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(gè)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(gè)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(yàn)統(tǒng)計(jì)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(chǎng)區(qū)面積大及交地時(shí)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?yàn)椋簢吒舻坦こ?，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(qiáng)夯法處理，利用已形成的圍堰將場(chǎng)區(qū)進(jìn)行分割，形成基本的交通條件，同時(shí)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(shí)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(duì)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(jì)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(chǎng)觀測(cè)與監(jiān)測(cè)

(1)表層沉降觀測(cè)

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(píng)價(jià)填土加載速率的安全穩(wěn)定性，另一方面通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，計(jì)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(shí)間。

表3 軟基處理方法及規(guī)劃功能

布置要點(diǎn)：堆載預(yù)壓區(qū)按約4000 m2左右布置一個(gè)沉降板，真空堆載聯(lián)合預(yù)壓區(qū)按約1400 m2布置一個(gè)沉降板，整個(gè)場(chǎng)區(qū)共放置717個(gè)沉降標(biāo)，放置位置盡量均勻，以便測(cè)得的沉降數(shù)據(jù)能真實(shí)地反映實(shí)際情況。

(2)深層分層沉降觀測(cè)

主要目的[1,3]：結(jié)合分層沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，了解不同淤泥層位加固過程中的沉降發(fā)展時(shí)程線，從而了解各土層的壓縮情況，判斷有效加固深度，計(jì)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(diǎn)：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(gè)測(cè)點(diǎn)，整個(gè)場(chǎng)區(qū)共布置64組深層分層沉降標(biāo)。

(3)孔隙水壓力觀測(cè)

主要目的：測(cè)試淤泥層不同深度處孔隙水壓力的增長(zhǎng)和消散情況，用以計(jì)算土體固結(jié)、強(qiáng)度增長(zhǎng)，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(diǎn)：沿深層分層沉降標(biāo)測(cè)試點(diǎn)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(jì)，整個(gè)場(chǎng)區(qū)共布置73組孔隙水壓力計(jì)。

(4)真空度觀測(cè)

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(diǎn)：整個(gè)場(chǎng)區(qū)共布置9組真空測(cè)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(shí)要求測(cè)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(cè)頭能準(zhǔn)確測(cè)量所在位置排水板處的真空度。

(5)水位觀測(cè)

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

(6)深層水平位移觀測(cè)

主要目的[3,4]：測(cè)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(duì)土體垂直變形的影響。

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

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)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(cè)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(shí)間的增長(zhǎng)沉降速率逐漸減小，至2007年10月24日(39天)第一級(jí)堆載，沉降曲線再次出現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。每一級(jí)堆載，均出現(xiàn)沉降速率由快速增長(zhǎng)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(gè)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(shí)間的變化

圖4 地表平均沉降速率隨時(shí)間的變化

圖5 地表沉降隨時(shí)間的變化

圖6 地表平均沉降速率隨時(shí)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(shí)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(jí)堆載后，沉降發(fā)展較真空預(yù)壓初期緩慢得多，此級(jí)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(jí)堆載后，沉降曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，把整個(gè)曲線分為兩段，沉降速率突增至3.0 cm/d，此后隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，沉降曲線變緩，沉降速率逐漸減??；2008年1月15日(91天)第三級(jí)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(gè)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(yàn)根據(jù)土層沿深度分布的特點(diǎn)，在吹填淤泥與海相沉積淤泥層不同深度處設(shè)置了測(cè)點(diǎn)(沉降磁環(huán))，觀測(cè)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(shí)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(shí)間的增長(zhǎng)，吹填土層與海相沉積淤泥層壓縮比增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸收斂，但后者比前者收斂快，說明吹填土經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)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(shí)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(jí)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)睿穗A段壓縮比增長(zhǎng)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(diǎn)，把曲線分為兩段，最后一級(jí)堆載完成后，曲線形狀呈現(xiàn)上凹狀，此后隨著時(shí)間的增長(zhǎng)壓縮比趨于穩(wěn)定。(3)卸載時(shí)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(zhǎng)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(shí)間的增長(zhǎng)，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(cè)點(diǎn)孔壓水壓力消散值達(dá)到或超過了80 kPa。實(shí)際上，計(jì)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(jì)埋設(shè)鉆孔等原因引起的超靜孔壓。三部分疊加后，計(jì)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(shí)間的變化情況如圖10所示，真空度按照實(shí)測(cè)孔壓消散值與水位下降引起的孔壓下降值兩者之差計(jì)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(shí)間的增長(zhǎng)穩(wěn)定發(fā)展，變化幅度不大。(3)每一級(jí)堆載真空度都有所回升，但真空度回升滯后于加載時(shí)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(shí)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(dòng)，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(shí)間的增長(zhǎng)，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(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)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(cè)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(shí)間通常比堆載預(yù)壓法長(zhǎng)；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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