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        填海造陸工程預(yù)壓法加固軟基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

        2012-01-23 02:23:12蔣瑞波
        關(guān)鍵詞:孔壓壓縮比真空度

        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。

        [1] 葉柏榮,王兆龍.新吹填地基的加固方法[J].港口工程,1990,(4):28-31.

        [2] 婁 言.真空排水預(yù)壓法加固軟土技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2002.

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