陶華飛,彭功勛,李承海,劉良貴
(廣州市政工程設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州 510060)
填土一般分為雜填土、素填土、沖填土和壓實(shí)填土[1],在工程中非常常見(jiàn)。壓實(shí)填土指有目的地按一定標(biāo)準(zhǔn)控制材料成分、密度、含水量,分層壓實(shí)或夯實(shí)而成的填土,其土質(zhì)均勻、工程性質(zhì)好,一般視作一種特殊建筑基礎(chǔ),如路基、壩基等。其余3種填土,其工程性質(zhì)復(fù)雜而不均勻,或很軟弱,多數(shù)情況下都避免直接以其為持力層。本文所提的填土僅指這3種填土。在不得不以填土為持力層的情況下,一定要根據(jù)填土原土特性慎重采用堆填與處理方式,否則將對(duì)后期的工程建設(shè)帶來(lái)巨大的影響。
總體而言,不得不以填土為持力層的情況大致有兩種:一種是濱海或臨湖地區(qū)人工造地,一般采用吹填方式形成填土區(qū),然后用堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓[2]排水固結(jié)加攪拌樁[3]等處理方式處理,成為滿足承載力和變形要求的復(fù)合地基;另一種是低山丘陵地方的場(chǎng)地平整[4],部分挖方、部分填方,形成建筑用地,填方時(shí)要求逐層堆填、逐層壓實(shí),使土層均勻、密實(shí),達(dá)到建設(shè)用地承載力要求。這兩類填土處理過(guò)程比壓實(shí)填土要求低,處理相對(duì)粗放,堆填范圍和厚度一般也更大;不過(guò),其堆填目的明確、組織有序、經(jīng)一定深度的處理,工程性質(zhì)可預(yù)知、可控制,類似于原狀土場(chǎng)地。
但是,對(duì)于一些不常見(jiàn)的、未經(jīng)較深處理而堆填成的深厚填土地基,在不得不以其為持力層時(shí),無(wú)論勘察、設(shè)計(jì)、施工還是檢測(cè),都要慎之又慎。需全方位了解填土的性質(zhì),并注意克服常規(guī)工程形成的慣性思維模式,作出符合實(shí)際的判斷,才能制定出切實(shí)可行的勘察、設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)方案。在這幾個(gè)環(huán)節(jié)中,勘察作為初始數(shù)據(jù)的提供方,其判斷和結(jié)論至關(guān)重要,建設(shè)方一定要委托實(shí)力雄厚、經(jīng)驗(yàn)豐富的勘察單位進(jìn)行勘察,才能確保工程的順利實(shí)施。設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)各方也需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)作出判斷和調(diào)整,以糾正勘察階段可能的失誤。
本文的工程實(shí)例深切說(shuō)明了其重要性。
工程場(chǎng)地面積約40萬(wàn)m2,位于丘陵邊緣,原地形高差七八十米,人工堆填平整后形成建筑場(chǎng)地。堆填的土以黏性土為主,多含粗粒、巨粒,厚度不一,最厚達(dá)60 m,平均厚度達(dá)25 m。填土堆填周期很短,在3個(gè)月內(nèi)完成全部堆填工作,一個(gè)星期后即進(jìn)場(chǎng)勘察。該場(chǎng)地?cái)M建一批住宅樓、教學(xué)樓,以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng),設(shè)計(jì)要求地基承載力200 kPa。
勘察采用了鉆探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、取土做常規(guī)土工試驗(yàn)的常規(guī)工程勘察手段。現(xiàn)場(chǎng)共鉆探了370個(gè)鉆孔,全部鉆孔有填土揭露,其中約87%含有大量碎石及塊石,多數(shù)含20%~30%的碎石和塊石,部分高達(dá)50%以上。
除碎石、塊石含量超過(guò)50%的填土未做標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和采取土樣外,在其它填土中均進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),采取了土樣?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)所獲參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
根據(jù)表1,若按黏性土判斷,由標(biāo)準(zhǔn)貫入數(shù)據(jù)可得地基承載力特征值達(dá)310 kPa;由土工參數(shù)可得地基承載力特征值達(dá)260 kPa;由壓縮模量可得其為中等壓縮性土[5]。然而,由于其為填土,貿(mào)然由此得出承載力和壓縮性數(shù)據(jù)是不恰當(dāng)?shù)?。勘察單位也注意到了這一點(diǎn),勘察報(bào)告給出了如下結(jié)論和判斷。
(1)人工填土因含碎石標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)偏大。
(2)人工填土土質(zhì)松散,工程特性差,未經(jīng)處理不宜作為場(chǎng)地天然地基持力層。
表1 填土層現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與土工實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
(3)根據(jù)碎石含量由低到高,承載力特征值的建議值為 110 kPa(無(wú)碎石)、130 kPa(碎石 20%~30%)、140 kPa(碎石含量大于 50%)。
(4)根據(jù)碎石含量不同,壓縮模量Es1-2的建議值為 4.35 MPa(無(wú)碎石)和 4.1 MPa(碎石 20%~30%);碎石含量超過(guò)50%的填土則作為碎石土,沒(méi)提壓縮模量。
(5)填土土層厚度較大,若采用天然地基,應(yīng)進(jìn)行夯實(shí)地基處理。
設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范和勘察報(bào)告的建議,采用了強(qiáng)夯地基處理方案,具體參數(shù)如下。
(1)目標(biāo):夯擊影響深度6~8 m,地基承載力目標(biāo)200 kPa,沉降量小于40 mm。
(2)單擊夯擊能3 000 kN·m,夯擊次數(shù)10~15次,收錘標(biāo)準(zhǔn)為最后兩擊平均沉降量不大于50 mm。
(3)強(qiáng)夯兩遍,第一遍坑距4 m×4 m,第二遍在4個(gè)坑之間的中心點(diǎn)布坑。
(4)強(qiáng)夯完成至少24 h后,低能量滿夯兩遍,每遍2擊,夯擊能1 000 kN·m,夯印搭接1/4錘印。
在填方完成一個(gè)月多后,施工隊(duì)伍進(jìn)場(chǎng)開(kāi)展強(qiáng)夯作業(yè)。由于試夯影響進(jìn)度,建設(shè)方取消了試夯,直接按設(shè)計(jì)方案對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行了強(qiáng)夯處理。因施工進(jìn)度緩慢,加之雨季的影響,強(qiáng)夯地基處理前后耗時(shí)近四個(gè)多月。夯擊過(guò)程中,夯坑過(guò)深影響施工時(shí),采用碎石回填。
根據(jù)設(shè)計(jì)提出的檢測(cè)方案,建設(shè)方分別委托了兩家檢測(cè)單位進(jìn)場(chǎng)分別開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)和平板荷載試驗(yàn)檢測(cè)。
標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)測(cè)試表明,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)比勘察階段顯著提高,在最深5 m左右、最淺不到2 m處,其標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)就已超過(guò)50擊。其根據(jù)規(guī)范中關(guān)于黏性土承載力的判別表格,得出場(chǎng)地表層0.5 m土的最低承載力都達(dá)到300 kPa的結(jié)論。依此結(jié)論,場(chǎng)地土顯然是滿足設(shè)計(jì)要求的。
但是,平板荷載試驗(yàn)卻得出了與其截然不同的結(jié)論。在最初用1 m2荷載板做的6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中,只有1個(gè)點(diǎn)滿足承載力要求,其余5個(gè)均不滿足要求,試驗(yàn)得到的最小承載力特征值僅為100 kPa,是設(shè)計(jì)要求承載力的1/2。
為此,建設(shè)方又安排了第三家檢測(cè)單位進(jìn)場(chǎng)做平板荷載試驗(yàn)檢測(cè)。該單位用2 m2荷載板做了12個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明,填土較薄位置的7個(gè)點(diǎn)承載力能滿足要求,但位于厚填土區(qū)的5個(gè)點(diǎn)仍不滿足要求,試驗(yàn)得到的最小承載力特征值甚至才75 kPa。
為分析上述工程所出現(xiàn)問(wèn)題的原因,無(wú)疑首先要掌握現(xiàn)場(chǎng)填土的工程特性。
從前文所述可知,現(xiàn)場(chǎng)約1 000萬(wàn)m3的填土在短短3個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成堆填,每天超過(guò)10萬(wàn)m3的填方量根本來(lái)不及充分碾壓。因此,勘察報(bào)告對(duì)其土質(zhì)狀況評(píng)價(jià)為“松散”應(yīng)是合理的。
“松散”意味著大的孔隙比和高壓縮性。但是,在現(xiàn)場(chǎng)取土試樣及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)人員做土工實(shí)驗(yàn)時(shí),囿于僅對(duì)“原狀土”做實(shí)驗(yàn)的意識(shí),人為地棄除了明顯的“擾動(dòng)土”,從而使得土工試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)真實(shí)地反映了填土原土的工程特性,卻恰恰未反映出填土應(yīng)有的工程特性。如表1所示,假如填土的孔隙比確實(shí)僅為0.75,也就是其孔隙度僅為43%,基本上接近一般土的平均孔隙度,對(duì)應(yīng)于粉土或砂土,至少是中密以上的狀態(tài),遠(yuǎn)不是“松散”的狀態(tài);而若其壓縮模量達(dá)到4.50,也說(shuō)明其為中壓縮性土,就不會(huì)出現(xiàn)平板荷載試驗(yàn)檢測(cè)出現(xiàn)的結(jié)果了。
由此表明,土工試驗(yàn)的數(shù)據(jù)是假象。對(duì)于土質(zhì)松散的填土,應(yīng)當(dāng)意識(shí)到其已經(jīng)是擾動(dòng)土的本質(zhì),在取土樣以及做土工實(shí)驗(yàn)時(shí),消除慣性的、先入為主的“原狀土”思維定式,尊重其當(dāng)前性狀來(lái)做實(shí)驗(yàn),才能反映出土的實(shí)際性狀。
鑒于高巨粒含量的存在,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判斷土的承載力是不恰當(dāng)?shù)腫1,6]。
由于標(biāo)準(zhǔn)貫入器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),當(dāng)遇到巨粒存在時(shí),將把巨粒往深處擊入,并不斷擊到巨粒表面,使擊數(shù)畸高,反映不出土的整體力學(xué)特性。圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)探頭則不同,其錐形結(jié)構(gòu)可以把接觸到的巨粒擠到側(cè)面,從而達(dá)到測(cè)試目的。這正是規(guī)范說(shuō)明前者僅適用于砂土、粉土和一般黏性土,重型或超重型動(dòng)力觸探才適用于碎石土的原因所在。
該工程勘察報(bào)告中提到標(biāo)貫擊數(shù)偏大,正是基于這一考慮。若不考慮巨粒的作用,如前文所述,場(chǎng)地填土在不做處理的情況下就已經(jīng)有310 kPa的承載力特征值,比因假象而人為抬高了的土工參數(shù)法判別的承載力特征值還高出50 kPa。這顯然是與實(shí)際情況不符的。到檢測(cè)階段,由于強(qiáng)夯階段回填碎石的影響,其標(biāo)貫擊數(shù)更是急劇增大,由之判別承載力無(wú)疑是不妥的。
從勘察報(bào)告的土工實(shí)驗(yàn)仍可以得到的一個(gè)結(jié)論:用于作為填土的黏性土本身工程性質(zhì)是很不錯(cuò)的。實(shí)驗(yàn)表明,其液性指數(shù)為0.35,是硬可塑的土[1],與編錄的描述也相符,按該工程的要求,其承載力是不成問(wèn)題的;而考慮到其高巨粒含量的情況,承載力只能更高。因此,雖然做平板荷載試驗(yàn)要求給出的是承載力是否足夠的結(jié)論,但場(chǎng)地的根本問(wèn)題不是承載力問(wèn)題,而是變形問(wèn)題。
由于得不到填土實(shí)際的參數(shù),事實(shí)上無(wú)法按規(guī)范計(jì)算出場(chǎng)地在設(shè)計(jì)荷載下的沉降量s。不過(guò),根據(jù)平板荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以大致估算出s值。
以某點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例。該點(diǎn)所做的2 m2圓形平板荷載試驗(yàn)所得承載力特征值為120 kPa,測(cè)得沉降量為100 mm。該位置的填土層厚度約20 m,樓的平面尺寸為60 m×25 m。對(duì)于單層土,沉降計(jì)算公式[7-8]為:
2 m2圓形平板半徑r為0.8 m;假設(shè)平板荷載作用深度達(dá)到規(guī)范表格所能查到的最大值5 r,即4 m深,其平均附加應(yīng)力系數(shù)=0.341;p0=120 kPa,s=100 mm。代入式(1)可得:ψS/ES=0.61MPa-1。
與此類似,可以通過(guò)平板荷載試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)估算出其它位置的沉降量及樓面的不均勻沉降量。根據(jù)場(chǎng)地厚度情況及平板荷載試驗(yàn)結(jié)果,并考慮到強(qiáng)夯的有效處理深度,在設(shè)計(jì)荷載下,現(xiàn)場(chǎng)最大沉降量預(yù)計(jì)將可達(dá)3 m以上,甚至達(dá)5 m以上。
從以上分析可以看到,正是因?yàn)槿狈?duì)高巨粒含量黏性填土工程特性的深入了解,導(dǎo)致工程建設(shè)各個(gè)環(huán)節(jié)的些許失誤,最終造成難以挽回的損失。具體的失誤總結(jié)如下。
(1)場(chǎng)地平整方在委托填方時(shí),沒(méi)對(duì)巨厚填土上進(jìn)行建設(shè)的可能問(wèn)題做出恰當(dāng)?shù)念A(yù)判,導(dǎo)致沒(méi)有采取嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的堆填程序進(jìn)行堆填,使得填土呈松散狀,帶來(lái)后期建設(shè)的困難。這是問(wèn)題之源,也是消除問(wèn)題的最關(guān)鍵一環(huán)。該環(huán)節(jié)的失誤,使得后期的損失成為必然,區(qū)別僅僅在于損失的大小。
(2)勘察方雖然對(duì)填土的性質(zhì)有所認(rèn)識(shí),但是認(rèn)識(shí)不夠深入,采取的勘察手段不夠恰當(dāng),給出的建議也有偏差。
其認(rèn)識(shí)不深反映在其所提的填土壓縮模量ES上,雖然對(duì)實(shí)驗(yàn)值有所折減,但給出的4.1 MPa和4.35 MPa仍誤導(dǎo)了設(shè)計(jì),使設(shè)計(jì)認(rèn)為其為中等壓縮性土。根據(jù)2.3節(jié)所述,由平板荷載實(shí)驗(yàn)可得ψS/ES=0.61MPa-1,ES最大也僅有 2.3 MPa,而且這還是經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理之后,亦即勘察階段應(yīng)比2.3 MPa還要小許多。由此可見(jiàn),勘察報(bào)告給出的ES值與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。
關(guān)于其采取的勘察手段,恰如前文所述,場(chǎng)地不適宜采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)做測(cè)試,可其恰恰采用了;取土樣及土工試驗(yàn)也沒(méi)有根據(jù)填土的性質(zhì)做出調(diào)整,而是依葫蘆畫瓢去做,所得數(shù)據(jù)是否有參考價(jià)值并未做出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐袛唷F湟院粚?shí)地基處理作為天然地基的建議,則沒(méi)有考慮到強(qiáng)夯處理的有效深度與場(chǎng)地填土深度不匹配的問(wèn)題,因?yàn)榧幢愫粨裟芨哌_(dá)6 000 kN·m,強(qiáng)夯處理深度也不過(guò)10 m[9],而現(xiàn)場(chǎng)填土平均厚度達(dá)25 m,不可能處理完全;報(bào)告也沒(méi)對(duì)處理后可能的不均勻沉降提出警示。
(3)設(shè)計(jì)方面對(duì)沉降控制的必要性有所認(rèn)識(shí),給出了控制條件,但是,對(duì)填土富含巨粒及其松散性均缺乏認(rèn)識(shí),具體表現(xiàn)在提出的檢測(cè)方案和施工方案中。在檢測(cè)方案中,安排用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)驗(yàn)證承載力,如前所述,在勘察報(bào)告已說(shuō)明填土含大量碎石及塊石的情況下是不當(dāng)?shù)?;而其要求?qiáng)夯施工時(shí)若夯坑過(guò)深則用碎石回填,卻沒(méi)考慮到這將使標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)更加不適用。在施工方案中,面對(duì)最厚超過(guò)60 m、平均厚度25 m的填土,采用夯擊能3 000 kN·m的強(qiáng)夯就期待解決問(wèn)題,并且其處理要求也主要是要求達(dá)到200 kPa的承載力,并沒(méi)認(rèn)識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)地基主要不是承載力控制,而是沉降變形控制。
(4)施工延續(xù)了設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí),在其施工中沒(méi)意識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)土的硬度和超常夯沉量之間的矛盾。從其強(qiáng)夯施工記錄可見(jiàn),場(chǎng)地不同位置的夯沉量差異很大,在夯擊5次的情況下,最大的接近1.50 m,最小的只有0.4 m。同時(shí),施工沒(méi)有按要求達(dá)到最后兩擊平均沉降量小于50 mm才停夯的要求,而是提前停止了夯擊。
(5)做標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的檢測(cè)方,在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)明顯存在大量碎石的情況下,仍然用規(guī)范中黏性土的承載力判別表來(lái)判別承載力,既沒(méi)提出標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的不適用,也沒(méi)意識(shí)到判別方式的不適用。
當(dāng)然,問(wèn)題既然已經(jīng)發(fā)生,在分析原因之外,采取適當(dāng)?shù)拇胧┩鲅蜓a(bǔ)牢是至關(guān)重要的。
鑒于現(xiàn)場(chǎng)松散填土最厚超過(guò)60 m、平均厚度25 m的狀況,繼續(xù)使用強(qiáng)夯無(wú)疑并不合適。若設(shè)計(jì)方面仍未意識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)的巖土問(wèn)題不是由承載力控制,而是由沉降變形控制,僅僅加大夯擊能仍然堅(jiān)持用強(qiáng)夯法處理地基,最終可能帶來(lái)后期更大的損失。因?yàn)椋哟蠛粨裟芴幚砗?,平板荷載試驗(yàn)結(jié)果可能合格了,但是,鑒于強(qiáng)夯處理有效深度最多10 m左右,更深的填土狀態(tài)仍然沒(méi)有改變,問(wèn)題不是沒(méi)有了,而是被暫時(shí)掩蓋了。當(dāng)在此檢測(cè)“合格”的地基上進(jìn)行工程建設(shè)后,由于這些建筑物的荷載是大面積的,其附加應(yīng)力將傳遞到比平板荷載更深的土體上,引起大范圍的沉降和不均勻沉降,最終導(dǎo)致建筑物的下沉、傾斜和開(kāi)裂。
因此,最佳的措施是采取大面積堆載預(yù)壓處理,預(yù)壓荷載宜超過(guò)設(shè)計(jì)荷載一定量。由于其并非飽和土,不存在排水問(wèn)題,從平板荷載試驗(yàn)結(jié)果看,堆載一段時(shí)間使其完成主固結(jié)。堆載可分塊進(jìn)行,堆載時(shí)要根據(jù)鉆探資料計(jì)算可能的不均勻沉降,再根據(jù)計(jì)算結(jié)果適當(dāng)墊高土層厚的一側(cè)再堆載,使堆載體有初始的反傾,以免過(guò)大的不均勻沉降導(dǎo)致堆載體傾斜坍塌;在傾斜超過(guò)預(yù)期,存在坍塌危險(xiǎn)時(shí),要及時(shí)卸載調(diào)整后再繼續(xù)堆載。
在此基礎(chǔ)上,根據(jù)堆載過(guò)程的沉降分布規(guī)律,建筑物宜盡可能采取設(shè)置沉降縫等結(jié)構(gòu)措施,以預(yù)防后期次固結(jié)產(chǎn)生的沉降和不均勻沉降。
由本文的研究可得出以下認(rèn)識(shí)。
(1)巖土問(wèn)題千變?nèi)f化,沒(méi)有一定之規(guī),一定要具體問(wèn)題具體分析。囿于慣性思維而生搬硬套可能導(dǎo)致難以挽回的損失。這是作為一名巖土工程師務(wù)必牢記的。
(2)高巨粒含量的黏性土實(shí)際上是混合土,其工程性質(zhì)不同于一般的黏性土,作為勘察人員,必須明確提出,不能略而不談,否則將誤導(dǎo)參與建設(shè)的其它各方。
(3)對(duì)“原狀”填土也是擾動(dòng)土必須有清醒的認(rèn)識(shí),在不得不以其為地基時(shí),要有針對(duì)性的勘察方案和實(shí)驗(yàn)方法,不能按常規(guī)針對(duì)原狀土的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)處理,參數(shù)建議也要更為慎重。
(4)認(rèn)識(shí)問(wèn)題要認(rèn)識(shí)本質(zhì),認(rèn)識(shí)的不同,決定了設(shè)計(jì)思路的不同。高巨粒含量的黏性填土的工程特性本質(zhì)上不存在承載力問(wèn)題,而是沉降變形問(wèn)題;固結(jié)過(guò)程不存在排水的問(wèn)題,只存在壓密和蠕變的問(wèn)題。因此,當(dāng)填土厚度太大,強(qiáng)夯不能達(dá)到消除變形的作用時(shí),變換思路采取堆載處理就是自然的選擇;而由于場(chǎng)地填土為高巨粒含量的黏性土,而不是軟土,其堆載時(shí)間不需要太長(zhǎng)即可完成主固結(jié)。同時(shí),建筑物宜盡可能采取設(shè)置沉降縫等結(jié)構(gòu)措施,以預(yù)防后期次固結(jié)產(chǎn)生的沉降和不均勻沉降。
以上結(jié)論歸結(jié)起來(lái),就是建設(shè)方一定要高度重視工程建設(shè)的專業(yè)性和嚴(yán)肅性,委托在理論和經(jīng)驗(yàn)上都技術(shù)實(shí)力足夠強(qiáng)的隊(duì)伍參與這類重大工程的建設(shè),才能減少類似的失誤和損失。
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