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      填海區(qū)巖土工程特性分析及設(shè)計建議

      2018-12-27 06:05:56劉發(fā)前
      城市道橋與防洪 2018年12期
      關(guān)鍵詞:海區(qū)壓縮性軟土

      劉發(fā)前

      (上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)

      0 引言

      圍海造地是沿海城市發(fā)展建設(shè)的主要途徑之一,尤其對于國土面積較小的典型沿海國家。荷蘭是世界上最早實施圍海造地的國家之一,其有2/3的國土資源都是填海而成;日本在20世紀(jì)90年代就大規(guī)模地進行圍海造地工程,并于1994年在大阪灣建成了填海機場——關(guān)西國際機場。隨后,我國也相繼類似建造了澳門國際機場和珠海機場。2018年,令世界矚目的港珠澳大橋通車,它是一連接香港、珠海、澳門三地的門戶工程。與之配套建設(shè)的珠??诎逗桶拈T口岸,其中設(shè)置過關(guān)大廳、辦公大樓和地下車庫等,位于在伶仃洋上圍堰填筑成的人工島上。

      在填海區(qū)進行工程建設(shè),需在所建場址海域進行填土,通常采用吹填或拋填的方式,進而對填土區(qū)進行加固處理,最后施作地面層,再在其上進行相應(yīng)的工程建設(shè)。因此,填海區(qū)具有與自然沉積區(qū)完全不同的地質(zhì)特點,其設(shè)計、施工的關(guān)注重點亦有很大差異,需進行特殊考慮。在我國大陸地區(qū),近些年來在深圳、珠海、溫州、寧波、福州、上海、連云港、青島、天津、大連等地均有不同程度的填海開發(fā)工程,上述地區(qū)建設(shè)環(huán)境各有特點,所實施的工程亦不同。然而,通過對各區(qū)工程地質(zhì)特點進行分析,雖其填土類型、水文條件和填土地基處理方案均有所差異,但總體類似。因此,為有效推進填海區(qū)開發(fā)和工程建設(shè),有必要對其共性和差異點進行分析,提出設(shè)計、施工相關(guān)建議,為類似工程參考。

      1 吹填土工程特性

      本節(jié)搜集列舉了廣東珠海口岸、澳門口岸、天津市南港工業(yè)開發(fā)區(qū)和廈門蓮坂地區(qū)等填海區(qū)的工程地質(zhì)資料,其填土層的主要描述見表1。

      由以上對比可以看出,吹填土的材料多為中粗砂及塊石,也有部分采用細砂夾雜粘性土。即使采用較為均勻的單一材料,受地基處理工藝的影響,其區(qū)域性和豎向不均勻性仍較為明顯。經(jīng)處理過的區(qū)域淺層土具有較高承載力,但隨著深度增加,仍表現(xiàn)出密實度差、承載力低的特點。當(dāng)拋填材料由多種材料構(gòu)成時,其差異更加明顯。一般情況下,拋填區(qū)地基均不能直接利用天然地基,這是因為盡管其表層承載力尚可,但隨深度增加承載力下降仍比較快。

      關(guān)于填海區(qū)吹填土特性的研究,目前較為深入的應(yīng)屬天津濱海新區(qū)。杜東菊,等[1]對天津新港和臨港工業(yè)區(qū)的吹填土的組成、地層結(jié)構(gòu)、強度增長規(guī)律進行整理,并采用室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗對經(jīng)處理后的吹填土的物理力學(xué)參數(shù)進行研究,給出土體微觀結(jié)構(gòu)與強度發(fā)展之間的規(guī)律,最后提出吹填土快速結(jié)殼技術(shù)。經(jīng)處理后的填土層,自上而下依次為:淺部硬殼層,也稱“實效層”,一般僅為數(shù)米,該層屬于超固結(jié)土,具有中壓縮性,工程性質(zhì)自上而下漸差,為中-低強度工程段;中部過渡層,深度約數(shù)米至十余米,屬欠固結(jié)土,土層強度低,壓縮性高,穩(wěn)定性差,滲透性差,靈敏度高且經(jīng)真空預(yù)壓處理有大量塑料排水板殘留,工程性質(zhì)有一定改變,為主要工程病害層;下層無效層,該層屬于正常固結(jié)狀態(tài),人工處理對該層工程性質(zhì)無實質(zhì)影響,自上而下工程性質(zhì)漸好,可選做建筑物的樁基持力層??梢?,處理過后的填海區(qū)土體的工程性質(zhì)在一定程度上得到了改善,但并不能根本改變其軟弱地基的根本性質(zhì),主要體現(xiàn)在以下方面:

      表1 各地區(qū)拋填土特性描述

      (1)欠固結(jié),硬殼層為超固結(jié)土,而過渡層土層固結(jié)情況復(fù)雜,在較深部分主要為欠固結(jié)土;

      (2)非均勻性,吹填土粗顆??珊芸斐练e,細顆粒將隨著水體流動一定距離,吹填土體在場地范圍內(nèi)平面分布不均勻;

      (3)高壓縮性和流變性,工后沉降量大、沉降時間長;

      (4)抗剪強度低,硬殼層下的軟土層含水量大、抗剪強度極低,是吹填場地的工程病害層;

      (5)結(jié)構(gòu)性,在荷載達到其屈服應(yīng)力前,具有較好的抗壓縮性,沉積量小,一旦超過其屈服應(yīng)力,土體將出現(xiàn)大幅的壓縮變形。

      總體而言,填海區(qū)經(jīng)過真空預(yù)壓處理后,有效硬殼層下普遍存在處理程度不足的軟弱土層。這使得對填土區(qū)的合理估計難度較大,其指標(biāo)的合理選擇更是決定工程經(jīng)濟性乃至成敗的關(guān)鍵。這對基坑的整體穩(wěn)定性尤其重要,特別是開挖深度不大,圍護樁無法進入下層較好土層的土體,其設(shè)計插入深度的合理選擇則是關(guān)鍵。

      2 海積軟土

      除了廣東珠??诎?、澳門口岸、天津市南港工業(yè)開發(fā)區(qū)和廈門蓮坂地區(qū),本節(jié)尚列舉港珠澳大橋東人工島、連云港港區(qū)和寧波鄞州等幾地海積軟土的工程特性,見表2。

      通過上述各地工程地質(zhì)資料對比可以觀察到,不同地區(qū)軟土層具有很強的共性?;径季哂谐柿魉軤顟B(tài),含水量高,低強度、低透水性、高壓縮性的特點,土層分布均較穩(wěn)定,是典型的軟弱土層,力學(xué)性質(zhì)很差,觸變性、蠕變性明顯,不可直接作為天然地基使用。

      各場地軟土地層物理力學(xué)性質(zhì)匯總見表3。

      需要說明的是,在東人工島和連云港港區(qū)兩區(qū)域海積軟土特性應(yīng)屬原狀的,可見其承載力多在20~30 kPa之間,壓縮模量1.7~1.8之間,而粘聚力C值大約3~4 kPa;其余上部有拋填土且經(jīng)過處理時,軟弱土層承載力和強度指標(biāo)可翻一番。但是,隨著深度增加,土體受拋填土加載和地基處理的加固效果很快減弱。因此,在填海區(qū)工程中,受上層填土及地基處理的影響,下穿海積軟土特性的改善可以考慮,但應(yīng)慎重。

      表2 各地區(qū)淺層海積軟土特性描述

      表3 各場地軟土地層物理力學(xué)性質(zhì)匯總表

      與填海區(qū)上層填土類似,海積軟土具有很強的結(jié)構(gòu)性。對土體結(jié)構(gòu)性的研究,目前有多種方法:微結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)、固體力學(xué)、損傷力學(xué)以及土力學(xué)等。楊愛武,吳磊[2]對天津結(jié)構(gòu)性海積軟土在不同固結(jié)壓力、不同固結(jié)時間作用下的結(jié)構(gòu)強度進行了試驗研究。研究成果可見,由于結(jié)構(gòu)性的作用,在任意固結(jié)條件下,原狀土體強度均大于重塑土。與非結(jié)構(gòu)性軟土類似,隨著固結(jié)時間、固結(jié)壓力增大,結(jié)構(gòu)性軟土強度增大、孔隙比減小,只是e-lgp變化曲線并非一平滑曲線,其存在明顯的拐點,該點所對應(yīng)的壓力P即為屈服應(yīng)力(見圖1)[3]。研究表明,在固結(jié)壓力低于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的范圍內(nèi),土的壓縮性很小;壓力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時,土的壓縮性很大,趨于重塑土。

      圖1 結(jié)構(gòu)性土和重塑土壓縮曲線

      3 設(shè)計建議

      如前所述,嚴(yán)格來說,(經(jīng)處理后)填土層和下層海積軟土層不可簡單認(rèn)為均勻?qū)印F矫娣植寂c拋填工藝和施工順序有關(guān),豎向上地基處理效果差異也很大,尤其在土層分層厚度較大時。填土層面層因為改良處理效果較好,往往呈現(xiàn)超固結(jié)土的性能狀態(tài);中部隨著深度增加,地基改良效果減弱但堆載較大使其密實性更好,下層地基處理較弱;海積軟土層上部受填土層地基處理的影響,其承載力特性比原狀土要強得多,但填土對軟土層的堆載是否導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性破壞,將大大影響其力學(xué)性能。因此,填海區(qū)地質(zhì)勘探密度影根據(jù)施工工藝和工程特點適當(dāng)加密、調(diào)整,同一土層由于地基處理效果差異可分為多層考慮,分別給出土體設(shè)計參數(shù),這在深厚填土和軟土中的基坑開挖中尤為重要。圍護樁的插入深度應(yīng)適當(dāng)加大或加強支撐系統(tǒng)的自穩(wěn)能力,使其與圍護墻形成一穩(wěn)固的整體。在分析結(jié)構(gòu)物沉降和選擇基礎(chǔ)持力層時,應(yīng)充分考慮下臥處理效果較弱的不利影響,采用現(xiàn)行“雙層土固結(jié)理論”分析基礎(chǔ)沉降并復(fù)核地基下臥層的抗沖切能力和整體性。

      同樣,由于勘察手段的局限性,所得土樣均受到擾動,根據(jù)室內(nèi)試驗所得土體參數(shù)與其原狀土又差異較大。因此,實際工程中,應(yīng)根據(jù)實際情況進行修正或采用現(xiàn)場原位試驗確定。目前多位研究人員均建議填海區(qū)樁基承載力應(yīng)通過現(xiàn)場試樁試驗確定。如,牛富麗,等[4]對青島市黃島西海岸經(jīng)濟新區(qū)濱海深厚回填土中鉆孔樁的沉降、側(cè)摩阻力和樁端阻力(合計為承載力)進行了試樁試驗,并提出通過在樁底注漿,以使得樁基沉降滿足規(guī)范及設(shè)計要求;張興業(yè),任杰東[5]結(jié)合天津濱海新區(qū)的工程實例,對單樁的承載性狀進行了分析。

      在海積軟土下方,多數(shù)為陸相沉積土或海陸交互相黏土,其承載力均可達150 kPa以上,工程設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際情況有效利用該層,如選取該層作為樁基持力層,圍護墻墻趾深入該層一定深度以增強其“防踢腳”能力,否則,圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)做成一個連接較好的封閉整體,這對支撐的強度、穩(wěn)定性,支撐與圍護墻之間的連接可靠性提出了更高的要求。

      4 結(jié)語

      地下工程本身是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程,影響因素眾多、離散性大。填海區(qū)填土層和下臥海積軟土層各向不均勻,加之明顯的“結(jié)構(gòu)性”,給工程建設(shè)帶來了更大不確定性。本文通過搜集我國多地填海區(qū)開發(fā)項目地質(zhì)材料,總結(jié)給出上層拋填土和下部海積軟土的工程特性。土體指標(biāo)選取時應(yīng)充分考慮加固效果與是否達到結(jié)構(gòu)破壞雙重影響,根據(jù)靜力觸探結(jié)果和現(xiàn)場試驗,將土層分為多層或進行合理修正,萬不可簡單視為均勻土層,以免誤差過大。結(jié)構(gòu)設(shè)計成果應(yīng)有現(xiàn)場試驗驗證,并盡量考慮利用下部較強土層。

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