張 明，蔣瑞波

(河南工程學(xué)院 土木工程系， 河南 鄭州 451191)

招商局深圳前灣填海造陸軟基處理工程位于前海片區(qū)南側(cè)，西部通道西側(cè)，月亮灣大道北側(cè)和媽灣大道東側(cè)，按使用功能分為汽車貿(mào)易城、物流園區(qū)和碼頭功能區(qū)三部分(如圖1)，總規(guī)劃面積為242.22萬m2[1]。原始地貌屬濱海灘涂區(qū)，淺海域海水深1～3 m。填海淤泥軟基處理方案：首先，在海灘拋石擠淤設(shè)置圍堰形成塘，然后將海底淤泥混合攪拌吹填至塘內(nèi)，在6.0～14.0 m厚的海相沉積淤泥之上形成厚度為3～6 m的吹填淤泥，經(jīng)晾曬脫水3～10個月后，主要采用插板預(yù)壓軟基處理方法進(jìn)行處理，最終形成建設(shè)用地[2]。

圖1 招商局深圳前灣填海造陸軟基處理工程

A、B1、B2、C1、C2、C3、C4七個區(qū)，采用碼頭疏浚港池淤泥及修船基地表層淤泥吹填形成。吹填完成后經(jīng)晾曬并鋪設(shè)一層厚約1 m的中粗砂工作墊層，在鋪設(shè)砂墊層前，先鋪設(shè)一層竹竿綁扎成網(wǎng)格狀作為加筋片，再鋪設(shè)一層200 g/m2土工布作為吹填泥的表層處理，而后進(jìn)行軟基處理。

室內(nèi)土工試驗統(tǒng)計的吹填淤泥及海相沉積淤泥軟基處理前主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1[3]。

1 軟基處理方法及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

考慮到場區(qū)面積大及交地時間、土方平衡等要求，采用分區(qū)分階段原則進(jìn)行軟基處理。軟基處理工程分三步完成，施工順序為：圍堰隔堤工程，吹填陸域形成與軟基處理工程。

表1 淤泥的主要物理力學(xué)性質(zhì)

(1)圍堰隔堤工程

碼頭區(qū)圍堰和各區(qū)中央隔堤區(qū)采用拋填塊石強夯法處理，利用已形成的圍堰將場區(qū)進(jìn)行分割，形成基本的交通條件，同時作為吹填陸域形成的前提條件。

(2)吹填陸域形成

吹填土開挖區(qū)布置在擬建碼頭前沿線50 m外、進(jìn)港航道以東200 m的水域，開挖區(qū)水域面積53.258 m2。根據(jù)工期要求，采用港池開挖與吹填造陸相結(jié)合，分層開挖、分層吹填的原則實施[4]。按疏浚土分類、施工分區(qū)和分階段吹填造陸，其中港池表層開挖差土(流泥、淤泥土)吹填至汽車貿(mào)易城區(qū)、物流園區(qū)和碼頭C2、C3區(qū)，下臥好土(粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土、粗礫砂等)吹填至碼頭C1區(qū)，陸域形成工程量見表2。

(3)軟基處理工程

軟基處理對象為吹填淤泥與下臥海相沉積淤泥，吹填淤泥經(jīng)疏浚和吹填施工，原狀特性已有很大改變，經(jīng)晾曬自重固結(jié)后的土性指標(biāo)，是地基處理設(shè)計的主要依據(jù)之一。在經(jīng)初步晾曬自重固結(jié)后，根據(jù)分期分階段原則進(jìn)行軟基處理，各區(qū)采用的軟基處理方法及功能規(guī)劃要求[5]見表3。

表2 陸域形成工程量

2 軟基處理現(xiàn)場觀測與監(jiān)測

(1)表層沉降觀測

主要目的[1,2]：掌握施工期地表沉降及沉降速率規(guī)律，了解淤泥頂面在預(yù)壓荷載作用下的沉降發(fā)展過程，一方面用于評價填土加載速率的安全穩(wěn)定性，另一方面通過對觀測數(shù)據(jù)的實時分析，計算淤泥的固結(jié)度，推算地基工后沉降及確定合理的卸載時間。

表3 軟基處理方法及規(guī)劃功能

布置要點：堆載預(yù)壓區(qū)按約4000 m2左右布置一個沉降板，真空堆載聯(lián)合預(yù)壓區(qū)按約1400 m2布置一個沉降板，整個場區(qū)共放置717個沉降標(biāo)，放置位置盡量均勻，以便測得的沉降數(shù)據(jù)能真實地反映實際情況。

(2)深層分層沉降觀測

主要目的[1,3]：結(jié)合分層沉降觀測數(shù)據(jù)，了解不同淤泥層位加固過程中的沉降發(fā)展時程線，從而了解各土層的壓縮情況，判斷有效加固深度，計算各深度淤泥層的固結(jié)度，分析預(yù)壓加固效果。

布置要點：分層沉降儀采用鉆孔埋設(shè)，沿沉降管從淤泥層約間隔2 m設(shè)置一個測點，整個場區(qū)共布置64組深層分層沉降標(biāo)。

(3)孔隙水壓力觀測

主要目的：測試淤泥層不同深度處孔隙水壓力的增長和消散情況，用以計算土體固結(jié)、強度增長，分析地基的穩(wěn)定性，從而控制加載速率，避免堆載過快造成地基失穩(wěn)，以指導(dǎo)施工。

布置要點：沿深層分層沉降標(biāo)測試點附近布置，每孔依次在淤泥層間隔約2 m埋設(shè)一只孔隙水壓力計，整個場區(qū)共布置73組孔隙水壓力計。

(4)真空度觀測

主要目的[4,5]：了解真空度沿垂直排水通道的傳遞規(guī)律及真空度隨排水通道的傳遞損失，判斷真空荷載在垂直方向上的分布情況及影響深度，判斷有效加固深度。

布置要點：整個場區(qū)共布置9組真空測頭，分別在A、B1、C4區(qū)布置，每組沿不同深度自上而下綁扎在一根塑料排水板上，埋設(shè)方法與孔隙水壓力相同，埋設(shè)時要求測頭與排水板之間緊密接觸，并用無紡布將兩者綁扎起來，保證測頭能準(zhǔn)確測量所在位置排水板處的真空度。

(5)水位觀測

用以觀測抽真空及堆載期間地下水位的變化情況，通過靜水壓力計算超靜孔隙水壓力。沿孔隙水壓力觀測孔附近布置，整個場區(qū)共布置73只水位計。

(6)深層水平位移觀測

主要目的[3,4]：測試不同深度處土體的側(cè)向位移，分析堆載填土過程中土體的穩(wěn)定性，判斷加固過程中側(cè)向位移對土體垂直變形的影響。

布置要點：結(jié)合施工現(xiàn)場地形，在離場地加固區(qū)坡腳不同距離處分別設(shè)置觀測孔，共布置3個觀測孔。堆載預(yù)壓區(qū)坡腳邊線布置2個觀測孔，真空堆載聯(lián)合預(yù)壓區(qū)布置1個觀測孔。

3 現(xiàn)場測試成果及分析

選取B2區(qū)真空堆載聯(lián)合預(yù)壓區(qū)與堆載預(yù)壓區(qū)典型儀器布置斷面，對加固過程中土層的沉降變形、孔隙水壓力、真空度、深層水平位移測試結(jié)果進(jìn)行分析，斷面的鉆孔地質(zhì)及儀器布置如圖2(a)、(b)所示。

圖2 斷面鉆孔地質(zhì)及儀器布置

3.1 表層沉降

真空堆載聯(lián)合預(yù)壓加固過程中地表沉降與平均沉降速率的變化情況分別如圖3、4所示。由圖可見，真空預(yù)壓加載初期地基沉降發(fā)展很快，沉降曲線較陡，最大沉降速率達(dá)到4.5 cm/d；2007年9月28日(真空預(yù)壓15天)真空預(yù)壓荷載達(dá)到80 kPa后，隨時間的增長沉降速率逐漸減小，至2007年10月24日(39天)第一級堆載，沉降曲線再次出現(xiàn)快速增長趨勢。每一級堆載，均出現(xiàn)沉降速率由快速增長至穩(wěn)定的過程，沉降速率曲線呈現(xiàn)波形狀，四次堆載期間地表最大沉降速率為2.8 cm/d。恒載2個月后沉降曲線逐漸平緩，沉降速率逐漸穩(wěn)定下來，由于預(yù)壓荷載超載較大，直至卸載前沉降速率還未收斂，平均沉降速率仍為0.5 cm/d。

圖3 地表沉降隨時間的變化

圖4 地表平均沉降速率隨時間的變化

圖5 地表沉降隨時間的變化

圖6 地表平均沉降速率隨時間的變化

堆載預(yù)壓加固過程中地表沉降與平均沉降速率隨時間的變化情況分別如圖5、6所示。由圖可見，堆載預(yù)壓初期，為了預(yù)防地表性質(zhì)較差的淤泥受堆載擠壓作用發(fā)生剪切破壞而隆起，嚴(yán)格控制了堆載厚度，因而在第一級堆載后，沉降發(fā)展較真空預(yù)壓初期緩慢得多，此級荷載下最大沉降速率為1.5 cm/d；2007年12月18日(63天)第二級堆載后，沉降曲線出現(xiàn)明顯的拐點，把整個曲線分為兩段，沉降速率突增至3.0 cm/d，此后隨著時間的增長，沉降曲線變緩，沉降速率逐漸減??；2008年1月15日(91天)第三級堆載后，沉降速率又出現(xiàn)一次由突增至緩慢穩(wěn)定的變化過程；至恒載約3個月，沉降速率趨于收斂，卸載前沉降速率為0.07 cm/d。

3.2 分層沉降

本次試驗根據(jù)土層沿深度分布的特點，在吹填淤泥與海相沉積淤泥層不同深度處設(shè)置了測點(沉降磁環(huán))，觀測加固過程中吹填淤泥層和海相沉積淤泥層的壓縮情況。定義兩相鄰磁環(huán)之間土層的壓縮比[6，7]為該層實際發(fā)生的沉降量與土層初始厚度之比，以百分?jǐn)?shù)表示。

真空堆載聯(lián)合預(yù)壓作用下土層壓縮比的變化情況如圖7所示，由圖可見：(1)總體上，各土層壓縮比沿著深度的增加而減小，恒載后隨著時間的增長，吹填土層與海相沉積淤泥層壓縮比增長趨勢逐漸收斂，但后者比前者收斂快，說明吹填土經(jīng)過長時間預(yù)壓后，仍有較大的次固結(jié)變形，地基后期使用過程中要引起足夠重視。(2)卸載前，相鄰吹填土層和海相沉積淤泥層的壓縮比最大值分別為33.1%、18.3%，前者約為后者的1.8倍。說明上部吹填土的加固效果優(yōu)于海相沉積淤泥，原因在于：一方面吹填土具備良好的加固條件，如天然含水量、孔隙比比海相沉積淤泥高，欠固結(jié)高壓縮特性等；另一方面，吹填土位于加固土層的上部，真空度傳遞效果要好于后者，上部超載作用下排水條件明顯優(yōu)于后者。

圖7 土層壓縮比

堆載預(yù)壓作用下土層壓縮比隨時間的變化情況如圖8所示。通過圖7與圖8比較可見：(1)第一、二級堆載期間，相鄰吹填土層與海相沉積淤泥層具有相近的壓縮比，兩曲線形狀完全不同，呈現(xiàn)上凸?fàn)?，此階段壓縮比增長速率要遠(yuǎn)小于真空預(yù)壓期間。(2)圖8曲線具有明顯的拐點，把曲線分為兩段，最后一級堆載完成后，曲線形狀呈現(xiàn)上凹狀，此后隨著時間的增長壓縮比趨于穩(wěn)定。(3)卸載時吹填土層與緊鄰海相沉積淤泥層的最大壓縮比分別為32.2%、20.7%，前者約為后者的1.6倍。

圖8 土層壓縮比

3.3 孔隙水壓力

真空堆載聯(lián)合預(yù)壓作用下土層孔壓消散情況如圖9所示。由圖可見：(1)孔壓消散值沿深度增加而升高，吹填土層(地面下1.7～6 m)孔壓消散值比海相沉積淤泥層(地面6 m以下)低。(2)真空預(yù)壓初期不同深度土層孔壓消散都很快，但上層吹填土層孔壓消散速率比海相沉積淤泥層慢。(3)堆載階段孔壓消散曲線出現(xiàn)堆載引起的加固土層孔壓迅速增長的波峰位置，荷載施加完畢后孔壓又慢慢消散。(4)恒載初期孔壓消散很快，但隨著時間的增長，曲線逐漸變得平緩，甚至后期上層吹填土層孔壓消散速率略大于海相沉積淤泥，后者孔壓消散曲線已趨于收斂，但前者孔壓消散過程仍未完成。

圖9 土層孔壓消散曲線

圖9顯示，各土層局部測點孔壓水壓力消散值達(dá)到或超過了80 kPa。實際上，計算得到的孔壓消散值主要由三部分組成：第一部分是由于抽真空引起的，最終可達(dá)到80 kPa；第二部分是由于水位下降而導(dǎo)致的地基土層孔壓下降值；第三部分則為孔壓計埋設(shè)鉆孔等原因引起的超靜孔壓。三部分疊加后，計算孔壓消散值可能大于或等于真空膜下的真空度。

3.4 真空度

塑料排水板不同深度真空度隨時間的變化情況如圖10所示，真空度按照實測孔壓消散值與水位下降引起的孔壓下降值兩者之差計算。由圖可見：(1)真空度沿排水板傳遞效果均較為理想，總體上是表層與底層大，中間小，表層真空度最大。(2)真空預(yù)壓初期，不同深度處真空度突增至-70 kPa，隨著時間的增長穩(wěn)定發(fā)展，變化幅度不大。(3)每一級堆載真空度都有所回升，但真空度回升滯后于加載時間，其中一部分是由于堆載引起的地下水位上升所致。此階段表層排水板真空度受堆載影響很小，真空度一直維持在-80 kPa左右。(4)恒載后，隨著土層不斷壓密，排水板排水體系受阻，使真空度的傳遞效果受到影響，真空度都略有減小，除表層比較接近膜下真空度-80 kPa外，其它深度處真空度都在-60 kPa以下。

圖10 塑料排水板真空度隨時間的變化

3.5 深層水平位移

深層土體水平位移曲線如圖11所示。圖中負(fù)值代表水平位移朝加固區(qū)內(nèi)，正值代表朝加固區(qū)外。由圖可知：(1)真空預(yù)壓階段(2007年6月17日～2007年7月27日)：由于抽真空作用，加固區(qū)土體產(chǎn)生收縮變形，5 m以上土體水平位移朝加固區(qū)內(nèi)迅速增加，5～12 m土體水平位移總體上朝加固區(qū)外增加，12 m以下土體水平位移很小。(2)堆載后(2007年7月27日～2007年8月6日)：土體水平位移總體上都朝向加固區(qū)外，但由于填土速率較慢，淺部土層(5 m以上)向加固區(qū)外位移量比中部土層(5～12 m)小得多，到加載后期，8 m深度處向加固區(qū)外水平位移達(dá)到最大值25.2 mm。(3)加載結(jié)束后，淺層土體雖然受已加荷載的影響朝加固區(qū)外側(cè)移動，但由于抽真空作用上部土體水平位移仍朝加固區(qū)內(nèi)，深部土體呈現(xiàn)明顯的擠出狀。隨著時間的增長，表層及深層土體向加固區(qū)外位移速率逐漸變緩，在表層1 m處土體向加固區(qū)內(nèi)位移達(dá)最大值36.7 mm。

圖11 真空堆載聯(lián)合預(yù)壓土體的水平位移

4 結(jié) 語

介紹了招商局深圳前灣填海造陸工程，采用預(yù)壓法分區(qū)加固吹填淤泥與海相沉積淤泥雙層地基的軟基處理方法與現(xiàn)場監(jiān)測試驗，對堆載預(yù)壓法與真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固軟基的沉降變形、孔壓、真空度、深層土體位移等測試結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：

(1)真空預(yù)壓法加固的吹填淤泥地基沉降穩(wěn)定時間通常比堆載預(yù)壓法長；卸載前，真空堆載聯(lián)合預(yù)壓加固的地基地表沉降還未收斂，而堆載預(yù)壓加固地基地表沉降已基本收斂。

(2)表層吹填淤泥具備良好的加固條件和排水條件，預(yù)壓加固過程中吹填淤泥層的壓縮比高達(dá)33.1%，為相鄰海相沉積淤泥層壓縮比的1.6～1.8倍。

(3)真空預(yù)壓荷載下，上層吹填淤泥層孔壓消散速率慢于相鄰海相沉積淤泥；恒載后期，吹填淤泥孔壓還未消散完畢，而海相沉積淤泥層孔壓已基本消散完畢。

(4)淤泥表層與底層真空度傳遞效果較好，中間層次之，表層真空度最大，總體上傳遞效果較為理想，加固效果明顯。

(5)由于真空作用，加固區(qū)表層土體發(fā)生加固區(qū)內(nèi)的位移，深層土體向加固區(qū)內(nèi)擠出，中間層土體發(fā)生加固區(qū)外的位移，總體上位移不大，不影響加固地基的穩(wěn)定性。

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