邱偉健, 楊和平, 劉 巖, 賀迎喜
(1. 深圳市大鵬新區(qū)建筑工務(wù)署, 廣東 深圳 518100; 2. 長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 湖南 長沙 410004;3. 中交四航工程研究院有限公司, 廣東 廣州 510000; 4. 中交四航局第二工程有限公司, 廣東 廣州 510230)
沙特阿拉伯是連接亞、非、歐三大洲的樞紐,也是我國“一帶一路”建設(shè)中的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。本文依托工程位于沙特紅海沿岸的吉贊市(圖1),附近水域分布大量珊瑚暗礁與島嶼,此類珊瑚礁石大多由海洋微生物經(jīng)漫長地質(zhì)年代演變形成,屬于生物化學(xué)沉積巖。2015年吉贊開始項(xiàng)目建設(shè),工程設(shè)計(jì)提供的吹填形成陸域面積達(dá)26萬平方米,需要大量砂石,因該地區(qū)砂石料匱乏且材質(zhì)較差,加上當(dāng)?shù)赝陂_工在建項(xiàng)目多,出現(xiàn)價(jià)格高漲供不應(yīng)求的狀況,無疑給工程的建設(shè)周期及成本控制帶來不利影響。而2009年,中交四航局在沙特吉達(dá)市修建RSGT碼頭時(shí)也遇到類似問題,當(dāng)時(shí)采用振沖擠密法進(jìn)行地基加固并獲成功,項(xiàng)目建成投產(chǎn)運(yùn)營至今吹填礁砂地基穩(wěn)固。因此,吉贊市新建項(xiàng)目可借鑒成功經(jīng)驗(yàn),也用疏浚礁砂做填料,因地制宜就地取材,開展振沖加固地基現(xiàn)場試驗(yàn),力爭達(dá)到節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的目標(biāo)建好該工程。
圖1 項(xiàng)目地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of the project
珊瑚礁砂作為一種新型地基填筑材料,結(jié)構(gòu)疏松、壓實(shí)難、壓縮性大、承載力低是它的基本性質(zhì)。國內(nèi)外對(duì)其已有研究多集中在物質(zhì)特性以及對(duì)環(huán)境的影響上,很少涉及工程利用[1-3],相關(guān)地基勘察設(shè)計(jì)規(guī)范提供的填料系列中無一將其列入。顯然,開展珊瑚礁砂工程應(yīng)用研究不僅很迫切且十分有益[4],若能利用好珊瑚礁砂做堆場地基回填料,既可解決航道疏浚時(shí)礁砂碎屑的堆場問題,又能緩解海岸工程大量興建而填料奇缺之矛盾,大大降低工程造價(jià)并縮短工期,為沿海造陸工程建設(shè)探索一條新路。盡管四航局有類似工程經(jīng)驗(yàn),但新項(xiàng)目地質(zhì)條件及可用振沖機(jī)具的改變,同時(shí)為比較不同振沖法的加固效果,須再做現(xiàn)場試驗(yàn)。筆者有幸參與了項(xiàng)目施工過程,為響應(yīng)并推進(jìn)“一帶一路”構(gòu)想的實(shí)施,特依托該海岸工程,總結(jié)并推介振沖擠密法加固珊瑚礁砂吹填地基的現(xiàn)場試驗(yàn)研究工作。
新建工程是吉贊經(jīng)濟(jì)城實(shí)現(xiàn)煉油、電廠、航運(yùn)一體化的重要組成部分,現(xiàn)場吹填試驗(yàn)區(qū)選在取排水口旁,陸域均用珊瑚礁砂填筑。由顆分試驗(yàn)得該填料含碎、塊石砂礫土并夾少量細(xì)砂和貝殼物,其不均勻系數(shù)Cu為2.42~4.36,曲率系數(shù)Cc為0.39~0.91,為級(jí)配不良砂。因礫石含量較高,非常利于振沖而形成礫石樁提高地基整體強(qiáng)度及抗液化能力。此外,通過擊實(shí)及CBR試驗(yàn)知該填料最大干密度均在2.16 g/cm3以上,最優(yōu)含水率在7.6%±1%內(nèi)波動(dòng),最小CBR值為32.5%,滿足項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范對(duì)填料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求(CBR>30%)。
經(jīng)水力分層吹填形成的地基,上覆礁砂的總厚10~15 m,局部地基含軟弱夾層,主要為粉土、粉質(zhì)砂土和粉細(xì)砂,且黏粒含量較高,厚2.5~3.0 m。疏浚吹填珊瑚礁砂下部海相地層土也是珊瑚礁形成物,主要成分為粉土、砂、礫石并夾有貝殼物;部分獨(dú)立區(qū)域的層位還存在海相淤泥,為軟黏土夾雜松散粉細(xì)砂,厚0.5~2.0 m。場區(qū)的典型地質(zhì)剖面見圖2所示。表1給出場內(nèi)各不同地基的土層厚度及其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。
圖2 典型地質(zhì)剖面Fig.2 Typical geological section
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,地基加固的目標(biāo)深度為15 m,加固地基土必須達(dá)中密以上,圖3~6中紅色虛(曲)線為華北水利院設(shè)計(jì)書中提出的地基沿深度抗液化性能要求。
表1 地基土物理力學(xué)指標(biāo)
根據(jù)已有研究[5],振沖法分振沖置換法與振沖擠密法。置換法適合不排水、抗剪強(qiáng)度>20 kPa的黏、粉、飽和黃土及人工填土地基;擠密法適合砂土和粉土地基,不加填料時(shí)僅適合黏粒含量<10%的粗、中砂地基[6-7],對(duì)夾有粉土、粉細(xì)砂深厚吹填地基必須添加填料,否則很難達(dá)到加固要求[8-10]。依據(jù)礁砂的顆分試驗(yàn),本工程宜采取振沖擠密法加固。為比較不同方法的處治效果,需嘗試不加填料方案。振沖擠密法的工作原理是利用振沖器的強(qiáng)力振動(dòng)使飽和礁砂液化、砂粒重新排列、孔隙減小、相對(duì)密度及摩擦角增大;此外振沖時(shí)強(qiáng)大水平振動(dòng)力擠壓密實(shí)加填料砂層,可避免地基產(chǎn)生不均勻沉降并提高其承載能力和抗液化性能。
(1) 試驗(yàn)方案
為探究振沖施工參數(shù)對(duì)加固效果的影響并確定最優(yōu)振沖工藝,大面積施工前,先在吹填區(qū)選A、B兩區(qū)(A位于常規(guī)區(qū),分1~4小區(qū);B位于軟弱夾層區(qū),分5~6小區(qū))開展試驗(yàn)。相比以往用30和132 kW振沖器,本次使用ZCQ-75 kW型振沖器,用它利于減小流態(tài)區(qū)并提高擠密效果。各區(qū)的振沖試驗(yàn)均按等邊三角形布設(shè)樁位,具體方案見表2所列。
表2 振沖試驗(yàn)方案
(2) 振沖效果檢驗(yàn)及最優(yōu)工藝參數(shù)
試驗(yàn)結(jié)束后,在各小區(qū)選一代表性點(diǎn)(SPT-1~-6)做標(biāo)貫試驗(yàn),圖3、4為A、B各區(qū)振沖后測試結(jié)果對(duì)比。分析可知,常規(guī)1~4分區(qū),振前地基0~15 m深度內(nèi)平均標(biāo)貫數(shù)不足10擊,整個(gè)地基呈松散狀,液化風(fēng)險(xiǎn)極高;按1區(qū)振沖方案加固的地基,在設(shè)計(jì)深度內(nèi)標(biāo)貫數(shù)均值提高到11擊,地基整體達(dá)到稍密至中密,不滿足加固要求;2區(qū)方案振沖處理地基雖達(dá)中密以上狀態(tài),但局部層位的標(biāo)貫數(shù)達(dá)不到抗液化要求;比較相同參數(shù)3、4區(qū)的振沖效果,4區(qū)振后標(biāo)貫線沿深度都位于3區(qū)線右側(cè),標(biāo)貫擊數(shù)的均值為24,遠(yuǎn)大于3區(qū)對(duì)應(yīng)值,表明加固礁砂已達(dá)密實(shí)狀態(tài),效果顯著完全滿足抗液化要求;而3區(qū)地基雖達(dá)中密狀態(tài),但有兩層位不滿足抗液化要求,說明無填料振沖不適合加固該處地基。分析圖5,軟弱夾層5區(qū)經(jīng)無填料振沖后標(biāo)貫擊數(shù)雖明顯增大,但深9和13米兩處土體有液化風(fēng)險(xiǎn);而6區(qū)振沖擠密的效果顯著,地基加固范圍標(biāo)貫擊數(shù)均值達(dá)23擊,各層液化風(fēng)險(xiǎn)得以消除。
圖3 常規(guī)1~4區(qū)振后標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of SPT results after vibroflotation in general 1~4 area
圖4 軟弱夾層5~6區(qū)振后標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of SPT results after vibroflotation in weak 5~6 area
基于試驗(yàn)檢測結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),確定ZCQ-75 kW振沖器實(shí)施雙點(diǎn)振沖的最優(yōu)工藝參數(shù):
①振沖孔按等邊三角形布設(shè),軟弱夾層區(qū)內(nèi)間距取3.0 m,常規(guī)區(qū)取3.5 m;
②采用疏浚礁砂填筑,填料添加采取連續(xù)下料,每層厚0.3 m;
③振沖過程中,需控制的水壓、水量分別為0.3~0.4 MPa和200~300 L/min(軟弱夾層區(qū)采用0.4~0.5 MPa和300~400 L/min);
④成樁作業(yè):a慢速振沖下沉至地下設(shè)計(jì)深度處,留振60 s;b慢速振沖上拔0.3~0.5 m,留振8~10 s,控制密實(shí)電流為20~50 A(軟弱夾層區(qū)須50~70 A);c重復(fù)步驟b,控制振沖速度為:貫入1~2 m/min,上拔0.5~1 m/min;直至孔口,再留振120 s,成樁結(jié)束。
按最優(yōu)振沖工藝完成場區(qū)大面積振沖施工,為減少檢測工作量,只在常規(guī)及軟弱夾層區(qū)各選一代表點(diǎn)(CPT-1和CPT-2)檢測,進(jìn)行振沖前、后靜力觸探試驗(yàn),測點(diǎn)取三角樁中心處,測深為20 m,結(jié)果見圖5、6所示。
分析圖5、6可知,振沖后的常規(guī)和軟弱夾層區(qū)地基質(zhì)量均顯著提高。天然吹填礁砂松散,4~10 m內(nèi)實(shí)測CPT值接近合格線,部分層低于設(shè)計(jì)值,表明其承載能力低,工后沉降大。經(jīng)振沖后,常規(guī)區(qū)10~15 m內(nèi),CPT均值由原不足4 MPa提至12 MPa,部分層達(dá)20 MPa以上;軟弱夾層區(qū)6~9 m內(nèi),CPT均值由原基本不合要求提至9 MPa,深9~12 m范圍內(nèi),CPT均值也達(dá)10 MPa??梢姲醋顑?yōu)振沖工藝加固的地基有效深度內(nèi)均達(dá)設(shè)計(jì)要求。處理后的礁砂地基已達(dá)中~密實(shí)狀態(tài),充分說明加填料振沖擠密法加固吹填礁砂地基切實(shí)可行。
圖5 常規(guī)區(qū)CPT-1點(diǎn)測試結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of CPT results before and after vibroflo- tation of CPT-1 points in general area
圖6 軟弱夾層區(qū)CPT-2點(diǎn)測試結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of CPT results before and after vibroflotation of CPT-2 points in weak area
前文所定抗液化設(shè)計(jì)要求是按國內(nèi)規(guī)范法計(jì)算確定,比較新近國內(nèi)外液化判斷方法,部分學(xué)者[11]認(rèn)為該法判別偏保守,為全面驗(yàn)證擬定振沖工藝的有效性及地基液化判別的可靠性,以下用國際上普遍認(rèn)可的NCEER法分析振沖后地基抗液化性能,并用Iwasaki的液化指數(shù)法做判斷。
NCEER法根據(jù)CPT測試數(shù)據(jù)來計(jì)算砂土地基各層的循環(huán)應(yīng)力比(CSR)和循環(huán)抗力比(CRR),進(jìn)而求得各土層安全系數(shù)Fs,其定義為:
Fs=CRR/CSR
(1)
Fs>1時(shí),土層不液化;反之,判為液化。
CSR及CRR分別由式(2)、(3)求算:
(2)
CRR=CRR7.5×MSF
(3)
(4)
CRR7.5=0.833[(qC1N)CS/1 000]+0.05
(5)
CRR7.5=93[(qC1N)CS/1 000]3+0.08
(6)
(7)
(8)
式(4)~(8) 中:γd為剪應(yīng)力折減系數(shù);CRR7.5為基于震級(jí)MW=7.5下的循環(huán)抗力比,當(dāng)(qc1N)CS<50和50≤(qc1N)CS<160時(shí),其值分別由式(5)、(6)定;CQ為圓錐貫入阻力歸一化因子,其值≤1.7;qc1N為歸一化錐尖阻力,(qc1N)CS為砂性土的歸一化錐尖阻力;MSF為震級(jí)比例系數(shù)。
其余各參數(shù):αmax為地面水平峰值加速度;g為重力加速度;σv0為土體底部的總上覆應(yīng)力;σ′v0為有效垂直上覆土壓力;z為土層埋藏深度;Pa為單位大氣壓力,取100 kPa;qc為實(shí)測錐尖阻力;Kc為土性修正系數(shù),對(duì)砂性土取1。
Iwasaki等人最早提出采用液化指數(shù)對(duì)液化危害進(jìn)行分析判定,其計(jì)算公式如下:
(9)
式中:z為土層深度;w(z)為受單位液化土層厚度和層位影響的權(quán)函數(shù),w(z)=10-0.5z。
當(dāng)按NCEER法計(jì)算得到土層安全系數(shù)Fs≤1時(shí),F=1-Fs.;當(dāng)Fs>1時(shí),F=0。由式(9)求得液化指數(shù)LPI后,根據(jù)阿美規(guī)范制訂的地基液化等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(見表3)判斷液化風(fēng)險(xiǎn)。
表3 地基液化等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)
在大面積振沖區(qū)選7個(gè)代表點(diǎn)位(L1~L7)進(jìn)行液化性檢驗(yàn),由加固地基的CPT數(shù)據(jù),在設(shè)計(jì)震級(jí)MW=7,地面峰值加速度αmax=0.16g,震級(jí)比例系數(shù)MSF=1.2的條件下,先用NCEER法計(jì)算振后地基的液化性能,然后將求得的各土層安全系數(shù)代入(9)式求液化指數(shù)值。各測點(diǎn)振沖前、后地基的LPI值見圖7,表4為振后液化判斷的結(jié)果匯總。
圖7 L1~L7測點(diǎn)振沖前、后液化指數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison of liquefaction index before and after vibroflotation of L1~L7 points
表4 液化判斷結(jié)果匯總
不難看出,地基各測點(diǎn)振沖前的LPI均值為8.84,吹填礁砂區(qū)處于中度液化狀態(tài);而振沖后LPI值均落入不液化區(qū),砂土液化風(fēng)險(xiǎn)得以消除;分析表6知,常規(guī)區(qū)的LPI均值明顯低于軟弱夾層區(qū),前者為0.12,后者為0.78,表明地基中粉土、粉砂和粉細(xì)砂含量對(duì)振沖擠密效果影響較大。
加固地基除應(yīng)滿足承載及抗液化要求外,還須符合工后沉降要求,以避免運(yùn)營期堆場不均勻沉降。根據(jù)本吹填礁砂工程特性并按設(shè)計(jì)書的要求,提出加固后地基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)(見表5)。
表5 沉降控制要求
(1) 極限平衡法
對(duì)振沖法加固地基,Aboshi等人研究采用極限平衡法估算地基沉降,并提出地基沉降在振沖前、后存在如下關(guān)系:
Streated=μsoilSuntreated
(10)
(11)
aS=0.907(D/S)2
(12)
(13)
式中:μsoil為應(yīng)力修正系數(shù);n為應(yīng)力集中系數(shù),Barksdale&Bachus[12]指出,按n取5分析振沖加固砂土地基沉降求得的結(jié)果最為精準(zhǔn);as為樁土置換率;當(dāng)按等邊三角形布置振沖樁位時(shí),其值由式(12)定,D為振沖樁直徑;s為振沖樁擠密間距;H0為土層厚度;Δσ′v為附加荷載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力增量;M為約束模量。
因吹填地基部分土層粉粒和黏粒含量高,Sanglerat和Mitchell & Gardner等[13]建議可用約束模量M簡化該層位分析計(jì)算,其值取決CPT錐尖阻力大小,其計(jì)算公式為:
M=αqc
(14)
式中:α為相關(guān)系數(shù);qc為錐尖阻力,Sanglerat和Mitchell & Gardner通過試驗(yàn)提出,在地基細(xì)粒土層中α與qc存在表6所述關(guān)系[13]。
Lunne & Christophersen(1983)由試驗(yàn)得出,砂和礫石等粗粒土層M也由qc按(15)式確定:
(15)
表6 α與qc的關(guān)系
(2) 施莫特曼沉降計(jì)算法
施莫特曼沉降計(jì)算法[14]非常適合分析彈性模量隨深度變化的地基沉降,其基本思路是用一按三角形分布的縱向應(yīng)變建立的“2B-0.6”模型計(jì)算沉降,但經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)該模型并沒有很好地考慮加固地基工后長期沉降。對(duì)此,施莫特曼提出修正后的應(yīng)變影響因子IZ分布模型(見圖8)。
圖8 修正后的IZ分布Fig.8 Distribution of corrected IZ
運(yùn)用施莫法分析沉降,先需獲取基礎(chǔ)下各土層彈性模量,砂性地基土的標(biāo)貫值N與彈性模量ES存在如下關(guān)系:
ES=500(N+15)
(16)
式中:N為標(biāo)貫擊數(shù);ES為彈性模量(kPa)。
本文地基沉降分析采用經(jīng)修正后的施莫特曼沉降計(jì)算法,其計(jì)算公式為(17)、(18),分別適用方形和條形基礎(chǔ):
(17)
(18)
(19)
C2=1+0.2lg(10t)
(20)
式中:S為地基沉降(m);B為基礎(chǔ)寬度(m);Δz為基礎(chǔ)下各土層厚(m);Iz為應(yīng)變影響因子,由圖8確定;ES為土體彈性模量(kPa);式(19)中C1為埋深修正系數(shù),建議C1≥0.5;式(20)中C2為蠕變修正系數(shù);P0為地基土壓力(kPa);ΔP為基礎(chǔ)附加應(yīng)力(kPa);t為時(shí)間單位(a)。
沉降檢測計(jì)算點(diǎn)位由業(yè)主現(xiàn)場選定,同樣因測點(diǎn)多,此處也只在軟弱夾層和常規(guī)區(qū)各選一代表點(diǎn)位(S1和S2)并分別用極限法和施莫法做分析計(jì)算。
(1) 加固地基沉降極限法分析
軟弱夾層區(qū)S1點(diǎn),振沖樁長16.0 m,樁徑D=1.0 m,擠密間距s=2.0 m,由(13)式求得振沖前樁總壓縮變形量為42.0 mm;將上述參數(shù)代入(12)式得樁間土置換率as=0.227;再將其代入(11)式得應(yīng)力修正系數(shù)μsoil=0.524,得到振沖后地基沉降應(yīng)是振前的52.4%,為22.2 mm,較加固前的沉降減少47.1%,滿足工后沉降控制要求。同理,按上述步驟求出常規(guī)區(qū) S2測點(diǎn)的振沖前、后地基沉降分別為44.8 mm和17.5 mm,加固地基的工后沉降減少60.9%,遠(yuǎn)小于沉降控制值。S1、S2點(diǎn)振沖前、后沉降對(duì)比見圖9所示。
圖9 S1、S2點(diǎn)位振沖前、后沉降對(duì)比Fig.9 Comparison of settlement before and after vibroflotation of S1 and S2 points
(2) 加固地基沉降施莫法分析
現(xiàn)場基礎(chǔ)均為方形,分析加固地基工后沉降將修正Iz代入(17)式計(jì)算,t分別取5年和25年,先分別由S1、S2測點(diǎn)位標(biāo)貫擊數(shù)求地基各土層彈性模量,后將其代入(17)式計(jì)算沉降,得S1測點(diǎn)的5年和25年工后沉降分別為24.6 mm和27.1 mm;同樣,求得S2測點(diǎn)的相應(yīng)值是22.0 mm和24.2 mm,均滿足沉降控制要求。兩測點(diǎn)加固地基的5年和25年沉降曲線見圖10。顯而易見,珊瑚礁砂吹填地基經(jīng)加填料振沖后基本無壓縮變形,工后長期沉降極小。
圖10 S1、S2點(diǎn)位振沖后5年、25年沉降對(duì)比Fig.10 Settlement comparison of 5 and 25 years after vibroflotation of S1 and S2 points
(3) 兩地基沉降分析結(jié)果差異性對(duì)比
為方便比較兩分析結(jié)果的差異性,場區(qū)內(nèi)再選8個(gè)代表點(diǎn)(S3~S10)做沉降分析,表7給出兩種地基分區(qū)各測點(diǎn)極限法和施莫法沉降計(jì)算的匯總結(jié)果;為更清晰明了,在圖11中描繪兩種分析確定的工后沉降對(duì)比曲線。
表7 沉降計(jì)算結(jié)果匯總
圖11 沉降計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of settlement calculation results
顯然,極限法的分析結(jié)果偏小,施莫法確定的沉降值偏大,但兩者均滿足沉降控制要求,再次表明加填料振沖擠密法加固吹填珊瑚礁砂地基切實(shí)可行。相比之下,施莫法可考慮工后長期沉降且確定的地基沉降偏安全,做類似工程沉降分析時(shí)宜優(yōu)先采用。
(1) 現(xiàn)場試驗(yàn)表明,只要正確采用振沖工藝和施工參數(shù),加填料振沖擠密法加固珊瑚礁礁砂吹填地基效果明顯,能有效提高地基的承載及抗液化能力。
(2) 根據(jù)液化判斷結(jié)果,實(shí)施本研究提出的振沖方案和工藝,無論珊瑚礁礁砂地基中是否存在含粉、黏粒的軟弱夾層,經(jīng)振沖加固后地基土的液化指數(shù)值均會(huì)落入不液化區(qū),砂土液化的風(fēng)險(xiǎn)將得以消除。
(3) 沉降分析表明,極限法的分析結(jié)果偏小,施莫法的分析偏于安全,經(jīng)振沖加固的兩種珊瑚礁砂吹填地基均滿足沉降控制要求,且基本無壓縮變形、工后長期沉降小。
(4) 盡管將珊瑚礁作地基填料并用于實(shí)際工程也有一些時(shí)日,但對(duì)它的基本理論、設(shè)計(jì)方法及施工技術(shù)的研究幾乎仍是空白,隨著“一帶一路”倡議不斷推進(jìn),有必要盡快總結(jié)提出相應(yīng)的技術(shù)實(shí)施指南。