澳門東填土區地基處理效果分析

陶旭光，鈕建定，楊 鋒

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司 上海 200232)

1 工程概況

澳門東填土區南北向共長2 400 m，東西向最窄處560 m、最寬處730 m，總填海造地面積約138萬m2，新建海堤總長5 658 m。場地通過吹填砂土的方式成陸，成陸區由不同隔堤進一步隔開細分成較小分區，見圖1。

澳門東填土區地貌屬于珠江三角洲河口沖積海積平原地貌類型，原始海床地基主要由第四紀松散堆積層、殘積土層和燕山期侵入的花崗巖[1]及其風化層組成。場區原始海床淺表部分布的軟黏性土工程特征與珠江三角洲軟土特征[2-3]相符，具體表現為含水量高、壓縮性高、強度低、結構性好、靈敏度高。現已對原始海床中軟黏性土和成陸后的吹填砂進行了地基處理，以滿足場區作為建設場地的基本需求。

本文在分析場區地基土層特性、地基處理設計方案與施工關鍵技術的基礎上，通過對工程監測及檢測成果的對比、分析，從而檢驗該場區地基處理效果，并為同類工程提供借鑒。

圖1 澳門東填土區吹填分區

2 場區地基條件

2.1 原始海床地基

澳門東填土區吹填前巖土勘察得到的原始地基土層分布及特征見表1，典型地質剖面見圖2。其中Ⅱ灰黃-灰色淤泥層厚度一般為7.0～12.9 m，為高含水量、高壓縮性、低強度的靈敏軟弱黏性土層，其物理力學指標見表2，該層在上部荷載作用下易產生沉降和不均勻沉降，為主要壓縮層。

圖2 典型地質剖面(單位：m)

表1 吹填前地基土層分布及特征

表2 Ⅱ灰黃-灰色淤泥層物理力學指標

表2中的統計值是基于原狀土樣的室內土工試驗結果，按照現行的《水運工程地基設計規范》[4]統計計算求得，變異系數在合理區間內，統計值代表了該層的工程地質性質。Ⅱ灰黃-灰色淤泥層室內壓縮試驗e-p(孔隙比-壓力)關系曲線見圖3。

圖3 Ⅱ灰黃-灰色淤泥層壓縮試驗e-p曲線

2.2 吹填砂

填海區成陸后的表部地基土由兩次人工吹填形成，成分為中粗砂，呈松散狀堆積，累計厚度為4.5～7.9 m。第一次吹填，因原始海床泥面高程為-2.8～0.6 m，通過吹(回)填砂土墊層以形成地基處理施工作業面，吹填至3.5 m；第二次吹填，作為預壓堆載料回填，堆載厚度為3.8 m，堆載預壓完成后卸載至設計高程。

3 地基處理

3.1 設計方案

澳門東填土區地基處理方法經比選分析后，采用類似澳門機場人工島地基處理B方案中安全區的設計方法[5]。Ⅱ灰黃-灰色淤泥層處理方法為排水固結法(插打塑料排水板+真空聯合堆載預壓)，吹填砂處理方法為振沖擠密+振動碾壓法。場地的處理目標為：1)地基加固整平后的表層承載力達到120 kPa以上；2)經振沖擠密后，在3.0 m以下靜力觸探錐尖阻力值≥6 MPa，在3.0 m以上靜力觸探錐尖阻力值≥8 MPa；3)工后殘余沉降值≤500 mm，差異沉降< 1400樁距。不同的是，澳門機場項目是在安全區對淺表部軟黏性土采用排水固結法(插打塑料排水板+堆載預壓)處理，對吹填砂采用了振沖擠密+振動碾壓法處理，而在跑道和滑行道區則因承載力和變形要求更高進行了清淤換填。

3.2 沉降量與固結度計算

3.2.1最終沉降量

根據《水運工程地基設計規范》，Ⅱ淤泥層最終沉降量計算公式采用分層總和法，其中沉降計算經驗系數ms取1.2，則成陸區平均沉降計算值的計算結果為：Ⅱ淤泥層堆載荷載下最終沉降量1.982 m，Ⅱ淤泥層施工期沉降量1.586 m，吹(回)填砂層施工期沉降量為0.50 m，施工期發生的總沉降量2.086 m，10年和30年內發生的工后殘余沉降分別為0.08、0.34 m。

3.2.2固結度

固結度計算邊界條件：真空預壓壓力為80 kPa，堆載壓力為59.4 kNm2，加載過程用時約60 d，堆載滿載60 d，聯合預壓總時長為自抽真空滿載起150 d。

根據《水運工程地基設計規范》，排水板加固地基的平均固結度按照多級荷載的固結度計算公式進行計算，結果見表3。

表3 真空預壓固結度發展

3.3 施工技術控制標準

3.3.1吹填砂墊層

自天然泥面吹填中粗砂至高程3.5 m，作為真空預壓起始高程。

3.3.2插打塑料排水板

按照正方形網格1.0 m×1.0 m設置，深度穿透淤泥層并進入下部土層不小于1.0 m，排水板材料采用高性能可測深塑料排水板。

3.3.3真空預壓

真空預壓工作流程為施打泥漿攪拌墻→鋪設真空濾管→壓膜密封溝→鋪設密封膜→設置真空泵。泥漿攪拌墻要求進入淤泥不透水層不小于1 m，真空預壓區內設置濾管、無紡布及密封膜，每1 000 m2布置1臺真空泵，維持密封膜下真空度不低于600 mm汞柱(約80 kPa)。

3.3.4堆載預壓

堆載預壓過程見圖4。堆載預壓分3級：第一級預壓荷載為1.2 m厚中粗砂，自抽真空滿載30 d后開始；第二級預壓荷載為1.2 m厚中粗砂，自第一級堆填完成并穩定后開始；第三級預壓荷載為1.4 m厚中粗砂，自第二級堆填完成并穩定后開始。

圖4 堆載預壓過程

3.3.5卸載

滿足加載時間且根據實測沉降數據推算的固結度達到85%即可分級卸載。

4 地基監測及檢測成果分析

4.1 監測及檢測點布設

填土區平均約1萬m2布設1組監測及檢測項目[6]，包括表層沉降、孔隙水壓力、深層沉降、深層測斜、標貫試驗、靜力觸探試驗、荷載板試驗和室內土工試驗等。典型分區監測及檢測點的布置如圖5所示。

圖5 典型分區監測及檢測點平面布置

4.2 表層沉降監測結果分析

表層沉降監測目的：1)在加載期通過監測沉降速率、控制加載速率方面確保地基穩定，加載期監測頻率按1次d，加載速率控制標準按沉降量≤20 mmd；2)在即將卸載前利用沉降數據計算固結度，預測沉降趨勢，確定卸載時間。

4.2.1沉降監測曲線

以A2區沉降盤S7的監測數據為例(圖6)，2014-11-18開始抽真空，2014-11-25真空滿載即膜下真空度達到80 kPa，2014-12-02開始堆載，2015-01-05堆載至滿載。

圖6 沉降量-時間關系曲線

由圖6可知：1)沉降盤安裝至開始抽真空前近3個月時間里，軟土已經部分固結，累計沉降量達0.6 m，沉降速率隨時間增長而逐漸變慢；2)自抽真空開始，沉降速率明顯加快；3)堆載開始后沉降速率再次加快，直至卸載完成；4)卸載后沉降曲線趨于平穩，自卸載后的2015年5月—2018年1月的32個月時間內，累計沉降量僅約0.1 m；5)自2014年8月—2018年1月的整個監測期內，累計沉降量達2.12 m。

4.2.2基于實測沉降數據計算的固結度

以A2區其中3個沉降盤的監測數據為例，從抽真空恒載開始后第150 d，沉降盤累計沉降量分別為2.01、1.97、1.60 m，平均沉降量1.86 m。

基于實測沉降數據，分別采用經驗比較成熟的三點法、雙曲線法[7-8]進行最終沉降量及固結度的估算，三點法估算平均固結度為90%，雙曲線法估算平均固結度為86%，均滿足設計方案卸載時固結度85%的要求。

4.3 荷載板試驗結果分析

典型荷載板試驗p-s(荷載-沉降)關系曲線見圖7。當荷載從0增大至264 kPa的過程中，沉降量隨荷載的增長呈線性遞增，至264 kPa時未達到極限荷載，據此判斷其極限承載力標準值大于264 kPa，承載力特征值按12取值，其值大于132 kPa，滿足承載力要求。當荷載為132 kPa時，沉降量僅為1.5 mm。

圖7 典型載荷板試驗p-s關系曲線

4.4 靜力觸探試驗成果對比

吹填砂采用振沖擠密法進行了處理，處理前后均進行了靜力觸探試驗，對比曲線見圖8。

從圖8可知，地基處理前后吹填砂層的工程性質明顯改善，表現為：1)處理前吹填砂在垂直方向上性質不均勻，錐側摩阻力qc差異較大，處理后吹填砂在垂直方向上性質相近，均勻性較好，錐側摩阻力基本上無較大差異；2)處理前吹填砂大部分呈松散狀，局部呈稍密-中密狀，處理后吹填砂總體上呈中密-密實狀。

圖8 吹填砂處理前后靜探試驗曲線對比

4.5 室內試驗成果對比

在場區內均勻選取8個檢測鉆孔中共計24個Ⅱ淤泥層薄壁原狀土樣，對其試驗成果進行了統計和計算，結果見表4，并與地基處理前其物理力學指標進行了對比，見表5。

由表5可知，地基處理前后Ⅱ淤泥層物理力學性質指標變化較大，具體為：1)含水量從74.1%減小到49.8%；2)天然密度由1.57 gcm3增大到1.71 gcm3；3)孔隙比從2.03減小到1.40；4)壓縮模量從1.60 MPa增大到2.33 MPa；5)三軸不固結不排水壓縮試驗黏聚力c值從5.5 kPa增大到25.5 kPa；6)三軸固結不排水壓縮試驗黏聚力c值從4.5 kPa增大到18.4 kPa，有效黏聚力c’值從4.5 kPa增大到13.2 kPa。

表4 Ⅱ淤泥層地基處理后土的物理力學指標

表5 Ⅱ淤泥層地基處理前后物理力學指標對比

5 結論

1)澳門東填土區軟黏性土地基采用針對性設計，進行排水固結處理后，卸載時固結度達到了85%以上，殘余沉降值控制在500 mm以內。

2)軟黏性土工程地質性質得到了較大程度的改良，含水量明顯降低，密度明顯增大，孔隙比明顯減小，壓縮模量明顯增大，抗剪強度大幅增加。

3)吹填砂經振動擠密處理，由松散堆積狀變為中密-密實狀，處理后的靜力觸探錐尖阻力qc值達到了預期目標。

4)整平后場區表層承載力達到了132 kPa以上，達到了表部承載力的要求。

5)監測方案能夠滿足地基處理設計、施工的要求。加載期和恒載期的監測數據，對控制加載速率、卸載時間起到指導作用。

6)隨著地基監測工作的持續，可根據各區的長期實際沉降量，對最終沉降量做出更準確的預測，從而進一步研究工后殘余沉降量，或通過選取更合理的沉降經驗系數ms，使地基沉降量估算值與目標值更接近，以便指導本地區同類項目的地基處理工作。