澳门东填土区地基处理效果分析

2020-06-18陶旭光钮建定

水运工程 2020年5期

陶旭光，钮建定，杨锋

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司上海 200232)

1 工程概况

澳门东填土区南北向共长2 400 m，东西向最窄处560 m、最宽处730 m，总填海造地面积约138万m2，新建海堤总长5 658 m。场地通过吹填砂土的方式成陆，成陆区由不同隔堤进一步隔开细分成较小分区，见图1。

澳门东填土区地貌属于珠江三角洲河口冲积海积平原地貌类型，原始海床地基主要由第四纪松散堆积层、残积土层和燕山期侵入的花岗岩[1]及其风化层组成。场区原始海床浅表部分布的软黏性土工程特征与珠江三角洲软土特征[2-3]相符，具体表现为含水量高、压缩性高、强度低、结构性好、灵敏度高。现已对原始海床中软黏性土和成陆后的吹填砂进行了地基处理，以满足场区作为建设场地的基本需求。

本文在分析场区地基土层特性、地基处理设计方案与施工关键技术的基础上，通过对工程监测及检测成果的对比、分析，从而检验该场区地基处理效果，并为同类工程提供借鉴。

图1 澳门东填土区吹填分区

2 场区地基条件

2.1 原始海床地基

澳门东填土区吹填前岩土勘察得到的原始地基土层分布及特征见表1，典型地质剖面见图2。其中Ⅱ灰黄-灰色淤泥层厚度一般为7.0～12.9 m，为高含水量、高压缩性、低强度的灵敏软弱黏性土层，其物理力学指标见表2，该层在上部荷载作用下易产生沉降和不均匀沉降，为主要压缩层。

图2 典型地质剖面(单位：m)

表1 吹填前地基土层分布及特征

表2 Ⅱ灰黄-灰色淤泥层物理力学指标

表2中的统计值是基于原状土样的室内土工试验结果，按照现行的《水运工程地基设计规范》[4]统计计算求得，变异系数在合理区间内，统计值代表了该层的工程地质性质。Ⅱ灰黄-灰色淤泥层室内压缩试验e-p(孔隙比-压力)关系曲线见图3。

图3 Ⅱ灰黄-灰色淤泥层压缩试验e-p曲线

2.2 吹填砂

填海区成陆后的表部地基土由两次人工吹填形成，成分为中粗砂，呈松散状堆积，累计厚度为4.5～7.9 m。第一次吹填，因原始海床泥面高程为-2.8～0.6 m，通过吹(回)填砂土垫层以形成地基处理施工作业面，吹填至3.5 m；第二次吹填，作为预压堆载料回填，堆载厚度为3.8 m，堆载预压完成后卸载至设计高程。

3 地基处理

3.1 设计方案

澳门东填土区地基处理方法经比选分析后，采用类似澳门机场人工岛地基处理B方案中安全区的设计方法[5]。Ⅱ灰黄-灰色淤泥层处理方法为排水固结法(插打塑料排水板+真空联合堆载预压)，吹填砂处理方法为振冲挤密+振动碾压法。场地的处理目标为：1)地基加固整平后的表层承载力达到120 kPa以上；2)经振冲挤密后，在3.0 m以下静力触探锥尖阻力值≥6 MPa，在3.0 m以上静力触探锥尖阻力值≥8 MPa；3)工后残余沉降值≤500 mm，差异沉降< 1400桩距。不同的是，澳门机场项目是在安全区对浅表部软黏性土采用排水固结法(插打塑料排水板+堆载预压)处理，对吹填砂采用了振冲挤密+振动碾压法处理，而在跑道和滑行道区则因承载力和变形要求更高进行了清淤换填。

3.2 沉降量与固结度计算

3.2.1最终沉降量

根据《水运工程地基设计规范》，Ⅱ淤泥层最终沉降量计算公式采用分层总和法，其中沉降计算经验系数ms取1.2，则成陆区平均沉降计算值的计算结果为：Ⅱ淤泥层堆载荷载下最终沉降量1.982 m，Ⅱ淤泥层施工期沉降量1.586 m，吹(回)填砂层施工期沉降量为0.50 m，施工期发生的总沉降量2.086 m，10年和30年内发生的工后残余沉降分别为0.08、0.34 m。

3.2.2固结度

固结度计算边界条件：真空预压压力为80 kPa，堆载压力为59.4 kNm2，加载过程用时约60 d，堆载满载60 d，联合预压总时长为自抽真空满载起150 d。

根据《水运工程地基设计规范》，排水板加固地基的平均固结度按照多级荷载的固结度计算公式进行计算，结果见表3。

表3 真空预压固结度发展

3.3 施工技术控制标准

3.3.1吹填砂垫层

自天然泥面吹填中粗砂至高程3.5 m，作为真空预压起始高程。

3.3.2插打塑料排水板

按照正方形网格1.0 m×1.0 m设置，深度穿透淤泥层并进入下部土层不小于1.0 m，排水板材料采用高性能可测深塑料排水板。

3.3.3真空预压

真空预压工作流程为施打泥浆搅拌墙→铺设真空滤管→压膜密封沟→铺设密封膜→设置真空泵。泥浆搅拌墙要求进入淤泥不透水层不小于1 m，真空预压区内设置滤管、无纺布及密封膜，每1 000 m2布置1台真空泵，维持密封膜下真空度不低于600 mm汞柱(约80 kPa)。

3.3.4堆载预压

堆载预压过程见图4。堆载预压分3级：第一级预压荷载为1.2 m厚中粗砂，自抽真空满载30 d后开始；第二级预压荷载为1.2 m厚中粗砂，自第一级堆填完成并稳定后开始；第三级预压荷载为1.4 m厚中粗砂，自第二级堆填完成并稳定后开始。

图4 堆载预压过程

3.3.5卸载

满足加载时间且根据实测沉降数据推算的固结度达到85%即可分级卸载。

4 地基监测及检测成果分析

4.1 监测及检测点布设

填土区平均约1万m2布设1组监测及检测项目[6]，包括表层沉降、孔隙水压力、深层沉降、深层测斜、标贯试验、静力触探试验、荷载板试验和室内土工试验等。典型分区监测及检测点的布置如图5所示。

图5 典型分区监测及检测点平面布置

4.2 表层沉降监测结果分析

表层沉降监测目的：1)在加载期通过监测沉降速率、控制加载速率方面确保地基稳定，加载期监测频率按1次d，加载速率控制标准按沉降量≤20 mmd；2)在即将卸载前利用沉降数据计算固结度，预测沉降趋势，确定卸载时间。

4.2.1沉降监测曲线

以A2区沉降盘S7的监测数据为例(图6)，2014-11-18开始抽真空，2014-11-25真空满载即膜下真空度达到80 kPa，2014-12-02开始堆载，2015-01-05堆载至满载。

图6 沉降量-时间关系曲线

由图6可知：1)沉降盘安装至开始抽真空前近3个月时间里，软土已经部分固结，累计沉降量达0.6 m，沉降速率随时间增长而逐渐变慢；2)自抽真空开始，沉降速率明显加快；3)堆载开始后沉降速率再次加快，直至卸载完成；4)卸载后沉降曲线趋于平稳，自卸载后的2015年5月—2018年1月的32个月时间内，累计沉降量仅约0.1 m；5)自2014年8月—2018年1月的整个监测期内，累计沉降量达2.12 m。

4.2.2基于实测沉降数据计算的固结度

以A2区其中3个沉降盘的监测数据为例，从抽真空恒载开始后第150 d，沉降盘累计沉降量分别为2.01、1.97、1.60 m，平均沉降量1.86 m。

基于实测沉降数据，分别采用经验比较成熟的三点法、双曲线法[7-8]进行最终沉降量及固结度的估算，三点法估算平均固结度为90%，双曲线法估算平均固结度为86%，均满足设计方案卸载时固结度85%的要求。

4.3 荷载板试验结果分析

典型荷载板试验p-s(荷载-沉降)关系曲线见图7。当荷载从0增大至264 kPa的过程中，沉降量随荷载的增长呈线性递增，至264 kPa时未达到极限荷载，据此判断其极限承载力标准值大于264 kPa，承载力特征值按12取值，其值大于132 kPa，满足承载力要求。当荷载为132 kPa时，沉降量仅为1.5 mm。

图7 典型载荷板试验p-s关系曲线

4.4 静力触探试验成果对比

吹填砂采用振冲挤密法进行了处理，处理前后均进行了静力触探试验，对比曲线见图8。

从图8可知，地基处理前后吹填砂层的工程性质明显改善，表现为：1)处理前吹填砂在垂直方向上性质不均匀，锥侧摩阻力qc差异较大，处理后吹填砂在垂直方向上性质相近，均匀性较好，锥侧摩阻力基本上无较大差异；2)处理前吹填砂大部分呈松散状，局部呈稍密-中密状，处理后吹填砂总体上呈中密-密实状。

图8 吹填砂处理前后静探试验曲线对比

4.5 室内试验成果对比

在场区内均匀选取8个检测钻孔中共计24个Ⅱ淤泥层薄壁原状土样，对其试验成果进行了统计和计算，结果见表4，并与地基处理前其物理力学指标进行了对比，见表5。

由表5可知，地基处理前后Ⅱ淤泥层物理力学性质指标变化较大，具体为：1)含水量从74.1%减小到49.8%；2)天然密度由1.57 gcm3增大到1.71 gcm3；3)孔隙比从2.03减小到1.40；4)压缩模量从1.60 MPa增大到2.33 MPa；5)三轴不固结不排水压缩试验黏聚力c值从5.5 kPa增大到25.5 kPa；6)三轴固结不排水压缩试验黏聚力c值从4.5 kPa增大到18.4 kPa，有效黏聚力c’值从4.5 kPa增大到13.2 kPa。