天津東疆港區(qū)軟土層的工程地質(zhì)特征與地基處理

肖雄丙，盧永生，鄭 偉

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

天津東疆港區(qū)軟土層的工程地質(zhì)特征與地基處理

肖雄丙，盧永生，鄭 偉

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

結(jié)合天津港東疆港區(qū)的工程實(shí)例，給出了東疆港區(qū)軟土層主要物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值，并和新港地區(qū)的軟土進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)計(jì)算分析，給出了東疆港區(qū)軟土的地基處理參數(shù)建議值。

東疆港區(qū)；軟土；工程地質(zhì)特征；地基處理；固結(jié)系數(shù)；沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

引 言

天津港東疆港區(qū)位于天津港東北部，永定新河口入?？谀喜?，為淺海灘涂人工吹填造陸形成的三面環(huán)海半島式港區(qū)，總面積約30 km2。它是東疆保稅港區(qū)的坐落地，是天津市建設(shè)中國(guó)北方國(guó)際航運(yùn)中心和國(guó)際物流中心的重要區(qū)域。東疆港區(qū)為吹填形成，海域軟土層厚約15 m，陸域軟土層厚約21 m。軟土層是地基處理、穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的主要土層，是東疆港區(qū)建設(shè)需要解決的關(guān)鍵工程問(wèn)題。本文結(jié)合東疆港區(qū)的工程實(shí)例，對(duì)該區(qū)域的軟土層的工程地質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行探討，并對(duì)地基處理參數(shù)進(jìn)行分析。

1 軟土層的分布特征及工程地質(zhì)性質(zhì)

1.1 軟土層的分布特征

東疆港區(qū)的軟土層主要分三大層，第一層為吹填形成的沖填土，以淤泥和淤泥質(zhì)土為主，流塑狀，中～高塑性，夾粉土、砂粒和碎貝殼，土質(zhì)極不均勻，工程地質(zhì)性質(zhì)差異性較大，厚度5～7 m不等；第二層為海相沉積層淤泥，流塑狀，高塑性，含少量碎貝殼，夾砂斑、粉土團(tuán)和粉土薄層，厚度 8～10 m不等；第三層為海相沉積層淤泥質(zhì)粘土，流塑～軟塑狀，高塑性，含少量碎貝殼，夾砂斑、粉土團(tuán)和粉土薄層，厚度5～7 m不等。東疆地區(qū)的軟土層分布的底高程比較穩(wěn)定，一般在-15 m左右。

1.2 軟土層的十字板抗剪強(qiáng)度

軟土的十字板抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是真正原位條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，能較真實(shí)的反映軟土層的工程地質(zhì)特性，十字板抗剪強(qiáng)度Cu值與高程H存在線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)東疆港區(qū)的 2470件軟土層的十字板剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)按最小二乘法進(jìn)行了線(xiàn)性分析，線(xiàn)性分析曲線(xiàn)詳見(jiàn)圖 1。東疆港區(qū)軟土層的十字板抗剪強(qiáng)度Cu值與H的關(guān)系式為：Cu=-1.79H+7.62。

圖1 Cu～H相關(guān)關(guān)系

1.3 東疆港區(qū)軟土層物理力學(xué)指標(biāo)的比較

天津港地區(qū)的軟土層一直受到工程師的關(guān)注，羊小云［1］曾給出東疆港區(qū)軟土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值以及十字板抗剪強(qiáng)度Cu值與高程H相關(guān)關(guān)系。十字板抗剪強(qiáng)度Cu值與高程H相關(guān)關(guān)系：Cu=-1.79H+7.62。港區(qū)和新港地區(qū)軟土主要物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)成果見(jiàn)表1。

表1 兩港區(qū)主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對(duì)比

從表1可知，東疆港區(qū)軟土層的物理指標(biāo)和新港地區(qū)的差別不大，但力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)要稍差于新港地區(qū)，表明東疆港區(qū)的軟土層工程地質(zhì)性質(zhì)要差于新港地區(qū)，尤其是淤泥層的固結(jié)系數(shù)和壓縮指數(shù)指標(biāo)差值較大。

2 軟土層的地基處理

在天津港軟土加固工程中采用真空預(yù)壓法已有 30多年的歷史，該方法具有費(fèi)用低、工期短、無(wú)污染等特點(diǎn)，并積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)。

2.1 地基處理方案

根據(jù)王永強(qiáng)“天津港軟土地基加固中的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)”［3］，天津港地區(qū)真空預(yù)壓地基處理時(shí)塑料排水板間距多采用1.0～1.1 m間距，固結(jié)130天后，平均固結(jié)度可達(dá)到90 %。根據(jù)地基沉降實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比，天津港地區(qū)真空預(yù)壓作用下地基沉降修正系數(shù)ms平均值為1.088。

軟土地基的加固時(shí)間和軟土層的固結(jié)系數(shù)、排水板間距以及所需的固結(jié)度有關(guān)。在不考慮涂抹和井阻影響下，豎井地基徑向排水平均固結(jié)度為：

式中：

Ch為土體徑向固結(jié)系數(shù)（cm2/s）；

t為固結(jié)時(shí)間；

有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2，估算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 計(jì)算參數(shù)

表3 固結(jié)度估算

由表2、表3可知，在東疆港區(qū)，采用原有的工程經(jīng)驗(yàn)不能達(dá)到平均固結(jié)度90 %的要求。綜合考慮地基處理加固時(shí)間、地基固結(jié)度、排水板打設(shè)所需用量，東疆港區(qū)地基處理設(shè)計(jì)排水板打設(shè)間距為0.80 m，固結(jié)時(shí)間為110天。

2.2 地基處理沉降計(jì)算

地基處理沉降量通常采用分層總和法和考慮應(yīng)力歷史計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算。兩種計(jì)算方法均假定地基土為直線(xiàn)變形體，土層只在豎直方向發(fā)生壓縮變形，不考慮側(cè)向變形，會(huì)使得沉降計(jì)算值比實(shí)際值偏小，需要根據(jù)實(shí)際觀(guān)測(cè)值進(jìn)行修正。

根據(jù)東疆港區(qū)各土層的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，按兩種方法分別計(jì)算了軟土地基處理后的沉降量。

1）分層總和法計(jì)算公式為：

式中：

sf為最終豎向變形量（m）；

ms為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取1.088；

e0i為第i層中點(diǎn)土自重應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的孔隙比；

e1i為第i層中點(diǎn)土自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和所對(duì)應(yīng)的孔隙比；

hi為第i層土層厚度。

2）考慮應(yīng)力歷史沉降計(jì)算公式為：

式中：

s為固結(jié)沉降量（m）；

hi為土的分層厚度；

e0i為土的天然孔隙比；

Cci為土的壓縮指數(shù)；

pcz為土層自重壓力；

pz為附加應(yīng)力；

pc先期固結(jié)力。

通過(guò)計(jì)算，分層總和法計(jì)算的最終沉降量為1.90 m，考慮應(yīng)力歷史法計(jì)算的最終沉降為2.40 m。兩種沉降計(jì)算方法原理基本一致，主要差別是分層總和法未考慮軟土層在自重壓力下固結(jié)的沉降。由于東疆港區(qū)的軟土為欠固結(jié)土層，考慮應(yīng)力歷史計(jì)算法更接近工程實(shí)際。分析差別較大原因是采用分層總和法計(jì)算時(shí)，地區(qū)沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值偏小。地區(qū)沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與地基條件有關(guān)，由于東疆港區(qū)的地基條件較差于新港地區(qū)，需要對(duì)東疆港區(qū)的沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行修正。

2.3 沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)修正

根據(jù)地基處理后地面沉降觀(guān)測(cè)結(jié)果，軟基加固區(qū)的地面沉降為1.68～2.80 m，平均沉降為2.29 m。按照固結(jié)度90 %估算，東疆港區(qū)軟土層的最終平均沉降量2.54 m，稍大于考慮應(yīng)力歷史法計(jì)算的沉降量，與理論分析一致。根據(jù)東疆港區(qū)軟土加固區(qū)實(shí)際沉降量，當(dāng)采用分層總和法計(jì)算軟土地基處理沉降時(shí)，地基沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)建議取1.45；采用考慮應(yīng)力歷史法計(jì)算時(shí)，地基沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)建議取1.06。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）東疆港區(qū)軟土層的物理指標(biāo)和新港地區(qū)的差別不大，但力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)要差于新港地區(qū)。

2）在東疆港地區(qū)采用真空預(yù)壓法進(jìn)行軟土地基處理時(shí)，建議排水板打設(shè)間距0.80 m，固結(jié)時(shí)間110天，可滿(mǎn)足平均固結(jié)度90 %的要求。采用分層總和法計(jì)算軟土地基處理沉降時(shí)，地基沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)建議取1.45；采用考慮應(yīng)力歷史法時(shí)，地基沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)建議取1.06。

3）隨著工程項(xiàng)目不斷的向海域延伸，要根據(jù)工程區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件變化趨勢(shì)，不斷的修正設(shè)計(jì)和施工參數(shù)，保證工程質(zhì)量。

［1］中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.天津港北港池集裝箱碼頭三期工程勘察［R］.

［2］羊小云.天津新港軟土工程地質(zhì)特征［J］.港工技術(shù)，2007，（2）：50-52.

［3］王永強(qiáng).天津港軟土地基加固中的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2006，（1）：16-19.

［4］JGJ79-2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［5］常士驃.工程地質(zhì)手冊(cè)：第四版［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

Engineering Geological Characteristics and Ground Improvement of Soft Soil
Layer at Tianjin Dongjiang Harbor

Xiao Xiongbing，Lu Yongsheng，Zheng Wei
（CCCC First Harbor consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

The engineering practice at Tianjin Port Dongjiang harbor is studied to obtain the statistics of physical and mechanical indices for the soft soil layer at Dongjiang harbor.In comparison with that of soft soil in Xingang area，the parameters are proposed for the ground improvement of soft soil layer at Dongjiang harbor through calculation and analysis.

Dongjiang harbor； soft soil； engineering geological characteristics； ground improvement；coefficient of consolidation； empirical coefficient of settlement

TU447

A

1004-9592（2016）05-0106-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160526

2015-11-13

肖雄丙（1979-），男，高級(jí)工程師，主要從事工程地質(zhì)勘察工作。