沿海深厚軟土地區(qū)地鐵車站基坑工程勘察技術(shù)研究

岳建剛

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

軟土具有承載力低、含水量高、容易變形、觸變性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。在沿海深厚軟土地區(qū)進(jìn)行地鐵車站基坑開挖時，軟土的上述特點(diǎn)會對基坑支護(hù)設(shè)計產(chǎn)生較大影響，為地鐵工程建設(shè)帶來諸多不利因素。因此，準(zhǔn)確查明基坑范圍內(nèi)軟土的分布特征及物理力學(xué)性質(zhì)，合理評價其工程地質(zhì)特征，對于保證軟土地基的穩(wěn)定性、安全性，保障工程順利實(shí)施具有重要的意義。

針對軟土地區(qū)的工程勘察技術(shù)，學(xué)者們進(jìn)行了相應(yīng)研究，取得了豐碩的研究成果。在軟土綜合勘察方法方面，劉德平等[2]綜合軟土成因、軟土類型、軟土力學(xué)特征、地形地貌等多種因素提出適用于軟土地基的勘察方法。王輝等[3]以天津海相軟土為對象進(jìn)行研究，得出結(jié)論：海相軟土具有觸變性及流變性強(qiáng)、承載力低、透水性及土層均勻性差等特征。任洪靖[4]通過綜合勘察手段研究軟土的工程力學(xué)性質(zhì)。在軟土勘察成果分析方面，劉亞軍[5]根據(jù)靜力觸探在軟土勘察中的應(yīng)用，提出了靜力觸探與鉆探相結(jié)合的勘察手段，建立靜力觸探曲線與實(shí)際土層類別之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。孫德科等[6]分析了魚山海域軟土主要指標(biāo)之間的相關(guān)性，提出軟土的天然含水率與孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)之間具有線性相關(guān)性。高林等[7]研究了十字板剪切試驗(yàn)在軟土勘察工作中的應(yīng)用，提出了結(jié)合十字板剪切強(qiáng)度修正地基承載力的方法。

基于此，本文以某沿海城市深厚軟土地區(qū)地鐵車站為例，利用機(jī)動鉆探、土工試驗(yàn)、原位測試“三位一體”的綜合勘察方法，獲取其基坑范圍內(nèi)軟土的物理力學(xué)參數(shù)（尤其是對于基坑支護(hù)設(shè)計影響較大的強(qiáng)度及變形參數(shù)），并通過對上述方法獲得的勘察結(jié)果進(jìn)行比較，提出軟土強(qiáng)度及變形參數(shù)的合理取值建議，以期為基坑工程設(shè)計及施工提供詳實(shí)可靠的地質(zhì)依據(jù)。

2 工程概況

本研究涉及的某沿海城市深厚軟土地區(qū)地鐵車站的基坑長327 m，寬19.7 m，采用明挖法施工，開挖深度為12.5～16.1 m，位于沖海積平原區(qū)，地形起伏不大，周邊多為民房、魚塘等。車站平面位置如圖1所示。

圖1 車站平面位置圖

車站基坑開挖范圍內(nèi)地層主要為人工填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)砂、殘積砂質(zhì)黏性土、全～中風(fēng)化花崗巖。地表水較發(fā)育，周圍多分布水深為0.5～1.8 m的水塘、魚塘等，車站西側(cè)有連接外海的九龍江，其水位會隨潮汐漲落1～3 m。地下水主要為賦存于第四系松散層中的孔隙水，賦存于殘積層及全、散體狀強(qiáng)風(fēng)化帶中的風(fēng)化殘積孔隙水，以及賦存于碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化帶的基巖裂隙水?？辈炱陂g揭示穩(wěn)定地下水位埋深為0.3～1.3 m，年變幅約1～3 m。

3 巖土工程勘察方法

3.1 機(jī)動鉆探

本研究首先根據(jù)GB 50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范》[8]、GB 50307-2012《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》[9]的相關(guān)要求，參考JGJ 83-2011《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程》[10]，針對基坑開挖范圍布置勘探點(diǎn)，并在勘探點(diǎn)進(jìn)行機(jī)動鉆探勘察。

勘察揭示該區(qū)域地層主要由近代人工填土層（QS）、沖洪積層（Q4al+pl）、海積層（Q4m）、海陸交互沉積層（Q4mc）、上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）及第四系殘積層（Qel）組成。下伏基巖主要為燕山晚期侵入花崗巖（γ52（3）c）。各巖土層厚度及物理特征如表1所示，各巖土層分布如圖2所示。

表1 巖土層厚度及物理特征表

圖2 車站基坑開挖工程地質(zhì)縱斷面圖（單位：m）

根據(jù)鉆探揭示結(jié)果，車站基坑開挖范圍內(nèi)的主要地層為粉質(zhì)黏土、淤泥、淤泥質(zhì)砂、粉細(xì)砂等，地層起伏較大，均勻性一般。其中，淤泥整體呈灰黑色，含水率高，流塑狀，工程性質(zhì)極差，厚度約6～14 m，在場地內(nèi)普遍分布，且淤泥底臨近結(jié)構(gòu)底板，局部位于結(jié)構(gòu)底板之下，對基坑支護(hù)及結(jié)構(gòu)施工影響較大，如圖3所示。

圖3 鉆探揭示的淤泥圖片

3.2 土工試驗(yàn)

勘察人員在勘察過程中根據(jù)鉆探揭示的軟土分布情況，按照J(rèn)GJ/T 87-2012《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣規(guī)程》[11]，采用薄壁取土器對基坑開挖范圍內(nèi)的土層進(jìn)行取樣，并第一時間將其運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土工試驗(yàn)，即軟土常規(guī)物理性質(zhì)、固結(jié)、剪切、滲透等試驗(yàn)，以獲取軟土的物理指標(biāo)、變形參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)等，為基坑支護(hù)設(shè)計提供參考依據(jù)。不同深度試樣的土工試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。

由表2可知，基坑開挖范圍內(nèi)的軟土有如下特點(diǎn)。

（1）含水率高。該區(qū)域軟土天然含水率平均值約為70%，最大值接近75%，液限平均值為64.5%。含水率指標(biāo)隨深度變化不大，淤泥整體表現(xiàn)為流塑狀。

（2）孔隙比大。該區(qū)域軟土天然孔隙比平均值為2.03，最大值為2.13，飽和度達(dá)95.4%。究其原因在于，軟土在緩流或靜水環(huán)境沉積過程中易形成疏松多孔狀的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)中存在較多孔隙。

（3）壓縮性高。該區(qū)域軟土壓縮系數(shù)平均值約為1.45 MPa-1，最大值為1.64 MPa-1，壓縮模量平均值為1.94 MPa，最大值為2.16 MPa，是典型的高壓縮性土，具有一定程度的欠壓密性。這種土層在沉積初期可在軟土顆粒間形成一定強(qiáng)度的粒間聯(lián)結(jié)，但當(dāng)沉積速率小于粒間聯(lián)結(jié)力的增長速度時，土體來不及壓密，處于欠固結(jié)狀態(tài)。當(dāng)受到外部荷載作用時，土粒間孔隙將會迅速被壓縮，進(jìn)而引起較大的沉降變形。

（4）抗剪強(qiáng)度低。該區(qū)域軟土黏聚力平均值為5.4 kPa，最大值為6.5 kPa，內(nèi)摩擦角平均值為3.9°，最大值為4.74°，抗剪強(qiáng)度極低。

（5）靈敏度高。該區(qū)域軟土靈敏度平均值約為1.9，最大值約為3.4，依據(jù)GB 50021-2001可判定為中靈敏度土，具有較強(qiáng)的觸變性。這反映出該區(qū)域軟土結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)，多為架空的絮凝狀結(jié)構(gòu)[15]，當(dāng)其受到外力作用時，易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損壞，導(dǎo)致強(qiáng)度迅速降低。

（6）透水性差。該區(qū)域內(nèi)的淤泥滲透系數(shù)約為1.08×10-7cm/s，屬于微透水。由于淤泥的主要成份為黏粒，透水性差，因此其排水固結(jié)的難度很大，導(dǎo)致軟土固結(jié)時間較一般黏性土更長。

由于基坑開挖范圍內(nèi)的淤泥層中局部夾砂或少量粉細(xì)砂，因此上述土工試驗(yàn)的指標(biāo)呈現(xiàn)出不同程度的離散性。但總體而言，該區(qū)域內(nèi)的軟土性質(zhì)并未隨深度加大而明顯變化，其工程性質(zhì)均較差。

3.3 原位測試

考慮到基坑開挖范圍內(nèi)的軟土結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，在勘察取樣及試驗(yàn)過程中難免對其造成擾動，從而影響其力學(xué)指標(biāo)，因此本研究在勘探查明軟土分布情況的基礎(chǔ)上，開展靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等原位測試，以獲取軟土的變形及強(qiáng)度指標(biāo)。

3.3.1 靜力觸探試驗(yàn)

本研究針對基坑開挖范圍內(nèi)的軟土開展靜力觸探試驗(yàn)，靜力觸探探頭參數(shù)如下：圓錐錐底面積15 cm2，雙橋探頭，錐尖錐角60°，錐側(cè)面積300 cm2。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示，淤泥與上層粉質(zhì)黏土、下層殘積砂質(zhì)黏性土有明顯的差異，淤泥層的錐尖阻力約為0.07 ～0.21 MPa，平均值為0.14 MPa，側(cè)壁摩阻力小于10 kPa，且變化較穩(wěn)定，說明淤泥層整體均勻性好、強(qiáng)度低、貫入難度小。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊（第5版）》[12]，可得出淤泥不排水抗剪強(qiáng)度約為8.92 kPa，壓縮模量為1.2 MPa，通過換算可得到淤泥層的承載力約為22.92 kPa。

3.3.2 旁壓試驗(yàn)

本研究針對基坑開挖范圍內(nèi)的軟土開展旁壓試驗(yàn)。試驗(yàn)采用PM-2型預(yù)鉆式旁壓儀，標(biāo)稱壓力可達(dá)5.5 MPa。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 旁壓試驗(yàn)結(jié)果圖

根據(jù)旁壓試驗(yàn)結(jié)果可知，淤泥的旁壓模量為1.2～1.3 MPa，壓縮模量為1.5～1.6 MPa，變形模量為2.1 ～2.2 MPa，水平基床系數(shù)為0.12～0.13 MPa/m。

3.3.3 原位測試與土工試驗(yàn)結(jié)果對比分析

對比靜力觸探、旁壓試驗(yàn)等原位測試與土工試驗(yàn)結(jié)果可知，此2類試驗(yàn)的結(jié)果存在差異：原位測試得到的淤泥壓縮模量為1.2～1.6 MPa，平均值為1.4 MPa，土工試驗(yàn)得到的壓縮模量平均值為1.94 MPa，原位測試結(jié)果較土工試驗(yàn)結(jié)果減小27.8%；原位測試得到的淤泥不排水抗剪強(qiáng)度為8.92 kPa，土工試驗(yàn)得到的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為19.95 kPa，換算得到不排水剪切強(qiáng)度為9.97 kPa，原位測試結(jié)果較土工試驗(yàn)結(jié)果減小了15.06%。究其原因，可能是土工試驗(yàn)的土樣在運(yùn)送過程中因風(fēng)干等因素丟失了部分水分，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)偏高。因此，為確?；訃o(hù)體系的安全及穩(wěn)定，建議對土工試驗(yàn)得到的軟土強(qiáng)度指標(biāo)及變形指標(biāo)按照20%的比例進(jìn)行折減。

4 勘察方法有效性驗(yàn)證

在勘察階段，本研究提出“三位一體”的綜合勘察方法，即利用機(jī)動鉆探查明地層分布特征，通過土工試驗(yàn)查明軟土的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合原位測試提出對土工試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)折減的建議。施工階段開挖揭示出的軟土特征為流塑狀、含水率高、承載力低、工程性質(zhì)極差，如圖6所示，與勘察階段所揭示的特征一致，說明本研究提出勘察方法的有效性和可行性。

圖6 鉆探揭示的淤泥圖片

5 相關(guān)施工建議

（1）本工程基坑開挖范圍內(nèi)的軟土多處于欠固結(jié)狀態(tài)，承載力低、壓縮性高，施工過程中，在車輛荷載的作用下，土體易發(fā)生固結(jié)沉降，引起周邊建筑物基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)開裂。應(yīng)根據(jù)荷載分布特征對軟土地基進(jìn)行處理，確保施工設(shè)備行車安全，并同時加強(qiáng)對既有建筑物的變形監(jiān)測。

（2）由于軟土力學(xué)性質(zhì)差、強(qiáng)度指標(biāo)低、主動土壓力大、被動土壓力小，因此基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土體易產(chǎn)生較大的側(cè)向土壓力。應(yīng)加強(qiáng)對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，建議采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系，施工階段做好基坑支撐軸力及位移監(jiān)測，若發(fā)生變形或軸力超限等情況，應(yīng)迅速采取處理措施。

（3）基坑底部分布有軟土，易造成隆起破壞，應(yīng)加強(qiáng)基坑的抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算，同時對基底軟土進(jìn)行處理，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動土壓力，確保圍護(hù)體系的整體穩(wěn)定。

（4）軟土在地下連續(xù)墻成槽或鉆孔樁成孔過程中易產(chǎn)生縮孔等問題。因此，在施工過程中，可在地下連續(xù)墻兩側(cè)進(jìn)行槽壁加固，改善其成槽條件。

6 結(jié)語

本文以某沿海城市深厚軟土地區(qū)地鐵車站為例，利用機(jī)動鉆探、土工試驗(yàn)、原位測試“三位一體”的綜合勘察方法，獲取其基坑范圍內(nèi)軟土的物理力學(xué)參數(shù)（尤其是對于基坑支護(hù)設(shè)計影響較大的強(qiáng)度及變形參數(shù)），并通過對上述方法獲得的勘察結(jié)果進(jìn)行比較，提出軟土強(qiáng)度及變形參數(shù)的合理取值建議，以期為基坑工程設(shè)計及施工提供詳實(shí)可靠的地質(zhì)依據(jù)。