肖作銘
(閩武長城建設(shè)發(fā)展有限公司,福建福州 350600)
工程測量監(jiān)測技術(shù)在工程建設(shè)施工中應(yīng)用較廣泛,是指導(dǎo)和保障各類構(gòu)筑物現(xiàn)場施工安全、分析評價施工質(zhì)量的重要手段。學(xué)者們針對此項技術(shù)的應(yīng)用研究成果較多,例如沈新中[1]采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)處理福建羅源灣工業(yè)區(qū)某鋼廠軟土地基的沉降變形并進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測,評價真空聯(lián)合堆載預(yù)壓排水固結(jié)法的處置效果;柯磊等[2]分析軟土—基巖條件下對地鐵車站施工間歇期結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測與評價中存在的不足,將布拉格光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于深圳某地鐵車站施工間歇期的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中,通過遠(yuǎn)程自動化獲取結(jié)構(gòu)在施工間歇期的變形信息;蔡勇[3]結(jié)合某水運(yùn)工程的軟土地質(zhì)特征,分析水運(yùn)工程建設(shè)中軟土地基的施工監(jiān)測及檢測方法以及軟土地基施工監(jiān)測檢測中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。張詩升[4]、劉君[5]、駱鍇等[6]、盛文治[7]依托不同的工程類型和特點(diǎn)對塑料排水板處理軟土地基的沉降變形特點(diǎn)、地基固結(jié)狀態(tài)等進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測與分析評價??傮w而言,在天然軟土地基工程施工建設(shè)中開展工程測量與監(jiān)測工作不算困難,獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,因此易于整理和分析評價。
福建東南沿海灘涂廣泛分布著厚度大、含水率高、強(qiáng)度低、滲透性差的淤泥軟土,在這樣的區(qū)域場地建設(shè)港口工程,需要對淤泥軟土地基進(jìn)行處理,確保地基上部各類構(gòu)建物的安全性和穩(wěn)定性。護(hù)岸通常采用插設(shè)豎向排水板的方式處理深厚淤泥的地基,拋石填筑堆載預(yù)壓的地基處理和施工方案工藝成熟可靠、造價經(jīng)濟(jì)合理,但受施工期淤泥地基的固結(jié)變形和穩(wěn)定性影響,需要開展現(xiàn)場施工變形觀測并評價地基處理效果,保障護(hù)岸結(jié)構(gòu)與地基穩(wěn)定。對于沿海吹填港口工程建設(shè)而言,復(fù)雜的地質(zhì)條件、天氣狀況和施工環(huán)境給現(xiàn)場施工變形觀測工作造成較大的困難,特別是在儀器的埋設(shè)與日常維護(hù)方面,需要在前人研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際工程情況,遵循因地制宜的原則,科學(xué)合理地制訂切實(shí)可行的變形觀測方案,確保變形觀測儀器的埋設(shè)質(zhì)量、長期存活率及變形觀測數(shù)據(jù)等滿足設(shè)計要求,從而準(zhǔn)確掌握軟土地基的固結(jié)變形過程,科學(xué)指導(dǎo)現(xiàn)場施工和管理。
本文以福州某新建碼頭的拋石護(hù)岸工程為研究對象,通過詳細(xì)整理、分析現(xiàn)場施工變形觀測數(shù)據(jù),揭示采用插設(shè)豎向排水板處理后的灘涂深厚淤泥地基在拋石填筑荷載作用下沉降、水平位移、孔隙水壓力的變化過程及規(guī)律,計算、推求地基平均固結(jié)度,分析和評價地基排水固結(jié)狀態(tài)及變形穩(wěn)定性。
福州某港區(qū)泊位工程位于羅源灣,陸域形成區(qū)及碼頭平臺區(qū)地形呈由北向南緩傾的趨勢,為潮間帶海積漫灘及近岸淺海地貌,場地標(biāo)高基本在2~7 m。地勘資料顯示土層分布自上而下為淤泥、淤泥質(zhì)土、含泥中砂、黏土、粉土、含泥粗砂、圓礫、卵石、全風(fēng)化凝灰熔巖、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖等。其中,軟弱層厚度在30 m 左右,主要軟土層包括以下部分:①淤泥:呈深灰色,流塑,飽和;含少量貝殼及腐殖質(zhì),略有臭味;捻面光滑,有光澤,干強(qiáng)度和韌性中等,搖振反應(yīng)慢;場地均有分布,厚度為8.20~24.80 m,層頂高程為-2.03~-2.50 m。②淤泥質(zhì)土:呈深灰色,流塑或軟塑,飽和;含有少量貝殼碎片及腐殖質(zhì),略有臭味;捻面光滑,有光澤,干強(qiáng)度和韌性中等,搖振反應(yīng)慢;場地均有分布,厚度為2.00~21.80 m,層頂埋深為13.30~37.90 m,層頂高程為-12.5~-21.49 m。
本工程需建造東護(hù)岸、南護(hù)岸和西護(hù)岸。其中,南護(hù)岸為永久護(hù)岸,長257.2 m;東、西護(hù)岸為臨時護(hù)岸,總長1 604 m。護(hù)岸采用“豎向排水板+分層拋石壓載”結(jié)構(gòu),護(hù)岸堤身結(jié)構(gòu)由護(hù)肩、肩臺、護(hù)腳3 個部分組成。
南護(hù)岸的施工變形觀測平面布置圖如圖1所示,變形觀測方案主要包括以下幾個方面。
(1)表層沉降觀測。沉降板應(yīng)在插排水板前埋設(shè)并記錄原始標(biāo)高;根據(jù)實(shí)測沉降值計算固結(jié)度,預(yù)測沉降趨勢。
(2)孔隙水壓力變形觀測。采用振弦式孔隙水壓力計按深度方向每向下3 m 埋設(shè)1 個傳感器,埋設(shè)深度根據(jù)淤泥厚度而定,各層深度傳感器均需滿足不同深度量程的需要,各深度位置的傳感器宜分孔埋設(shè)。根據(jù)實(shí)測的孔隙水壓力的增長和消散過程控制加荷速率,并計算土體固結(jié)度和強(qiáng)度的增長情況。
(3)深層(分層)沉降變形觀測。用于測量不同深度的土層在加固過程中的沉降過程曲線,了解各土層的壓縮情況,判斷加固達(dá)到的有效深度及各個深度土層的固結(jié)程度,為沉降的研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供驗證資料。采用沉降尺及沉降環(huán)進(jìn)行變形觀測,按深度方向每向下3 m 埋設(shè)一個磁環(huán);采用鉆孔埋設(shè),埋設(shè)完畢后應(yīng)對不同深度的磁環(huán)按次序編號,待孔側(cè)的土回淤穩(wěn)定后測量其初始標(biāo)高。
(4)深層位移觀測。鉆孔埋設(shè)測斜管,測斜管底部需埋入加固地基后的不變形土層3 m以上。根據(jù)觀測成果分析各土層的側(cè)向壓縮方向及數(shù)量、堆載期間土體側(cè)向變化規(guī)律及側(cè)向影響范圍。
(5)變形觀測控制標(biāo)準(zhǔn)。地表沉降速率≤15 mm/d;水平位移速率≤5 mm/d;孔隙水壓力∑△U/∑△P≤0.5。對于因工程施工引起的裂縫,發(fā)現(xiàn)后即做報警處理,并隨時變形觀測。
在南護(hù)岸3 個平臺的地基表面埋設(shè)19 個沉降板,其中布設(shè)在頂平臺的測點(diǎn)共5 個,布設(shè)在中平臺的測點(diǎn)共7個,布設(shè)在底平臺的測點(diǎn)共7個。圖2為平臺地基各測點(diǎn)表面沉降量平均值的變化曲線。
南護(hù)岸于2014年9月14日鋪設(shè)0.3 m 厚度的墊碎石,9月21日加載1 m 厚度的堤心石,11月20日加載1.2 m厚度的堤心石,最后一次于2015年1月10日加載0.8 m 厚度的壓腳塊石。現(xiàn)場變形觀測表明,各測點(diǎn)的沉降變化隨上部填筑加載而變化,平臺的填筑厚度不同,作用于地基表面的荷載量即不同,地基產(chǎn)生的累計沉降量也隨之不同。開始填筑時,3 個平臺的填筑進(jìn)度和荷載比較接近,測點(diǎn)的沉降差異較小。隨著填筑施工的進(jìn)行,底平臺的填筑最先達(dá)到設(shè)計標(biāo)高,隨之為中平臺、頂平臺。隨著平臺加載過程和加載量的變化,3個平臺的累計沉降量產(chǎn)生了較大的差異。荷載越大,測點(diǎn)的累計沉降量越大,頂平臺測點(diǎn)累計沉降量平均值最大,其次為中平臺和底平臺。同一平臺的測點(diǎn),其累計沉降量也存在一定的差異,主要原因是南護(hù)岸的淤泥分布情況不同,淤泥深度由東往西逐漸變大,當(dāng)荷載量基本一致時,西側(cè)的沉降量相對較大。填筑施工完成后,作用于平臺地基表面的荷載基本恒定,沉降逐漸趨于穩(wěn)定收斂,連續(xù)10 d沉降速率均在1.5 mm/d的設(shè)計范圍內(nèi)。實(shí)測最大沉降量為3 441.12 mm(頂平臺的S15 測點(diǎn)),最小沉降量為1 892.84 mm(底平臺的S11測點(diǎn))。
用于深層土體沉降變形觀測的沉降管共7根,埋設(shè)在南護(hù)岸的中平臺,現(xiàn)以T3 沉降管分析淤泥地基土體深層沉降的變化規(guī)律。該沉降管共埋設(shè)8個磁環(huán),分別埋于泥面以下-2.5 m、-6.5 m、-8.5 m、-12.5 m、-14.5 m、-16.5 m、-18.5 m 、-20.5 m 處?,F(xiàn)場變形觀測數(shù)據(jù)表明,淤泥地基土體深層沉降隨著上部加載而發(fā)生的變化與加載的厚度相關(guān)性較大。淺部土層磁環(huán)的沉降變形對施工加載的反應(yīng)較好,深部土層的壓縮隨加載的增大和排水固結(jié)歷時的增長而逐漸增大。土體的沉降變形主要發(fā)生在泥面以下厚度20 m 左右的軟土層,與填筑荷載的大小及引起的附加應(yīng)力對下臥淤泥的影響深度相關(guān)。實(shí)測T3 沉降管的1#磁環(huán)累計沉降量為1 983 mm,與中平臺鄰近的沉降板測值結(jié)果基本吻合。隨著護(hù)岸加載結(jié)束,地基土體分層沉降曲線逐漸趨于穩(wěn)定。
用于地表淺層水平位移變形觀測的邊樁共7根,埋設(shè)在南護(hù)岸的底平臺,其中B1 邊樁在施工過程中被破壞,受現(xiàn)場條件限制無法補(bǔ)埋。現(xiàn)場變形觀測表明,受填筑加載的水平擠壓作用,邊樁均產(chǎn)生向海側(cè)方向的水平位移,實(shí)測最大累計位移量為268.5 mm(B6 邊樁)。加載施工過程中,邊樁位移變化明顯,當(dāng)填筑達(dá)到設(shè)計標(biāo)高、荷載基本恒定后,邊樁位移基本趨于穩(wěn)定,日位移量很小,基本為0~0.5 mm/d。可見,南護(hù)岸地基已處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。
用于深層土體水平位移變形觀測的測斜管共7根,埋設(shè)在南護(hù)岸的中平臺,選擇D3、D5 測斜管分析淤泥地基土體深層水平位移的變化規(guī)律。現(xiàn)場變形觀測表明,受填筑加載的水平擠壓作用,淤泥地基土體均產(chǎn)生向海側(cè)方向的水平位移,深層水平位移最大值發(fā)生在地表,水平位移量隨著深度的增大而呈現(xiàn)減少的趨勢,測斜管布設(shè)深度范圍內(nèi)的土體均產(chǎn)生了水平位移,其中主要的水平位移發(fā)生在20 m 深度范圍內(nèi),與荷載大小及引起的附加應(yīng)力對下臥淤泥的影響相關(guān)。D3測斜管位于護(hù)岸偏東位置,實(shí)測最大累計位移量為434 mm;D5 測斜管位于護(hù)岸偏西位置,實(shí)測最大累計位移量為464 mm。D5 測斜管的最大累計位移量大于D3 測斜管,這與南護(hù)岸淤泥厚度由東往西逐步變大的分布情況相吻合。加載施工過程中深層土體水平位移變化明顯,當(dāng)填筑達(dá)到設(shè)計標(biāo)高、荷載基本恒定后,水平位移基本趨于穩(wěn)定,日位移量很小,基本為0~1.0 mm/d,說明南護(hù)岸地基已處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。
為了解護(hù)岸填筑加載引起的淤泥地基孔隙水壓力增長消散的變化情況,分別在頂平臺、中平臺和底平臺埋設(shè)19 組孔隙水壓力計,每組按-4.0 m、-7.0 m、-10.0 m、-13.0 m、-16.0 m、-19.0 m、-22.0 m、-25.0 m 的深度位置埋設(shè)8 只孔壓計。選擇頂平臺的U3 測點(diǎn)、中平臺的U10 測點(diǎn)和底平臺的U17 測點(diǎn)作為代表進(jìn)行分析。現(xiàn)場變形觀測表明,孔壓值的變化與上部施工加載過程、荷載量大小及測點(diǎn)埋深等有明顯的相關(guān)性。施工加載厚度越大,荷載越大,孔壓值增加越大。淺部測點(diǎn)的孔壓增長和消散的速度快于深部測點(diǎn),深部測點(diǎn)的孔壓變化呈現(xiàn)一定的延時、累積和漸進(jìn)的過程效應(yīng)。護(hù)岸地基表面鋪設(shè)一定厚度的中粗砂墊層及碎石墊層,下臥淤泥地基中插設(shè)豎向排水板,構(gòu)成相互交織的立體排水管網(wǎng)系統(tǒng),可發(fā)揮良好的排水消壓作用。填筑加載過程中孔隙水壓力增長基本控制在設(shè)計的∑△U/∑△P≤0.5 范圍內(nèi),當(dāng)填筑達(dá)到設(shè)計標(biāo)高,上部堆載處于滿載及恒載狀態(tài)后,地基中的孔壓逐漸消散。依據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理,隨著孔壓的消散,上部荷載引起的附加應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為土體的有效應(yīng)力,有效應(yīng)力可促進(jìn)淤泥土體的固結(jié)和淤泥土體強(qiáng)度的增長。
地基固結(jié)度反映了淤泥地基在上部堆載作用下達(dá)到的排水固結(jié)狀態(tài)和程度,是分析評價地基處理效果的重要指標(biāo)。本工程地基固結(jié)度的計算方法是以固結(jié)理論為依據(jù),依據(jù)現(xiàn)場變形觀測數(shù)據(jù),基于三點(diǎn)法推求最終沉降量和平均固結(jié)度。
三點(diǎn)法即根據(jù)地基表面沉降的時間變化曲線(S~t),在上部荷載恒定后取時間間隔相等的3 個點(diǎn)(t1,S1)、(t2,S2)和(t3,S3),按公式(1)推求地基的最終沉降量:
南護(hù)岸填筑加載時間255 d,滿載期為4 個月左右,計算得到頂平臺地基的平均固結(jié)度為98.33%,中平臺地基的平均固結(jié)度為98.38%,底平臺地基的平均固結(jié)度為98.67%,南護(hù)岸地基綜合平均固結(jié)度為98.46%??梢姡爿d預(yù)壓結(jié)束后南護(hù)岸地基的平均固結(jié)度均達(dá)到90%以上,滿足設(shè)計要求。
福建沿海灘涂淤泥地基新建碼頭工程通常采用插設(shè)豎向排水板處理深厚淤泥地基,通過拋石填筑堆載預(yù)壓的方案構(gòu)建護(hù)岸,因此淤泥地基的固結(jié)變形和穩(wěn)定性是需要關(guān)注的重點(diǎn)。開展地基沉降、水平位移和孔隙水壓力等現(xiàn)場變形觀測對保障護(hù)岸結(jié)構(gòu)與地基的穩(wěn)定、評價地基處理效果具有重要意義。本文工程的變形觀測數(shù)據(jù)表明,填筑施工結(jié)束后,護(hù)岸地基進(jìn)入恒載預(yù)壓期,地基沉降和水平位移趨于穩(wěn)定,各表面沉降速率基本保持在0~1.5 mm/d,測斜管的水平位移速率為0~1.0 mm/d,荷載引起的孔壓增量逐漸消散,經(jīng)推算,地基平均固結(jié)度達(dá)到90%以上,護(hù)岸地基處于穩(wěn)定狀態(tài),達(dá)到了設(shè)計要求的變形觀測的目的。