填海區(qū)巖土工程特性分析及設(shè)計(jì)建議

劉發(fā)前

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

圍海造地是沿海城市發(fā)展建設(shè)的主要途徑之一，尤其對于國土面積較小的典型沿海國家。荷蘭是世界上最早實(shí)施圍海造地的國家之一，其有2/3的國土資源都是填海而成；日本在20世紀(jì)90年代就大規(guī)模地進(jìn)行圍海造地工程，并于1994年在大阪灣建成了填海機(jī)場——關(guān)西國際機(jī)場。隨后，我國也相繼類似建造了澳門國際機(jī)場和珠海機(jī)場。2018年，令世界矚目的港珠澳大橋通車，它是一連接香港、珠海、澳門三地的門戶工程。與之配套建設(shè)的珠?？诎逗桶拈T口岸，其中設(shè)置過關(guān)大廳、辦公大樓和地下車庫等，位于在伶仃洋上圍堰填筑成的人工島上。

在填海區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，需在所建場址海域進(jìn)行填土，通常采用吹填或拋填的方式，進(jìn)而對填土區(qū)進(jìn)行加固處理，最后施作地面層，再在其上進(jìn)行相應(yīng)的工程建設(shè)。因此，填海區(qū)具有與自然沉積區(qū)完全不同的地質(zhì)特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)、施工的關(guān)注重點(diǎn)亦有很大差異，需進(jìn)行特殊考慮。在我國大陸地區(qū)，近些年來在深圳、珠海、溫州、寧波、福州、上海、連云港、青島、天津、大連等地均有不同程度的填海開發(fā)工程，上述地區(qū)建設(shè)環(huán)境各有特點(diǎn)，所實(shí)施的工程亦不同。然而，通過對各區(qū)工程地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行分析，雖其填土類型、水文條件和填土地基處理方案均有所差異，但總體類似。因此，為有效推進(jìn)填海區(qū)開發(fā)和工程建設(shè)，有必要對其共性和差異點(diǎn)進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)、施工相關(guān)建議，為類似工程參考。

1 吹填土工程特性

本節(jié)搜集列舉了廣東珠?？诎?、澳門口岸、天津市南港工業(yè)開發(fā)區(qū)和廈門蓮坂地區(qū)等填海區(qū)的工程地質(zhì)資料，其填土層的主要描述見表1。

由以上對比可以看出，吹填土的材料多為中粗砂及塊石，也有部分采用細(xì)砂夾雜粘性土。即使采用較為均勻的單一材料，受地基處理工藝的影響，其區(qū)域性和豎向不均勻性仍較為明顯。經(jīng)處理過的區(qū)域淺層土具有較高承載力，但隨著深度增加，仍表現(xiàn)出密實(shí)度差、承載力低的特點(diǎn)。當(dāng)拋填材料由多種材料構(gòu)成時，其差異更加明顯。一般情況下，拋填區(qū)地基均不能直接利用天然地基，這是因?yàn)楸M管其表層承載力尚可，但隨深度增加承載力下降仍比較快。

關(guān)于填海區(qū)吹填土特性的研究，目前較為深入的應(yīng)屬天津?yàn)I海新區(qū)。杜東菊,等[1]對天津新港和臨港工業(yè)區(qū)的吹填土的組成、地層結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度增長規(guī)律進(jìn)行整理，并采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)對經(jīng)處理后的吹填土的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，給出土體微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度發(fā)展之間的規(guī)律，最后提出吹填土快速結(jié)殼技術(shù)。經(jīng)處理后的填土層，自上而下依次為：淺部硬殼層，也稱“實(shí)效層”，一般僅為數(shù)米，該層屬于超固結(jié)土，具有中壓縮性，工程性質(zhì)自上而下漸差，為中-低強(qiáng)度工程段；中部過渡層，深度約數(shù)米至十余米，屬欠固結(jié)土，土層強(qiáng)度低，壓縮性高，穩(wěn)定性差，滲透性差，靈敏度高且經(jīng)真空預(yù)壓處理有大量塑料排水板殘留，工程性質(zhì)有一定改變，為主要工程病害層；下層無效層，該層屬于正常固結(jié)狀態(tài)，人工處理對該層工程性質(zhì)無實(shí)質(zhì)影響，自上而下工程性質(zhì)漸好，可選做建筑物的樁基持力層。可見，處理過后的填海區(qū)土體的工程性質(zhì)在一定程度上得到了改善，但并不能根本改變其軟弱地基的根本性質(zhì)，主要體現(xiàn)在以下方面：

表1 各地區(qū)拋填土特性描述

（1）欠固結(jié)，硬殼層為超固結(jié)土，而過渡層土層固結(jié)情況復(fù)雜，在較深部分主要為欠固結(jié)土；

（2）非均勻性，吹填土粗顆粒可很快沉積，細(xì)顆粒將隨著水體流動一定距離，吹填土體在場地范圍內(nèi)平面分布不均勻；

（3）高壓縮性和流變性，工后沉降量大、沉降時間長；

（4）抗剪強(qiáng)度低，硬殼層下的軟土層含水量大、抗剪強(qiáng)度極低，是吹填場地的工程病害層；

（5）結(jié)構(gòu)性，在荷載達(dá)到其屈服應(yīng)力前，具有較好的抗壓縮性，沉積量小，一旦超過其屈服應(yīng)力，土體將出現(xiàn)大幅的壓縮變形。

總體而言，填海區(qū)經(jīng)過真空預(yù)壓處理后，有效硬殼層下普遍存在處理程度不足的軟弱土層。這使得對填土區(qū)的合理估計(jì)難度較大，其指標(biāo)的合理選擇更是決定工程經(jīng)濟(jì)性乃至成敗的關(guān)鍵。這對基坑的整體穩(wěn)定性尤其重要，特別是開挖深度不大，圍護(hù)樁無法進(jìn)入下層較好土層的土體，其設(shè)計(jì)插入深度的合理選擇則是關(guān)鍵。

2 海積軟土

除了廣東珠?？诎?、澳門口岸、天津市南港工業(yè)開發(fā)區(qū)和廈門蓮坂地區(qū)，本節(jié)尚列舉港珠澳大橋東人工島、連云港港區(qū)和寧波鄞州等幾地海積軟土的工程特性，見表2。

通過上述各地工程地質(zhì)資料對比可以觀察到，不同地區(qū)軟土層具有很強(qiáng)的共性?；径季哂谐柿魉軤顟B(tài)，含水量高，低強(qiáng)度、低透水性、高壓縮性的特點(diǎn)，土層分布均較穩(wěn)定，是典型的軟弱土層，力學(xué)性質(zhì)很差，觸變性、蠕變性明顯，不可直接作為天然地基使用。

各場地軟土地層物理力學(xué)性質(zhì)匯總見表3。

需要說明的是，在東人工島和連云港港區(qū)兩區(qū)域海積軟土特性應(yīng)屬原狀的，可見其承載力多在20～30 kPa之間，壓縮模量1.7～1.8之間，而粘聚力C值大約3～4 kPa；其余上部有拋填土且經(jīng)過處理時，軟弱土層承載力和強(qiáng)度指標(biāo)可翻一番。但是，隨著深度增加，土體受拋填土加載和地基處理的加固效果很快減弱。因此，在填海區(qū)工程中，受上層填土及地基處理的影響，下穿海積軟土特性的改善可以考慮，但應(yīng)慎重。

表2 各地區(qū)淺層海積軟土特性描述

表3 各場地軟土地層物理力學(xué)性質(zhì)匯總表

與填海區(qū)上層填土類似，海積軟土具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。對土體結(jié)構(gòu)性的研究，目前有多種方法：微結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)、固體力學(xué)、損傷力學(xué)以及土力學(xué)等。楊愛武,吳磊[2]對天津結(jié)構(gòu)性海積軟土在不同固結(jié)壓力、不同固結(jié)時間作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究成果可見，由于結(jié)構(gòu)性的作用，在任意固結(jié)條件下，原狀土體強(qiáng)度均大于重塑土。與非結(jié)構(gòu)性軟土類似，隨著固結(jié)時間、固結(jié)壓力增大，結(jié)構(gòu)性軟土強(qiáng)度增大、孔隙比減小，只是e-lgp變化曲線并非一平滑曲線，其存在明顯的拐點(diǎn)，該點(diǎn)所對應(yīng)的壓力P即為屈服應(yīng)力（見圖1）[3]。研究表明，在固結(jié)壓力低于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的范圍內(nèi)，土的壓縮性很小；壓力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，土的壓縮性很大，趨于重塑土。

圖1 結(jié)構(gòu)性土和重塑土壓縮曲線

3 設(shè)計(jì)建議

如前所述，嚴(yán)格來說，（經(jīng)處理后）填土層和下層海積軟土層不可簡單認(rèn)為均勻?qū)?。平面分布與拋填工藝和施工順序有關(guān)，豎向上地基處理效果差異也很大，尤其在土層分層厚度較大時。填土層面層因?yàn)楦牧继幚硇Ч^好，往往呈現(xiàn)超固結(jié)土的性能狀態(tài)；中部隨著深度增加，地基改良效果減弱但堆載較大使其密實(shí)性更好，下層地基處理較弱；海積軟土層上部受填土層地基處理的影響，其承載力特性比原狀土要強(qiáng)得多，但填土對軟土層的堆載是否導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性破壞，將大大影響其力學(xué)性能。因此，填海區(qū)地質(zhì)勘探密度影根據(jù)施工工藝和工程特點(diǎn)適當(dāng)加密、調(diào)整，同一土層由于地基處理效果差異可分為多層考慮，分別給出土體設(shè)計(jì)參數(shù)，這在深厚填土和軟土中的基坑開挖中尤為重要。圍護(hù)樁的插入深度應(yīng)適當(dāng)加大或加強(qiáng)支撐系統(tǒng)的自穩(wěn)能力，使其與圍護(hù)墻形成一穩(wěn)固的整體。在分析結(jié)構(gòu)物沉降和選擇基礎(chǔ)持力層時，應(yīng)充分考慮下臥處理效果較弱的不利影響，采用現(xiàn)行“雙層土固結(jié)理論”分析基礎(chǔ)沉降并復(fù)核地基下臥層的抗沖切能力和整體性。

同樣，由于勘察手段的局限性，所得土樣均受到擾動，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)所得土體參數(shù)與其原狀土又差異較大。因此，實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正或采用現(xiàn)場原位試驗(yàn)確定。目前多位研究人員均建議填海區(qū)樁基承載力應(yīng)通過現(xiàn)場試樁試驗(yàn)確定。如，牛富麗,等[4]對青島市黃島西海岸經(jīng)濟(jì)新區(qū)濱海深厚回填土中鉆孔樁的沉降、側(cè)摩阻力和樁端阻力（合計(jì)為承載力）進(jìn)行了試樁試驗(yàn)，并提出通過在樁底注漿，以使得樁基沉降滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求；張興業(yè),任杰東[5]結(jié)合天津?yàn)I海新區(qū)的工程實(shí)例，對單樁的承載性狀進(jìn)行了分析。

在海積軟土下方，多數(shù)為陸相沉積土或海陸交互相黏土，其承載力均可達(dá)150 kPa以上，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況有效利用該層，如選取該層作為樁基持力層，圍護(hù)墻墻趾深入該層一定深度以增強(qiáng)其“防踢腳”能力，否則，圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)做成一個連接較好的封閉整體，這對支撐的強(qiáng)度、穩(wěn)定性，支撐與圍護(hù)墻之間的連接可靠性提出了更高的要求。

4 結(jié)語

地下工程本身是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，影響因素眾多、離散性大。填海區(qū)填土層和下臥海積軟土層各向不均勻，加之明顯的“結(jié)構(gòu)性”，給工程建設(shè)帶來了更大不確定性。本文通過搜集我國多地填海區(qū)開發(fā)項(xiàng)目地質(zhì)材料，總結(jié)給出上層拋填土和下部海積軟土的工程特性。土體指標(biāo)選取時應(yīng)充分考慮加固效果與是否達(dá)到結(jié)構(gòu)破壞雙重影響，根據(jù)靜力觸探結(jié)果和現(xiàn)場試驗(yàn)，將土層分為多層或進(jìn)行合理修正，萬不可簡單視為均勻土層，以免誤差過大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果應(yīng)有現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，并盡量考慮利用下部較強(qiáng)土層。