靜力觸探試驗在軟土地基沉降推算分析中的應(yīng)用

鄒智軍，賀迎喜

（1.中交上海航道局有限公司，上海 200002；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

隨著沿海經(jīng)濟發(fā)展，土地資源越來越匱乏，中國自20 世紀五六十年代開始圍填?；顒又两?，填海工藝已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。位于珠江三角洲東南部的香港，該處軟土主要為濱海相沉積軟土，這類軟土呈現(xiàn)出含水率高、壓縮性大、滲透性小、抗剪強度低、靈敏度高等特點。在這類軟土地基修建建筑物會經(jīng)常出現(xiàn)地基承載力不足、沉降過大、沉降不均勻等問題，不利于工程建設(shè)[1]。在軟土地基上進行工程建設(shè)，通常需要在正式施工前研究確定合適的加固方式；在施工過程中需要監(jiān)測沉降以控制施工加載速率，防止產(chǎn)生擠淤、隆起、滑移等不利現(xiàn)象并確保施工安全和質(zhì)量。

近海吹填造陸工程中，通常采用沉降板、分層沉降儀等儀器進行沉降監(jiān)測，這些儀器往往需要在回填出水后實施安裝，無法監(jiān)測到回填出水前的地基沉降。實際上，前期水力吹填和陸推施工過程中，原海床面以下的軟弱淤泥土地基持續(xù)發(fā)生沉降。香港國際機場第三跑道工程（簡稱香港三跑工程），研究通過靜力觸探試驗分析新回填料與原狀土海相沉積軟土的分界面，并成功推算出施工過程中的地基沉降量。

1 工程概況

香港三跑工程位于現(xiàn)有雙跑道北側(cè)，香港口岸人工島項目西北側(cè)。該工程包括面積約650 hm2的填海拓地以及上部的客運大廈、跑道、滑行道、旅客捷運系統(tǒng)、行李處理系統(tǒng)等機場配套基礎(chǔ)建設(shè)、道路網(wǎng)及交通設(shè)施。

其中填海工程規(guī)模相當于4 個香港人工島，為消除差異沉降，控制工后沉降在目標值之內(nèi)，確保工程質(zhì)量安全，工程采取了一系列的地基處理措施：水下塑料排水板（Marine PVD）、水下深層水泥攪拌樁（Marine DCM）、陸上深層水泥攪拌樁（Land-based DCM）、高壓旋噴樁（Jet Grouting）及其組合地基處理措施。地基處理工藝分布如圖1 所示。

圖1 地基處理工藝分布圖Fig.1 Lay out of foundation treatment

一般項目通常在陸域回填達到水位以上再安裝監(jiān)測儀器進行沉降監(jiān)測。與本工程地理位置毗鄰的港珠澳大橋香港人工島項目中則是在砂墊層鋪設(shè)完成后在水下安裝沉降板，在陸域出水后鉆孔連接沉降桿。安裝沉降板與連接沉降桿時2 次的標高差即為期間發(fā)生的沉降，接桿后通過沉降板可連續(xù)監(jiān)測此后的沉降量。此種方法理論上可以獲取砂墊層鋪設(shè)完成之后所發(fā)生的沉降數(shù)據(jù)，沉降板在施工回填過程中由于施工擠淤、地基沉降、DCM 隆起物以及施工船舶等干擾影響會產(chǎn)生一定的水平和垂直位移；由于回填厚度較大，通過磁力定位裝置也無法準確定位沉降板位置[2]，這導(dǎo)致在后續(xù)陸域出水鉆孔找到沉降板的成功率較低。根據(jù)設(shè)計要求[3]，本工程在前期實施過程中亦采用香港港珠澳大橋人工島的方法，但由于多標段交叉施工干擾大，高峰期現(xiàn)場逾百艘施工船舶，導(dǎo)致后期找到沉降板的成功率僅14.6%。為了全面準確地監(jiān)測整個施工區(qū)的沉降情況，需探尋一種可靠的監(jiān)測或推算方法。

2 靜力觸探試驗推算沉降原理及設(shè)計

2.1 靜力觸探試驗推算沉降的原理

靜力觸探是將一種內(nèi)部裝有傳感器的金屬錐頭，通過探桿勻速緩慢地壓入土體之中，依據(jù)探入阻力隨貫入深度變化的曲線來取得土體相關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)的一種巖土工程地質(zhì)勘探方法和測試技術(shù)手段。靜力觸探試驗在工程上已有廣泛運用，如推算不排水強度[4]，運用在跨海大橋建設(shè)[5]、水運工程建設(shè)等。

Robertson 等在1986年首先提出了根據(jù)靜力觸探數(shù)據(jù)，用測得的孔壓數(shù)據(jù)對錐尖阻力進行修正，并用CPT 端阻qt進行劃分的土體分類圖[6-7]。Robertson 分類圖對黏性土和砂土的分類結(jié)果比較理想，結(jié)合室內(nèi)土工試驗以及鉆孔資料可對土類進行精細判別。

本工程施工區(qū)域地基土組成包括：

1） 第一層為新回填材料，全部為粗粒土，包括海砂和機制砂，部分采用香港本地公眾填料；

2） 第二層地基土為原狀土，絕大多數(shù)為細粒土（黏土或粉土），主要為海相沉積軟土（厚度12～32 m）。

新回填料（砂料）與原海床面以下淤泥土的物理性質(zhì)差異明顯，可通過CPT 端阻qt分析確定回填層與原狀土淤泥土的分界面。通過對比當前淤泥層頂面標高與工前淤泥層頂面標高的差值，即可計算獲得期間發(fā)生的沉降值。CPT 端阻qt隨高程變化曲線見圖2。

圖2 CPT 端阻力qt-高程曲線Fig.2 CPT qt-elevation cure

為驗證靜力觸探判別回填料與海相淤泥分界面的準確性，在設(shè)計上采用鉆孔輔助驗證。

1） CPT 端阻qt判斷標準的確定

根據(jù)已有的地質(zhì)資料分析，施工區(qū)域原狀軟弱淤泥土的CPT 端阻qt絕大多數(shù)均小于1 MPa，為了分析確定回填砂與原狀淤泥土分界面的CPT端阻臨界值，選取18 組CPT 檢測結(jié)果，對自CPT 端阻qt＜1 MPa 起1 m 深度范圍內(nèi)的土樣CPT端阻qt平均值進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。統(tǒng)計結(jié)果顯示，CPT 端阻qt平均值為0.64 MPa，標準差σ 為0.11。由于各地海相淤泥土的CPT 端阻存在一定差異，因此結(jié)合香港大嶼山濱海區(qū)域海相淤泥土的強度特點，設(shè)計確定將CPT 端阻qt≤0.8 MPa 作為新回填砂與原狀淤泥土分界面CPT 端阻臨界值，即當某標高H0以下CPT 端阻qt持續(xù)小于0.8 MPa，可判別該標高H0為回填砂與淤泥土分界面。

表1 CPT 端阻qt 統(tǒng)計表Table 1 Statistics table of CPT qt

2） 鉆孔輔助驗證

為了監(jiān)測回填區(qū)的沉降情況，參考原沉降板布置密度，在回填區(qū)均勻布置CPT 檢測點。為了進一步驗證靜力觸探判別回填料與海相淤泥分界面的準確性，在CPT 檢測完成后，在原位進行鉆孔取樣獲得土樣送往試驗室切開樣板（見圖3），輔助判別驗證。CPT 及鉆孔儀器設(shè)備主要性能參數(shù)見表2。

圖3 鉆孔取樣照片F(xiàn)ig.3 Soil samples by borehole

表2 CPT 及鉆孔儀器設(shè)備主要性能參數(shù)Table 2 The main performance parameters of CPT rig and drilling rig

2.2 沉降監(jiān)測設(shè)計

1） 第一階段沉降量S1

第一階段沉降量S1按式（1）計算：

式中：H0為砂墊層施工前測量海相淤泥土頂面（原海床面）標高。H1為回填至+3.0 mPD，采用CPT 檢測數(shù)據(jù)推算出回填砂與海相淤泥土的分界面標高。

2） 第二階段沉降量S2

砂墊層施工結(jié)束后水下安裝沉降板，回填至+3.0 mPD，鉆孔連接沉降板，采用沉降板監(jiān)測后續(xù)沉降量，即第二階段沉降量S2。

3 沉降監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 靜力觸探試驗推算沉降結(jié)果分析

采用靜力觸探CPT 試驗結(jié)合鉆孔取樣的方式，對20 個分區(qū)第一階段沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

表3 沉降分區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of the settlement of subzone

由于常規(guī)鉆孔取樣法（雙管或三管取樣）多適用于黏土、泥巖、砂巖和軟巖等地質(zhì)，本工程回填料主要為中粗砂，采用鉆孔獲得回填砂與海相淤泥土分界面有一定難度，20 個鉆孔僅有10 個鉆孔成功獲得回填料和海相淤泥的分界面（占比50%）。因此第一階段沉降量主要以CPT 數(shù)據(jù)作為推算依據(jù)，鉆孔獲得的分界面標高數(shù)據(jù)作為參考輔助。

3.2 沉降量與回填加載和時間的關(guān)系研究

為了研究該地區(qū)軟土地基沉降規(guī)律，利用CPT 數(shù)據(jù)，推算回填施工過程中的第一階段地基土沉降量S1；利用水下沉降板（安裝在砂墊層頂部）監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得第二階段地基土沉降量S2。針對本項目某典型區(qū)域開展沉降監(jiān)測和分析，該施工區(qū)第一階段（間隔時間24 個月）沉降量S1為3.0 m；采用沉降板監(jiān)測第二階段（間隔時間6 個月）沉降量S2為0.3 m?；靥?6 個月以后，根據(jù)沉降板監(jiān)測數(shù)據(jù)可知沉降逐漸趨于收斂，第24 個月和第30 個月總沉降量分別為3.20 m 和3.30 m，地基沉降曲線如圖4 所示。

圖4 沉降量與加載關(guān)系圖Fig.4 Relationship between settlement and loading

3.3 靜力觸探試驗分析沉降的局限性

1） 采用CPT 方法推算沉降量，僅適用于原狀土和新回填料土性差異較大，例如原狀土為細粒土（粉土或黏土），新回填料為粗粒土（砂土），CPT 方法可較為準確判別原狀土與新回填料的分界面。當原狀土和回填料性質(zhì)相似，CPT 方法不適用。

2） 如果回填和后續(xù)地基加固施工對原狀土與新回填料分界面造成較大擾動，CPT 方法也不能用于判別原狀土與新回填料的分界面。由于本工程部分區(qū)域采用了深層水泥攪拌樁（DCM）加固地基[8]，DCM 施工完成后，回填料與大部分淺表層原狀淤泥已經(jīng)被擾動，無法分辨較為準確的分界面位置。

3） 采用靜力觸探試驗通常僅能分析一個時間段內(nèi)發(fā)生的總沉降，如需連續(xù)監(jiān)測沉降情況，則需連續(xù)進行靜力觸探試驗。

4 結(jié)語

靜力觸探技術(shù)可以實現(xiàn)連續(xù)測試，并得到完整的土層靜力觸探貫入曲線、貫入阻力力學(xué)剖面以及物理力學(xué)指標等相關(guān)資料。靜力觸探試驗方法適用于擾動較小的軟土地基沉降分析，該方法獲得業(yè)主、設(shè)計和施工的一致認可，替代和補充了原設(shè)計中沉降板監(jiān)測方法，成功地應(yīng)用在香港三跑工程施工過程中的沉降量推算和計量。該方法為以后類似填海工程的沉降分析和沉降計量提供了重要的借鑒意義。