鄒智軍，賀迎喜

（1.中交上海航道局有限公司，上海 200002；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

隨著沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展，土地資源越來(lái)越匱乏，中國(guó)自20 世紀(jì)五六十年代開(kāi)始圍填?；顒?dòng)至今，填海工藝已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。位于珠江三角洲東南部的香港，該處軟土主要為濱海相沉積軟土，這類(lèi)軟土呈現(xiàn)出含水率高、壓縮性大、滲透性小、抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高等特點(diǎn)。在這類(lèi)軟土地基修建建筑物會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)地基承載力不足、沉降過(guò)大、沉降不均勻等問(wèn)題，不利于工程建設(shè)[1]。在軟土地基上進(jìn)行工程建設(shè)，通常需要在正式施工前研究確定合適的加固方式；在施工過(guò)程中需要監(jiān)測(cè)沉降以控制施工加載速率，防止產(chǎn)生擠淤、隆起、滑移等不利現(xiàn)象并確保施工安全和質(zhì)量。

近海吹填造陸工程中，通常采用沉降板、分層沉降儀等儀器進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，這些儀器往往需要在回填出水后實(shí)施安裝，無(wú)法監(jiān)測(cè)到回填出水前的地基沉降。實(shí)際上，前期水力吹填和陸推施工過(guò)程中，原海床面以下的軟弱淤泥土地基持續(xù)發(fā)生沉降。香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)第三跑道工程（簡(jiǎn)稱(chēng)香港三跑工程），研究通過(guò)靜力觸探試驗(yàn)分析新回填料與原狀土海相沉積軟土的分界面，并成功推算出施工過(guò)程中的地基沉降量。

1 工程概況

香港三跑工程位于現(xiàn)有雙跑道北側(cè)，香港口岸人工島項(xiàng)目西北側(cè)。該工程包括面積約650 hm2的填海拓地以及上部的客運(yùn)大廈、跑道、滑行道、旅客捷運(yùn)系統(tǒng)、行李處理系統(tǒng)等機(jī)場(chǎng)配套基礎(chǔ)建設(shè)、道路網(wǎng)及交通設(shè)施。

其中填海工程規(guī)模相當(dāng)于4 個(gè)香港人工島，為消除差異沉降，控制工后沉降在目標(biāo)值之內(nèi)，確保工程質(zhì)量安全，工程采取了一系列的地基處理措施：水下塑料排水板（Marine PVD）、水下深層水泥攪拌樁（Marine DCM）、陸上深層水泥攪拌樁（Land-based DCM）、高壓旋噴樁（Jet Grouting）及其組合地基處理措施。地基處理工藝分布如圖1 所示。

圖1 地基處理工藝分布圖Fig.1 Lay out of foundation treatment

一般項(xiàng)目通常在陸域回填達(dá)到水位以上再安裝監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。與本工程地理位置毗鄰的港珠澳大橋香港人工島項(xiàng)目中則是在砂墊層鋪設(shè)完成后在水下安裝沉降板，在陸域出水后鉆孔連接沉降桿。安裝沉降板與連接沉降桿時(shí)2 次的標(biāo)高差即為期間發(fā)生的沉降，接桿后通過(guò)沉降板可連續(xù)監(jiān)測(cè)此后的沉降量。此種方法理論上可以獲取砂墊層鋪設(shè)完成之后所發(fā)生的沉降數(shù)據(jù)，沉降板在施工回填過(guò)程中由于施工擠淤、地基沉降、DCM 隆起物以及施工船舶等干擾影響會(huì)產(chǎn)生一定的水平和垂直位移；由于回填厚度較大，通過(guò)磁力定位裝置也無(wú)法準(zhǔn)確定位沉降板位置[2]，這導(dǎo)致在后續(xù)陸域出水鉆孔找到沉降板的成功率較低。根據(jù)設(shè)計(jì)要求[3]，本工程在前期實(shí)施過(guò)程中亦采用香港港珠澳大橋人工島的方法，但由于多標(biāo)段交叉施工干擾大，高峰期現(xiàn)場(chǎng)逾百艘施工船舶，導(dǎo)致后期找到沉降板的成功率僅14.6%。為了全面準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)整個(gè)施工區(qū)的沉降情況，需探尋一種可靠的監(jiān)測(cè)或推算方法。

2 靜力觸探試驗(yàn)推算沉降原理及設(shè)計(jì)

2.1 靜力觸探試驗(yàn)推算沉降的原理

靜力觸探是將一種內(nèi)部裝有傳感器的金屬錐頭，通過(guò)探桿勻速緩慢地壓入土體之中，依據(jù)探入阻力隨貫入深度變化的曲線來(lái)取得土體相關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)的一種巖土工程地質(zhì)勘探方法和測(cè)試技術(shù)手段。靜力觸探試驗(yàn)在工程上已有廣泛運(yùn)用，如推算不排水強(qiáng)度[4]，運(yùn)用在跨海大橋建設(shè)[5]、水運(yùn)工程建設(shè)等。

Robertson 等在1986年首先提出了根據(jù)靜力觸探數(shù)據(jù)，用測(cè)得的孔壓數(shù)據(jù)對(duì)錐尖阻力進(jìn)行修正，并用CPT 端阻qt進(jìn)行劃分的土體分類(lèi)圖[6-7]。Robertson 分類(lèi)圖對(duì)黏性土和砂土的分類(lèi)結(jié)果比較理想，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)以及鉆孔資料可對(duì)土類(lèi)進(jìn)行精細(xì)判別。

本工程施工區(qū)域地基土組成包括：

1） 第一層為新回填材料，全部為粗粒土，包括海砂和機(jī)制砂，部分采用香港本地公眾填料；

2） 第二層地基土為原狀土，絕大多數(shù)為細(xì)粒土（黏土或粉土），主要為海相沉積軟土（厚度12～32 m）。

新回填料（砂料）與原海床面以下淤泥土的物理性質(zhì)差異明顯，可通過(guò)CPT 端阻qt分析確定回填層與原狀土淤泥土的分界面。通過(guò)對(duì)比當(dāng)前淤泥層頂面標(biāo)高與工前淤泥層頂面標(biāo)高的差值，即可計(jì)算獲得期間發(fā)生的沉降值。CPT 端阻qt隨高程變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 CPT 端阻力qt-高程曲線Fig.2 CPT qt-elevation cure

為驗(yàn)證靜力觸探判別回填料與海相淤泥分界面的準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)上采用鉆孔輔助驗(yàn)證。

1） CPT 端阻qt判斷標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)已有的地質(zhì)資料分析，施工區(qū)域原狀軟弱淤泥土的CPT 端阻qt絕大多數(shù)均小于1 MPa，為了分析確定回填砂與原狀淤泥土分界面的CPT端阻臨界值，選取18 組CPT 檢測(cè)結(jié)果，對(duì)自CPT 端阻qt＜1 MPa 起1 m 深度范圍內(nèi)的土樣CPT端阻qt平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，CPT 端阻qt平均值為0.64 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差σ 為0.11。由于各地海相淤泥土的CPT 端阻存在一定差異，因此結(jié)合香港大嶼山濱海區(qū)域海相淤泥土的強(qiáng)度特點(diǎn)，設(shè)計(jì)確定將CPT 端阻qt≤0.8 MPa 作為新回填砂與原狀淤泥土分界面CPT 端阻臨界值，即當(dāng)某標(biāo)高H0以下CPT 端阻qt持續(xù)小于0.8 MPa，可判別該標(biāo)高H0為回填砂與淤泥土分界面。

表1 CPT 端阻qt 統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics table of CPT qt

2） 鉆孔輔助驗(yàn)證

為了監(jiān)測(cè)回填區(qū)的沉降情況，參考原沉降板布置密度，在回填區(qū)均勻布置CPT 檢測(cè)點(diǎn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證靜力觸探判別回填料與海相淤泥分界面的準(zhǔn)確性，在CPT 檢測(cè)完成后，在原位進(jìn)行鉆孔取樣獲得土樣送往試驗(yàn)室切開(kāi)樣板（見(jiàn)圖3），輔助判別驗(yàn)證。CPT 及鉆孔儀器設(shè)備主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 鉆孔取樣照片F(xiàn)ig.3 Soil samples by borehole

表2 CPT 及鉆孔儀器設(shè)備主要性能參數(shù)Table 2 The main performance parameters of CPT rig and drilling rig

2.2 沉降監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

1） 第一階段沉降量S1

第一階段沉降量S1按式（1）計(jì)算：

式中：H0為砂墊層施工前測(cè)量海相淤泥土頂面（原海床面）標(biāo)高。H1為回填至+3.0 mPD，采用CPT 檢測(cè)數(shù)據(jù)推算出回填砂與海相淤泥土的分界面標(biāo)高。

2） 第二階段沉降量S2

砂墊層施工結(jié)束后水下安裝沉降板，回填至+3.0 mPD，鉆孔連接沉降板，采用沉降板監(jiān)測(cè)后續(xù)沉降量，即第二階段沉降量S2。

3 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 靜力觸探試驗(yàn)推算沉降結(jié)果分析

采用靜力觸探CPT 試驗(yàn)結(jié)合鉆孔取樣的方式，對(duì)20 個(gè)分區(qū)第一階段沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 沉降分區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of the settlement of subzone

由于常規(guī)鉆孔取樣法（雙管或三管取樣）多適用于黏土、泥巖、砂巖和軟巖等地質(zhì)，本工程回填料主要為中粗砂，采用鉆孔獲得回填砂與海相淤泥土分界面有一定難度，20 個(gè)鉆孔僅有10 個(gè)鉆孔成功獲得回填料和海相淤泥的分界面（占比50%）。因此第一階段沉降量主要以CPT 數(shù)據(jù)作為推算依據(jù)，鉆孔獲得的分界面標(biāo)高數(shù)據(jù)作為參考輔助。

3.2 沉降量與回填加載和時(shí)間的關(guān)系研究

為了研究該地區(qū)軟土地基沉降規(guī)律，利用CPT 數(shù)據(jù)，推算回填施工過(guò)程中的第一階段地基土沉降量S1；利用水下沉降板（安裝在砂墊層頂部）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得第二階段地基土沉降量S2。針對(duì)本項(xiàng)目某典型區(qū)域開(kāi)展沉降監(jiān)測(cè)和分析，該施工區(qū)第一階段（間隔時(shí)間24 個(gè)月）沉降量S1為3.0 m；采用沉降板監(jiān)測(cè)第二階段（間隔時(shí)間6 個(gè)月）沉降量S2為0.3 m?；靥?6 個(gè)月以后，根據(jù)沉降板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知沉降逐漸趨于收斂，第24 個(gè)月和第30 個(gè)月總沉降量分別為3.20 m 和3.30 m，地基沉降曲線如圖4 所示。

圖4 沉降量與加載關(guān)系圖Fig.4 Relationship between settlement and loading

3.3 靜力觸探試驗(yàn)分析沉降的局限性

1） 采用CPT 方法推算沉降量，僅適用于原狀土和新回填料土性差異較大，例如原狀土為細(xì)粒土（粉土或黏土），新回填料為粗粒土（砂土），CPT 方法可較為準(zhǔn)確判別原狀土與新回填料的分界面。當(dāng)原狀土和回填料性質(zhì)相似，CPT 方法不適用。

2） 如果回填和后續(xù)地基加固施工對(duì)原狀土與新回填料分界面造成較大擾動(dòng)，CPT 方法也不能用于判別原狀土與新回填料的分界面。由于本工程部分區(qū)域采用了深層水泥攪拌樁（DCM）加固地基[8]，DCM 施工完成后，回填料與大部分淺表層原狀淤泥已經(jīng)被擾動(dòng)，無(wú)法分辨較為準(zhǔn)確的分界面位置。

3） 采用靜力觸探試驗(yàn)通常僅能分析一個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的總沉降，如需連續(xù)監(jiān)測(cè)沉降情況，則需連續(xù)進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

靜力觸探技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)試，并得到完整的土層靜力觸探貫入曲線、貫入阻力力學(xué)剖面以及物理力學(xué)指標(biāo)等相關(guān)資料。靜力觸探試驗(yàn)方法適用于擾動(dòng)較小的軟土地基沉降分析，該方法獲得業(yè)主、設(shè)計(jì)和施工的一致認(rèn)可，替代和補(bǔ)充了原設(shè)計(jì)中沉降板監(jiān)測(cè)方法，成功地應(yīng)用在香港三跑工程施工過(guò)程中的沉降量推算和計(jì)量。該方法為以后類(lèi)似填海工程的沉降分析和沉降計(jì)量提供了重要的借鑒意義。