足表層承載力大于350 kPa、 壓縮模量大于10 MPa的處理要求， 而加固的影響深度與場地土層分布以及采用的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。

3)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，A 區(qū)與B 區(qū)由于在8 m 深度內(nèi)的淺層軟土能通過碎石墩或者砂井排水， 采用動力進(jìn)行加固后土體強(qiáng)度都有一定程度增長， 軟土夯后平均標(biāo)貫擊數(shù)N平均增加1 擊以上； B 區(qū)由于砂井的豎向排水作用， 深度8～12 m 內(nèi)軟土強(qiáng)度也有明顯增長， 且增加幅度與淺層軟土基本相同， 而A 區(qū)在8 m 以下改善效果較小。 可見采用動力固結(jié)法能增加表層回填土強(qiáng)度外， 對于下部淤泥的加固也是行之有效的。

4)從夯前、 夯后剪切波速對比曲線可知，A 區(qū)8 m 深度范圍內(nèi)加固效果較明顯， 提高幅度30%以上， 8 m 以下改善效果較小。 C 區(qū)因填土層(6～7 m)較A 區(qū)厚， 強(qiáng)夯加固效果非常明顯， 8 m范圍內(nèi)提高幅度100%以上， 加固效果顯著。

圖3 試夯區(qū)超孔隙水壓力歷時(shí)曲線

圖4 A、 C 區(qū)夯前、 夯后剪切波速對比

表5 填土層夯前、 夯后加固效果對比

5 結(jié)論

1)海洋工程重載場地的使用要求往往具有局部荷載大但對長期沉降控制不太嚴(yán)格的特點(diǎn)， 堅(jiān)持“地基強(qiáng)度一步到位， 沉降影響逐步消除” 的設(shè)計(jì)理念， 相比采用剛性樁體復(fù)合地基等一次處理到位的常規(guī)方法更具經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。

2)強(qiáng)夯置換加固法與動力固結(jié)排水法具有不同的地質(zhì)適用條件， 對于上部覆蓋層較薄且下部分布軟土層的地質(zhì)情況宜采用動力固結(jié)排水法進(jìn)行處理； 珠海深水海洋工程基地的地基處理實(shí)踐成果證明， 強(qiáng)夯置換加固法與動力固結(jié)排水法在適宜的地質(zhì)條件下， 只要加固技術(shù)參數(shù)合理， 皆能達(dá)到令人滿意的效果， 而本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案參數(shù)選取以及現(xiàn)場試驗(yàn)分析， 也對進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有借鑒意義。