廣州亞運城軟土的工程特性

劉志方，彭衛平

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060)

廣州亞運城軟土的工程特性

劉志方?，彭衛平

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060)

根據廣州亞運城巖土工程勘察中大量的土工試驗、原位測試和鉆探資料，綜合分析了亞運城場地三角洲相軟土的物理力學性質和不良工程特性，并結合工程實際，提出了軟土地基處理措施。

軟土；抗剪強度；固結變形；承載力特征值；地基處理

1 引 言

廣州亞運城是廣州市2010年舉辦第16屆亞運會的體育中心區，總面積約2.7 km2，擬建運動員村、媒體村和技術官員村等多層(3層～6層)和高層(11層～14層)建筑及相應配套設施約210萬m2，以及多功能體育館、大量市政道路、停車場和室外運動場等。

根據勘察資料[1，2]，本場區廣泛分布厚度較大的第四系三角洲相沉積軟土，以流塑狀淤泥為主，其不良工程性質將對建筑基礎、市政道路和停車場等的設計與施工產生不利影響。本文根據亞運城巖土工程勘察時大量的土工試驗和原位測試資料，綜合分析了淤泥(質土)的物理力學性質、抗剪強度和固結變形特性，進行承載力和軟土地基處理對比計算，結合亞運城工程建設實際情況，提出了合適的軟土地基處理措施。

2 軟土成因及分布結構

根據現場勘察和區域地質資料，廣州亞運城場區已揭露軟土以淤泥為主，夾淤泥質土，屬全新世海陸交互三角洲相超覆式沉積層()，灰黑～深灰色，流塑，局部含腐木及腐殖質，層厚約3 m～6 m，局部厚達8 m～9 m。豎向上，呈上層淤泥(2－1層)、下層砂土(2－2層粉細砂)的二元結構特征(如圖1所示)，粉細砂層結構松散，含少量淤泥，下伏(3－2)層可塑狀粉質粘土、粘土層，屬晚更新世沖積成因粘性土()，經雨水淋濾，呈灰黃、花斑色，工程性質較好，有較高的承載力，fak約190 kPa。

局部地段可見兩個沉積旋迴，分布上下兩層淤泥，上層淤泥(2－1層)含砂量較高，多夾粉細砂層，具有水平交錯、不規則交錯層理。下層淤泥(4層)屬晚更新世晚期三角洲相沉積()，淺灰色，土質較純，含砂量少，手捏滑感好，多呈透鏡體狀分布，其下伏松散至稍密的中粗砂層(如圖2所示)。

圖1 亞運城軟土主要分布示意圖[4]

圖2 局部兩層軟土分布示意圖[4]

顆粒級配試驗結果統計表 表1

對兩層淤泥取樣進行顆粒級配試驗(如表1所示)，試驗結果表明兩層淤泥的土粒組成以粉粒、粘粒和膠粒為主，砂粒較少，級配良好，絮狀膠結，粉粒的含量約為粘粒含量的2倍，其滲透性較一般的海相或三角洲相淤泥要好，但淤泥層下伏松散至稍密砂土，地下水豐富，對軟土地基排水固結將產生不利影響。

3 軟土的工程特性

3.1 軟土的物理力學性質

廣州亞運城場地勘察時，分別采取第(2－1)層和(4)層淤泥土樣各283組和104組進行室內土樣常規物理力學性質試驗，試驗結果統計如表2所示。從表中可以看出，淤泥含水量高，塑性指數和液性指數大，抗剪強度低，壓縮系數和壓縮模量低，各指標變異性較少，土質相對較均勻。

亞運城場地軟土的物理力學性質指標 表2

滲透系數統計表 表3

固結系數(時間平方根法)Cv值統計表 表4

選取有代表性的淤泥樣進行室內滲透試驗，統計豎向(KV)及水平向(KH)滲透系數統計如表3所示。試驗結果表明亞運城淤泥的滲透系數較其他沿海地區的淤泥要高，也高于行業手冊[3]列出的經驗值，這與本場地淤泥顆分試驗顯示粉粒含量偏高的結果相符。

為進一步了解淤泥的固結變形特征，對(2－1)層淤泥進行了固結壓縮試驗，采用平方根法測定其固結系數(統計如表4所示)，固結系數與荷載的關系如圖3所示，圖3顯示淤泥固結系數隨有效應力的增大而增大。

圖3 固結系數Cv與豎向壓力關系圖

3.2 原位測試成果

在場地內0.5 m～5.0 m的深度范圍內，對(2－1)層淤泥進行了靜力觸探試驗(如表5所示)和原位十字板剪切試驗(如表6所示)。

靜力觸探測試數據統計表 表5

十字板剪切試驗數據統計表 表6

統計結果顯示，亞運城軟土的比貫入阻力Ps平均值約0.21 MPa，錐尖阻力Fc平均值約0.37 MPa，側摩阻力fs平均值約3.51 MPa，低于大部分沿海軟土的統計值。

淤泥原狀土平均不排水強度12.9 kPa，擾動土平均不排水強度2.6 kPa，靈敏度3.5～9.0，屬于中等～高靈敏度。同一孔中隨試驗深度加大，土的不排水強度有所增高，有一定的線性增長關系。可初步回歸分析建立關系為:Cu＝5.53h＋3.48，如圖4所示，在測試深度1 m～4 m范圍測試點的抗剪強度主要分布在8 kPa～20 kPa之間。

圖4 十字板抗剪強度與深度關系圖

3.3 軟土的承載力特征值

目前淤泥承載力的計算方法較多，計算結果隨選用方法與選取參數不同而存在一定的差異。根據已有勘察資料選用以下三種方法計算淤泥承載力特征值:

(1)經驗法

按淤泥土工試驗指標天然含水量w，參照廣東省標準DBJ15－31－2003《建筑地基基礎設計規范》[3]中表4.4.2－5沿海地區淤泥和淤泥質土承載力特征值的經驗值fak，可初步確定亞運城場地(2－1)層淤泥的承載力特征值為40 kPa，第(4)層淤泥的承載力特征值為60 kPa。

(2)原位測試法

靜力觸探經驗公式:

式中:q——地基土的容許承載力(kPa)

ps——靜力觸探探頭的比貫入阻力(kPa)

根據現場靜力觸探試驗數據，(2－1)層淤泥的ps值平均值0.21 Mpa，標準值0.20 MPa，計算得q＝43.9 kPa。

中國建筑科學研究院、華東電力設計院建立的十字板剪切試驗公式[4]:

式中:q——地基承載力(kPa)；

Cu——修正后的十字板抗剪強度(kPa)；

r——土的有效容重(kN/m3)；

h——基礎埋置高度(m)；

根據現場原位十字板剪切試驗數據，第(2－1)層淤泥的Cu平均值為12.9 kPa，標準值11.6 kPa，取Cu＝12.9 kPa，r＝16 kN/m3，h＝2.0 m，穩定地下水位取0.5 m，浮容重r′＝6 kN·m3，計算得q＝37.8 kPa。

(3)按規范公式計算

參照行業標準[5]推薦的根據原狀土強度指標確定軟土地基容許承載力[fa]:

式中:m——安全系數，1.5～2.5，軟土靈敏度高，且基礎長寬比小時取高值；

Cu——不排水抗剪強度(kPa)；

kP——基礎形狀及傾斜荷載的修正系數，取1；

r2——基底以下土的容重，地下水位以下取浮容重(kN/m3)；

h——基礎埋深(m)。

計算出(2－1)層淤泥的容許承載力＝38.5 kPa。

以上4種方法的計算結果分別為40 kPa、43.9 kPa、37.8 kPa和38.5 kPa，平均值約40 kPa，可確定(2－1)層淤泥的承載力特征值為40 kPa。

3.4 不良工程性質

綜合分析廣州亞運城原狀土樣常規物理力學性質、原位測試成果及現場勘探資料，可以確定亞運城軟土具有以下不良的工程性質:

(1)高含水量:亞運城(2－1)層淤泥的含水量w平均值為72.5%，最大值達128%，含水量高于液限，呈飽和狀態。孔隙比大，平均值為1.886，最大值達3.508，土體組成以粉粒和粘粒為主，絮狀膠結，結構疏松。

(2)高壓縮性:壓縮系數a1－2試驗值主要分布在1.1 MPa～2.3 MPa，平均值為1.628 MPa－1，最大值高達3.65 MPa－1，比大部分沿海軟土高，壓縮模量平均值1.889 MPa，壓縮沉降量大，且固結系數低，排水固結緩慢，地基穩定性差。

(3)低強度:現場十字板剪切試驗實測原狀不排水抗剪強度為12.9 kPa，重塑土不排水抗剪強度為0.9 kPa～5.2 kPa，平均值2.6 kPa，屬高靈敏度軟土，靜力觸探測試軟土的錐尖阻力和側摩阻力不大，標貫擊數〈1擊，呈稀泥狀，表明亞運城軟土的抗剪強度和承載力極低，臨界自穩高度很小。

(4)觸變性:亞運城軟土屬高靈敏度土，受振動荷載后，土體抗剪強度急劇降低，易產生側向滑動、沉降或基礎下土體擠出等不良現象。

(5)不均勻性:受沉積環境影響，軟土層中間夾薄層粉土或粉細砂透鏡體，水平和垂向上分布不均勻，各向異性較明顯。

亞運城淤泥尚具有低滲透性、流變性等不良工程性質，在長期荷載作用下，發生緩慢而長期的剪切變形，對地基不均勻沉降有較大的影響。鄰近地區填土修筑的市政快速路路面均出現不規則的波狀起伏，給行車安全和后期養護帶來了較大的麻煩。

4 軟土地基處理

廣州亞運城內擬建運動員村、媒體村及配套公共建筑等，主要為3層～14層多層至小高層建筑，下設一層地下室。場地地表標高5.0 m～5.50 m(廣州高程系)，設計± 0.00標高相當于廣州高程系7.50 m，基坑實際開挖深度4 m～4.5 m，地下室底板主要位于淤泥層中。因此所有建筑物均采用預應力管樁基礎，選擇強風化基巖做樁端持力層，且在基坑開挖后施工，有效樁長15 m～22 m，避免了淤泥的不良工程性質對樁基礎施工的影響。

市政道路、停車場等設計地面標高約7.2 m～7.4 m，對地基承載力的要求約為60 kPa～80 kPa，填土整平后如何控制地面不均勻沉降和保證地基承載力是軟土地基處理設計的關鍵，常用的軟土地基處理方法有水泥土攪拌樁法和堆載預壓法。

水泥土攪拌法是加固飽和軟土地基的一種常用方法，在廣州地區已有非常成熟的施工經驗和質量檢測標準，其處理深度一般為8 m～12 m左右，最深可達16 m～18 m，由水泥土攪拌樁與樁間土構成復合地基，其力學性質大大改善，地基的抗剪強度顯著提高，工后沉降較少。根據場地淤泥分布特征，參照行業標準[6]中11.2.9－1、11.2.9－2公式計算水泥土攪拌樁復合土層的壓縮變形及樁端下臥層的壓縮變形。工況計算參數如下:填土層厚2.0 m，路基附加應力取60 kPa～80 kPa，淤泥層厚分別取3.5 m、5.5 m、7 m.5 m，水泥土攪拌樁穿過淤泥進入(3－2)層可塑狀粘性土中1 m，樁徑0.5 m，梅花形布置，樁間距取1.3 m，樁體壓縮模量Ep＝50 MPa，填土重度取20 kN/m3，施工期3個月，估算3種厚度淤泥復合地基的沉降分別為38 mm、45 mm、73 mm，下臥層沉降約14 mm，施工后沉降小于29 mm。

堆載預壓排水固結法是采用砂井或塑料排水板在軟土層內形成垂向滲水通道，在填土荷載預壓下加快排出孔隙水，提高軟土的固結速率，從而提高軟基強度和承載力。亞運城場地設計地面標高比原地面高約2 m，需堆土填高，采用堆載預壓法結合場地堆填，既經濟又節省工期，對室外地坪和綠化用地等差異沉降控制要求不高的場地能達到較理想的加固效果。假定采用塑料排水板做豎向排水體，間距1.5 m，填土高度2.4 m，施工期5個月，按上述規范[6]5.2.12式計算一級荷載作用下不同厚度淤泥層的最終豎向沉降量分別為387 mm、626 mm、943 mm，施工期平均固結度能達到65%～74%；如果不設置塑料排水板，施工期平均固結度能達到42%～47%，施工后沉降相對穩定需11個月～12個月。

考慮到地面建筑施工工期，對室外地坪、綠化用地及公共廣場采用填土堆載預壓是可行的，而對市政道路、停車場，則因工后沉降較大，且受淤泥層厚度變化影響，存在安全隱患，宜采用水泥土攪拌樁進行加固處理。

5 結 論

(1)廣州亞運城廣泛分布厚度較大的第四系三角洲相淤泥，絮狀膠結，流塑狀態，豎向上呈上層淤泥、下層砂土的二元結構特征。

(2)淤泥具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低滲透性和低強度等不良工程性質，承載力特征值僅為40 kPa。

(3)綜合比較確定對于一般的室外地坪、綠化用地及公共廣場等場地，可結合填土整平采用堆載預壓法處理軟土地基，對市政道路和停車場，應采用水泥土攪拌法加固構成復合地基以消除淤泥層不均勻沉降和過大工后沉降的不良影響。

[1] 廣州市城市規劃勘測設計研究院.廣州亞運村工程地質普查報告[M].2007

[2] 廣州市城市規劃勘測設計研究院.廣州亞運城運動員村巖土工程勘察報告[M].2008

[3] DBJ 15－31－2003.建筑地基基礎設計規范[S].

[4] 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社，2007

[5] JTG D63－2007.公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[6] JGJ79－2002.建筑地基處理技術規范[S].

Engineering properties of soft clay of Guangzhou Asian Games City

Liu ZhiFang，Peng WeiPing
(Guangzhou urban planning＆survey research institute，Guangzhou 510060，China)

According to a large number of geotechnical engineering soil tests，in situ tests and survey data of Guangzhou Asian Games City，this paper gave a comprehensive analysis of the physical and mechanical properties and bad engineering properties of soft clay，and put forward the foundation treatment measures combined with engineering practice.

Soft clay；Shear strength；Consolidation deformation；Bearing capacity value；Foundation treatment

1672－8262(2010)06－156－05

TU447

B

2010—10—07

劉志方(1981—)，男，工程師，國家注冊土木工程(巖土)師，主要從事巖土工程設計、勘察及監測等工作。