欠固結(jié)吹填造陸區(qū)建筑嵌固穩(wěn)定層研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

陳曙騰

（廣東省第二建筑工程有限公司 廣東汕頭515041）

0 引言

沿海經(jīng)濟(jì)活躍地區(qū)實(shí)施填海造地，大多采用外圍防波堤、圍堤一次建設(shè)完成，但在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的前提下，短時(shí)間內(nèi)圍填海造地后得到的規(guī)劃區(qū)域并不能很好地滿足建造工程對場區(qū)的實(shí)際要求［1，2］，填海造陸區(qū)域形成的欠固結(jié)軟弱地基，如不進(jìn)行技術(shù)研究處理，將直接影響房屋市政工程以及建構(gòu)筑物的施工安全和工程建造質(zhì)量，影響建筑物使用功能以及全壽命使用安全的實(shí)現(xiàn)［3］。

結(jié)合汕頭市東海岸某項(xiàng)目建設(shè)需要，在填海造陸后的欠固結(jié)新場區(qū)上進(jìn)行地基綜合處理［4］，研究并總結(jié)了在圍海造陸后高含水率、欠固結(jié)、高壓縮性軟弱地基上，采取有效措施提高表層硬度和提高建筑嵌固穩(wěn)定層的建筑施工成套技術(shù)，在工程實(shí)例中得到成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在全面軟弱地基場區(qū)上快速建造體育場館及其配套設(shè)施的目標(biāo)。

1 地質(zhì)概況

汕頭市東海岸新城，圍海造地面積20 km2。某體育場館項(xiàng)目場區(qū)原為灘涂及淺海地帶，后經(jīng)由吹沙填海而成?，F(xiàn)有地塊場地地勢平坦，低洼處有積水，場地內(nèi)局部還在填土［5］。

場區(qū)內(nèi)流塑狀表層極度軟弱，如圖1 所示。地質(zhì)勘探結(jié)果揭示，本場區(qū)地表為粉細(xì)砂層和淤泥層，在強(qiáng)力震動(dòng)或者地震時(shí)砂層會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象，場地砂層厚度局部較大，其含水量豐富；地下水賦存條件良好，一般具中等透水性、富水性中等。同時(shí)，場區(qū)原為灘涂，場地內(nèi)巖土種類較多，巖土層埋深及層厚變化大，會(huì)因地基的不均勻性造成施工時(shí)產(chǎn)生其它不利影響［6］。

圖1 場區(qū)極度軟弱的流塑狀表層Fig.1 Extremely Weak Fluid-plastic Surface in the Field Area

2 關(guān)鍵技術(shù)和特點(diǎn)

欠固結(jié)吹填造陸區(qū)建筑嵌固穩(wěn)定層研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，為設(shè)計(jì)和施工成套技術(shù)，包括：大面積流質(zhì)性軟弱地基就地固化施工技術(shù)、吹填層及軟土地基的沉降控制技術(shù)、嵌固穩(wěn)定層的樁基施工及穩(wěn)定技術(shù)、樓棟內(nèi)軟基攪拌樁滿堂加固及周邊支護(hù)技術(shù)、人工水系與景觀塑型穩(wěn)定技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)主要有：①對填海造陸區(qū)域形成的欠固結(jié)軟弱地基進(jìn)行土力學(xué)分析研究，對特殊地基條件下的施工建造再研究，提出軟基處理技術(shù)方案，為實(shí)現(xiàn)快速化城市房屋市政工程建造創(chuàng)造條件。②研究、優(yōu)化、實(shí)施就地固化處理技術(shù)。本技術(shù)是一種利用固化劑對軟土進(jìn)行快速硬化的固化技術(shù)，使土體14 d承載力不小于100 kPa，28 d 承載力不小于130 kPa［7］，滿足材料運(yùn)輸、施工機(jī)械作業(yè)以及建造施工活動(dòng)對地基承載力的要求。③采用GeoStudio 軟件和FLAC3D 建立地質(zhì)模型，在河涌開挖前進(jìn)行多種施工方案分析，優(yōu)選出適合場區(qū)施工的最佳方案，排除了施工過程中可能出現(xiàn)的未知因素，節(jié)省了施工過程中不必要的費(fèi)用。④針對河涌開挖出后的河堤基礎(chǔ)采用充填砂性土袋堤心結(jié)構(gòu)，通過層層袋布的抗拉作用，增加堤體的抗滑力。⑤提高樁基自身的防腐性能，優(yōu)化混凝土配合比，使管樁在土壤侵蝕過程中，混凝土能利用內(nèi)外濃度差的作用，來增強(qiáng)樁身的強(qiáng)度。⑥提出并采用一種適應(yīng)軟土地基的施工技術(shù)，對承臺(tái)采用支護(hù)格構(gòu)式水泥土攪拌樁墻加上封底水泥攪拌樁聯(lián)合處理技術(shù)，對整體樓棟周邊采用支護(hù)格構(gòu)式水泥土攪拌樁墻支護(hù)處理技術(shù)。在軟土地質(zhì)情況下，使得單體樓棟的基礎(chǔ)形成一個(gè)大包圍，有效消除土層的沉降變形，提高單體建筑四周土體地基承載力。

3 就地固化施工技術(shù)和施工工藝

3.1 大面積軟弱地基就地固化施工技術(shù)

本技術(shù)的施工設(shè)備如圖2、圖3 所示，主要包括：液壓強(qiáng)力攪拌頭、改裝挖機(jī)、后臺(tái)供料系統(tǒng)以及固化劑添加控制系統(tǒng)等。主要技術(shù)已經(jīng)研發(fā)并形成專利。

圖2 液壓強(qiáng)力攪拌就地固化處理設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Local Solidification Treatment Equipment with Hydraulic Strong Stirring

圖3 挖機(jī)型就地固化設(shè)備Fig.3 Excavating Machine Local Curing Equipment

后臺(tái)供料系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種固化劑的同時(shí)供料。實(shí)時(shí)控制固化劑的添加量，實(shí)時(shí)記錄和保存固化劑用量過程，并形成報(bào)告。

3.2 土體就地固化處理技術(shù)施工流程

①場地整平。②劃分為10～30 m2或尺寸為5 m×5 m 或5 m×6 m 的區(qū)域，并根據(jù)該處理區(qū)域的處理厚度計(jì)算固化劑用量的配比和調(diào)制，固化劑自動(dòng)定量供料系統(tǒng)設(shè)置固化劑含量。③根據(jù)現(xiàn)場淤泥含水率高低情況，分別采用漿劑或粉劑施工。④采用強(qiáng)力攪拌頭裝備對原位土進(jìn)行均勻攪拌［8］。根據(jù)現(xiàn)場土樣含水率的高低以及固化劑形式，施工時(shí)攪拌頭垂直上下攪拌固化，直至達(dá)到固化范圍內(nèi)設(shè)計(jì)高程，然后攪拌設(shè)備反向運(yùn)行緩慢提升攪拌并噴固化劑，攪拌提升或下降速率控制在10～20 s/m，固化劑噴料速率控制在100～200 kg/min（粉劑）和80～150 kg/min（漿劑）［9］。⑤就地固化處理采用位點(diǎn)固化完成并且推進(jìn)結(jié)合的形式進(jìn)行。各區(qū)塊之間應(yīng)有5～8 cm以上的搭接寬度，不得漏攪，如圖4所示。

圖4 就地固化施工設(shè)備推進(jìn)方式Fig.4 Propulsion Mode of In-situ Solidification Construction Equipmen

3.3 就地固化攪拌方式

就地強(qiáng)力攪拌，將固化劑與原位土逐步攪拌到地基處理深度，其攪拌方式如圖5所示。

圖5 就地固化攪拌方式Fig.5 Solidification and Stirring Method in Situ

4 水系河涌塑型穩(wěn)定施工技術(shù)

對地下水位以上土層土樣進(jìn)行土的腐蝕性分析，可判定場區(qū)中吹填的土質(zhì)pH值大都在6以上，含鹽量較高，質(zhì)地粘性重，土骨架比較軟。

4.1 河涌塑形和土體開挖穩(wěn)定技術(shù)

就地固化技術(shù)實(shí)施后，表層吹填層含水量已降低，但人工河涌位置的吹填淤泥表層下，深度20～24 m處為軟弱淤泥質(zhì)土，需進(jìn)行第二輪土體加固，否則，馬上開挖引起的外界擾動(dòng)將無法成功塑型和穩(wěn)定。

通過GeoStudio 軟件分析，豎向排水結(jié)果會(huì)受淤泥的水力傳導(dǎo)系數(shù)影響。同時(shí)天然海相沉積土的水力傳導(dǎo)系數(shù)相差比較大，可能會(huì)有幾個(gè)數(shù)量級的差別。在這種情況下，如果插入排水板，可能會(huì)對天然吹填土有較大的擾動(dòng)作用，如圖6所示。

圖6 超靜孔隙水壓力產(chǎn)生與消散示意圖Fig.6 Generation and Dissipation of Excess Pore Water Pressure

4.2 攪拌樁施工技術(shù)

延河涌走向設(shè)置2 道單排隔離樁，隔離樁為直徑500 mm 水泥攪拌樁，樁間距0.8 m，排間距為1.0 m，對土體進(jìn)行穩(wěn)固。

攪拌樁采用四攪四噴法施工，采用42.5R普通硅酸鹽水泥，配漿水灰比為0.5～0.6，水泥摻入比為13%～15%（樁水泥用量約55～60 kg/m）；攪拌樁施工過程中應(yīng)保持注漿壓力到0.5 MPa以上，保證漿液注入效果。

通過GeoStudio 軟件分析，在二維模型中，使用與單位厚度模型中同樣的材料參數(shù)，表面沉降量如圖7所示。最大沉降量在軸線部分，最大值為1.2 m。結(jié)果比單位厚度模型中的0.85 m稍大。沉降量為1.2 m，與實(shí)際測量獲得的數(shù)值結(jié)果相近。

圖7 地表沉降值Fig.7 Surface Settlement Value

利用FLAC3D 建立地質(zhì)模型，當(dāng)經(jīng)過固結(jié)作用后，沉降會(huì)趨于穩(wěn)定，土體的固結(jié)已經(jīng)趨于平穩(wěn)，位移方向會(huì)從整體上表現(xiàn)為豎直向下，說明固結(jié)達(dá)到一定時(shí)間一定程度后，土體位移不再表現(xiàn)出明顯的偏轉(zhuǎn)趨勢，而是穩(wěn)定不變［10］。

4.3 河堤塑型穩(wěn)定技術(shù)

在開挖河涌時(shí)，采用傳統(tǒng)的斜坡式結(jié)構(gòu)，邊開挖放坡時(shí)邊在軟土中填入碎石等無凝聚性粗骨料，以形成強(qiáng)度大于周圍原地基土的復(fù)合地基［11］，為機(jī)械施工操作提供一定的工作面。開挖整理成型的河堤基礎(chǔ)，實(shí)施拋填碎石級配或粗砂墊層、鋪設(shè)高強(qiáng)土工布等措施進(jìn)行加固，河堤采用充填砂性土袋等多種代用材料，護(hù)面結(jié)構(gòu)可采用毛石進(jìn)行砌筑。充填砂性土袋堤心結(jié)構(gòu)，用于調(diào)整下部地基的不均勻沉降，且通過層層袋布的抗拉作用，增加堤體的抗滑力矩，而且與后期將建設(shè)的2條橫跨河涌的橋?qū)?0 m、橋長30 m 的車行橋及橋?qū)? m、橋長27 m 的人行橋進(jìn)行很好的銜接。如圖8所示。

圖8 河涌斷面Fig.8 River Surge Section

5 市政橋梁橋臺(tái)樁基抗酸性措施技術(shù)

為提高建筑樁基的耐久性［3］，提高樁身混凝土密實(shí)度、力學(xué)強(qiáng)度、抗硫酸鹽侵蝕、Cl-侵蝕以及抗中性化能力等樁基自身防腐性能，對高強(qiáng)管樁混凝土提出特別要求，優(yōu)化混凝土配合比、選用粉煤灰與礦粉雙摻及堿性組分等。使管樁在土壤中的硫酸鹽侵蝕過程中，混凝土在內(nèi)外濃度差的作用下，外界S042-通過孔隙向混凝土內(nèi)部遷移；水泥石中的OH-、Ca2+向外界擴(kuò)散、溶出。使S042-離子先與水化產(chǎn)物Ca（0H）2作用生成硫酸鈣，硫酸鈣再與水泥石中的水化鋁酸鈣或單硫型硫鋁酸鈣反應(yīng)生成AFt。由于地下水中的S042-離子濃度較高，水泥石中氫氧化鈣和水化硅酸鈣直接跟S042-結(jié)合生成石膏，并與粉煤灰、礦粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及固化，有利于增強(qiáng)樁身的強(qiáng)度。

6 樓棟周邊支護(hù)攪拌樁滿堂加固技術(shù)

由于就地加固技術(shù)只能對6～7 m 內(nèi)土層進(jìn)行固結(jié)，并不能更深層次地對單體樓棟周圍進(jìn)行加固。根據(jù)工程勘察報(bào)告顯示，場區(qū)吹填造陸完成后，場地表層為6～8 m 厚吹填土，其下為10～12 m 厚的海相沉積的淤泥及淤泥質(zhì)粘土。為消除土層的沉降變形，提高單體建筑四周土體地基承載力，樓棟周邊采用支護(hù)格構(gòu)式水泥土攪拌樁墻支護(hù)處理方式，承臺(tái)采用水泥土攪拌樁墻支護(hù)加封底水泥攪拌樁聯(lián)合處理方式。如圖9所示。

支護(hù)攪拌樁樁徑0.5 m，格構(gòu)式布置，樁頂標(biāo)高為-0.6 m，樁長約2.3Ha（約2.9 m），（Ha=相鄰承臺(tái)高度+0.1 m）。滿布攪拌樁樁徑為0.5 m，樁長為1 m，樁間距為0.5 m×0.5 m，矩形布置，樁頂標(biāo)高為承臺(tái)墊層底標(biāo)高。滿布攪拌樁樁頂在截面高低交界處進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)［1］。

7 應(yīng)用效果和體會(huì)

⑴“就地固化液壓強(qiáng)力攪拌”裝置通過在軟土中進(jìn)行攪拌，漿液與軟弱地基一起組合固化反應(yīng)形成新的復(fù)合地基，提高地基土強(qiáng)度和穩(wěn)定性，對未固結(jié)的土體實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度提升，快速實(shí)現(xiàn)欠固結(jié)造陸區(qū)建設(shè)高層建筑和體育場館項(xiàng)目的目標(biāo)。

圖9 封底水泥攪拌樁Fig.9 Sealing Cement Mixing Pile

⑵運(yùn)用GeoStudio 軟件進(jìn)行驗(yàn)算，提出優(yōu)化的方案，有效地穩(wěn)固土體結(jié)構(gòu)，保證塑形效果，控制河涌開挖過程中邊坡失穩(wěn)等不良現(xiàn)象產(chǎn)生，確保河堤和市政橋梁施工順利進(jìn)行，施工質(zhì)量得到保證，工后沉降控制效果顯著。

⑶對建筑地基基礎(chǔ)進(jìn)行研究分析，提出一種適應(yīng)軟土地基的“支護(hù)格構(gòu)式水泥土攪拌樁墻支護(hù)+封底水泥攪拌樁聯(lián)合處理”、“支護(hù)格構(gòu)式水泥土攪拌樁墻支護(hù)”等施工技術(shù)，在軟土地質(zhì)情況下，運(yùn)用新型加固土層條件，使得單體樓棟的基礎(chǔ)形成一個(gè)大包圍，保證樁基基礎(chǔ)穩(wěn)定，工程質(zhì)量得到大幅提升。