小議固結(jié)試驗起始值的選取

包承綱

（長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

筆者從開始接觸巖土領(lǐng)域至今已六十有五年了。其間有過許多教訓(xùn)，也有一些經(jīng)驗，這里談及一個小經(jīng)驗。

事情要追溯到30多年前，即上世紀80年代末，那時深圳機場正在籌建。市政府急于早日建成機場，以發(fā)展經(jīng)濟。但場址瀕臨海邊，地層十分軟弱，根據(jù)南京一家勘測公司的勘測報告，“機場所處的地貌屬海積平原及海積灘地，從上至下有全新世海積層（Ⅰ）、上更新世沖洪積層（Ⅱ）及中更新世殘積層。工程性質(zhì)很差”。簡單地說，就地基的土性而言，上面一層是十來米厚的淤泥層，其下是厚達三十多米的殘積土層，要建機場場道，這個軟弱地基必須處理。

有關(guān)單位最早提出的處理方案是砂井排水固結(jié)法，這是一種經(jīng)典的方法，本無可非議。但政府有關(guān)主管部門嫌此法太慢，且當時國內(nèi)開展大規(guī)模建設(shè)不久，對此法還不熟悉，所以想尋找更直觀、更好的方法。這時長江水利委員會設(shè)計院提出，用攔淤堤將跑道地基圍起來，然后挖去淤泥層，再回填好土（山皮風化土），這是一個大膽而新奇的處理方案，很直觀，也很徹底。但這個方案以往從未聽說過，國際國內(nèi)機場的軟基處理也無人用過。很難想象，在稀湯湯的十來米厚的淤泥層上，要打下一道幾千米長、穿過淤泥層并著底的攔淤堤，這堤如何打？打下去站得住嗎？在兩道攔淤堤中間還要挖去幾百萬方處于流態(tài)的淤泥（攪動后將成泥漿），用什么工具挖呀？挖得干凈嗎？挖后是否又流回來？回填工作又該如何進行？……如此等等，真是疑竇連連，不可設(shè)想！

許多技術(shù)人員都懷疑它的可行性與可靠性，有的把這方案戲稱為“大挖大填”，好奇者則要看看到底會搞成什么樣子。但當?shù)卣畢s十分欣賞這個方案，認為把淤泥都挖掉不是很徹底嗎？而且速度快，工期短，深圳正等著用機場呢！所以他們極力支持這個方案。于是圍繞機場場道軟基處理方案發(fā)生了一場不小的爭論。與此同時，長江委設(shè)計院的設(shè)計人員卻成竹在胸，信心十足，因為雖然這在一般土建行業(yè)從未見過，但曾有水利工程有過類似的實踐，只是處理的規(guī)模與深度不同罷了。他們認為，道理是相通的，只要認真細致去做就會成功。

但真正要在深圳機場用此方案還是非同小可，不僅難度大，工期緊，而且許多技術(shù)問題要重新研究和論證，實實在在是一場技術(shù)和施工的硬仗。概括起來有兩大難題：一個是施工方法和施工隊伍問題，這個問題很關(guān)鍵，施工隊伍問題這里暫且不說，而就施工方法而言，簡單地說，就是在淤泥層上傾倒大量山皮土，再用重型強夯將其夯入淤泥層中并直達殘積層，形成大體積的攔淤堤。用這種攔淤堤將場道四周圍封后，再用大型索鏟將圍在中間的淤泥挖去，最后填入粗粒料夯實，即形成堅實的跑道地基，這樣處理看得見、摸得著，心中有底，但難度是不容置疑的；另一個問題就是處理方案能否滿足深圳機場跑道工后沉降的嚴苛要求。當時一般機場工后沉降的規(guī)定是 5 cm，而深圳曾一度要求3 cm！這樣就要求對此方案的工后沉降進行論證，證明此方案是可滿足要求的。這后一問題就要靠土工研究人員來完成了。

上面已經(jīng)提到，10 m淤泥層已經(jīng)挖掉，填以山皮風化土，這換填層不會有太大沉降發(fā)生，但下面三十來米殘積土層會有沉降，這個沉降是否成為問題需要回答。眾所周知，沉降計算方法很多，本不難算出結(jié)果，但采用規(guī)范法和有限元法彈塑性模型計算出的結(jié)果都超過了工后沉降5 cm的限值！顯然，問題出在三十多米殘積土層在施工期的沉降不夠多，工程完工后的剩余沉降仍太大，怎么辦？

我們反復(fù)檢查整個計算過程，找不出什么毛病，但這結(jié)果無法論證方案是可以成立的，為此曾經(jīng)困惑建設(shè)方和有關(guān)設(shè)計研究人員相當長的時間。但這個問題不解決，方案就不能批準，工程也無法開工。

當時筆者在武漢知道這個問題后到了工地，經(jīng)多方核查，計算確無問題，但看到計算所用的原勘測報告殘積土固結(jié)系數(shù)Cv為6.3×10-3cm2/s，與一般黏土相似，而該土的滲透系數(shù)室內(nèi)試驗為 1.02×10-4cm/s，現(xiàn)場抽水試驗為9.13×10-3cm/s，這兩者就有矛盾了，若按固結(jié)系數(shù)與滲透系數(shù)之間的理論關(guān)系去估算，這樣的固結(jié)系數(shù)對應(yīng)的滲透系數(shù)應(yīng)為（A×10-7cm/s），而實測值竟為（A×10-3~-4cm/s），比估算值大100～1 000倍，兩者差這么大！再從試驗土樣觀察，似比較砂性，與一般黏土不同。因此認為固結(jié)試驗有問題。為此，我們?nèi)佑衷陂L科院試驗室進行復(fù)核試驗，結(jié)果與原勘測單位的成果基本一致，也是10-3cm2/s。這就表明試驗方法有問題了。筆者檢查了試驗的原始成果，確認固結(jié)試驗是完全按試驗規(guī)程進行的，成果的規(guī)律性也很好，看不出問題。再一看試驗的固結(jié)曲線，發(fā)現(xiàn)曲線很平，曲線第一點是15 s讀的，符合當時試驗規(guī)程的規(guī)定。但問題就出在這里。對于一般黏土，其滲透性較低，取15 s為第一個讀數(shù)是可以的（如圖1），但由于殘積土的透水性較大，當加載后15 s讀第一個試驗值時，沉降已發(fā)生了很大一部分，因此所得的沉降曲線比較平坦，Cv值也就比較小了。為此我們重新安排試驗，使第一次讀數(shù)在加載后盡快進行（2 s）。由此得到的t90=0.092 4 min，固結(jié)系數(shù)在1.30×10-1cm2/s，相反，若按規(guī)程操作以15 s為第一讀數(shù)，則t90=3.8 min，Cv=3.168×10-3cm2/s，兩者相差百倍左右（如圖2），這就是癥結(jié)所在！問題找到了！于是采用新的固結(jié)系數(shù)試驗值進行計算，工后沉降就滿足要求了。并立即將此驗證結(jié)果向深圳市匯報，方案很快得到批準，工程也順利開工了。

圖1 黏土的固結(jié)曲線（示意）Fig.1 Consolidation curve of the clay (schematic diagram)

圖2 深圳殘積土固結(jié)曲線成果Fig.2 Consolidation curve of residual soil in Shenzhen

通過這個事例筆者深刻體會到土工參數(shù)對工程的重要性，這些參數(shù)必須準確測定，而且土工參數(shù)的試驗方法也要符合土的特性并適應(yīng)工程的實際，否則反而混淆視聽，徒增麻煩。最近筆者查閱了現(xiàn)行土工試驗規(guī)程，發(fā)現(xiàn)固結(jié)試驗的第一個讀數(shù)是6 s，說明已經(jīng)注意到這個問題了。但是對滲透性較大的壤土或砂壤土，殘積土等，是否可以更早取得第一個讀數(shù)呢？這個問題值得研究。當然首先實驗儀器是否需作相應(yīng)改進，如采用自動加載、自動讀數(shù)的方式，這也需要進一步研究的。

深圳機場按此方法施工，于次年順利建成運行。在場道正式運行前，我們還采取了另一個措施，因為海邊的地下水位較高，故在施工期把換填地基的高地下水位抽干使其在有效荷載下固結(jié)。當場道正式運用時，再把地下水位恢復(fù)高位的常態(tài)，使換填層土的容重由濕容重變?yōu)樗氯葜?，以減少殘積土層的工后沉降。經(jīng)上述處理的跑道運行良好。據(jù)測定，跑道基礎(chǔ)的工后沉降遠小于規(guī)定值，有的甚至測不出工后沉降。機場運行良好，對深圳市的經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用。深圳機場場道處理方法，雖然未見在其他類似地基處理工程中應(yīng)用，但殘積土沉降研究中的這點小經(jīng)驗則還是值得參考的。