静动联合排水固结法及其在填海工程中的应用

2012-01-23刘祖德司马军

土木工程与管理学报 2012年3期

刘祖德，杜斌，司马军，邹勇

(1. 武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072；2. 中工武大设计研究有限公司，湖北武汉 430072)

静动联合排水固结法(SDCCM—Static Dynamic Combined Consolidation Method)是在堆载预压排水固结法和强夯法的基础上发展起来的一种新型地基处理方法。强夯法主要适用于加固填土、碎石土、黏性土、砂土及湿陷性黄土，对饱和度较高的粉士和黏性土地基，强夯法处理效果不显著[1]，甚至有人把在淤泥地基上强夯视为“禁区”。SDCCM工法在处理淤泥质土，淤泥(含吹填材料)等饱和度较高的粉土和黏性土时，具有处理效果好，固结速度快等优点，特别适合于处理填海造地工程中的软弱淤泥地基。SDCCM工法的基本思想是，通过设置排水通道，改善地基土的竖向排水条件，结合强夯法和堆载预压法的优点，使两者互相补充和促进，即利用静载进行初始固结，利用动荷载的强大冲击能激发较高的孔隙水压力，并使其在静荷载作用下逐渐消散，从而达到固结效果，提高土体强度。

1994年，刘祖德教授在主持设计厦门高崎国际机场跑道延长段填海工程中，首次提出并成功应用动静联合排水固结法，取得了良好的社会效益和经济效益[2, 3]，其后该工法在较多的填海工程中得到推广，如深圳市宝安新中心区裕安路软土路基处理工程[4]，西部通道填海及地基处理工程[5]，广州南沙泰山石化仓储区1 期淤泥质地基处理工程[6]等。

1 静动联合排水固结法

SDCCM工法主要从改善土体渗透性、静力固结、动力固结等方面促进土体固结，提高土体物理力学性质，但并不是静动两种固结模式的简单叠加，它具有其自身明显的特点。

1.1 改善土体渗透性

一般地，天然沉积的软土地基土层都是交替出现，各土层渗透系数不同，水平方向的渗透系数按照各土层厚度进行加权平均，即为：

kh=(k1h1+k2h2+k3h3)/(h1+h2+h3)

垂直渗透系数为：

kv=(h1+h2+h3)/(h1/k1+h2/k2+h3/k3)

经推导可看出加权平均后的等代水平渗透系数大于竖向渗透系数，但是水平渗透并不能直接把孔隙水排出来，而必须借助竖向排水体系实现排水固结。这个结论同样也适用于吹填土。

为了提高土体的竖向排水能力，SDCCM工法要求在地基中埋设较密的竖向排水体(如塑料排水板)以提高宏观kv，而砂垫层具有加强水平排水作用两者同时作用，构成软弱淤泥良好的自排水体系。

1.2 静力固结

根据静力固结理论，软土固结所需时间与排水距离的平方成反比，插打塑料排水板可以增加土层的排水途径，缩短排水距离，在压缩性高、含水量大、孔隙比大、软土较厚的土层中效果更明显。

插打排水板后，在软弱地基表面均布地堆载，按序铺设水平砂层和填土。在该静荷载作用下，加固土体中产生附加应力，引起的超静孔隙水压力，在静置期(如7天至1个月)内，土颗粒间的水通过排水板排出地层以外，超静孔隙水压力逐渐消散，地基完成初步固结。

1.3 静动联合固结

当堆载引起的超静孔压大部分消散之后进行强夯，强夯激发附加动态超静孔隙水压力使静载引起的残余孔压值+ΔU激增到相当高的+ΔUSD。这种+ΔUSD并不会随夯击动能的移去而自动消除，反而会受到动载的“激励”触发软土颗粒结构排列进一步定向移动或转动而具有长效固结效果，促成了第二轮渗透固结过程，使土体中更多的孔隙水排出，达到进一步固结压密的效果，较之单纯的静力固结，压密效果往往更加明显。

1.4 SDCCM工法的特点

相对于经典的静力固结模型，1956年法国Menard教授所创建的动力固结模型具有以下特点：土体中含有少量气泡的可压缩液体；固结时土体中排出液体的小孔的孔径是变化的；弹簧刚度为变数；活塞有摩阻力。

基于以上模型，动力固结主要通过以下几种方式完成：

(1)饱和土的压缩性。强夯时，气体体积压缩，孔压增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔压就减少。

(2)产生液化。土体中气体体积百分比为零时，就变成不可压缩的。相应于孔隙水压力上升到覆盖压力相等的能量级，土体即产生液化。但若继续施加能量，则除了使土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。

(3)渗透性变化。超孔压大于颗粒间的侧向压力时，土颗粒间出现裂隙，形成排水通道。此时，土的渗透系数骤增，孔隙水得以顺利排出。孔压消散到小于颗粒间的侧向压力时，裂隙即自行闭合。

(4)触变恢复。土体的强度逐渐减低，当出现液化或接近液化时，强度达到最低值。此时土体产生裂隙，而吸附水部分变成自由水，随着孔压的消散，土的抗剪强度和变形模量都大幅度增长。

与Menard理论相比，SDCCM中的“强夯机理”与1956年法国Menard教授所创建的动力固结的四点基本原理有着较大的区别，主要可概括为以下几点：

(1)SDCCM可以兼收夯实堆载三相土体效果之利，但对下卧软黏土淤泥来说，其压密必须经过排水固结的过程，在压密的动力源中，静载为主、动载为辅。静载为内因，动载为外因，没有静载存在，动载稍纵即逝，不能产生长效渗透固结过程，而强夯压密效果也必须在堆载压下逐渐发挥完成，因此关键问题在于如何使动载在黏土中激发产生的超静孔压激增，形成第二轮的渗透固结过程，只有这样，静、动荷载才能相辅相成，充分转化能量。

(2)SDCCM强夯加固对象应包括堆载土体和下卧淤泥层。但实际上，软黏土淤泥中，不太可能出现Menard动力固结作用所强调的可提供排水通道的土中直通裂隙，故SDCCM工法要求事先加强淤泥的自排水能力，保证在静、动荷载作用下产生的孔隙水压力能迅速消散，这是SDCCM工法与一般强夯法的区别。

(3)由于软土地基必须先堆载，然后强夯，故该工法能使经典意义上的动力固结作用得到充分发挥，即动力八面体压缩应力作用下孔压增长明显，而动力八面体偏应力幅值相对较小，使土体固结得更彻底，相当于较大的静力超载预压[1]。

(4)SDCCM通过填土及其填料控制，避免夯锤直接接触软土，砂垫层同时具有加强水平排水作用，同时强调创造有效强夯的作业场地，满足施工机械和夯锤存放迁移、夯坑限制坑深等要求。同时由于砂垫层及堆载的扩散作用，避免冲击荷载对浅层软土造成结构破坏，浅层土体强度难以提高甚至降低。

(5)堆载结束后，要求静置一段时间，使静渗透固结完成大半之后才能施夯，以充分发挥动力固结作用。

(6)夯击单击能一定要与影响深度匹配，分级堆载强夯时，夯能应逐渐增加。

(7)SDCCM有效程度取决于动载传递路径和传播深度，一般要求锤形为扁平圆锤。

2 SDCCM主要工作机理

在SDCCM工法中，强夯不是靠其瞬时动力即刻压密下卧饱和淤泥地基土体，其动渗透固结过程与强夯夯实三相填土的机理完全不同，而是先借助强夯动力引起淤泥土孔隙水压力骤然升高，土骨架内结构和组构发生调整，只是有少量形变(畸变)，基本无体变，但是瞬间过后，在这种已有插板使之加强了自排水功能的淤泥内部就立即启动了新一轮的“动渗透固结”过程，而且这种动渗透固结过程的规律与常规的Terzaghi渗透固结过程也有所不同，历时缩短，+ΔUSD更易消散。

在相当长的一段时期内，国内外对动力固结的研究主要集中在如何使大功率的强夯或重锤击实加速软黏土淤泥的固结。大部分研究者将夯击能量做功分解为弹性振动消耗、畸变消耗、热能转化消耗、颗粒破碎消耗；但加起来还是小于强夯动能，我院土工试验室进行近半年的特种试验研究表明，饱和二相土的有效应力转化就是土体内部“内熵”转化过程。

Terzaghi渗透固结理论仅仅是建立了一半渗透固结理论——经典渗透固结理论，压缩固结线(A→B)Terzaghi流变模型中弹簧元件的弹性模量E只能代表一种简单组构的土骨架变形模量，见图1。

图1 固结理论比较

次固结是靠时间来换取静载需求量，动力固结是靠动力强夯来换取静载需求量。这两种换取的静载需求量都是有限的，但是工程效果却都是显著的，后者还有促进加速固结的作用。从深圳西部通道现场静、动联合排水固结法中发现，动渗透固结过程中的Δu↓消散e～t是直线坐标上等速型的，见图2。

图2 深圳西部通道中的SDCCM

另外，SDCCM工法强调夯击能应与堆载相匹配，这是因为+ΔUSD中包含了静力和动力两方面的因素，缺一不可。静载是+ΔUSD的根本内因，没有它就不产生+ΔUSD，但是，若D的动能不够大，不足以使+ΔUSD趋于稳定值(高值)，那+ΔUSD的效果就会减小。相反，老是重复打，遍数再多也不会使+ΔUSD有效升高，见图3。

图3 多次夯击与超静孔压的关系

3 SDCCM设计及施工要点

(1)软土地基整平，抽水降水，地表晾晒，铺设复合土工布，再铺一层厚为50～80 cm的砂垫层，挖盲沟，插打排水板。

(2)处理软土地基时，必须填筑一定厚度的填土，填土土料宜用砂性较大，地基承载力较大的良好料源，可用碎石土、砂土、低饱和度粉土、砂质或砾质黏土，其含水量应接近最佳含水量，分层推平填筑、压实，分层厚度0.5 m，交工面下留1.0 m砾质黏土或粉质黏土垫层。填土可以避免出现橡皮土现象，避免软土层产生较大的剪切变形。

(3)为保证软土层在动荷作用下不被过分扰动，宜采用“少击数多遍数”、“先轻后重”的施工程序。根据分级填土的级次增加。第一级填土的夯击能总量取决于淤泥土性质和填土厚度，不能过大，最后一级填土的夯击能总量则主要取决其加固软土的厚度和软土固结度的状况，要保证能够有效压密深部淤泥。

(4)单点击数的确定原则是要以较少的冲击次数产生较大的孔隙水压力和较小的剪切变形。点夯击数视土质而定，避免淤泥土产生过大的侧向位移(挤出破坏，夯坑过深)和地面隆起。黏性大的土，次数要多些(4～6遍)，砂性大的土一般2～3次即可。点夯结束，满夯并平整至交工面高程后，用20 t振动压路机碾压6～8遍。

(5)对于非饱和土或填土，地基处理规范中常以最后两击的下沉量之和的平均值小于4 cm来控制每点的夯击击数；

(6)对饱和软黏土采用上述标准可能无法收锤或导致橡皮土现象。建议按下述控制原则确定：a.夯沉量控制，即以击与击之间夯沉量的发展速率来控制；b.孔隙水压力控制，即以前后两击孔压增量幅值大小作为控制标准。

(7)堆载后的静置时间和不同夯击次数间歇时间须通过试夯和施工过程中的全程监控进行及时调控，以孔压消散程度来确定。

4 工程实例

4.1 工程概况

厦门集美大桥高崎侧接线一、二期工程位于厦门高崎国际机场北侧，主要功能为集美跨海大桥高崎侧提供施工用地，为厦门岛东北部的市政工程提供土地资源。本工程综合考虑了航空港将来扩建，为飞行区基础造地做好准备。工程设计填海造地总面积为90.92万m2，填海交工面平均高程为+5.50 m(1985年黄海高程)。

根据勘探，场地内自上至下分布的地层主要有：

(1)人工填土(Qml)

素填土①1：松散状态，稍湿～湿。主要由黏性土组成，含约10%左右的中粗砂，该层主要分布在陆域。层底埋深为1.80～7.00 m，厚度为1.80～7.00 m。

冲填土①2：松散状态，饱和，由中粗石英砂颗粒回填而成，泥质含量10%～20%，主要揭露于海岸滩涂地段。层底埋深为1.60～12.90 m，厚度为0.70～12.90 m。

(2)第四系全新统海积层(Qm)

淤泥②1：流塑状态，饱和，含砂量约占25%～30%。层顶标高为-9.70～0.73 m，层底埋深为1.00～14.5 m，厚度为0.40～7.60 m。

中砂②2：松散状态，饱和，混流塑状态淤泥，淤泥含量约占20%～30%。层顶标高为-13.14～1.75 m，层底埋深为1.40～15.70 m，厚度为0.40～8.80 m。

黏土②3：软～可塑，主要由黏粒及砂砾粒组成，含砂砾粒约5%，层顶标高为-7.46～-1.83 m，层底埋深为4.20～11.70 m，厚度为1.10～4.75 m。

(3)残积层(Qel)

残积砂质黏性土③：花岗岩风化残积物，可塑～硬塑，饱和，主要由高岭土、石英及云母组成，砾粒含量为5.9%～19.6%，粉黏粒含量为32.5%～69.8%，该层在场地内均有分布。层顶标高为-15.99～-0.25 m，层底埋深为3.10～27.75 m，厚度为0.70～18.00 m。

(4)燕山晚期(γ)侵入花岗岩

包括全风化花岗岩④1、散体状强风化花岗岩④2、碎块状强风化花岗岩④3、中风化花岗岩④4。

(5)孤石

呈灰白、灰黄色，主要由强、微风化花岗岩～新鲜花岗岩组成。

4.2 工程地基处理方案

本工程结合机场发展预期进行规划，重要性等级为一级，场地等级为二级，地基等级为二级。根据场地现状和使用功能的差异，采用了不同的软基处理方案，包括塑料排水板堆载预压法、静动联合排水固结法、振冲砂桩复合地基、旋喷桩与砂桩联合加固等。静动联合排水固结法应用于对沉降控制要求严格的规划飞行区，这里仅介绍该区域SDCCM工法的应用。

飞行区场地设计技术标准为：场道区地基处理后的工后沉降小于10 cm，差异沉降小于1.5‰，交工时软基固结度大于90%；场区交工面下压实度：深度0.0～1.5 m，要求大于95%；1.5 m以下，海砂相对密实度大于0.75。场区交工面地基承载力≥140 kPa。

在处理范围内，主要设计参数为：

(1)塑料排水板设计

塑料排水板质量与品格要求依据插板深度不同采用不同材料。插板高程为+1.5 m，所有塑料排水板均从砂垫层顶面开始打设，穿过淤泥层进入下伏砂质黏性土0.5 m，上端高出砂垫层0.2 m。排水板间距为1.1 m，等边三角形布置；

(2)排水砂垫层设计

采用水下抛填或吹填中粗砂排水垫层至+1.5 m高程，砂的含泥量小于5%，排水砂垫层的厚度大于1.5 m。

(3)堆载预压设计

分三级加载，第一级荷载：吹填中粗砂排水垫层至高程+1.5 m，吹填厚度为2.5～5.5 m，堆载时间为2个月，间歇时间1个月(期间插打塑料排水板)。第二级荷载：吹填海砂至高程+4.0 m，吹填厚度为2.5 m，堆载时间为2个月，间歇时间为2个月(期间强夯施工)。第三级荷载：分层碾压黏性土至高程+5.5 m，堆载时间为1个月，间歇时间6个月(包括1个月排水沟施工期，工程完工后5个月等待的验收期)。

预压荷载由吹填黏性土填土层组成，计算预压荷载时考虑预留沉降层厚度，地下水位高程按+0.0 m考虑。根据单元统计，本区淤泥按平均厚度、顶面标高不同分成7种不同的状况。淤泥顶面标高有-1.0 m、-3.0 m、-5.0 m三种。计算结果表明：工后沉降、差异沉降、固结度分别满足工后沉降小于10 cm、差异沉降小于1.5‰和交工时软基固结度大于90%的要求。

(4)SDCCM工法设计

强夯能级：夯锤为扁平锤(直径2.5 m、外包2 cm厚钢板)，夯锤重量为200 kN，落距15 m，单夯击能量3000 kN·m。

有效加固深度：根据Menard公式，该能级强夯的影响深度为8.7～13.8 m。厦门机场二期扩建工程的经验表明，该能级强夯与本区的淤泥特性、淤泥厚度和填土高度相匹配，能有效地促进软土的动力固结。

夯击遍数及夯点间距：共夯3序，序与序之间不间歇，每点连续夯4击，正方形布点，夯点间距为5.0 m，见图4。