走馬湖深厚軟基沉降特征研究

劉廷榮

（中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司，北京 102308）

0 引言

堆載預(yù)壓法和強(qiáng)夯置換法是處理軟土地基的常用方法，在實(shí)際施工過程中得到了充分運(yùn)用，國內(nèi)外大量專家對(duì)2種方法在理論、試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方面都做了大量研究，積累了充分的研究成果，很大程度上促進(jìn)了這2種地基處理方法理論及實(shí)際應(yīng)用的有效發(fā)展。李慎峰[1]結(jié)合某工程項(xiàng)目軟土地基實(shí)際的地址條件，比較分析了強(qiáng)夯置換法、水泥土攪拌樁復(fù)合地基和堆載預(yù)壓法的經(jīng)濟(jì)性和適用性，發(fā)現(xiàn)3種方法都能提高軟土地基的承載力，達(dá)到工程要求，但是強(qiáng)夯置換法所需工期最短，成本最低。在荷載作用下，飽和土體會(huì)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，從而導(dǎo)致土顆粒中孔隙水被排出，使土體產(chǎn)生固結(jié)變形，經(jīng)過一段時(shí)間后，超靜孔隙水壓力慢慢減小，同時(shí)有效應(yīng)力會(huì)相應(yīng)增大，土體強(qiáng)度也會(huì)不斷提高，這一過程稱為飽和土體的固結(jié)。

1 研究現(xiàn)狀

沉降速率法、雙曲線法和沉降差法是用堆載預(yù)壓來研究軟土地基沉降預(yù)測(cè)時(shí)常見的方法。楊晶[2]通過研究某建設(shè)用地軟土地基監(jiān)測(cè)資料，根據(jù)以上3種不同方法研究預(yù)測(cè)軟土沉降，比較計(jì)算結(jié)果，得出了不同沉降預(yù)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。江濤[3]以某港口工程軟土地基處理為例，使用塑料排水板堆載預(yù)壓法處理地基，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用三點(diǎn)法和雙曲線法對(duì)處理后的地基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析發(fā)現(xiàn)塑料排水板堆載預(yù)壓法能夠有效處理軟基，使軟基固結(jié)度達(dá)到90%。李向群[4]以沿海軟土地基處理試驗(yàn)段為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)地表沉降、表層水平位移和深層水平位移在軟土地基處理過程中的變化數(shù)據(jù)，分析了軟土沉降和固結(jié)變形隨時(shí)間變化的規(guī)律，為以后相似工程地基施工提供了數(shù)據(jù)參考。仁宗朋[5]以某地基工程為例，通過監(jiān)測(cè)地表沉降、孔隙土壓力和分層沉降等數(shù)據(jù)，來預(yù)測(cè)最終沉降，綜合分析了堆載預(yù)壓法在軟土地基中的處理效果。蔣建清[6]以某場(chǎng)地堆載預(yù)壓法處理軟土地基為基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試獲得了預(yù)壓地基固結(jié)特性相關(guān)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，通過試驗(yàn)結(jié)果，分析了軟土地基在預(yù)壓荷載作用下的固結(jié)特性，給出軟土沉降曲線隨時(shí)間和荷載變化的特征、孔隙水壓力變化規(guī)律和不同軟土的位移規(guī)律。該文通過堆載預(yù)壓法研究了湖北鄂州順豐運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)大面積深厚軟土地基的沉降特征，給出了相應(yīng)的工程結(jié)論，結(jié)果可為工程實(shí)際施工提供理論支撐。

2 工程概況

湖北國際物流核心樞紐機(jī)場(chǎng)建設(shè)是我國發(fā)展物流運(yùn)輸，加快物流貨運(yùn)綜合運(yùn)輸發(fā)展體系形成的重要戰(zhàn)略支撐，是湖北省“十三五”規(guī)劃的重大建設(shè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目對(duì)促進(jìn)湖北省快遞運(yùn)輸業(yè)高效發(fā)展，形成全國物流運(yùn)輸?shù)拇笮拓涍\(yùn)集散中心，具有重大戰(zhàn)略作用。湖北國際物流核心樞紐機(jī)場(chǎng)是亞州第一個(gè)全貨運(yùn)機(jī)場(chǎng)，距離鄂州市中心約15 km，距離武漢市中心約76 km。機(jī)場(chǎng)計(jì)劃建成4E級(jí)雙跑道獨(dú)立運(yùn)行飛行區(qū)，每條跑道長(zhǎng)3 600 m，一期規(guī)劃用地12萬km2。走馬湖水系（含螺絲徑湖）綜合治理工程（機(jī)場(chǎng)配套工程）位于湖北省鄂州市，地跨鄂州市燕磯、楊葉和沙窩3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，包括走馬湖、黃田湖和螺絲徑湖等區(qū)域，距離鄂州市中心約15 km，距離武漢市中心約76 km。軟土是指天然孔隙比≥1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭和泥炭質(zhì)土等。該工程場(chǎng)地內(nèi)軟土為淤泥（地層代號(hào)②-1、②-2）和淤泥質(zhì)黏土（地層代號(hào)②-3、②-5），其成因主要為湖泊沉積，在湖水處于穩(wěn)定期時(shí)逐漸沉積而成。場(chǎng)地內(nèi)的軟土主要分布于場(chǎng)內(nèi)湖塘、水田、溝谷和低洼地等地段。場(chǎng)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大型暗塘暗浜，僅少量魚塘淤積后成為農(nóng)田。軟土主要分布在走馬湖湖區(qū)及周邊，壟崗區(qū)的溝谷和低洼地段也零散分布。縱觀整個(gè)場(chǎng)地，軟土厚度不一樣，壟崗區(qū)一般小于2 m。走馬湖湖區(qū)及周邊厚度較大，最厚地段位于走馬湖湖區(qū)中央，平均厚度78 m～8 m，最大厚度約15 m。軟土在長(zhǎng)期荷載的作用下，除產(chǎn)生排水固結(jié)引起的變形外，還會(huì)出現(xiàn)緩慢而長(zhǎng)期的剪切變形，這會(huì)對(duì)地基沉降有較大的影響，對(duì)邊坡和地基的穩(wěn)定性不利。當(dāng)原狀土受到振動(dòng)或擾動(dòng)以后，由于土體結(jié)構(gòu)受到破壞，強(qiáng)度會(huì)大幅度降低。該場(chǎng)地內(nèi)軟土靈敏度均小于3，雖然靈敏度不高，但軟土地基受荷載振動(dòng)后，易產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)、沉降或基礎(chǔ)以下土體被擠出等現(xiàn)象。該區(qū)域軟土天然含水率約為50%～70%，最大含水率超過200%，含水量很高，但其透水性差，特別是垂直向透水性更差，垂直滲透系數(shù)多在1×10-8cm/s～1×10-6cm/s，屬微透水層或不透水層，對(duì)地基排水固結(jié)不利。軟土對(duì)該工程的影響主要表現(xiàn)為由于沉降較大或差異沉降造成對(duì)擬建物的破壞，以及造成填方邊坡失穩(wěn)等。該類土體含水量及壓縮性較高，孔隙比大，滲透系數(shù)極小，強(qiáng)度低，工程特性極差，受震動(dòng)時(shí)其結(jié)構(gòu)極易破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，引起擬建物不均勻沉降，易造成擬建物的滑動(dòng)和坍塌，不宜作為擬建物的持力層。上部建筑物荷載較小時(shí)，可以進(jìn)行地基處理，對(duì)于大型、重點(diǎn)建筑基礎(chǔ)宜置于下部穩(wěn)定層中。場(chǎng)地分區(qū)主要分為7個(gè)功能區(qū)，包括該期飛行區(qū)道面影響區(qū)、該期飛行區(qū)土面區(qū)、該期航站區(qū)、該期工作區(qū)、航站區(qū)道面復(fù)合區(qū)、規(guī)劃飛行區(qū)道面影響區(qū)以及規(guī)劃飛行區(qū)工作區(qū)，其場(chǎng)地分區(qū)見表1。

表1 鄂州機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地分區(qū)表

3 試驗(yàn)段區(qū)域選擇

綜合現(xiàn)場(chǎng)踏勘實(shí)際情況，為保證試驗(yàn)段施工便捷，縮短施工周期，更快的取得試驗(yàn)參數(shù)，考慮到湖區(qū)水系的暢通，經(jīng)權(quán)衡，在螺絲徑湖湖區(qū)內(nèi)選取試驗(yàn)段區(qū)域，施工相對(duì)集中，可保證施工連續(xù)性，驗(yàn)證強(qiáng)夯置換施工和塑料排水板施工交界面施工工序，在螺絲徑湖選取3條施工便道，堆載預(yù)壓試驗(yàn)段主要分為2個(gè)試驗(yàn)區(qū)域，試驗(yàn)段分區(qū)表見表2。

表2 試驗(yàn)段分區(qū)表

4 沉降監(jiān)測(cè)方案

沉降觀測(cè)包括分層沉降、軟土表層沉降以及表面沉降。軟土層內(nèi)部埋設(shè)分層沉降環(huán)觀測(cè)軟土的分層沉降，每個(gè)測(cè)孔每隔3 m深度設(shè)1個(gè)沉降環(huán)，軟土層底部埋設(shè)1個(gè)沉降環(huán)。軟土表層沉降板放置在堆載預(yù)壓碎石墊層頂面，在插設(shè)排水板之后埋放，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)放置3個(gè)；填土至交工面高程后，埋設(shè)表面沉降標(biāo)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)不少于3個(gè)。采用沉降板對(duì)地基的表面沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，埋深1 m，對(duì)地基沉降量隨堆載情況以及預(yù)壓時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用沉降板對(duì)軟土層頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。軟土層上碎石墊層頂部布設(shè)，上部土石方填筑時(shí)，分段連接至填筑層頂面。土層的具體性質(zhì)見表3。

表3 土層性質(zhì)及分布

5 施工過程質(zhì)量控制措施

施工過程質(zhì)量控制措施包括以下7點(diǎn)：1）塑料排水板的質(zhì)量，應(yīng)符合圖紙和該規(guī)范規(guī)定的要求。施工之前應(yīng)將塑料排水板堆放在現(xiàn)場(chǎng)，并加以覆蓋，以防暴露在空氣中老化。2）施工過程中保持排水板垂直，其垂直偏差按排水板進(jìn)入軟土地基深度確定≤1.5%。3）施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙指出的位置、深度和間距設(shè)置，一般位置偏差不超過5 cm。該工程設(shè)計(jì)間距為110 cm，露出地面的“板頭”長(zhǎng)度不小于2 cm，使其與碎石墊層貫通；并將其保護(hù)好，以防機(jī)械和車輛進(jìn)出時(shí)受損，影響排水效果。4）塑料排水板在插入地基的過程中，應(yīng)保證板不扭曲，透水膜無破損和不被污染。板的底部應(yīng)有可靠的錨固措施，以免在抽出保護(hù)套管時(shí)將其帶出。5）塑料排水板不得互相搭接，保持排水板入土的連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)斷裂即重新施插。6）施工中防止泥土等雜物進(jìn)入套管內(nèi)，一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時(shí)清除。打設(shè)形成的孔洞使用砂回填，不得用土塊堵塞。 7）塑料排水板處理路段取用級(jí)配碎石墊層，增強(qiáng)排水效果。8）施插排水板達(dá)到設(shè)計(jì)入土的深度后才能拔管，施插并切斷排水板后，露出地面的“板頭”長(zhǎng)度不小于20 cm。

6 技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)包括以下4點(diǎn)：1）該工程塑料排水板打設(shè)深度≤15 m，根據(jù)相關(guān)規(guī)程參考數(shù)據(jù)，該工程可以選擇B型塑料排水板作為垂直排水通道，寬度為100 mm，厚度≥4 mm，性能指標(biāo)應(yīng)滿足規(guī)程要求。2）塑料排水板平面布置按照正方形布置，試驗(yàn)段區(qū)域軟土厚度大，布置間距為1.1 m×1.1 m，打設(shè)深度穿透軟土層，進(jìn)入下部粉質(zhì)黏土層1.0 m。排水板上端露出碎石墊層（或砂礫墊層）頂面0.2 m。3）為保證排水質(zhì)量，該工程采用防淤堵塑料排水板（型號(hào)B型）。該排水板的濾膜可根據(jù)黏土顆粒調(diào)整孔徑的大小，達(dá)到最好的排水及防淤堵效果。4）考慮到項(xiàng)目附近砂料緊缺，不能滿足塑料排水板的工程需要，基于料源及排水效果的考慮，該項(xiàng)目排水墊層采用碎石墊層（或砂礫墊層），墊層石料采用中微風(fēng)化花崗巖、中微風(fēng)化粉砂巖和中微風(fēng)化細(xì)砂巖，墊層總厚度為0.80 m，滲透系數(shù)≥0.01 cm/s，含泥量不超過3.00%，分層填筑；鋪設(shè)范圍超出處理范圍0.30 m，排水碎石墊層（或砂礫墊層）厚度允許偏差≤5.00 cm。碎石墊層下鋪設(shè)1層多向復(fù)合土工墊或加筋濾網(wǎng)，并根據(jù)試驗(yàn)情況最終確定選用。

7 工藝流程

對(duì)于軟土厚度＞5.0 m，采用塑料排水板堆載預(yù)壓地基處理方案，清理完成②-1淤泥層后，鋪設(shè)1層復(fù)合土工墊或加筋濾網(wǎng)，然后再鋪設(shè)碎石墊層（或砂礫墊層），插打排水板，分層堆載預(yù)壓處理，上部填土分層填筑時(shí)，塑料排水板頂部3 m范圍內(nèi)土石方填筑壓實(shí)采用振動(dòng)碾壓（或沖擊碾壓）的方法進(jìn)行，3 m以上區(qū)域采用強(qiáng)夯法施工。

施工前對(duì)照地質(zhì)資料，在布置排水板的場(chǎng)地范圍內(nèi)做必要的觸探（探孔）檢查，盡量避免施打排水板時(shí)碰到地下障礙物。同時(shí)，做好排水板的技術(shù)性能檢測(cè)，采用B型塑料排水板工藝流程包括以下4點(diǎn)：1）場(chǎng)地平整，塑料排水板施工前先清除②-1淤泥層。2）鋪設(shè)一層施工墊層（厚度約0.7 m～1.2 m，厚度要滿足機(jī)械施工的要求、最大粒徑≤20 cm），在施工墊層上鋪設(shè)1層復(fù)合土工墊，鋪設(shè)時(shí)相鄰2塊土工布之間要做好搭接處理，復(fù)合土工墊搭接長(zhǎng)度為20 cm～30 cm，在復(fù)合土工墊或加筋濾網(wǎng)上鋪設(shè)碎石墊層。3）鋪設(shè)碎石墊層，墊層總厚度為80 cm報(bào)檢（排水碎石墊層厚度允許偏差≤5 cm），合格后進(jìn)行下一步工序。4）測(cè)量定位。準(zhǔn)確放樣出各個(gè)塑料排水板的位置，并做好標(biāo)記。5）插板機(jī)就位、插板和排水板的施打過程采用定載振動(dòng)壓入的方法，一直打到設(shè)計(jì)要求的深度，不允許重錘夯擊。排水板在平面以正方形布置。

8 沉降分析

圖1為軟土沉降觀測(cè)點(diǎn)D1-RTCJ1的堆載高度-時(shí)間-沉降-沉降速率的監(jiān)測(cè)曲線。從2019年6月3日開始監(jiān)測(cè)沉降深度，6月14日開始堆載，12月9日堆載完成。從開始監(jiān)測(cè)到2020年4月6日，一共308 d，該點(diǎn)最終堆載高度為5.9 m，累計(jì)沉降量為-923.07 mm。在0 d～7 d內(nèi)，沒有進(jìn)行堆載，只進(jìn)行了水平排水墊層的鋪設(shè)以及塑料排水板的打設(shè)工作等前期的準(zhǔn)備工作，所以軟土沉降也很小，幾乎可以忽略不計(jì)。堆載開始后，沉降迅速增加，沉降速率突然變快。隨著堆載的不斷進(jìn)行，軟土沉降深度不斷增加，每進(jìn)行1次加載，沉降速率曲線突變1次，沉降也會(huì)突然變快然后逐漸趨于平緩，如此循環(huán)，直到堆載結(jié)束。每一級(jí)堆載高度越高，對(duì)應(yīng)沉降速率越大，沉降深度也在快速增加。堆載完成后，軟土沉降逐漸趨向穩(wěn)定，軟土沉降速率逐漸趨于零。

圖1 D1區(qū)軟土沉降監(jiān)測(cè)曲線

圖2為D2試驗(yàn)區(qū)D2-RTCJ2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的堆載-時(shí)間-沉降-沉降速率的實(shí)測(cè)曲線。從2019年5月6日開始監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，6月14日開始堆載，2019年12月30日完成堆載。從開始監(jiān)測(cè)沉降到2020年4月6日，一共 336 d，該點(diǎn)最終堆載高度為6.7 m，累計(jì)沉降量為-515.82 mm。在堆載開始前，進(jìn)行插打塑料排水板以及水平墊層的鋪設(shè)，軟土層出現(xiàn)少量沉降，但沉降速率很小，沉降不明顯。堆載開始后，沉降速率突然增大，沉降快速增加。每進(jìn)行一次堆載，沉降速率都會(huì)發(fā)生突變，沉降曲線變陡。每級(jí)堆載增加的高度越多，沉降速率突變?cè)矫黠@，沉降曲線斜率增量變大。在每2級(jí)加載間隔時(shí)間內(nèi)，沉降速率較小，沉降曲線也趨于平緩。堆載完成后，沉降速率逐漸減小到零，沉降曲線也逐漸達(dá)到穩(wěn)定。堆載之前，沉降速率很小，沉降量幾乎為零。施加外部堆載之后，沉降速率突然增大，沉降曲線急劇變陡，說明只有在外部荷載作用力下，才能使其沉降。

圖2 D2區(qū)軟土沉降監(jiān)測(cè)曲線

9 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：1）軟土含水量及壓縮性較高，孔隙比大，滲透系數(shù)極小，強(qiáng)度低，土質(zhì)均勻性差，工程特性極差，易引起擬建物不均勻沉降。2）通過堆載預(yù)壓可使軟土地基提前固結(jié)，減少工后沉降，增加地基的穩(wěn)定性。3）超載預(yù)壓試驗(yàn)段比等載預(yù)壓試驗(yàn)段固結(jié)程度高，為了達(dá)到更高的固結(jié)度，可在現(xiàn)場(chǎng)允許的條件下進(jìn)行超載預(yù)壓。