海工重載場地軟土地基加固設計與現場試驗

宣廬峻， 付 桂

(1. 中船第九設計研究院工程有限公司， 上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心， 上海200063；2. 交通運輸部長江口航道管理局， 上海200003)

珠海深水海洋工程裝備制造基地位于珠海市高欄港經濟區西南臨海， 岸線長1 349 m， 為圍海造地而成， 總用地面積約295.4 萬m2(圖1)。 其中一期工程需要建造36.89 萬m2的總裝區。 根據總體布置， 海工產品在總裝區進行總裝， 因此對總裝場地的荷載使用要求極高。

圖1 海油珠海深水海洋工程裝備制造基地項目地理位置

工程區域由于回填形成的陸域上部雜填土松散、 密實度低， 而下部淤泥質土含水率高、 強度低。 如何使場地既能滿足生產的使用要求， 又節省工程投資、 加快施工進度， 是本工程場地地基處理設計的難點。

對軟土地基的加固處理， 國內外已有近百種方法， 如排水固結法、 換填墊層法、 堆載預壓法、深層攪拌法、 強夯法、 化學加固法、 加筋法、 動力擠密法等[1-6]， 其中適合深厚軟土地基處理的主要有排水固結法和深層攪拌法等。 深層攪拌法屬于化學加固方法， 考慮到經濟等原因， 應用不是很廣泛。 排水固結法又包括打設豎向排水體的堆載超載預壓法、 真空預壓法、 電滲法、 井點降水法以及動力排水固結法等， 由于沿海吹填陸域軟黏土的特點， 預壓法和動力排水固結法的應用十分廣泛[7-8]。

本文以該基地中海工模塊總裝場地的軟土地基處理為例， 針對場地使用荷載的特點與地質條件變化情況， 設計分區域采用了強夯置換法、 動力固結排水法等不同軟基地基加固方案， 通過現場試驗進行分析與比選， 選擇最優的軟基加固設計方案， 為該場地的大面積地基處理提供了依據，同時也對動力固結法在軟土地基處理的推廣應用具有借鑒作用。

1 地質條件

1.1 工程地質條件

工程位于珠江口西岸， 原為珠江出海口灘涂地， 沿岸入海河流眾多， 海岸以回淤灘涂為特征，近期經過人工填海圍墾形成較為平坦的陸地， 工程范圍內地層自上而下依次為雜填土、 素填土、淤泥、 淤泥質粉質黏土、 粉質黏土、 中粗砂、 淤泥質粉質黏土、 粉質黏土、 細中砂、 粗礫砂、 粉質黏土、 殘積砂質黏性土， 下伏基巖為燕山期花崗巖。 主要土層工程特性指標參數見表1。

表1 地層工程特性指標

1.2 地質特性

1)軟弱土層深厚。 擬建場地填土層下軟弱土層厚度較大且分布不均， 最大厚度達到30 m， 平均含水率W=59.6%， 平均天然孔隙比e=1.59，平均壓縮系數a0.1～0.2=1.42 MPa-1， 為高壓縮性的軟弱土層。

2)填土層條件復雜。 擬建工程陸地區域表層填土成分不均勻， 欠固結， 主要是花崗巖、 中粗砂、 粉質黏土混雜物。 塊石直徑0.05 ～0.15 m，最大直徑為0.35 m， 層底多以中粗砂混少量碎石為主。 由于此層塊石及碎石較多， 且厚度較大(最大厚度達到10.4 m，平均厚度為6.29 m)， 排水板施工較困難。

2 軟土地基處理要求

2.1 場地使用荷載分析

場地主要須滿足600 t 與800 t 大型履帶吊為海工產品組裝的使用要求， 考慮到履帶板是在一定尺寸范圍內向地面傳遞壓力， 因此， 場地的控制荷載應該理解為局部壓力， 而非大面積均載的概念。

2.2 設計荷載

根據600 t 履帶吊荷載資料并考慮面層結構的應力擴散作用， 表層天然地基承載力不小于350 kPa， 場地內滿足均布荷載100 kPa。

3 軟土地基處理方案

3.1 地基處理方案選擇與分區

在現有表層填土下分布有厚度20 m 左右的淤泥或淤泥質土層， 場地若僅滿足表層持力層的地基承載力是不夠的， 還須驗算下臥軟弱層的強度。

為加固深層軟弱土體， 傳統的地基處理方案包括水泥土攪拌樁、 高壓旋噴樁加固以及剛性樁體復合地基等， 雖然此類方案可以達到一步到位的效果， 但是造價昂貴， 工期長， 方案對比見表2。因此如何根據實際生產工藝的使用要求提出設計荷載， 是總裝場地地基處理經濟、 合理的關鍵。

設計提出通過加固場地上表層一定厚度的硬殼層以及淺層的軟土， 而深層下臥軟弱土層通過地基應力擴散的幫助來滿足地基承載力的強度要求。 深層的淤泥質土在長期使用過程中產生沉降將不可避免， 但是可以選擇柔性面層結構， 在生產使用過程中采用定期回填的方法逐步消除此部分沉降所產生的影響， 同樣能夠滿足場地的使用要求。

表2 方案對比

場地表層的雜填土粒徑較大， 但是厚度變化較大， 在總裝場地范圍內最厚的地方達到7 m 左右， 最薄的地方僅為2.4 m。 因此在處理方法的設計上進行了區分。

對于目前雜填土頂高程低于-1.5 m 的區域，在回填至預留沉降的場地高程后， 淤泥頂面的覆蓋層總厚度不小于6 m， 采用強夯置換法形成墩體， 同時結合井點降水， 增強加固表層覆蓋層以及淺層淤泥的效果， 而較深的軟弱下臥層通過應力擴散能滿足承載力要求。

對于雜填土頂高程高于-1.5 m 的區域， 回填后淤泥頂面的覆蓋層總厚度小于6 m， 軟弱下臥層難以滿足承載力要求， 然而單純的強夯法加固淤泥效果差， 且強夯引起的孔隙水壓力的增長不能及時消散， 容易形成橡皮土。 近年來在諸多工程成功應用的動力排水固結法通過設置水平及豎向的排水體系并調整夯擊參數， 加速孔隙水消散，促進軟土排水固結， 提高下臥軟土層的地基強度，同時使淤泥層在短時間內完成大量沉降， 加大了上部覆蓋層的厚度， 可謂一舉兩得。 該法顯現出效果、 經濟、 工期上的綜合優勢， 因此， 該部分區域設計推薦采用動力排水固結法進行地基處理。

3.2 強夯置換法加固技術參數

單擊能量采用6 000 ～8 000 kN·m， 根據填土厚度變化作相應調整， 填土厚度小于6 m 取下限、大于8 m 取上限。

單點夯擊次數應通過試夯確定， 以滿足最后兩擊的平均夯沉量為控制標準為: 單擊夯擊能小于4 000 kN·m時為50 mm； 單擊夯擊能4 000 ～6 000 kN·m 時 為100 mm； 單 擊 夯 擊 能 大 于8 000 kN·m時為200 mm； 第1 遍夯擊前填開山石料至預留下沉頂高程4.5 m， 每遍夯擊結束后， 要求以開山碎石推平夯坑。

夯點布置見圖2， 夯擊5 遍。 第1、 2 遍為主夯點， 單擊能量為6 000 ～8 000 kN·m， 正方形布置。 第3 遍夯點在主夯點之間進行， 單擊能量為4 000 kN·m， 夯點間距為9 m。

最后進行2 遍低能級普夯， 夯錘相互搭接1∕3面積， 夯點布置見圖2。

圖2 夯點布置

3.3 動力固結排水法技術參數

3.3.1 排水系統設計

垂直排水系統處理對象為②1層淤泥、 ②2淤泥質粉質黏土， 豎向排水通道同樣采用袋裝砂井， 直徑12 cm， 正三角形布置， 間距暫定1.3 m×1.3 m，砂井頂部位于中粗砂墊層內， 底部以進入第②3層粉質黏土、 第②5層中粗砂或以下土層1.0 m為準。

水平向排水系統采用砂墊層， 由中粗砂鋪設而成， 墊層厚度不小于0.6 m， 砂含泥量不大于5%； 區域內設置盲溝以及排水井。

3.3.2 夯擊參數設計

設計原則: 少擊多遍、 循序漸進， 根據現場試驗及工程地質變化， 調整工藝參數。

夯點布置與夯擊數: 第1 遍， 以點距4.0 m，正方形布置跳夯， 夯擊能2 000 kN·m； 第2 遍， 以點距4.0 m， 正方形布置跳夯， 夯擊能3 000 kN·m；第3 遍， 以點距6.0 m， 正方形布置跳夯， 夯擊能4 000 kN·m； 第4 遍， 以點距9.0 m， 正方形布置跳夯， 夯擊能5 000 kN·m； 第5 遍， 夯錘相互搭接1∕3 面積普夯， 能量為2 000 kN·m； 第6 遍，夯錘相互搭接1∕3 面積普夯， 能量為1 000 kN·m。

單點夯擊收錘標準: 國家有關強夯規范收錘標準并不完全適用于動力固結排水法， 一般情況下要滿足最后2 擊平均夯沉量不大于10 cm， 由現場土體變形與孔壓確定要求單擊次數依據實測沉降位移觀測和孔壓增量來控制。

間歇時間: 2 遍夯擊的間隔時間以超靜孔壓完全或基本消散為控制標準， 現場施工取超孔壓消散80%以上的時間， 預計為8 d 左右。

4 現場試驗

4.1 設計要求

強夯法與動力排水固結法尚未形成一套系統完整的設計方法， 許多設計參數還是經驗性的，影響因素又復雜多變， 設計時常采用工程類比法和經驗法； 在正式大面積施工前， 通過試夯， 對地基處理現象和效果作出定量評價， 反饋后再調整設計， 以校正各設計、 施工參數， 考核施工機具的能力， 為正式施工提供依據， 直到達到預定目標。 由于本工程地質情況較為復雜， 須實施現場為主、 室內試驗為輔的監控測試。 試驗分區設計要求及監測、 檢測內容分別見表3、 4。

表3 試驗分區設計要求

表4 監測、 檢測內容

4.2 試驗技術要求

4.2.1 強夯法

單點夯監測地表位移(豎向、水平)、 深層沉降、 每擊夯沉量、 測定夯坑深度及口徑， 測定孔隙水壓力增長與時間關系， 振動影響值與范圍。群點試夯監測內容除上述外， 計算各遍推平夯坑填料量， 以便正式施工調整預留下沉量及校核加固效果。 夯擊結束一至數周后對試夯場地進行檢測。 檢測方法采用動力觸探、 標準貫入度試驗、十字板剪切試驗、 地質鉆探、 靜力荷載試驗等。

4.2.2 動力排水固結法

由于動力排水固結法加固的區域上部填土較薄， 要求下部淤泥得到加固的同時， 保證沖擊荷載不至于對軟土微結構形成破壞， 導致夯擊成“橡皮土”， 因此要求加強以下4 項監測控制: 夯沉量控制、 孔隙水壓力、 水平位移控制、 地表隆起控制。

4.3 分析結果

通過試驗區強夯過程監測和夯后檢測結果(圖3、 4， 表5)， 得出如下主要結果:

1)孔隙水壓力的測量結果基本反映了回填土及其下部淤泥在強夯過程中孔壓增長與消散的規律， A、 B 區遍夯間隔時間較短， 一般在6 ～10 d。C 區超孔隙水壓力消散較慢， 14 d 超孔壓消散為64%～70%。 可見， 在淺層分布軟土層的場地上采用強夯加固， 宜采用動力排水固結法以加快施工速度并能防止發生“橡皮土” 現象， 若下臥軟土層上部的覆蓋層較厚， 可采用大能量擊強夯法進行加固以大幅提高地基承載力， 且采用強夯置換成墩體的方法優于平錘法。

2)根據靜載試驗并結合動力觸探與瑞雷波試驗結果判定， 強夯置換加固與動力固結排水法對場地加固效果顯著， 可根據填土層厚度選擇處理方法與設計參數； 在類似地質條件下， 能夠滿足表層承載力大于350 kPa、 壓縮模量大于10 MPa的處理要求， 而加固的影響深度與場地土層分布以及采用的設計參數有關。

3)根據標準貫入試驗與室內土工試驗結果，A 區與B 區由于在8 m 深度內的淺層軟土能通過碎石墩或者砂井排水， 采用動力進行加固后土體強度都有一定程度增長， 軟土夯后平均標貫擊數N平均增加1 擊以上； B 區由于砂井的豎向排水作用， 深度8～12 m 內軟土強度也有明顯增長， 且增加幅度與淺層軟土基本相同， 而A 區在8 m 以下改善效果較小。 可見采用動力固結法能增加表層回填土強度外， 對于下部淤泥的加固也是行之有效的。

4)從夯前、 夯后剪切波速對比曲線可知，A 區8 m 深度范圍內加固效果較明顯， 提高幅度30%以上， 8 m 以下改善效果較小。 C 區因填土層(6～7 m)較A 區厚， 強夯加固效果非常明顯， 8 m范圍內提高幅度100%以上， 加固效果顯著。

圖3 試夯區超孔隙水壓力歷時曲線

圖4 A、 C 區夯前、 夯后剪切波速對比

表5 填土層夯前、 夯后加固效果對比

5 結論

1)海洋工程重載場地的使用要求往往具有局部荷載大但對長期沉降控制不太嚴格的特點， 堅持“地基強度一步到位， 沉降影響逐步消除” 的設計理念， 相比采用剛性樁體復合地基等一次處理到位的常規方法更具經濟效益優勢。

2)強夯置換加固法與動力固結排水法具有不同的地質適用條件， 對于上部覆蓋層較薄且下部分布軟土層的地質情況宜采用動力固結排水法進行處理； 珠海深水海洋工程基地的地基處理實踐成果證明， 強夯置換加固法與動力固結排水法在適宜的地質條件下， 只要加固技術參數合理， 皆能達到令人滿意的效果， 而本項目設計方案參數選取以及現場試驗分析， 也對進一步推廣應用具有借鑒意義。