宣廬峻， 付 桂

(1. 中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司， 上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心， 上海200063；2. 交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江口航道管理局， 上海200003)

珠海深水海洋工程裝備制造基地位于珠海市高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)西南臨海， 岸線長(zhǎng)1 349 m， 為圍海造地而成， 總用地面積約295.4 萬m2(圖1)。 其中一期工程需要建造36.89 萬m2的總裝區(qū)。 根據(jù)總體布置， 海工產(chǎn)品在總裝區(qū)進(jìn)行總裝， 因此對(duì)總裝場(chǎng)地的荷載使用要求極高。

圖1 海油珠海深水海洋工程裝備制造基地項(xiàng)目地理位置

工程區(qū)域由于回填形成的陸域上部雜填土松散、 密實(shí)度低， 而下部淤泥質(zhì)土含水率高、 強(qiáng)度低。 如何使場(chǎng)地既能滿足生產(chǎn)的使用要求， 又節(jié)省工程投資、 加快施工進(jìn)度， 是本工程場(chǎng)地地基處理設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

對(duì)軟土地基的加固處理， 國(guó)內(nèi)外已有近百種方法， 如排水固結(jié)法、 換填墊層法、 堆載預(yù)壓法、深層攪拌法、 強(qiáng)夯法、 化學(xué)加固法、 加筋法、 動(dòng)力擠密法等[1-6]， 其中適合深厚軟土地基處理的主要有排水固結(jié)法和深層攪拌法等。 深層攪拌法屬于化學(xué)加固方法， 考慮到經(jīng)濟(jì)等原因， 應(yīng)用不是很廣泛。 排水固結(jié)法又包括打設(shè)豎向排水體的堆載超載預(yù)壓法、 真空預(yù)壓法、 電滲法、 井點(diǎn)降水法以及動(dòng)力排水固結(jié)法等， 由于沿海吹填陸域軟黏土的特點(diǎn)， 預(yù)壓法和動(dòng)力排水固結(jié)法的應(yīng)用十分廣泛[7-8]。

本文以該基地中海工模塊總裝場(chǎng)地的軟土地基處理為例， 針對(duì)場(chǎng)地使用荷載的特點(diǎn)與地質(zhì)條件變化情況， 設(shè)計(jì)分區(qū)域采用了強(qiáng)夯置換法、 動(dòng)力固結(jié)排水法等不同軟基地基加固方案， 通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行分析與比選， 選擇最優(yōu)的軟基加固設(shè)計(jì)方案， 為該場(chǎng)地的大面積地基處理提供了依據(jù)，同時(shí)也對(duì)動(dòng)力固結(jié)法在軟土地基處理的推廣應(yīng)用具有借鑒作用。

1 地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

工程位于珠江口西岸， 原為珠江出?？跒┩康?， 沿岸入海河流眾多， 海岸以回淤灘涂為特征，近期經(jīng)過人工填海圍墾形成較為平坦的陸地， 工程范圍內(nèi)地層自上而下依次為雜填土、 素填土、淤泥、 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、 粉質(zhì)黏土、 中粗砂、 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、 粉質(zhì)黏土、 細(xì)中砂、 粗礫砂、 粉質(zhì)黏土、 殘積砂質(zhì)黏性土， 下伏基巖為燕山期花崗巖。 主要土層工程特性指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 地層工程特性指標(biāo)

1.2 地質(zhì)特性

1)軟弱土層深厚。 擬建場(chǎng)地填土層下軟弱土層厚度較大且分布不均， 最大厚度達(dá)到30 m， 平均含水率W=59.6%， 平均天然孔隙比e=1.59，平均壓縮系數(shù)a0.1～0.2=1.42 MPa-1， 為高壓縮性的軟弱土層。

2)填土層條件復(fù)雜。 擬建工程陸地區(qū)域表層填土成分不均勻， 欠固結(jié)， 主要是花崗巖、 中粗砂、 粉質(zhì)黏土混雜物。 塊石直徑0.05 ～0.15 m，最大直徑為0.35 m， 層底多以中粗砂混少量碎石為主。 由于此層塊石及碎石較多， 且厚度較大(最大厚度達(dá)到10.4 m，平均厚度為6.29 m)， 排水板施工較困難。

2 軟土地基處理要求

2.1 場(chǎng)地使用荷載分析

場(chǎng)地主要須滿足600 t 與800 t 大型履帶吊為海工產(chǎn)品組裝的使用要求， 考慮到履帶板是在一定尺寸范圍內(nèi)向地面?zhèn)鬟f壓力， 因此， 場(chǎng)地的控制荷載應(yīng)該理解為局部壓力， 而非大面積均載的概念。

2.2 設(shè)計(jì)荷載

根據(jù)600 t 履帶吊荷載資料并考慮面層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力擴(kuò)散作用， 表層天然地基承載力不小于350 kPa， 場(chǎng)地內(nèi)滿足均布荷載100 kPa。

3 軟土地基處理方案

3.1 地基處理方案選擇與分區(qū)

在現(xiàn)有表層填土下分布有厚度20 m 左右的淤泥或淤泥質(zhì)土層， 場(chǎng)地若僅滿足表層持力層的地基承載力是不夠的， 還須驗(yàn)算下臥軟弱層的強(qiáng)度。

為加固深層軟弱土體， 傳統(tǒng)的地基處理方案包括水泥土攪拌樁、 高壓旋噴樁加固以及剛性樁體復(fù)合地基等， 雖然此類方案可以達(dá)到一步到位的效果， 但是造價(jià)昂貴， 工期長(zhǎng)， 方案對(duì)比見表2。因此如何根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝的使用要求提出設(shè)計(jì)荷載， 是總裝場(chǎng)地地基處理經(jīng)濟(jì)、 合理的關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)提出通過加固場(chǎng)地上表層一定厚度的硬殼層以及淺層的軟土， 而深層下臥軟弱土層通過地基應(yīng)力擴(kuò)散的幫助來滿足地基承載力的強(qiáng)度要求。 深層的淤泥質(zhì)土在長(zhǎng)期使用過程中產(chǎn)生沉降將不可避免， 但是可以選擇柔性面層結(jié)構(gòu)， 在生產(chǎn)使用過程中采用定期回填的方法逐步消除此部分沉降所產(chǎn)生的影響， 同樣能夠滿足場(chǎng)地的使用要求。

表2 方案對(duì)比

場(chǎng)地表層的雜填土粒徑較大， 但是厚度變化較大， 在總裝場(chǎng)地范圍內(nèi)最厚的地方達(dá)到7 m 左右， 最薄的地方僅為2.4 m。 因此在處理方法的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了區(qū)分。

對(duì)于目前雜填土頂高程低于-1.5 m 的區(qū)域，在回填至預(yù)留沉降的場(chǎng)地高程后， 淤泥頂面的覆蓋層總厚度不小于6 m， 采用強(qiáng)夯置換法形成墩體， 同時(shí)結(jié)合井點(diǎn)降水， 增強(qiáng)加固表層覆蓋層以及淺層淤泥的效果， 而較深的軟弱下臥層通過應(yīng)力擴(kuò)散能滿足承載力要求。

對(duì)于雜填土頂高程高于-1.5 m 的區(qū)域， 回填后淤泥頂面的覆蓋層總厚度小于6 m， 軟弱下臥層難以滿足承載力要求， 然而單純的強(qiáng)夯法加固淤泥效果差， 且強(qiáng)夯引起的孔隙水壓力的增長(zhǎng)不能及時(shí)消散， 容易形成橡皮土。 近年來在諸多工程成功應(yīng)用的動(dòng)力排水固結(jié)法通過設(shè)置水平及豎向的排水體系并調(diào)整夯擊參數(shù)， 加速孔隙水消散，促進(jìn)軟土排水固結(jié)， 提高下臥軟土層的地基強(qiáng)度，同時(shí)使淤泥層在短時(shí)間內(nèi)完成大量沉降， 加大了上部覆蓋層的厚度， 可謂一舉兩得。 該法顯現(xiàn)出效果、 經(jīng)濟(jì)、 工期上的綜合優(yōu)勢(shì)， 因此， 該部分區(qū)域設(shè)計(jì)推薦采用動(dòng)力排水固結(jié)法進(jìn)行地基處理。

3.2 強(qiáng)夯置換法加固技術(shù)參數(shù)

單擊能量采用6 000 ～8 000 kN·m， 根據(jù)填土厚度變化作相應(yīng)調(diào)整， 填土厚度小于6 m 取下限、大于8 m 取上限。

單點(diǎn)夯擊次數(shù)應(yīng)通過試夯確定， 以滿足最后兩擊的平均夯沉量為控制標(biāo)準(zhǔn)為: 單擊夯擊能小于4 000 kN·m時(shí)為50 mm； 單擊夯擊能4 000 ～6 000 kN·m 時(shí) 為100 mm； 單 擊 夯 擊 能 大 于8 000 kN·m時(shí)為200 mm； 第1 遍夯擊前填開山石料至預(yù)留下沉頂高程4.5 m， 每遍夯擊結(jié)束后， 要求以開山碎石推平夯坑。

夯點(diǎn)布置見圖2， 夯擊5 遍。 第1、 2 遍為主夯點(diǎn)， 單擊能量為6 000 ～8 000 kN·m， 正方形布置。 第3 遍夯點(diǎn)在主夯點(diǎn)之間進(jìn)行， 單擊能量為4 000 kN·m， 夯點(diǎn)間距為9 m。

最后進(jìn)行2 遍低能級(jí)普夯， 夯錘相互搭接1∕3面積， 夯點(diǎn)布置見圖2。

圖2 夯點(diǎn)布置

3.3 動(dòng)力固結(jié)排水法技術(shù)參數(shù)

3.3.1 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

垂直排水系統(tǒng)處理對(duì)象為②1層淤泥、 ②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土， 豎向排水通道同樣采用袋裝砂井， 直徑12 cm， 正三角形布置， 間距暫定1.3 m×1.3 m，砂井頂部位于中粗砂墊層內(nèi)， 底部以進(jìn)入第②3層粉質(zhì)黏土、 第②5層中粗砂或以下土層1.0 m為準(zhǔn)。

水平向排水系統(tǒng)采用砂墊層， 由中粗砂鋪設(shè)而成， 墊層厚度不小于0.6 m， 砂含泥量不大于5%； 區(qū)域內(nèi)設(shè)置盲溝以及排水井。

3.3.2 夯擊參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則: 少擊多遍、 循序漸進(jìn)， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程地質(zhì)變化， 調(diào)整工藝參數(shù)。

夯點(diǎn)布置與夯擊數(shù): 第1 遍， 以點(diǎn)距4.0 m，正方形布置跳夯， 夯擊能2 000 kN·m； 第2 遍， 以點(diǎn)距4.0 m， 正方形布置跳夯， 夯擊能3 000 kN·m；第3 遍， 以點(diǎn)距6.0 m， 正方形布置跳夯， 夯擊能4 000 kN·m； 第4 遍， 以點(diǎn)距9.0 m， 正方形布置跳夯， 夯擊能5 000 kN·m； 第5 遍， 夯錘相互搭接1∕3 面積普夯， 能量為2 000 kN·m； 第6 遍，夯錘相互搭接1∕3 面積普夯， 能量為1 000 kN·m。

單點(diǎn)夯擊收錘標(biāo)準(zhǔn): 國(guó)家有關(guān)強(qiáng)夯規(guī)范收錘標(biāo)準(zhǔn)并不完全適用于動(dòng)力固結(jié)排水法， 一般情況下要滿足最后2 擊平均夯沉量不大于10 cm， 由現(xiàn)場(chǎng)土體變形與孔壓確定要求單擊次數(shù)依據(jù)實(shí)測(cè)沉降位移觀測(cè)和孔壓增量來控制。

間歇時(shí)間: 2 遍夯擊的間隔時(shí)間以超靜孔壓完全或基本消散為控制標(biāo)準(zhǔn)， 現(xiàn)場(chǎng)施工取超孔壓消散80%以上的時(shí)間， 預(yù)計(jì)為8 d 左右。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 設(shè)計(jì)要求

強(qiáng)夯法與動(dòng)力排水固結(jié)法尚未形成一套系統(tǒng)完整的設(shè)計(jì)方法， 許多設(shè)計(jì)參數(shù)還是經(jīng)驗(yàn)性的，影響因素又復(fù)雜多變， 設(shè)計(jì)時(shí)常采用工程類比法和經(jīng)驗(yàn)法； 在正式大面積施工前， 通過試夯， 對(duì)地基處理現(xiàn)象和效果作出定量評(píng)價(jià)， 反饋后再調(diào)整設(shè)計(jì)， 以校正各設(shè)計(jì)、 施工參數(shù)， 考核施工機(jī)具的能力， 為正式施工提供依據(jù)， 直到達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。 由于本工程地質(zhì)情況較為復(fù)雜， 須實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)為主、 室內(nèi)試驗(yàn)為輔的監(jiān)控測(cè)試。 試驗(yàn)分區(qū)設(shè)計(jì)要求及監(jiān)測(cè)、 檢測(cè)內(nèi)容分別見表3、 4。

表3 試驗(yàn)分區(qū)設(shè)計(jì)要求

表4 監(jiān)測(cè)、 檢測(cè)內(nèi)容

4.2 試驗(yàn)技術(shù)要求

4.2.1 強(qiáng)夯法

單點(diǎn)夯監(jiān)測(cè)地表位移(豎向、水平)、 深層沉降、 每擊夯沉量、 測(cè)定夯坑深度及口徑， 測(cè)定孔隙水壓力增長(zhǎng)與時(shí)間關(guān)系， 振動(dòng)影響值與范圍。群點(diǎn)試夯監(jiān)測(cè)內(nèi)容除上述外， 計(jì)算各遍推平夯坑填料量， 以便正式施工調(diào)整預(yù)留下沉量及校核加固效果。 夯擊結(jié)束一至數(shù)周后對(duì)試夯場(chǎng)地進(jìn)行檢測(cè)。 檢測(cè)方法采用動(dòng)力觸探、 標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、 地質(zhì)鉆探、 靜力荷載試驗(yàn)等。

4.2.2 動(dòng)力排水固結(jié)法

由于動(dòng)力排水固結(jié)法加固的區(qū)域上部填土較薄， 要求下部淤泥得到加固的同時(shí)， 保證沖擊荷載不至于對(duì)軟土微結(jié)構(gòu)形成破壞， 導(dǎo)致夯擊成“橡皮土”， 因此要求加強(qiáng)以下4 項(xiàng)監(jiān)測(cè)控制: 夯沉量控制、 孔隙水壓力、 水平位移控制、 地表隆起控制。

4.3 分析結(jié)果

通過試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯過程監(jiān)測(cè)和夯后檢測(cè)結(jié)果(圖3、 4， 表5)， 得出如下主要結(jié)果:

1)孔隙水壓力的測(cè)量結(jié)果基本反映了回填土及其下部淤泥在強(qiáng)夯過程中孔壓增長(zhǎng)與消散的規(guī)律， A、 B 區(qū)遍夯間隔時(shí)間較短， 一般在6 ～10 d。C 區(qū)超孔隙水壓力消散較慢， 14 d 超孔壓消散為64%～70%。 可見， 在淺層分布軟土層的場(chǎng)地上采用強(qiáng)夯加固， 宜采用動(dòng)力排水固結(jié)法以加快施工速度并能防止發(fā)生“橡皮土” 現(xiàn)象， 若下臥軟土層上部的覆蓋層較厚， 可采用大能量擊強(qiáng)夯法進(jìn)行加固以大幅提高地基承載力， 且采用強(qiáng)夯置換成墩體的方法優(yōu)于平錘法。

2)根據(jù)靜載試驗(yàn)并結(jié)合動(dòng)力觸探與瑞雷波試驗(yàn)結(jié)果判定， 強(qiáng)夯置換加固與動(dòng)力固結(jié)排水法對(duì)場(chǎng)地加固效果顯著， 可根據(jù)填土層厚度選擇處理方法與設(shè)計(jì)參數(shù)； 在類似地質(zhì)條件下， 能夠滿足表層承載力大于350 kPa、 壓縮模量大于10 MPa的處理要求， 而加固的影響深度與場(chǎng)地土層分布以及采用的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。

3)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，A 區(qū)與B 區(qū)由于在8 m 深度內(nèi)的淺層軟土能通過碎石墩或者砂井排水， 采用動(dòng)力進(jìn)行加固后土體強(qiáng)度都有一定程度增長(zhǎng)， 軟土夯后平均標(biāo)貫擊數(shù)N平均增加1 擊以上； B 區(qū)由于砂井的豎向排水作用， 深度8～12 m 內(nèi)軟土強(qiáng)度也有明顯增長(zhǎng)， 且增加幅度與淺層軟土基本相同， 而A 區(qū)在8 m 以下改善效果較小。 可見采用動(dòng)力固結(jié)法能增加表層回填土強(qiáng)度外， 對(duì)于下部淤泥的加固也是行之有效的。

4)從夯前、 夯后剪切波速對(duì)比曲線可知，A 區(qū)8 m 深度范圍內(nèi)加固效果較明顯， 提高幅度30%以上， 8 m 以下改善效果較小。 C 區(qū)因填土層(6～7 m)較A 區(qū)厚， 強(qiáng)夯加固效果非常明顯， 8 m范圍內(nèi)提高幅度100%以上， 加固效果顯著。

圖3 試夯區(qū)超孔隙水壓力歷時(shí)曲線

圖4 A、 C 區(qū)夯前、 夯后剪切波速對(duì)比

表5 填土層夯前、 夯后加固效果對(duì)比

5 結(jié)論

1)海洋工程重載場(chǎng)地的使用要求往往具有局部荷載大但對(duì)長(zhǎng)期沉降控制不太嚴(yán)格的特點(diǎn)， 堅(jiān)持“地基強(qiáng)度一步到位， 沉降影響逐步消除” 的設(shè)計(jì)理念， 相比采用剛性樁體復(fù)合地基等一次處理到位的常規(guī)方法更具經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。

2)強(qiáng)夯置換加固法與動(dòng)力固結(jié)排水法具有不同的地質(zhì)適用條件， 對(duì)于上部覆蓋層較薄且下部分布軟土層的地質(zhì)情況宜采用動(dòng)力固結(jié)排水法進(jìn)行處理； 珠海深水海洋工程基地的地基處理實(shí)踐成果證明， 強(qiáng)夯置換加固法與動(dòng)力固結(jié)排水法在適宜的地質(zhì)條件下， 只要加固技術(shù)參數(shù)合理， 皆能達(dá)到令人滿意的效果， 而本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案參數(shù)選取以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析， 也對(duì)進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有借鑒意義。