大連某人工島地基土固結(jié)特性研究

劉 健，劉永勝，夏玉斌

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

土的固結(jié)沉降是指受外力作用下，內(nèi)部應(yīng)力變化而引起體積變化，同時(shí)有孔隙水排出的壓密過(guò)程[1]。淤泥質(zhì)軟土層(統(tǒng)稱(chēng)“軟土層”)具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度、低滲透性等工程特征[2]。軟黏土的固結(jié)、次固結(jié)特性[3-4]會(huì)給工程施工帶來(lái)困難和不良后果[5]，因此，對(duì)沉降應(yīng)嚴(yán)格控制，其研究具有重要意義。近年來(lái)，軟黏土的沉降固結(jié)特性受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，在軟黏土的固結(jié)參數(shù)獲取方面開(kāi)展卓有成效的研究，取得大量的成果。胡建華等[6]通過(guò)旁壓試驗(yàn)對(duì)黏土、粉質(zhì)黏土進(jìn)行原位測(cè)試，驗(yàn)證其獲得參數(shù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)提出應(yīng)與其他原位測(cè)試進(jìn)行對(duì)比研究；陳國(guó)臻[7]針對(duì)砂性土通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試靜力觸探、旁壓試驗(yàn)相結(jié)合的綜合試驗(yàn)方法，研究地基實(shí)際應(yīng)力條件下粗粒類(lèi)土壓縮模量的確定方法，解決了地基沉降變形計(jì)算中的關(guān)鍵問(wèn)題；楊期祥等[8]將旁壓試驗(yàn)獲得固結(jié)參數(shù)與靜力觸探試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了旁壓試驗(yàn)成果在貴州軟土地基的適用性。

本文基于對(duì)大連某人工島地基的變形試驗(yàn)研究，通過(guò)采取原狀土樣室內(nèi)試驗(yàn)(常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、次固結(jié)試驗(yàn)等)和原位測(cè)試(旁壓試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn))獲取土體物理力學(xué)及固結(jié)指標(biāo)，分析不同測(cè)試手段獲得固結(jié)參數(shù)之間的符合性和可靠性，對(duì)地基土主固結(jié)、次固結(jié)進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)地基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為人工島建設(shè)工程地基處理設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

1 工程概況

擬建場(chǎng)區(qū)位于大連市金州灣內(nèi)，距金州區(qū)約2 km，屬于渤海海域。金州灣大致呈東北—西南走向，本次填海造陸總面積達(dá)21 km2，設(shè)計(jì)要求人工島地基工后沉降量不大于20 cm，差異沉降量不大于0.15%，地基承載力不小于140 kPa。

研究區(qū)域?yàn)樗律百|(zhì)-淤泥質(zhì)淺灘，灘地寬闊，灘面平整，地形平緩，水深自東向西由淺至深自然分布，海圖等深線介于1～10 m。海底表層為連續(xù)分布的海相沉積淤泥質(zhì)軟土層，下部為陸相沉積黏性土層，沉積韻律較明顯。根據(jù)勘察資料，地層自上而下為淤泥、黏性土，其下基巖為板巖，主要研究壓縮層為上部6個(gè)工程地質(zhì)大層，物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。淺層分布為10～15 m厚的海相沉積淤泥質(zhì)軟土層，其下到基巖面是40～55 m厚的黏性土層。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

1)原位旁壓試驗(yàn)。布置取土兼旁壓試驗(yàn)孔7個(gè)，采取原狀土樣和旁壓試驗(yàn)交替進(jìn)行，取樣和試驗(yàn)間隔1.5～2.0 m，旁壓試驗(yàn)單孔每層主要土層測(cè)點(diǎn)不少于1個(gè)，試驗(yàn)最大壓力不小于自重壓力+500 kPa，且不小于臨塑壓力，共完成117個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2)靜力觸探試驗(yàn)。布置靜力觸探孔6個(gè)，靜力觸探采用雙橋靜力觸探儀，利用靜壓力將圓錐形金屬探頭壓入土中，通過(guò)測(cè)得貫入阻力來(lái)判定土體的力學(xué)特性，共完成靜力觸探試驗(yàn)172 m。

3)室內(nèi)土工試驗(yàn)。主要針對(duì)采取的原狀土樣，試驗(yàn)內(nèi)容包括常規(guī)天然含水率、天然密度、孔隙比、塑限、液限、壓縮系數(shù)、壓縮模量，以及特殊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)(不同應(yīng)力路徑)、次固結(jié)試驗(yàn)、回彈再壓縮試驗(yàn)，共完成280組原狀土樣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)的要求進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

3 原位旁壓試驗(yàn)

旁壓試驗(yàn)主要針對(duì)黏土層及以下土層進(jìn)行測(cè)試，旁壓儀采用高壓空氣加壓，最大試驗(yàn)壓力可達(dá)10.0 MPa。旁壓曲線是旁壓試驗(yàn)最基本的結(jié)果，它反映了旁壓器周?chē)馏w的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)前對(duì)彈性膜的標(biāo)定，試驗(yàn)測(cè)得的壓力和體積進(jìn)行標(biāo)定修正后，即得到旁壓曲線，典型的③黏土層旁壓試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖1。通過(guò)旁壓曲線可求得初始?jí)毫0、臨塑壓力pf和極限壓力p1，由此確定旁壓模量Gm，結(jié)果見(jiàn)表2。旁壓模量總體呈現(xiàn)隨深度增大而增大的趨勢(shì)，符合地層的變化特點(diǎn)。

圖1 ③黏土層旁壓曲線

旁壓試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)變形指標(biāo)的關(guān)系，采用比較成熟的鐵路行業(yè)半經(jīng)驗(yàn)公式[9]：

Es=2.52Gm+2.09

(1)

式中：Es為室內(nèi)壓縮模量(MPa)；Gm為旁壓剪切模量(MPa)。通過(guò)旁壓試驗(yàn)成果計(jì)算所得壓縮模量Es見(jiàn)表2。

表2 旁壓試驗(yàn)結(jié)果

4 原位靜力觸探試驗(yàn)

靜力觸探設(shè)備采用雙缸液壓靜力觸探儀，探頭為雙橋探頭。試驗(yàn)過(guò)程中，將探頭均速壓入地層中，每隔10 cm測(cè)錐頭阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs。靜力觸探數(shù)據(jù)可反映出地層變化與鉆探地層劃分的相符性，更重要的是通過(guò)靜力觸探結(jié)果能夠推算出評(píng)價(jià)土層壓縮性指標(biāo)壓縮模量。

靜力觸探結(jié)果與壓縮模量對(duì)應(yīng)關(guān)系可根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》提供的壓縮模量與比貫入阻力的關(guān)系。

對(duì)于軟土，關(guān)系為：

(2)

對(duì)于黏性土，關(guān)系為：

Es=3.99ps+0.5

(3)

式中：Es為壓縮模量(MPa)；ps為比貫入阻力(MPa)。通過(guò)靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算所得壓縮模量Es見(jiàn)表3(其中ps=1.18qc)。

表3 靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果

5 室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)及參數(shù)分析

固結(jié)主要分為主固結(jié)和次固結(jié)兩部分，其中主固結(jié)是指孔隙水壓力消散的同時(shí)土體壓縮的過(guò)程，次固結(jié)是指當(dāng)孔隙水壓力消散后，土體骨架發(fā)生蠕變、土顆粒表面的結(jié)合水膜變薄、土體的結(jié)構(gòu)重新排列等因素引起的土體緩慢變形的過(guò)程[10]。

室內(nèi)固結(jié)特殊試驗(yàn)包括標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)(不同應(yīng)力路徑)、次固結(jié)試驗(yàn)、回彈再壓縮試驗(yàn)，獲得固結(jié)系數(shù)(水平和垂直)、先期固結(jié)壓力、回彈指數(shù)、壓縮指數(shù)、回彈模量、回彈再壓縮模量、次固結(jié)系數(shù)等參數(shù)。

5.1 主固結(jié)指標(biāo)

試驗(yàn)獲得主固結(jié)條件土層固結(jié)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 主固結(jié)條件下各土層固結(jié)指標(biāo)

由表4可看出，①3淤泥為欠固結(jié)土；②黏土、③黏土、④1粉質(zhì)黏土、④2黏土為超固結(jié)土；⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2黏土為輕微超固結(jié)土；⑥1粉質(zhì)黏土、⑥2黏土為正常固結(jié)土。試驗(yàn)結(jié)果表明，場(chǎng)地應(yīng)力歷史隨深度呈明顯的規(guī)律性，上部軟土和下部黏性土具有明顯的應(yīng)力歷史差別。近代沉積的上部軟土呈欠固結(jié)狀態(tài)，下部黏性土層沉積年代較老，并以超固結(jié)狀態(tài)為主，其超固結(jié)比隨深度由大變小。

主固結(jié)指標(biāo)結(jié)合物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)分析，①1粉土混淤泥排水條件好，固結(jié)時(shí)間較短；①2淤泥質(zhì)土、①3淤泥塑性指數(shù)較高，土顆粒細(xì)小、土質(zhì)純，固結(jié)慢，沉降穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，這兩層土厚度較大、強(qiáng)度低、沉降量大，是場(chǎng)區(qū)主要沉降變形地層。

下覆黏性土層固結(jié)排水條件差，水平和垂直方向的固結(jié)特性差異不大，排水路徑基本是垂直向排水，雖然總體厚度較大，可根據(jù)OCR固結(jié)狀態(tài)指標(biāo)，分為上部(③、④層)超固結(jié)土和下部(⑤、⑥層)正常固結(jié)土兩部分。上部超固結(jié)土，當(dāng)上覆荷載小于前期固結(jié)壓力時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生明顯固結(jié)沉降；下部正常固結(jié)土，排水路徑長(zhǎng)，固結(jié)滲透慢，沉降量與設(shè)計(jì)使用年限有關(guān)。

在附加荷載和加載方式確定的條件下，沉降量主要與地基土的固結(jié)特性相關(guān)。因此，對(duì)多種測(cè)試手段所獲得的地層固結(jié)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比、分析與驗(yàn)證。旁壓試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)變形指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 多種測(cè)試手段獲得壓縮模量指標(biāo)對(duì)比

由圖2可知，深度淺時(shí)旁壓試驗(yàn)的Es與室內(nèi)試驗(yàn)的Es1-2基本一致，當(dāng)深度超過(guò)土的200 kPa自重壓力時(shí)，旁壓試驗(yàn)的Es明顯大于室內(nèi)試驗(yàn)的Es1-2，但與室內(nèi)試驗(yàn)自重應(yīng)力下的Es吻合。原因在于室內(nèi)試驗(yàn)的Es1-2只反映了土樣在100～200 kPa荷載范圍的變形特征，忽略了土樣自重應(yīng)力沿深度變化對(duì)變形指標(biāo)的影響。而旁壓試驗(yàn)得出的Es與室內(nèi)試驗(yàn)自重應(yīng)力下的Es吻合度較好。同時(shí)，根據(jù)式(2)、(3)計(jì)算的壓縮模量，與旁壓試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)自重應(yīng)力下的Es吻合度較好；在土的自重荷載大于200 kPa時(shí)與室內(nèi)Es1-2相差較大，原因同樣在于自重應(yīng)力的局限性。

5.2 次固結(jié)指標(biāo)

近些年，由軟土次固結(jié)引起的工程沉降問(wèn)題日益突出[11]。因此，對(duì)于沉降敏感的重要工程，研究地基土的次固結(jié)沉降很有必要。試驗(yàn)獲得土層次固結(jié)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 土層次固結(jié)特性指標(biāo)

通常當(dāng)土顆粒越細(xì)，含水量越大時(shí)，往往次固結(jié)系數(shù)較大。由表5可看出，場(chǎng)地上部軟土的次固結(jié)系數(shù)為4.768×10-3～11.644×10-3，下部的黏性土次固結(jié)系數(shù)為0.489×10-3～5.721×10-3。同一級(jí)壓力下上部軟土次固結(jié)系數(shù)明顯大于其下部的一般黏性土的次固結(jié)系數(shù)，次固結(jié)系數(shù)隨著壓力變化規(guī)律不顯著；在下部地層，黏土的次固結(jié)系數(shù)大于粉質(zhì)黏土的次固結(jié)系數(shù)，次固結(jié)系數(shù)隨著壓力的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且在先期固結(jié)壓力前后變化明顯，即壓力大于先期固結(jié)壓力后，次固結(jié)系數(shù)明顯升高，土體蠕變速度加快。

5.3 回彈再壓縮指標(biāo)

上部軟土地層如采用換填處理，須為沉降計(jì)算提供地基土回彈再壓縮指標(biāo)。本次對(duì)場(chǎng)地土進(jìn)行的回彈再壓縮試驗(yàn)，卸荷壓力點(diǎn)是第①層軟土的卸荷自重壓力值，卸荷量按卸除全部表層軟土的有效密度計(jì)算，即土體在自重壓力下卸除指定荷載量，用以測(cè)出該應(yīng)力路徑條件下的回彈模量和再壓縮模量。第②、③、④層典型回彈再壓縮曲線見(jiàn)圖3。

圖3 典型回彈再壓縮試驗(yàn)曲線

根據(jù)圖3的結(jié)果來(lái)看，因?yàn)橄鄬?duì)卸荷量較小，回彈和再壓縮主要體現(xiàn)在相對(duì)淺部地層中，主要影響范圍為第③和④層，第②層因地層較薄且為超固結(jié)硬土，其對(duì)卸荷回彈影響較小，深部地層受卸荷及再加荷的變形量影響不大。

6 地基沉降預(yù)測(cè)分析

軟基處理最常用和有效的方法之一是排水固結(jié)法[12-13]，場(chǎng)地沉降重點(diǎn)研究地層是第①層淤泥質(zhì)軟土層，采用超載預(yù)壓排水固結(jié)法進(jìn)行處理，對(duì)施工過(guò)程及工后一定年限沉降進(jìn)行分析。

6.1 施工期沉降分析

軟土層超載預(yù)壓排水固結(jié)，在施工期主固結(jié)沉降完成為主，施工期總沉降計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，上部軟土層沉降修正系數(shù)取1.1，下部黏土層沉降修正系數(shù)取1.0。

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法公式為：

s=mssc

(4)

式中：s為總沉降量(m)；ms為沉降修正系數(shù)；sc為主固結(jié)沉降量(m)。

主固結(jié)沉降計(jì)算分別采用室內(nèi)試驗(yàn)e-p(孔隙比-荷載)曲線和旁壓試驗(yàn)計(jì)算壓縮模量Es，進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 施工期沉降分析結(jié)果

從表6可看出，采用兩種方法計(jì)算結(jié)果相近，數(shù)據(jù)可以相互驗(yàn)證，二者均可用于沉降分析計(jì)算，預(yù)測(cè)施工期總沉降量為2.1 m。

6.2 工后殘余沉降分析

殘余沉降計(jì)算采用公式法：

s=sd+sc+ss

(5)

式中：s為總沉降量(m)；sd為瞬時(shí)沉降量(m)；sc為主固結(jié)沉降量(m)；ss為次固結(jié)沉降量(m)。

考慮本工程天然地基為成層土，對(duì)成層土固結(jié)度分別采用化引當(dāng)量層法[14]及固結(jié)微分方程數(shù)值解法進(jìn)行計(jì)算。采用兩種方法計(jì)算沉降的結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 化引當(dāng)量層法和固結(jié)微分方程數(shù)值解法的殘余沉降分析結(jié)果

由于二者求解原理不同，導(dǎo)致最終的計(jì)算結(jié)果有所不同。采用化引當(dāng)量層法計(jì)算結(jié)果小于采用微分方程數(shù)值解法結(jié)果。根據(jù)大量類(lèi)似工程地基處理施工期間及工后沉降的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用化引當(dāng)量層法計(jì)算成層土地基的一維固結(jié)問(wèn)題所得出的計(jì)算結(jié)果比較接近工程實(shí)際，計(jì)算精度基本能夠滿足工程需求，因此更適用于人工島地基殘余沉降計(jì)算分析。

根據(jù)上述沉降量分析計(jì)算，如僅對(duì)上部軟土層進(jìn)行排水固結(jié)處理，使用期100 a時(shí)的殘余沉降數(shù)值較大，理論上無(wú)法滿足使用期100 a地基工后沉降控制要求20 cm，分析主要存在以下問(wèn)題：1)現(xiàn)有計(jì)算方法在固結(jié)度的計(jì)算過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，公式推導(dǎo)過(guò)程中取垂直固結(jié)系數(shù)Cv為常量，而實(shí)際地基排水加固過(guò)程中Cv是隨固結(jié)度增大而變小的，故導(dǎo)致理論計(jì)算的工后主固結(jié)殘余沉降量結(jié)果偏大；2)土體的工后次固結(jié)沉降量與預(yù)壓荷載大小及加荷方式有關(guān)，采用超載預(yù)壓法進(jìn)行地基處理，可以有效減小工后次固結(jié)沉降，而常規(guī)的次固結(jié)沉降計(jì)算中無(wú)法考慮超載預(yù)壓對(duì)次固結(jié)的影響，也導(dǎo)致軟土層工后次固結(jié)沉降量計(jì)算結(jié)果偏大;3)淤泥質(zhì)土以下的黏性土以超固結(jié)為主，超固結(jié)比OCR達(dá)1.44～4.29，大部分地層前期固結(jié)荷載大于人工島使用上覆荷載，故淤泥質(zhì)土層以下地層實(shí)際產(chǎn)生的沉降量應(yīng)小于計(jì)算值。

7 結(jié)論

1)研究區(qū)域上部淤泥及淤泥質(zhì)土厚10～15 m，其含水率高、壓縮性大、強(qiáng)度低，是地基的主要沉積地層，必須經(jīng)過(guò)處理才能滿足工后沉降和差異沉降控制要求。

2)下部黏性土總體厚度為40～55 m，基巖面埋深變化較大。其中②層為超固結(jié)中等壓縮性土，③層為超固結(jié)中等偏上壓縮性土，④層為超固結(jié)中等壓縮性土，⑤層為超固結(jié)中等偏下壓縮性土，⑥層正常固結(jié)中等偏下壓縮性土。場(chǎng)地應(yīng)力歷史隨深度呈明顯的規(guī)律性，近代沉積的軟土呈欠固結(jié)狀態(tài)，下部黏性土層沉積年代較老，并以超固結(jié)狀態(tài)為主。場(chǎng)區(qū)在歷史上受到較大的短期荷載作用，深層土未能在短期荷載條件下完成超固結(jié)。

3)通過(guò)對(duì)比分析不同測(cè)試手段獲得固結(jié)參數(shù)之間的符合性和可靠性，說(shuō)明旁壓試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)得出的Es與室內(nèi)試驗(yàn)自重應(yīng)力下的Es吻合度較好，能夠?yàn)槌两涤?jì)算提供依據(jù)。

4)次固結(jié)試驗(yàn)表明，同級(jí)壓力下上部淤泥及淤泥質(zhì)土次固結(jié)系數(shù)明顯大于其下部黏性土的次固結(jié)系數(shù)，次固結(jié)系數(shù)隨著壓力變化規(guī)律不明顯；在下部地層，黏土的次固結(jié)系數(shù)大于粉質(zhì)黏土的次固結(jié)系數(shù)，次固結(jié)系數(shù)隨著壓力的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

5)試驗(yàn)分析說(shuō)明，回彈再壓縮試驗(yàn)主要影響范圍為第③和④層，第②層因地層較薄且為超固結(jié)硬土，其對(duì)卸荷回彈影響較小，深部地層受卸荷及再加荷的變形量影響不大。

6)對(duì)沉降量分析預(yù)測(cè)表明，僅對(duì)上部軟土層進(jìn)行處理，使用期100 a時(shí)的殘余沉降大于20 cm，理論上無(wú)法滿足人工島地基工后沉降控制要求，但由于目前沉降計(jì)算理論在計(jì)算沉降量時(shí)無(wú)法得到準(zhǔn)確解，經(jīng)綜合分析，認(rèn)為淤泥質(zhì)土層以下地層實(shí)際產(chǎn)生的沉降量應(yīng)小于計(jì)算值。