走馬湖深厚軟基沉降特征研究

劉廷榮

（中鐵北京工程局集團有限公司，北京 102308）

0 引言

堆載預(yù)壓法和強夯置換法是處理軟土地基的常用方法，在實際施工過程中得到了充分運用，國內(nèi)外大量專家對2種方法在理論、試驗以及數(shù)值模擬等方面都做了大量研究，積累了充分的研究成果，很大程度上促進了這2種地基處理方法理論及實際應(yīng)用的有效發(fā)展。李慎峰[1]結(jié)合某工程項目軟土地基實際的地址條件，比較分析了強夯置換法、水泥土攪拌樁復(fù)合地基和堆載預(yù)壓法的經(jīng)濟性和適用性，發(fā)現(xiàn)3種方法都能提高軟土地基的承載力，達(dá)到工程要求，但是強夯置換法所需工期最短，成本最低。在荷載作用下，飽和土體會產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，從而導(dǎo)致土顆粒中孔隙水被排出，使土體產(chǎn)生固結(jié)變形，經(jīng)過一段時間后，超靜孔隙水壓力慢慢減小，同時有效應(yīng)力會相應(yīng)增大，土體強度也會不斷提高，這一過程稱為飽和土體的固結(jié)。

1 研究現(xiàn)狀

沉降速率法、雙曲線法和沉降差法是用堆載預(yù)壓來研究軟土地基沉降預(yù)測時常見的方法。楊晶[2]通過研究某建設(shè)用地軟土地基監(jiān)測資料，根據(jù)以上3種不同方法研究預(yù)測軟土沉降，比較計算結(jié)果，得出了不同沉降預(yù)測方法的優(yōu)缺點。江濤[3]以某港口工程軟土地基處理為例，使用塑料排水板堆載預(yù)壓法處理地基，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采用三點法和雙曲線法對處理后的地基沉降進行預(yù)測，分析發(fā)現(xiàn)塑料排水板堆載預(yù)壓法能夠有效處理軟基，使軟基固結(jié)度達(dá)到90%。李向群[4]以沿海軟土地基處理試驗段為研究對象，監(jiān)測地表沉降、表層水平位移和深層水平位移在軟土地基處理過程中的變化數(shù)據(jù)，分析了軟土沉降和固結(jié)變形隨時間變化的規(guī)律，為以后相似工程地基施工提供了數(shù)據(jù)參考。仁宗朋[5]以某地基工程為例，通過監(jiān)測地表沉降、孔隙土壓力和分層沉降等數(shù)據(jù)，來預(yù)測最終沉降，綜合分析了堆載預(yù)壓法在軟土地基中的處理效果。蔣建清[6]以某場地堆載預(yù)壓法處理軟土地基為基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場原位測試獲得了預(yù)壓地基固結(jié)特性相關(guān)參數(shù)的測試結(jié)果，通過試驗結(jié)果，分析了軟土地基在預(yù)壓荷載作用下的固結(jié)特性，給出軟土沉降曲線隨時間和荷載變化的特征、孔隙水壓力變化規(guī)律和不同軟土的位移規(guī)律。該文通過堆載預(yù)壓法研究了湖北鄂州順豐運輸機場大面積深厚軟土地基的沉降特征，給出了相應(yīng)的工程結(jié)論，結(jié)果可為工程實際施工提供理論支撐。

2 工程概況

湖北國際物流核心樞紐機場建設(shè)是我國發(fā)展物流運輸，加快物流貨運綜合運輸發(fā)展體系形成的重要戰(zhàn)略支撐，是湖北省“十三五”規(guī)劃的重大建設(shè)項目。該項目對促進湖北省快遞運輸業(yè)高效發(fā)展，形成全國物流運輸?shù)拇笮拓涍\集散中心，具有重大戰(zhàn)略作用。湖北國際物流核心樞紐機場是亞州第一個全貨運機場，距離鄂州市中心約15 km，距離武漢市中心約76 km。機場計劃建成4E級雙跑道獨立運行飛行區(qū)，每條跑道長3 600 m，一期規(guī)劃用地12萬km2。走馬湖水系（含螺絲徑湖）綜合治理工程（機場配套工程）位于湖北省鄂州市，地跨鄂州市燕磯、楊葉和沙窩3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，包括走馬湖、黃田湖和螺絲徑湖等區(qū)域，距離鄂州市中心約15 km，距離武漢市中心約76 km。軟土是指天然孔隙比≥1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭和泥炭質(zhì)土等。該工程場地內(nèi)軟土為淤泥（地層代號②-1、②-2）和淤泥質(zhì)黏土（地層代號②-3、②-5），其成因主要為湖泊沉積，在湖水處于穩(wěn)定期時逐漸沉積而成。場地內(nèi)的軟土主要分布于場內(nèi)湖塘、水田、溝谷和低洼地等地段。場內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大型暗塘暗浜，僅少量魚塘淤積后成為農(nóng)田。軟土主要分布在走馬湖湖區(qū)及周邊，壟崗區(qū)的溝谷和低洼地段也零散分布?？v觀整個場地，軟土厚度不一樣，壟崗區(qū)一般小于2 m。走馬湖湖區(qū)及周邊厚度較大，最厚地段位于走馬湖湖區(qū)中央，平均厚度78 m～8 m，最大厚度約15 m。軟土在長期荷載的作用下，除產(chǎn)生排水固結(jié)引起的變形外，還會出現(xiàn)緩慢而長期的剪切變形，這會對地基沉降有較大的影響，對邊坡和地基的穩(wěn)定性不利。當(dāng)原狀土受到振動或擾動以后，由于土體結(jié)構(gòu)受到破壞，強度會大幅度降低。該場地內(nèi)軟土靈敏度均小于3，雖然靈敏度不高，但軟土地基受荷載振動后，易產(chǎn)生側(cè)向滑動、沉降或基礎(chǔ)以下土體被擠出等現(xiàn)象。該區(qū)域軟土天然含水率約為50%～70%，最大含水率超過200%，含水量很高，但其透水性差，特別是垂直向透水性更差，垂直滲透系數(shù)多在1×10-8cm/s～1×10-6cm/s，屬微透水層或不透水層，對地基排水固結(jié)不利。軟土對該工程的影響主要表現(xiàn)為由于沉降較大或差異沉降造成對擬建物的破壞，以及造成填方邊坡失穩(wěn)等。該類土體含水量及壓縮性較高，孔隙比大，滲透系數(shù)極小，強度低，工程特性極差，受震動時其結(jié)構(gòu)極易破壞，導(dǎo)致強度降低，引起擬建物不均勻沉降，易造成擬建物的滑動和坍塌，不宜作為擬建物的持力層。上部建筑物荷載較小時，可以進行地基處理，對于大型、重點建筑基礎(chǔ)宜置于下部穩(wěn)定層中。場地分區(qū)主要分為7個功能區(qū)，包括該期飛行區(qū)道面影響區(qū)、該期飛行區(qū)土面區(qū)、該期航站區(qū)、該期工作區(qū)、航站區(qū)道面復(fù)合區(qū)、規(guī)劃飛行區(qū)道面影響區(qū)以及規(guī)劃飛行區(qū)工作區(qū)，其場地分區(qū)見表1。

表1 鄂州機場場地分區(qū)表

3 試驗段區(qū)域選擇

綜合現(xiàn)場踏勘實際情況，為保證試驗段施工便捷，縮短施工周期，更快的取得試驗參數(shù)，考慮到湖區(qū)水系的暢通，經(jīng)權(quán)衡，在螺絲徑湖湖區(qū)內(nèi)選取試驗段區(qū)域，施工相對集中，可保證施工連續(xù)性，驗證強夯置換施工和塑料排水板施工交界面施工工序，在螺絲徑湖選取3條施工便道，堆載預(yù)壓試驗段主要分為2個試驗區(qū)域，試驗段分區(qū)表見表2。

表2 試驗段分區(qū)表

4 沉降監(jiān)測方案

沉降觀測包括分層沉降、軟土表層沉降以及表面沉降。軟土層內(nèi)部埋設(shè)分層沉降環(huán)觀測軟土的分層沉降，每個測孔每隔3 m深度設(shè)1個沉降環(huán)，軟土層底部埋設(shè)1個沉降環(huán)。軟土表層沉降板放置在堆載預(yù)壓碎石墊層頂面，在插設(shè)排水板之后埋放，每個試驗區(qū)放置3個；填土至交工面高程后，埋設(shè)表面沉降標(biāo)，每個試驗區(qū)不少于3個。采用沉降板對地基的表面沉降量進行監(jiān)測，埋深1 m，對地基沉降量隨堆載情況以及預(yù)壓時間的變化規(guī)律進行監(jiān)測。采用沉降板對軟土層頂沉降進行監(jiān)測。軟土層上碎石墊層頂部布設(shè)，上部土石方填筑時，分段連接至填筑層頂面。土層的具體性質(zhì)見表3。

表3 土層性質(zhì)及分布

5 施工過程質(zhì)量控制措施

施工過程質(zhì)量控制措施包括以下7點：1）塑料排水板的質(zhì)量，應(yīng)符合圖紙和該規(guī)范規(guī)定的要求。施工之前應(yīng)將塑料排水板堆放在現(xiàn)場，并加以覆蓋，以防暴露在空氣中老化。2）施工過程中保持排水板垂直，其垂直偏差按排水板進入軟土地基深度確定≤1.5%。3）施工時應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙指出的位置、深度和間距設(shè)置，一般位置偏差不超過5 cm。該工程設(shè)計間距為110 cm，露出地面的“板頭”長度不小于2 cm，使其與碎石墊層貫通；并將其保護好，以防機械和車輛進出時受損，影響排水效果。4）塑料排水板在插入地基的過程中，應(yīng)保證板不扭曲，透水膜無破損和不被污染。板的底部應(yīng)有可靠的錨固措施，以免在抽出保護套管時將其帶出。5）塑料排水板不得互相搭接，保持排水板入土的連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)斷裂即重新施插。6）施工中防止泥土等雜物進入套管內(nèi)，一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時清除。打設(shè)形成的孔洞使用砂回填，不得用土塊堵塞。 7）塑料排水板處理路段取用級配碎石墊層，增強排水效果。8）施插排水板達(dá)到設(shè)計入土的深度后才能拔管，施插并切斷排水板后，露出地面的“板頭”長度不小于20 cm。

6 技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)包括以下4點：1）該工程塑料排水板打設(shè)深度≤15 m，根據(jù)相關(guān)規(guī)程參考數(shù)據(jù)，該工程可以選擇B型塑料排水板作為垂直排水通道，寬度為100 mm，厚度≥4 mm，性能指標(biāo)應(yīng)滿足規(guī)程要求。2）塑料排水板平面布置按照正方形布置，試驗段區(qū)域軟土厚度大，布置間距為1.1 m×1.1 m，打設(shè)深度穿透軟土層，進入下部粉質(zhì)黏土層1.0 m。排水板上端露出碎石墊層（或砂礫墊層）頂面0.2 m。3）為保證排水質(zhì)量，該工程采用防淤堵塑料排水板（型號B型）。該排水板的濾膜可根據(jù)黏土顆粒調(diào)整孔徑的大小，達(dá)到最好的排水及防淤堵效果。4）考慮到項目附近砂料緊缺，不能滿足塑料排水板的工程需要，基于料源及排水效果的考慮，該項目排水墊層采用碎石墊層（或砂礫墊層），墊層石料采用中微風(fēng)化花崗巖、中微風(fēng)化粉砂巖和中微風(fēng)化細(xì)砂巖，墊層總厚度為0.80 m，滲透系數(shù)≥0.01 cm/s，含泥量不超過3.00%，分層填筑；鋪設(shè)范圍超出處理范圍0.30 m，排水碎石墊層（或砂礫墊層）厚度允許偏差≤5.00 cm。碎石墊層下鋪設(shè)1層多向復(fù)合土工墊或加筋濾網(wǎng)，并根據(jù)試驗情況最終確定選用。

7 工藝流程

對于軟土厚度＞5.0 m，采用塑料排水板堆載預(yù)壓地基處理方案，清理完成②-1淤泥層后，鋪設(shè)1層復(fù)合土工墊或加筋濾網(wǎng)，然后再鋪設(shè)碎石墊層（或砂礫墊層），插打排水板，分層堆載預(yù)壓處理，上部填土分層填筑時，塑料排水板頂部3 m范圍內(nèi)土石方填筑壓實采用振動碾壓（或沖擊碾壓）的方法進行，3 m以上區(qū)域采用強夯法施工。

施工前對照地質(zhì)資料，在布置排水板的場地范圍內(nèi)做必要的觸探（探孔）檢查，盡量避免施打排水板時碰到地下障礙物。同時，做好排水板的技術(shù)性能檢測，采用B型塑料排水板工藝流程包括以下4點：1）場地平整，塑料排水板施工前先清除②-1淤泥層。2）鋪設(shè)一層施工墊層（厚度約0.7 m～1.2 m，厚度要滿足機械施工的要求、最大粒徑≤20 cm），在施工墊層上鋪設(shè)1層復(fù)合土工墊，鋪設(shè)時相鄰2塊土工布之間要做好搭接處理，復(fù)合土工墊搭接長度為20 cm～30 cm，在復(fù)合土工墊或加筋濾網(wǎng)上鋪設(shè)碎石墊層。3）鋪設(shè)碎石墊層，墊層總厚度為80 cm報檢（排水碎石墊層厚度允許偏差≤5 cm），合格后進行下一步工序。4）測量定位。準(zhǔn)確放樣出各個塑料排水板的位置，并做好標(biāo)記。5）插板機就位、插板和排水板的施打過程采用定載振動壓入的方法，一直打到設(shè)計要求的深度，不允許重錘夯擊。排水板在平面以正方形布置。

8 沉降分析

圖1為軟土沉降觀測點D1-RTCJ1的堆載高度-時間-沉降-沉降速率的監(jiān)測曲線。從2019年6月3日開始監(jiān)測沉降深度，6月14日開始堆載，12月9日堆載完成。從開始監(jiān)測到2020年4月6日，一共308 d，該點最終堆載高度為5.9 m，累計沉降量為-923.07 mm。在0 d～7 d內(nèi)，沒有進行堆載，只進行了水平排水墊層的鋪設(shè)以及塑料排水板的打設(shè)工作等前期的準(zhǔn)備工作，所以軟土沉降也很小，幾乎可以忽略不計。堆載開始后，沉降迅速增加，沉降速率突然變快。隨著堆載的不斷進行，軟土沉降深度不斷增加，每進行1次加載，沉降速率曲線突變1次，沉降也會突然變快然后逐漸趨于平緩，如此循環(huán)，直到堆載結(jié)束。每一級堆載高度越高，對應(yīng)沉降速率越大，沉降深度也在快速增加。堆載完成后，軟土沉降逐漸趨向穩(wěn)定，軟土沉降速率逐漸趨于零。

圖1 D1區(qū)軟土沉降監(jiān)測曲線

圖2為D2試驗區(qū)D2-RTCJ2監(jiān)測點的堆載-時間-沉降-沉降速率的實測曲線。從2019年5月6日開始監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)，6月14日開始堆載，2019年12月30日完成堆載。從開始監(jiān)測沉降到2020年4月6日，一共 336 d，該點最終堆載高度為6.7 m，累計沉降量為-515.82 mm。在堆載開始前，進行插打塑料排水板以及水平墊層的鋪設(shè)，軟土層出現(xiàn)少量沉降，但沉降速率很小，沉降不明顯。堆載開始后，沉降速率突然增大，沉降快速增加。每進行一次堆載，沉降速率都會發(fā)生突變，沉降曲線變陡。每級堆載增加的高度越多，沉降速率突變越明顯，沉降曲線斜率增量變大。在每2級加載間隔時間內(nèi)，沉降速率較小，沉降曲線也趨于平緩。堆載完成后，沉降速率逐漸減小到零，沉降曲線也逐漸達(dá)到穩(wěn)定。堆載之前，沉降速率很小，沉降量幾乎為零。施加外部堆載之后，沉降速率突然增大，沉降曲線急劇變陡，說明只有在外部荷載作用力下，才能使其沉降。

圖2 D2區(qū)軟土沉降監(jiān)測曲線

9 結(jié)論

通過上述試驗數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：1）軟土含水量及壓縮性較高，孔隙比大，滲透系數(shù)極小，強度低，土質(zhì)均勻性差，工程特性極差，易引起擬建物不均勻沉降。2）通過堆載預(yù)壓可使軟土地基提前固結(jié)，減少工后沉降，增加地基的穩(wěn)定性。3）超載預(yù)壓試驗段比等載預(yù)壓試驗段固結(jié)程度高，為了達(dá)到更高的固結(jié)度，可在現(xiàn)場允許的條件下進行超載預(yù)壓。