夏玉云, 柳 旻, 邵兵廠, 王 冉, 黃乾峰, 劉云昌
(1. 機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司,陜西西安710043;2. 陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點實驗室,陜西西安710043)
隨著我國對外工程承包業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展,常會遇到國內(nèi)未見或少見的特殊巖土地質(zhì)條件,地質(zhì)風(fēng)險顯著增加。針對國外巖土工程特性的研究主要集中在大陸區(qū)域內(nèi),涉及的地層層序較為穩(wěn)定(冷紅蕾等,2007;戴根寶等,2011),但對大洋中的海島區(qū)域,涉及表層多旋回成巖及風(fēng)化等復(fù)雜場地的研究較少。圣多美和普林西比首都國際機場改擴建場地的巖土復(fù)雜多樣,軟土、有機土、多旋回火成巖廣泛分布在陸域及海域場地中,若處理不當(dāng),將在工程建設(shè)過程中引發(fā)嚴重的工程地質(zhì)問題,故以機場為研究區(qū),對其工程特性、工程治理方法進行分析研究,為同類海外巖土工程建設(shè)提供參考。
根據(jù)圣多美和普林西比首都國際機場改擴建項目要求,陸域工程勘察工作的主要范圍為跑道西側(cè)延伸方案(比較方案)區(qū)域、凈空處理區(qū)及航站區(qū)(包括擴建停機坪、新建動力中心、新建消防站);海域工程勘察范圍為跑道東側(cè)海域延伸方案區(qū)域(護岸和填海區(qū))。
根據(jù)我國《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)(以下簡稱《巖規(guī)》)和《民用機場勘測規(guī)范》(MH/T 5025—2011)有關(guān)規(guī)定,擬建建(構(gòu))筑物工程重要性等級可按一級(飛行區(qū)指標(biāo)II為C、D、E)考慮,場地復(fù)雜程度等級為一級場地(復(fù)雜場地),地基復(fù)雜程度等級為一級(復(fù)雜),巖土工程勘察等級為甲級。
按照陸域工程勘察要求,查明場地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)以及巖土層的類型、深度、分布、工程特性;查明地下水的類型、埋藏條件及水位變化特征;查明場地的不良地質(zhì)作用;進行建筑抗震地段和建筑場地類別劃分,對場地和地基的地震效應(yīng)進行分析;對基礎(chǔ)類型、地基處理方案等進行分析評價并提出建議。
海域工程勘察的目的是查明研究區(qū)內(nèi)特殊巖土的物理力學(xué)性質(zhì),特別是軟土(包括淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混砂等)的物理力學(xué)性質(zhì),評價其沉降狀況,分析對工程的影響,并判斷其在地震作用下震陷的可能性。特別要查明軟土及下臥層的成層條件,軟土中含砂夾層在水平和垂向的分布特征,并提供軟土的先期固結(jié)壓力、壓縮系數(shù)、固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)和抗剪強度等指標(biāo)。
陸域布置鉆孔92個,孔深4.2~40.0 m,總進尺2 196.3 m;采用跑道東側(cè)海域延伸580 m方案,海域布置鉆孔36個,總進尺1 240.6 m(表1)。
表1 勘察工作參數(shù)布置
2.2.1 地形地貌 研究區(qū)位于圣多美和普林西比民主共和國(圣普)首都圣多美。圣多美島地處大西洋幾內(nèi)亞灣,四面環(huán)海,概略地理坐標(biāo)為北緯0°21′,東經(jīng)6°44′。圣多美島屬火山島,地勢崎嶇,多山峰,除沿海平原外,島上大部為玄武巖山地,最高峰圣多美峰海拔2 024 m。擬改擴建的圣多美機場位于圣多美島東北部,周邊環(huán)境及市政配套設(shè)施良好,交通便利(圖1)。
圖1 擬建項目場地位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the site location of the proposed project
自西往東,研究區(qū)地貌呈臺地(Ⅰ區(qū))—河谷(Ⅱ區(qū))—濱海平原(Ⅲ區(qū))—海岸及水下岸坡(Ⅳ區(qū))—水下岸坡(Ⅴ區(qū))的分布規(guī)律。機場跑道西側(cè)比較方案的場地和凈空區(qū)主要由火山巖臺地及河谷組成,臺地頂部地形較平坦,荒草叢生,農(nóng)田較少;河谷地帶位于臺地與機場之間,地勢低洼,地形較平坦,現(xiàn)為農(nóng)田,植被茂密,中間發(fā)育小河;機場航站樓、消防區(qū)域等為海岸平原,地形平坦,勘探點孔口高程為8.16~9.37 m。擬擴建的延伸跑道區(qū)域位于濱海地帶,由海岸和水下岸坡組成,地形較平坦,勘探點孔口泥面高程為-6.45~0.87 m,勘測期間水深<8 m。
2.2.2 區(qū)域地質(zhì)及地震概況 圣多美和普林西比與其他一些小島共同組成圣普列島,位于幾內(nèi)亞灣,在地質(zhì)上屬喀麥隆火山線。圣多美為一層狀火山島,高約5 000 m,從深海平原上升到海拔2 024 m,主要由多旋回的溢流玄武巖(m0、m1)和火山碎屑巖(pi0、pi1)等組成。局部表層覆蓋有沖積層(a)、海灘砂(ap)、海灘礫石(cp)等第四紀松散堆積物。擬建場地區(qū)域構(gòu)造和地質(zhì)圖分別見圖2、圖3。
圖2 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造圖1-全新—更新世紅土;2-新近紀響巖;3-新近紀玄武巖;4-中新世粗面巖;5-白堊紀石英砂巖Fig. 2 Regional structural plan of the study area
圖3 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)示意圖1-沖積層;2-溢出玄武巖;3-提升海灘;4-噴發(fā)玄武巖;5-海灘砂;6-研究區(qū)范圍Fig. 3 Regional geological schematic map of the study area
研究區(qū)主要由第四紀松散堆積物和圣多美火山群新老兩個階段旋回火成巖組成,以玄武巖為主。圣多美島現(xiàn)存構(gòu)造受到了喀麥隆線的火山-構(gòu)造排列的影響,確定有3個主要斷層方向:一為NE-SW向,占主導(dǎo)地位,與島的延伸方向相吻合;其余為N-S和NNE-SSW向。
研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動相對復(fù)雜,周邊發(fā)育較多斷層,鑒于區(qū)內(nèi)無火山噴發(fā)記錄,火山錐的形態(tài)顯示其年齡均>1萬a,且無明顯的地震活動記錄,可以認為該區(qū)發(fā)生火山活動的可能性很低。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查,未見全新世活動性斷裂通過。
2.2.3 水文氣象 研究區(qū)位于圣多美島北部,為熱帶雨林氣候,10月至次年5月為雨季,6—9月為旱季,年降水量500~1 400 mm,雨季降水量約占全年降水量的95%,全年主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)。
根據(jù)圣多美機場氣象站1960—2010年逐日降水量、氣溫、相對濕度以及1976—2003年風(fēng)速資料,得到各氣象要素特征值(表2)。
表2 研究區(qū)氣象要素特征值
2021年1月1日—2022年5月31日共17個月的潮位觀測資料顯示,研究區(qū)海域為典型半日潮型:最高潮位為1.601 m,最低潮位為-0.757 m,潮位平均值為0.427 m;最大潮差2.071 m,最小潮差0.363 m,平均潮差1.147 m;平均漲潮歷時6.36 h,平均落潮歷時6.06 h。
2.2.4 不良地質(zhì)作用與特殊性質(zhì)巖土 根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和勘探結(jié)果,研究區(qū)無明顯的地質(zhì)構(gòu)造活動,未發(fā)現(xiàn)影響工程建設(shè)的不良地質(zhì)現(xiàn)象,場地基本穩(wěn)定。
研究區(qū)的特殊巖土體特征:跑道東側(cè)延伸區(qū)海域的海相淤泥和有機土的工程性質(zhì)特殊,屬軟弱土層;全區(qū)下伏發(fā)育第四紀更新世多旋回火山巖,巖性不一,差異風(fēng)化明顯,局部成巖作用差。
2.2.5 地層結(jié)構(gòu)及主要物理力學(xué)性能指標(biāo) 根據(jù)鉆探、原位測試及室內(nèi)試驗結(jié)果,結(jié)合已收集的地質(zhì)資料,研究區(qū)場地(陸域和海域)地基巖土按其形成年代、成因類型和工程性質(zhì)可分為2個地層單元,共4個大層13個亞層(表3),地層空間分布見圖4,地基土的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)見表4。
圖4 典型工程地質(zhì)剖面示意圖(圖例顏色代表不同地層單元,不代表具體巖土層)第一地層單元: 第四紀松散堆積物(陸域)(層①) 第一地層單元: 第四紀松散堆積物(海域)(層②)第二地層單元: 第四紀多旋回火成巖(層③) 第二地層單元: 第四紀多旋回火成巖(層④)Fig. 4 Schematic diagram of representative engineering geological section(The color of the legends represents different stratigraphic units, not specitic rock layers)
表3 研究區(qū)地層特征及空間分布
表4 地基土的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)平均值
2.2.6 地下水 根據(jù)水位測量結(jié)果,臺地Ⅰ區(qū)穩(wěn)定水位埋深為0.30~5.60 m,水位標(biāo)高為16.26~32.25 m,地下水主要以潛水形式賦存于風(fēng)化基巖裂隙中;雨季降水集中期有部分降水滯留于表層松散堆積物中。
河谷Ⅱ區(qū)和平原Ⅲ區(qū)的穩(wěn)定水位埋深為0.10~5.30 m,水位標(biāo)高為0.83~11.46 m,近于地表,地下水以潛水形式賦存于第四紀松散堆積物和風(fēng)化基巖中,局部為上層滯水。地下水主要接受大氣降水補給,其中河道區(qū)域的地下水接受上游河流補給,經(jīng)山坡和河道流入大海。
2.2.7 水土腐蝕性 按《巖規(guī)》有關(guān)規(guī)定進行判定。擬建場地環(huán)境類別為Ⅱ類,地基土對混凝土具有微腐蝕性,對鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。
在工程區(qū)域采取3組地下水和2組海水試樣進行水質(zhì)簡分析,地下水和海水的腐蝕性評價分析結(jié)果(表5)表明,工程海域宜做好相關(guān)建筑物材料及構(gòu)件的腐蝕防護措施。
表5 水腐蝕性評價
2.3.1 波速測試 對13個點位進行多道瞬態(tài)面波(瑞雷波)測試,獲取各巖土層的剪切波速,用以劃分場地土的類型及建筑場地類別。表6為現(xiàn)場面波測試資料的分層統(tǒng)計結(jié)果。
表6 面波測試結(jié)果
根據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010,2016版)和《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTS 146—2012)有關(guān)標(biāo)準,結(jié)合現(xiàn)場鉆探情況,擬建場地航站區(qū)(Ⅲ區(qū))覆蓋層<3 m,場地類別為Ⅰ1類,屬抗震有利地段;近岸區(qū)域(Ⅳ)地層為中軟—堅硬土,覆蓋層厚度為3~50 m,估算剪切波速>250 m/s,擬建建筑場地類別可按Ⅱ類設(shè)計,擬建區(qū)域?qū)倏拐鹨话愕囟巍?/p>
2.3.2 抗震設(shè)防烈度和設(shè)計基本地震動加速度 根據(jù)USGS National Earthquake Information Center(2023), 1904—2023年期間,擬建場地1 000 km范圍內(nèi)發(fā)生了38次地震,其中震級最大的是1939年發(fā)生在加納的M6.4地震;擬建場地500 km范圍內(nèi)發(fā)生了19次地震,震級最大的是2019年發(fā)生在圣多美島SE約34 km的M5.5地震,擬建場地?zé)o震感。
根據(jù)《非洲地震風(fēng)險:修正麥加利烈度圖》(OCHA Regional Office for Central and East Africa, 2007),圣多美與普林西比地區(qū)修正麥加利地震烈度(50年超越概率20%)為Ⅵ度。
綜上所述,結(jié)合該工程具體情況,可考慮研究區(qū)50年超越概率10%的地面峰值加速度取0.05g,相應(yīng)的地震烈度按Ⅵ度考慮。設(shè)計地震分組可按第一組考慮,一般情況下可不進行砂土液化和軟土震陷的判別和處理。
2.4.1 固結(jié)試驗 為確定軟弱土層的固結(jié)速率,采取部分未擾動軟土樣進行固結(jié)試驗,各壓力下的指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果見表7。
表7 固結(jié)試驗結(jié)果
2.4.2 巖石單軸抗壓強度試驗 為查明場地巖石的工程力學(xué)性質(zhì),對場地的巖石進行了單軸飽和抗壓試驗(表8)。
表8 巖石單軸抗壓強度試驗結(jié)果
2.4.3 有機質(zhì)含量試驗 為測定軟土的有機質(zhì)含量,對試樣進行有機質(zhì)含量測定,試驗方法為灼失量法。試驗結(jié)果見表9。
研究區(qū)擬建場地5 km以內(nèi)未見活斷層,場地內(nèi)及周邊未發(fā)現(xiàn)巖溶、滑坡、采空區(qū)等不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害,無埋藏的河道、溝浜、墓穴、防空洞、孤石等不利埋藏物。Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)的建筑抗震地段類別為有利地段—一般地段,場地基本穩(wěn)定,地層分布穩(wěn)定,工程性質(zhì)良好—一般,適宜—較適宜工程建設(shè);Ⅴ區(qū)位于海域,分布較厚的軟弱土層,場地穩(wěn)定性差,工程建設(shè)適宜性差。
研究區(qū)擬建項目涉及的工程建設(shè)場地主要分布在航站區(qū)(Ⅲ區(qū))和跑道東延海域(Ⅳ、Ⅴ區(qū))。上述區(qū)域的地基巖土主要由第四紀全新世海陸交互相沉積砂土人工填土和第四紀更新世火成巖及其風(fēng)化產(chǎn)物組成,已揭露地層主要特征如下。
3.2.1 第一地層單元 ①1-1雜填土:黏土為主,濕—飽和,可塑,土質(zhì)不均,混雜碎石和礫石,表層含腐殖質(zhì)及植物根系,混建筑和生活垃圾,局部被混凝土面層覆蓋,工程性質(zhì)較差,在Ⅲ區(qū)廣泛分布,厚度較薄,宜清除處理。
②1粗礫砂:飽和,松散為主,局部稍密或中密,因其為鈣質(zhì)砂,在標(biāo)準貫入試驗評價密實度時未考慮增加5擊后評價。鈣質(zhì)砂具有孔隙比大和顆粒易碎性等特征,力學(xué)性質(zhì)差,具有一定的不均勻性,在Ⅳ區(qū)中東部和Ⅴ區(qū)廣泛分布,具有一定的厚度。
②2細中砂:飽和,稍密為主,局部松散或中密,由生物碎屑和石英長石組成,力學(xué)性質(zhì)一般,具有一定的不均勻性,主要分布在Ⅴ區(qū)的中北區(qū)域,厚度變化較大。
②3淤泥和②4有機土層:泥炭質(zhì)土,力學(xué)性質(zhì)差。其中,②3淤泥層土質(zhì)較均勻純凈;②4有機土層含有大量植物根系和腐殖質(zhì),混較多生物碎屑。該層在Ⅴ區(qū)廣泛分布,厚度較均勻、穩(wěn)定。
3.2.2 第二地層單元 松散堆積物之下即為旋回火山巖及其風(fēng)化產(chǎn)物,其中含碎石黏土④1層,力學(xué)性質(zhì)一般,均勻性差,分布較廣泛,層面起伏不定,厚度不一。
研究區(qū)下伏多旋回火成巖,風(fēng)化火成巖③層為較新的m0時期的玄武巖;風(fēng)化火成巖④層為老的m1時期的火成巖,由玄武巖和火山碎屑巖等組成。
全—強風(fēng)化玄武巖③1和火成巖④2,力學(xué)性質(zhì)較好,巖體破碎,均勻性差,分布廣泛,厚度不一。
中—微風(fēng)化玄武巖③2和火成巖④3,巖體較破碎—較完整,較堅硬—堅硬巖,分布較廣泛。
綜上所述,在垂向上,地基土的力學(xué)性質(zhì)自上而下總體呈變好的趨勢,但各地基土層的工程性質(zhì)也存在較大的差異變化;在水平方向上,砂土層分布略有變化,風(fēng)化巖層面起伏較大,厚度不均勻,局部地層缺失??傮w而言,建筑地基均勻性差。
就整個研究區(qū)而言,多旋回的火成巖的風(fēng)化受原始地形地貌和巖體結(jié)構(gòu)影響,各風(fēng)化程度之間并不具有一個穩(wěn)定、明顯的界線;除發(fā)育玄武巖外,還發(fā)育火山碎屑巖,如角礫熔巖等,各巖性成巖作用差異導(dǎo)致基巖強度相差甚大。
研究區(qū)的陸域新建建(構(gòu))筑物主要在機場航站區(qū),主要包括改擴建停機坪、新建動力中心和新增消防站,屬輕型建(構(gòu))筑物,荷載小。該區(qū)域基巖埋深淺,地表0.40~1.70 m以下即揭露全—強風(fēng)化玄武巖③1層和中—微風(fēng)化玄武巖③2層,基巖工程性質(zhì)良好,可作為基礎(chǔ)持力層,可采用天然地基方案。
擬將跑道向東延長580.0 m,海域范圍內(nèi)的陸域形成擬采用堆填方式,將陸域凈空處理產(chǎn)生的土石方運輸堆填到待造陸域,填海區(qū)寬170.0 m,總長723.5 m,護岸總長2 071.0 m。
4.2.1 人工地基分析 因填海工程不考慮圍堰施工,對于水深較淺的區(qū)域,可對回填土進行分層碾壓夯實(陳榮波,2017),質(zhì)量合格后可作為地基持力層使用;對于水深較大的區(qū)域,無法進行分層碾壓夯實,需對回填土進行地基處理,可考慮強夯等措施進行處理(楊國榮等,2010)。
4.2.2 天然地基分析 填海造陸區(qū)域位于Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū),其中Ⅳ區(qū)地質(zhì)條件一般—較好,當(dāng)該區(qū)域天然地基滿足上覆荷載和要求時,可考慮采用天然地基方案。
Ⅴ區(qū)的淺部地層以松散的粗礫砂②1層(鈣質(zhì)砂)、稍密細中砂②2層、流塑狀淤泥②3層和有機土②4層組成,地基條件較差,天然地基無法滿足上覆荷載和變形要求,需對上述地層進行處理。
鑒于該區(qū)域的水深條件和淺部地層條件,結(jié)合陸域形成方案,可考慮采用強夯聯(lián)合排水固結(jié)的處理方法:強夯主要處理陸域形成的回填土人工地基及天然的淺部松散粗礫砂②1層和細中砂②2層;排水固結(jié)主要處理淤泥②3層和有機土②4層,鑒于軟土層較厚,且軟土下部為含碎石黏土④1,排水條件差,在采用堆載預(yù)壓法時,應(yīng)設(shè)置塑料排水板。為減少工后沉降,宜采用超載預(yù)壓處理方法。淤泥②3層和有機土②4層的次固結(jié)系數(shù)Cv建議取0.01~0.03。
當(dāng)選擇強夯方案時,強夯的有效加固深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試夯或地區(qū)經(jīng)驗確定。
無論采用何種地基處理方案,工程施工前應(yīng)先進行試驗,選擇合理的施工工藝和參數(shù)。
當(dāng)上述方案不具備施工條件或滿足不了設(shè)計要求時,也可以比較經(jīng)濟性及技術(shù)難度后采用復(fù)合地基或樁基方案。樁基設(shè)計巖土參數(shù)見表10(張學(xué)飛,2021)。
表10 樁基設(shè)計參數(shù)
研究區(qū)基坑開挖可根據(jù)需要進行放坡開挖或采取支護措施,根據(jù)各擬建建筑物基坑開挖深度及場地現(xiàn)狀,回填土層可按表11中的坡率進行放坡,基坑開挖受限時應(yīng)采取必要的支護措施。
表11 基坑開挖坡率及降水參數(shù)
勘察期間,賦存在淺部松散土體中的地下水為潛水,地下水位受降水影響較大,基坑開挖時應(yīng)做好坡面防護及基坑周圍地面的排水工作,防止雨水浸泡邊坡土體。此外,基坑周圍不宜堆載。
基坑開挖可采取基坑降水措施,宜采用基坑內(nèi)集水明溝排水的施工方案。依據(jù)擬建場地室內(nèi)土工試驗及工程經(jīng)驗,基坑設(shè)計、降水所需設(shè)計參數(shù)采用表11推薦值。
勘察過程中發(fā)現(xiàn)的可能影響項目設(shè)計和施工的潛在風(fēng)險源如下。
(1)航站區(qū)巖石地基對基坑開挖和基礎(chǔ)埋深的影響。航站區(qū)基巖埋深較淺,基坑開挖應(yīng)根據(jù)其深度范圍內(nèi)的巖土特征選擇開挖工藝和設(shè)備,巖土層等級分類見表12。當(dāng)巖體無法機械破碎時,應(yīng)酌情考慮減小基礎(chǔ)埋置深度,但深度不宜<0.5 m。
表12 各地層土石等級分類
(2)地下管線。擬建場地航站區(qū)的范圍內(nèi)存在地下管線,對于基坑開挖等施工可能有影響的地下管線應(yīng)采取避讓或其他有效保護措施。
(3)既有建筑。擬新建消防站緊鄰機場貨倉(老航站樓),基礎(chǔ)施工前需考慮對相鄰建筑物的影響。
(4)邊坡支護。凈空處理區(qū)和填海工程區(qū)均會形成邊坡,應(yīng)對相關(guān)邊坡進行監(jiān)測,必要時采取支護措施。
(5)堆載預(yù)壓塑料排水板的施工。擬建項目場地的軟土層上覆松散—稍密砂土,局部為中密狀態(tài),砂土中局部混雜珊瑚塊,排水板施工選擇工藝時應(yīng)考慮上述因素的影響。
(6)擬建項目臨海,注意鹽霧腐蝕對擬建工程的影響。
(7)河谷(Ⅱ區(qū))發(fā)育一條SW-NE走向小河,河寬1.5~3.0 m。研究區(qū)雨季降雨豐沛,河水上漲時可淹沒河岸,工程建設(shè)時應(yīng)考慮積水和洪水對擬建工程的影響。
(8)擬建工程場地海域近岸受到海水動力沖刷作用,為剝蝕性海岸,宜進行護岸處理,以防海岸及建成后的構(gòu)筑物進一步遭受海浪的沖刷侵蝕。
(1)采用多種巖土工程勘察手段,查明了機場改擴建陸域和海域場地地基巖土類別、層次、厚度、空間分布特征及相應(yīng)物理力學(xué)性能,判斷建筑場地類別、地震抗震類別等,進行水土腐蝕性評價等,滿足了巖土分析評價和設(shè)計的要求。
(2)針對陸域和海域不同巖土工程特性,對建(構(gòu))筑物的地基基礎(chǔ)方案進行分析論證,提出了相應(yīng)的地基處理原則及措施。
(3)針對擬建建(構(gòu))筑物的具體情況,對后期施工過程中遇到的巖土工程問題進行分析,總結(jié)了施工中應(yīng)注意的問題。