海工重载场地软土地基加固设计与现场试验

宣庐峻， 付 桂

(1. 中船第九设计研究院工程有限公司， 上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心， 上海200063；2. 交通运输部长江口航道管理局， 上海200003)

珠海深水海洋工程装备制造基地位于珠海市高栏港经济区西南临海， 岸线长1 349 m， 为围海造地而成， 总用地面积约295.4 万m2(图1)。 其中一期工程需要建造36.89 万m2的总装区。 根据总体布置， 海工产品在总装区进行总装， 因此对总装场地的荷载使用要求极高。

图1 海油珠海深水海洋工程装备制造基地项目地理位置

工程区域由于回填形成的陆域上部杂填土松散、 密实度低， 而下部淤泥质土含水率高、 强度低。 如何使场地既能满足生产的使用要求， 又节省工程投资、 加快施工进度， 是本工程场地地基处理设计的难点。

对软土地基的加固处理， 国内外已有近百种方法， 如排水固结法、 换填垫层法、 堆载预压法、深层搅拌法、 强夯法、 化学加固法、 加筋法、 动力挤密法等[1-6]， 其中适合深厚软土地基处理的主要有排水固结法和深层搅拌法等。 深层搅拌法属于化学加固方法， 考虑到经济等原因， 应用不是很广泛。 排水固结法又包括打设竖向排水体的堆载超载预压法、 真空预压法、 电渗法、 井点降水法以及动力排水固结法等， 由于沿海吹填陆域软黏土的特点， 预压法和动力排水固结法的应用十分广泛[7-8]。

本文以该基地中海工模块总装场地的软土地基处理为例， 针对场地使用荷载的特点与地质条件变化情况， 设计分区域采用了强夯置换法、 动力固结排水法等不同软基地基加固方案， 通过现场试验进行分析与比选， 选择最优的软基加固设计方案， 为该场地的大面积地基处理提供了依据，同时也对动力固结法在软土地基处理的推广应用具有借鉴作用。

1 地质条件

1.1 工程地质条件

工程位于珠江口西岸， 原为珠江出海口滩涂地， 沿岸入海河流众多， 海岸以回淤滩涂为特征，近期经过人工填海围垦形成较为平坦的陆地， 工程范围内地层自上而下依次为杂填土、 素填土、淤泥、 淤泥质粉质黏土、 粉质黏土、 中粗砂、 淤泥质粉质黏土、 粉质黏土、 细中砂、 粗砾砂、 粉质黏土、 残积砂质黏性土， 下伏基岩为燕山期花岗岩。 主要土层工程特性指标参数见表1。

表1 地层工程特性指标

1.2 地质特性

1)软弱土层深厚。 拟建场地填土层下软弱土层厚度较大且分布不均， 最大厚度达到30 m， 平均含水率W=59.6%， 平均天然孔隙比e=1.59，平均压缩系数a0.1～0.2=1.42 MPa-1， 为高压缩性的软弱土层。

2)填土层条件复杂。 拟建工程陆地区域表层填土成分不均匀， 欠固结， 主要是花岗岩、 中粗砂、 粉质黏土混杂物。 块石直径0.05 ～0.15 m，最大直径为0.35 m， 层底多以中粗砂混少量碎石为主。 由于此层块石及碎石较多， 且厚度较大(最大厚度达到10.4 m，平均厚度为6.29 m)， 排水板施工较困难。

2 软土地基处理要求

2.1 场地使用荷载分析

场地主要须满足600 t 与800 t 大型履带吊为海工产品组装的使用要求， 考虑到履带板是在一定尺寸范围内向地面传递压力， 因此， 场地的控制荷载应该理解为局部压力， 而非大面积均载的概念。

2.2 设计荷载

根据600 t 履带吊荷载资料并考虑面层结构的应力扩散作用， 表层天然地基承载力不小于350 kPa， 场地内满足均布荷载100 kPa。

3 软土地基处理方案

3.1 地基处理方案选择与分区

在现有表层填土下分布有厚度20 m 左右的淤泥或淤泥质土层， 场地若仅满足表层持力层的地基承载力是不够的， 还须验算下卧软弱层的强度。

为加固深层软弱土体， 传统的地基处理方案包括水泥土搅拌桩、 高压旋喷桩加固以及刚性桩体复合地基等， 虽然此类方案可以达到一步到位的效果， 但是造价昂贵， 工期长， 方案对比见表2。因此如何根据实际生产工艺的使用要求提出设计荷载， 是总装场地地基处理经济、 合理的关键。

设计提出通过加固场地上表层一定厚度的硬壳层以及浅层的软土， 而深层下卧软弱土层通过地基应力扩散的帮助来满足地基承载力的强度要求。 深层的淤泥质土在长期使用过程中产生沉降将不可避免， 但是可以选择柔性面层结构， 在生产使用过程中采用定期回填的方法逐步消除此部分沉降所产生的影响， 同样能够满足场地的使用要求。

表2 方案对比

场地表层的杂填土粒径较大， 但是厚度变化较大， 在总装场地范围内最厚的地方达到7 m 左右， 最薄的地方仅为2.4 m。 因此在处理方法的设计上进行了区分。

对于目前杂填土顶高程低于-1.5 m 的区域，在回填至预留沉降的场地高程后， 淤泥顶面的覆盖层总厚度不小于6 m， 采用强夯置换法形成墩体， 同时结合井点降水， 增强加固表层覆盖层以及浅层淤泥的效果， 而较深的软弱下卧层通过应力扩散能满足承载力要求。

对于杂填土顶高程高于-1.5 m 的区域， 回填后淤泥顶面的覆盖层总厚度小于6 m， 软弱下卧层难以满足承载力要求， 然而单纯的强夯法加固淤泥效果差， 且强夯引起的孔隙水压力的增长不能及时消散， 容易形成橡皮土。 近年来在诸多工程成功应用的动力排水固结法通过设置水平及竖向的排水体系并调整夯击参数， 加速孔隙水消散，促进软土排水固结， 提高下卧软土层的地基强度，同时使淤泥层在短时间内完成大量沉降， 加大了上部覆盖层的厚度， 可谓一举两得。 该法显现出效果、 经济、 工期上的综合优势， 因此， 该部分区域设计推荐采用动力排水固结法进行地基处理。

3.2 强夯置换法加固技术参数

单击能量采用6 000 ～8 000 kN·m， 根据填土厚度变化作相应调整， 填土厚度小于6 m 取下限、大于8 m 取上限。

单点夯击次数应通过试夯确定， 以满足最后两击的平均夯沉量为控制标准为: 单击夯击能小于4 000 kN·m时为50 mm； 单击夯击能4 000 ～6 000 kN·m 时 为100 mm； 单 击 夯 击 能 大 于8 000 kN·m时为200 mm； 第1 遍夯击前填开山石料至预留下沉顶高程4.5 m， 每遍夯击结束后， 要求以开山碎石推平夯坑。

夯点布置见图2， 夯击5 遍。 第1、 2 遍为主夯点， 单击能量为6 000 ～8 000 kN·m， 正方形布置。 第3 遍夯点在主夯点之间进行， 单击能量为4 000 kN·m， 夯点间距为9 m。

最后进行2 遍低能级普夯， 夯锤相互搭接1∕3面积， 夯点布置见图2。

图2 夯点布置

3.3 动力固结排水法技术参数

3.3.1 排水系统设计

垂直排水系统处理对象为②1层淤泥、 ②2淤泥质粉质黏土， 竖向排水通道同样采用袋装砂井， 直径12 cm， 正三角形布置， 间距暂定1.3 m×1.3 m，砂井顶部位于中粗砂垫层内， 底部以进入第②3层粉质黏土、 第②5层中粗砂或以下土层1.0 m为准。

水平向排水系统采用砂垫层， 由中粗砂铺设而成， 垫层厚度不小于0.6 m， 砂含泥量不大于5%； 区域内设置盲沟以及排水井。

3.3.2 夯击参数设计

设计原则: 少击多遍、 循序渐进， 根据现场试验及工程地质变化， 调整工艺参数。

夯点布置与夯击数: 第1 遍， 以点距4.0 m，正方形布置跳夯， 夯击能2 000 kN·m； 第2 遍， 以点距4.0 m， 正方形布置跳夯， 夯击能3 000 kN·m；第3 遍， 以点距6.0 m， 正方形布置跳夯， 夯击能4 000 kN·m； 第4 遍， 以点距9.0 m， 正方形布置跳夯， 夯击能5 000 kN·m； 第5 遍， 夯锤相互搭接1∕3 面积普夯， 能量为2 000 kN·m； 第6 遍，夯锤相互搭接1∕3 面积普夯， 能量为1 000 kN·m。

单点夯击收锤标准: 国家有关强夯规范收锤标准并不完全适用于动力固结排水法， 一般情况下要满足最后2 击平均夯沉量不大于10 cm， 由现场土体变形与孔压确定要求单击次数依据实测沉降位移观测和孔压增量来控制。

间歇时间: 2 遍夯击的间隔时间以超静孔压完全或基本消散为控制标准， 现场施工取超孔压消散80%以上的时间， 预计为8 d 左右。

4 现场试验

4.1 设计要求

强夯法与动力排水固结法尚未形成一套系统完整的设计方法， 许多设计参数还是经验性的，影响因素又复杂多变， 设计时常采用工程类比法和经验法； 在正式大面积施工前， 通过试夯， 对地基处理现象和效果作出定量评价， 反馈后再调整设计， 以校正各设计、 施工参数， 考核施工机具的能力， 为正式施工提供依据， 直到达到预定目标。 由于本工程地质情况较为复杂， 须实施现场为主、 室内试验为辅的监控测试。 试验分区设计要求及监测、 检测内容分别见表3、 4。

表3 试验分区设计要求

表4 监测、 检测内容

4.2 试验技术要求

4.2.1 强夯法

单点夯监测地表位移(竖向、水平)、 深层沉降、 每击夯沉量、 测定夯坑深度及口径， 测定孔隙水压力增长与时间关系， 振动影响值与范围。群点试夯监测内容除上述外， 计算各遍推平夯坑填料量， 以便正式施工调整预留下沉量及校核加固效果。 夯击结束一至数周后对试夯场地进行检测。 检测方法采用动力触探、 标准贯入度试验、十字板剪切试验、 地质钻探、 静力荷载试验等。

4.2.2 动力排水固结法

由于动力排水固结法加固的区域上部填土较薄， 要求下部淤泥得到加固的同时， 保证冲击荷载不至于对软土微结构形成破坏， 导致夯击成“橡皮土”， 因此要求加强以下4 项监测控制: 夯沉量控制、 孔隙水压力、 水平位移控制、 地表隆起控制。

4.3 分析结果

通过试验区强夯过程监测和夯后检测结果(图3、 4， 表5)， 得出如下主要结果:

1)孔隙水压力的测量结果基本反映了回填土及其下部淤泥在强夯过程中孔压增长与消散的规律， A、 B 区遍夯间隔时间较短， 一般在6 ～10 d。C 区超孔隙水压力消散较慢， 14 d 超孔压消散为64%～70%。 可见， 在浅层分布软土层的场地上采用强夯加固， 宜采用动力排水固结法以加快施工速度并能防止发生“橡皮土” 现象， 若下卧软土层上部的覆盖层较厚， 可采用大能量击强夯法进行加固以大幅提高地基承载力， 且采用强夯置换成墩体的方法优于平锤法。

2)根据静载试验并结合动力触探与瑞雷波试验结果判定， 强夯置换加固与动力固结排水法对场地加固效果显著， 可根据填土层厚度选择处理方法与设计参数； 在类似地质条件下， 能够满足表层承载力大于350 kPa、 压缩模量大于10 MPa的处理要求， 而加固的影响深度与场地土层分布以及采用的设计参数有关。

3)根据标准贯入试验与室内土工试验结果，A 区与B 区由于在8 m 深度内的浅层软土能通过碎石墩或者砂井排水， 采用动力进行加固后土体强度都有一定程度增长， 软土夯后平均标贯击数N平均增加1 击以上； B 区由于砂井的竖向排水作用， 深度8～12 m 内软土强度也有明显增长， 且增加幅度与浅层软土基本相同， 而A 区在8 m 以下改善效果较小。 可见采用动力固结法能增加表层回填土强度外， 对于下部淤泥的加固也是行之有效的。

4)从夯前、 夯后剪切波速对比曲线可知，A 区8 m 深度范围内加固效果较明显， 提高幅度30%以上， 8 m 以下改善效果较小。 C 区因填土层(6～7 m)较A 区厚， 强夯加固效果非常明显， 8 m范围内提高幅度100%以上， 加固效果显著。

图3 试夯区超孔隙水压力历时曲线

图4 A、 C 区夯前、 夯后剪切波速对比

表5 填土层夯前、 夯后加固效果对比

5 结论

1)海洋工程重载场地的使用要求往往具有局部荷载大但对长期沉降控制不太严格的特点， 坚持“地基强度一步到位， 沉降影响逐步消除” 的设计理念， 相比采用刚性桩体复合地基等一次处理到位的常规方法更具经济效益优势。

2)强夯置换加固法与动力固结排水法具有不同的地质适用条件， 对于上部覆盖层较薄且下部分布软土层的地质情况宜采用动力固结排水法进行处理； 珠海深水海洋工程基地的地基处理实践成果证明， 强夯置换加固法与动力固结排水法在适宜的地质条件下， 只要加固技术参数合理， 皆能达到令人满意的效果， 而本项目设计方案参数选取以及现场试验分析， 也对进一步推广应用具有借鉴意义。