澳門東填土區(qū)地基處理效果分析

陶旭光，鈕建定，楊 鋒

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200232)

1 工程概況

澳門東填土區(qū)南北向共長2 400 m，東西向最窄處560 m、最寬處730 m，總填海造地面積約138萬m2，新建海堤總長5 658 m。場地通過吹填砂土的方式成陸，成陸區(qū)由不同隔堤進(jìn)一步隔開細(xì)分成較小分區(qū)，見圖1。

澳門東填土區(qū)地貌屬于珠江三角洲河口沖積海積平原地貌類型，原始海床地基主要由第四紀(jì)松散堆積層、殘積土層和燕山期侵入的花崗巖[1]及其風(fēng)化層組成。場區(qū)原始海床淺表部分布的軟黏性土工程特征與珠江三角洲軟土特征[2-3]相符，具體表現(xiàn)為含水量高、壓縮性高、強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)性好、靈敏度高?，F(xiàn)已對(duì)原始海床中軟黏性土和成陸后的吹填砂進(jìn)行了地基處理，以滿足場區(qū)作為建設(shè)場地的基本需求。

本文在分析場區(qū)地基土層特性、地基處理設(shè)計(jì)方案與施工關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)工程監(jiān)測及檢測成果的對(duì)比、分析，從而檢驗(yàn)該場區(qū)地基處理效果，并為同類工程提供借鑒。

圖1 澳門東填土區(qū)吹填分區(qū)

2 場區(qū)地基條件

2.1 原始海床地基

澳門東填土區(qū)吹填前巖土勘察得到的原始地基土層分布及特征見表1，典型地質(zhì)剖面見圖2。其中Ⅱ灰黃-灰色淤泥層厚度一般為7.0～12.9 m，為高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的靈敏軟弱黏性土層，其物理力學(xué)指標(biāo)見表2，該層在上部荷載作用下易產(chǎn)生沉降和不均勻沉降，為主要壓縮層。

圖2 典型地質(zhì)剖面(單位：m)

表1 吹填前地基土層分布及特征

表2 Ⅱ灰黃-灰色淤泥層物理力學(xué)指標(biāo)

表2中的統(tǒng)計(jì)值是基于原狀土樣的室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，按照現(xiàn)行的《水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]統(tǒng)計(jì)計(jì)算求得，變異系數(shù)在合理區(qū)間內(nèi)，統(tǒng)計(jì)值代表了該層的工程地質(zhì)性質(zhì)。Ⅱ灰黃-灰色淤泥層室內(nèi)壓縮試驗(yàn)e-p(孔隙比-壓力)關(guān)系曲線見圖3。

圖3 Ⅱ灰黃-灰色淤泥層壓縮試驗(yàn)e-p曲線

2.2 吹填砂

填海區(qū)成陸后的表部地基土由兩次人工吹填形成，成分為中粗砂，呈松散狀堆積，累計(jì)厚度為4.5～7.9 m。第一次吹填，因原始海床泥面高程為-2.8～0.6 m，通過吹(回)填砂土墊層以形成地基處理施工作業(yè)面，吹填至3.5 m；第二次吹填，作為預(yù)壓堆載料回填，堆載厚度為3.8 m，堆載預(yù)壓完成后卸載至設(shè)計(jì)高程。

3 地基處理

3.1 設(shè)計(jì)方案

澳門東填土區(qū)地基處理方法經(jīng)比選分析后，采用類似澳門機(jī)場人工島地基處理B方案中安全區(qū)的設(shè)計(jì)方法[5]。Ⅱ灰黃-灰色淤泥層處理方法為排水固結(jié)法(插打塑料排水板+真空聯(lián)合堆載預(yù)壓)，吹填砂處理方法為振沖擠密+振動(dòng)碾壓法。場地的處理目標(biāo)為：1)地基加固整平后的表層承載力達(dá)到120 kPa以上；2)經(jīng)振沖擠密后，在3.0 m以下靜力觸探錐尖阻力值≥6 MPa，在3.0 m以上靜力觸探錐尖阻力值≥8 MPa；3)工后殘余沉降值≤500 mm，差異沉降< 1400樁距。不同的是，澳門機(jī)場項(xiàng)目是在安全區(qū)對(duì)淺表部軟黏性土采用排水固結(jié)法(插打塑料排水板+堆載預(yù)壓)處理，對(duì)吹填砂采用了振沖擠密+振動(dòng)碾壓法處理，而在跑道和滑行道區(qū)則因承載力和變形要求更高進(jìn)行了清淤換填。

3.2 沉降量與固結(jié)度計(jì)算

3.2.1最終沉降量

根據(jù)《水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范》，Ⅱ淤泥層最終沉降量計(jì)算公式采用分層總和法，其中沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ms取1.2，則成陸區(qū)平均沉降計(jì)算值的計(jì)算結(jié)果為：Ⅱ淤泥層堆載荷載下最終沉降量1.982 m，Ⅱ淤泥層施工期沉降量1.586 m，吹(回)填砂層施工期沉降量為0.50 m，施工期發(fā)生的總沉降量2.086 m，10年和30年內(nèi)發(fā)生的工后殘余沉降分別為0.08、0.34 m。

3.2.2固結(jié)度

固結(jié)度計(jì)算邊界條件：真空預(yù)壓壓力為80 kPa，堆載壓力為59.4 kNm2，加載過程用時(shí)約60 d，堆載滿載60 d，聯(lián)合預(yù)壓總時(shí)長為自抽真空滿載起150 d。

根據(jù)《水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范》，排水板加固地基的平均固結(jié)度按照多級(jí)荷載的固結(jié)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 真空預(yù)壓固結(jié)度發(fā)展

3.3 施工技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)

3.3.1吹填砂墊層

自天然泥面吹填中粗砂至高程3.5 m，作為真空預(yù)壓起始高程。

3.3.2插打塑料排水板

按照正方形網(wǎng)格1.0 m×1.0 m設(shè)置，深度穿透淤泥層并進(jìn)入下部土層不小于1.0 m，排水板材料采用高性能可測深塑料排水板。

3.3.3真空預(yù)壓

真空預(yù)壓工作流程為施打泥漿攪拌墻→鋪設(shè)真空濾管→壓膜密封溝→鋪設(shè)密封膜→設(shè)置真空泵。泥漿攪拌墻要求進(jìn)入淤泥不透水層不小于1 m，真空預(yù)壓區(qū)內(nèi)設(shè)置濾管、無紡布及密封膜，每1 000 m2布置1臺(tái)真空泵，維持密封膜下真空度不低于600 mm汞柱(約80 kPa)。

3.3.4堆載預(yù)壓

堆載預(yù)壓過程見圖4。堆載預(yù)壓分3級(jí)：第一級(jí)預(yù)壓荷載為1.2 m厚中粗砂，自抽真空滿載30 d后開始；第二級(jí)預(yù)壓荷載為1.2 m厚中粗砂，自第一級(jí)堆填完成并穩(wěn)定后開始；第三級(jí)預(yù)壓荷載為1.4 m厚中粗砂，自第二級(jí)堆填完成并穩(wěn)定后開始。

圖4 堆載預(yù)壓過程

3.3.5卸載

滿足加載時(shí)間且根據(jù)實(shí)測沉降數(shù)據(jù)推算的固結(jié)度達(dá)到85%即可分級(jí)卸載。

4 地基監(jiān)測及檢測成果分析

4.1 監(jiān)測及檢測點(diǎn)布設(shè)

填土區(qū)平均約1萬m2布設(shè)1組監(jiān)測及檢測項(xiàng)目[6]，包括表層沉降、孔隙水壓力、深層沉降、深層測斜、標(biāo)貫試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、荷載板試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)等。典型分區(qū)監(jiān)測及檢測點(diǎn)的布置如圖5所示。

圖5 典型分區(qū)監(jiān)測及檢測點(diǎn)平面布置

4.2 表層沉降監(jiān)測結(jié)果分析

表層沉降監(jiān)測目的：1)在加載期通過監(jiān)測沉降速率、控制加載速率方面確保地基穩(wěn)定，加載期監(jiān)測頻率按1次d，加載速率控制標(biāo)準(zhǔn)按沉降量≤20 mmd；2)在即將卸載前利用沉降數(shù)據(jù)計(jì)算固結(jié)度，預(yù)測沉降趨勢，確定卸載時(shí)間。

4.2.1沉降監(jiān)測曲線

以A2區(qū)沉降盤S7的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例(圖6)，2014-11-18開始抽真空，2014-11-25真空滿載即膜下真空度達(dá)到80 kPa，2014-12-02開始堆載，2015-01-05堆載至滿載。

圖6 沉降量-時(shí)間關(guān)系曲線

由圖6可知：1)沉降盤安裝至開始抽真空前近3個(gè)月時(shí)間里，軟土已經(jīng)部分固結(jié)，累計(jì)沉降量達(dá)0.6 m，沉降速率隨時(shí)間增長而逐漸變慢；2)自抽真空開始，沉降速率明顯加快；3)堆載開始后沉降速率再次加快，直至卸載完成；4)卸載后沉降曲線趨于平穩(wěn)，自卸載后的2015年5月—2018年1月的32個(gè)月時(shí)間內(nèi)，累計(jì)沉降量僅約0.1 m；5)自2014年8月—2018年1月的整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)，累計(jì)沉降量達(dá)2.12 m。

4.2.2基于實(shí)測沉降數(shù)據(jù)計(jì)算的固結(jié)度

以A2區(qū)其中3個(gè)沉降盤的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，從抽真空恒載開始后第150 d，沉降盤累計(jì)沉降量分別為2.01、1.97、1.60 m，平均沉降量1.86 m。

基于實(shí)測沉降數(shù)據(jù)，分別采用經(jīng)驗(yàn)比較成熟的三點(diǎn)法、雙曲線法[7-8]進(jìn)行最終沉降量及固結(jié)度的估算，三點(diǎn)法估算平均固結(jié)度為90%，雙曲線法估算平均固結(jié)度為86%，均滿足設(shè)計(jì)方案卸載時(shí)固結(jié)度85%的要求。

4.3 荷載板試驗(yàn)結(jié)果分析

典型荷載板試驗(yàn)p-s(荷載-沉降)關(guān)系曲線見圖7。當(dāng)荷載從0增大至264 kPa的過程中，沉降量隨荷載的增長呈線性遞增，至264 kPa時(shí)未達(dá)到極限荷載，據(jù)此判斷其極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值大于264 kPa，承載力特征值按12取值，其值大于132 kPa，滿足承載力要求。當(dāng)荷載為132 kPa時(shí)，沉降量僅為1.5 mm。

圖7 典型載荷板試驗(yàn)p-s關(guān)系曲線

4.4 靜力觸探試驗(yàn)成果對(duì)比

吹填砂采用振沖擠密法進(jìn)行了處理，處理前后均進(jìn)行了靜力觸探試驗(yàn)，對(duì)比曲線見圖8。

從圖8可知，地基處理前后吹填砂層的工程性質(zhì)明顯改善，表現(xiàn)為：1)處理前吹填砂在垂直方向上性質(zhì)不均勻，錐側(cè)摩阻力qc差異較大，處理后吹填砂在垂直方向上性質(zhì)相近，均勻性較好，錐側(cè)摩阻力基本上無較大差異；2)處理前吹填砂大部分呈松散狀，局部呈稍密-中密狀，處理后吹填砂總體上呈中密-密實(shí)狀。

圖8 吹填砂處理前后靜探試驗(yàn)曲線對(duì)比

4.5 室內(nèi)試驗(yàn)成果對(duì)比

在場區(qū)內(nèi)均勻選取8個(gè)檢測鉆孔中共計(jì)24個(gè)Ⅱ淤泥層薄壁原狀土樣，對(duì)其試驗(yàn)成果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，結(jié)果見表4，并與地基處理前其物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，見表5。

由表5可知，地基處理前后Ⅱ淤泥層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變化較大，具體為：1)含水量從74.1%減小到49.8%；2)天然密度由1.57 gcm3增大到1.71 gcm3；3)孔隙比從2.03減小到1.40；4)壓縮模量從1.60 MPa增大到2.33 MPa；5)三軸不固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)黏聚力c值從5.5 kPa增大到25.5 kPa；6)三軸固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)黏聚力c值從4.5 kPa增大到18.4 kPa，有效黏聚力c’值從4.5 kPa增大到13.2 kPa。

表4 Ⅱ淤泥層地基處理后土的物理力學(xué)指標(biāo)

表5 Ⅱ淤泥層地基處理前后物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)論

1)澳門東填土區(qū)軟黏性土地基采用針對(duì)性設(shè)計(jì)，進(jìn)行排水固結(jié)處理后，卸載時(shí)固結(jié)度達(dá)到了85%以上，殘余沉降值控制在500 mm以內(nèi)。

2)軟黏性土工程地質(zhì)性質(zhì)得到了較大程度的改良，含水量明顯降低，密度明顯增大，孔隙比明顯減小，壓縮模量明顯增大，抗剪強(qiáng)度大幅增加。

3)吹填砂經(jīng)振動(dòng)擠密處理，由松散堆積狀變?yōu)橹忻?密實(shí)狀，處理后的靜力觸探錐尖阻力qc值達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4)整平后場區(qū)表層承載力達(dá)到了132 kPa以上，達(dá)到了表部承載力的要求。

5)監(jiān)測方案能夠滿足地基處理設(shè)計(jì)、施工的要求。加載期和恒載期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)控制加載速率、卸載時(shí)間起到指導(dǎo)作用。

6)隨著地基監(jiān)測工作的持續(xù)，可根據(jù)各區(qū)的長期實(shí)際沉降量，對(duì)最終沉降量做出更準(zhǔn)確的預(yù)測，從而進(jìn)一步研究工后殘余沉降量，或通過選取更合理的沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ms，使地基沉降量估算值與目標(biāo)值更接近，以便指導(dǎo)本地區(qū)同類項(xiàng)目的地基處理工作。