井点降水联合低能量强夯法在某码头工程中的应用

林佑高，林国强

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

软土地基处理的方法众多，如冲振挤密法、化学加固法、真空预压法、换填法[1]等，但不同的处理方法在处理效果、工期、价格等方面存在明显差异，因此有必要根据具体的工程地质特点选择一种处理效果好，比较经济，而又不延误工期的方法。大量工程实例证明，利用强夯法[2-3]对碎石土、砂性土、湿陷性黄土及含水率不高的杂填土地基进行加固处理，能取得良好效果。然而饱和软黏土在传统强夯法作用下超静水压力无法迅速消散，且土体结构也往往过度破坏，这两方面原因制约了强夯法在饱和软黏土地基中的运用。

针对上述问题，人们提出井点降水联合低能量强夯法[4-6]，利用井点降水技术，加速强夯产生的超静孔压的消散和孔隙水的排出，迅速提高软黏土的固结速率；同时用低能量强夯法代替传统强夯法，以避免由于过高强夯能引起的软黏土结构过度破坏的问题，取得了良好的效果。

广州南沙某码头工程场区内淤泥或淤泥质土等软土厚度不深，且夹有薄砂层。针对该类型地基以往常采用的处理手段是堆载预压或真空预压。然而，堆载预压需要大量砂石填料，经济性较差，且工期过长；而真空预压法抽气降水需采用大功率的真空泵，其造价和施工费用也相对昂贵，不具备良好的经济性。相比上述两种地基处理手段，井点降水联合低能量强夯法具有明显的经济性，且工期更短。对此，笔者作为设计者提出利用井点降水联合低能量强夯法对该工程进行软基加固，取得了良好的加固效果，拓宽了强夯法的适用范围。

1 工程概况

码头工程位于广州市南沙港区，含有7个1～10万吨级粮食和通用泊位。码头后方为粮食筒仓区、件杂货堆场区、辅助建筑区和港区道路等功能分区，场地均布荷载介于 30～60 kPa。

地表以下勘察深度内揭露的土层自上而下为：①淤泥混（夹）砂：灰色，松散，含大量中粗砂，平均厚度2.5 m。②淤泥混（夹）砂：灰色，流塑，混夹粉细砂、中粗砂、少量块石，且夹薄层砂，平均厚度3 m。③淤泥：灰色，流塑，局部混粉细砂、中粗砂，夹较多薄层砂，平均厚度4.2 m。④淤泥混（夹）砂：灰色，流塑，混夹较多粉细砂、中粗砂，夹较多薄层砂，平均厚度1.6 m。⑤淤泥质土：灰色，流塑，含粉细砂、中粗砂，局部夹薄层砂，平均厚度5.1 m。⑥粉质黏土～黏土：灰色、灰黄色，可塑，局部含少量砂，平均厚度1.4 m。⑦粉质黏土：灰白色，湿，可塑，局部呈粉土状，平均厚度3 m。⑧中砂、中粗砂：灰黄色，稍密，含少量黏粒，平均厚度1.7 m。各软土主要的物理力学指标如表1所示。

码头后方陆域地基主要为厚度约18 m的淤泥质土与砂混合层，在荷载作用下，地基沉降较大，为满足上部结构的使用要求，需采取适当的手段进行地基加固处理。从处理效果、工期、价格等因素出发，对堆载预压、真空预压、井点降水联合低能量强夯法等多个加固方案进行分析对比，最终确定选取2.25万m2的试验区场地采用井点降水联合低能量强夯法对软土地基进行加固处理。

2 设计方案

2.1 设计参数

1） 设计荷载：均布荷载60 kPa。

2） 交工面标高：+5.10 m。

3） 残余沉降：小于30 cm。

4）固结度：卸载前固结度不小于88%。

5）地基承载力：交工面以下1 m处的地基容许承载力不小于130 kPa。

2.2 设计方案

1）中细砂层：在泥面上设置0.60 m厚中细砂，含泥量＜10%。

2）中粗砂垫层：在中细砂顶面设置0.70 m厚中粗砂垫层，砂垫层含泥量＜5%。

3）塑料排水板：作为设置在软土层中的排水通道，插板深度18～24 m。排水板布置按照沉降、固结度最终确定。

为达到88%固结度的设计要求，由式（1）、（2）计算，确定采用B型塑料排水板，正方形布置，间距1.1 m的方案。插板深度穿过淤泥层进入下卧黏土层或砂层0.5 m。

4） 设置深层井点：渗透系数K、涌水量Q是确定井点布置方案的关键参数。渗透系数K可由现场抽水试验根据式 （3） 求得。

涌水量可根据裘布衣-Dupuit稳定潜水井流原理按式（4） 计算确定。

表1 软土的物理力学指标

施工前抽水试验得到，场地土层平均水平向渗透系数K=3.8 m/d。根据式（3）、式（4） 计算，确定降水井布置方案为：正方形布置，点距30 m，井深23.5 m，深度穿透软土层进入硬土层3 m，抽水至井内水位1 m。

5） 泥浆搅拌桩防渗墙：作为加固区周边防渗墙，泥浆搅拌桩防渗墙采用双排桩形式，单桩直径700 mm，搭接200 mm，深度穿透透气（水）层进入其下不透水层500 mm，平均深度8 m。墙体采用淤泥土制成泥浆，泥浆比重≥1.35，黏粒的掺入比为15%～20%。

6）降水预压+强夯：深井井点降水施工30 d后，地基地下水位降深5 m左右，进行强夯施工。夯点按正方形布置，间距5 m，点夯两遍，采用隔点插档跳夯工艺，夯击能量1 500～2 500 kN·m，每点夯击次数共12～16击，分4遍进行夯击。特别值得注意的是，该工程是在软土地基上进行强夯，容易产生夯锤击沉过深甚至“埋锤”现象，因而需采用“由小及大、多遍少击”的施工方式。现场施工时，先通过试验确定最佳起夯夯能，第一遍开始时采用500~800 kN·m夯能进行强夯，然后逐渐加大夯能。最后，进行1遍普夯，夯击能量500~800 kN·m，夯点搭接1/3夯锤。

3 监测

3.1 地面沉降

地面沉降由地表沉降标测量，沉降标在插板前埋设于砂垫层上。由沉降标实测的地表沉降资料整理得施工期地面沉降—时间曲线，如图1所示。根据推算当固结度88%时主固结沉降1 017 mm，其中插板期沉降559 mm，此部分沉降主要由吹填土及砂垫层约70 kPa荷载作用产生，降水预压25 d沉降298 mm，降水预压后期沉降160 mm，此部分沉降在填土荷载及降水预压荷载共同作用下产生；强夯期间总沉降量311 mm，其中强夯动力固结引起土体沉降251 mm，强夯引起表层砂密实沉降量60 mm；施工期总沉降量1 328 mm。

图1 地面沉降-时间曲线

3.2 深层分层沉降

深层分层沉降埋设于加固区中心处，在淤泥等软土层中沿沉降管每隔3 m布设1个沉降磁环。由图2可知，沉降较大的深度主要出现在7~10 m处土层，此范围每个磁环的沉降量基本在10 cm左右，10 m以下的土层每个磁环沉降量基本在7 cm左右。但在4 m处，淤泥含砂量高，磁环的沉降较小只有7.4 cm，这说明软土组成成分也会对其沉降产生影响。

图2 深层分层沉降-时间曲线

3.3 地下水位

由位于4个降水井中心处的地下水位观测点PMZX7的实测资料显示，水位管内水位在降水初始阶段下降的速率较快，降水约25 d时基本趋于稳定，介于5.5~6.0 m之间，之后水位基本在5.5 m深度左右范围小幅波动，如图3所示。强夯施工时水位呈短时间上升之势，但随着时间推进，水位又逐渐回落。这说明通过设置深层井点，有效地加速了强夯产生的超静孔压的消散和孔隙水的排出。由稳定阶段的有效降水深度推算得知，在该区深井降水可形成约50~60 kPa的有效荷载对水位以下的软土产生相应的预压作用。

图3 地下水位降深-时间曲线

3.4 孔隙水压力

孔隙水压力计布设在加固区中心处，采用钻孔方法埋管，孔压计在淤泥软土层内按2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m和16 m深度埋设。由图4可知，在降水初期25 d左右软土层孔隙水压力消散速率最快，之后基本趋于稳定，在强夯施工期间又呈小幅上升，但随着时间推进，渐趋于稳定。这说明即使采用低能量强夯也会引起土体内的超孔隙水压力在短时间内增大，但上升幅度不大，不致引起软土发生结构破坏，而通过设置深层井点可以为孔隙水提供排水通道，有助于超孔隙水压力的迅速消散。“PMZX7-1~PMZX7-3”等3条曲线的最大孔压消散值分别为67.3 kPa、64.5 kPa和49.15 kPa，平均值60.3 kPa。

图4 孔隙水压力消散-时间曲线

4 加固效果分析

为进行加固效果评价，对加固前后土体分别进行了室内土工试验、十字板剪切试验、静力触探试验和载荷板试验。

4.1 土体物理力学性试验

经室内土工试验获得的加固前后土体物理力学性指标如表2所示。由表2可知，加固后土体的含水量、孔隙比明显降低，土体压缩性降低，地基土强度显著提高，各项物理力学性指标均得到明显改善。说明在本工程中运用井点降水联合低能量强夯法进行软基处理取得了突出的加固效果。

表2 加固前后土体的各项物理力学性指标

4.2 十字板剪切试验

由图5可知，加固后土体十字板抗剪强度Cu由3~12 kPa增加到24~69 kPa，增幅十分明显。这也说明井点降水联合低能量强夯法加固效果突出，显著提高了地基土强度。

图5 抗剪强度-深度曲线

4.3 静力触探试验

由图6可知，加固后土体比贯入阻力P s除小部分小于550 kPa外，其它均在550 kPa以上，其平均值由加固前的310 kPa提高到608 kPa，增加了298 kPa，提高幅度显著，进一步验证了井点降水联合低能量强夯法突出的软土加固效果。从深度上看，7 m深度以上土体的加固效果要略好于该深度以下土体的加固效果，主要是因为该深度范围正好是低能量强夯的影响范围。深部土体的比贯入阻力指标也得到大幅提高，这说明深部土体同样得到有效加固。经分析，认为主要是由于深层井点降水产生的预压作用对深层软土产生了加固效果。

图6 比贯入阻力-深度曲线

4.4 载荷板试验

加固后地基土的载荷板试验结果如图7所示。当荷载施加至260 kPa时，曲线仍未出现明显的“拐点”，地基仍未出现屈服破坏，说明加固后地基容许承载力不小于130 kPa，达到设计要求。

图7 p-s曲线

5 结语

1） 结合该码头工程场区内软土不厚不深，且夹薄砂层的工程地质特点，采用井点降水联合低能量强夯法进行软基加固处理。工程实际运用证明：通过设置深层井点，可有效增加软土水平排水通道，加速强夯产生的超静孔压的消散和孔隙水的排出；同时，采用“由小及大、多遍少击”的施工方式可以有效地避免因夯击能量过高导致的软土结构过度破坏。

2） 经井点降水联合低能量强夯处理的饱和软黏土，各项物理力学指标得到明显改善，地基承载力明显增强，这说明井点降水联合低能量强夯法对本工程软土地基的处理效果良好；另一方面，经分析对比，该方法在造价上较真空预压法或堆载预压法可节省15%~20%，经济性较好；第三，采用该方法对本工程软土地基进行地基处理施工期仅为100 d，明显短于真空预压法或堆载预压法处理类似地质条件下的类似工程的工期。综上可知，在本工程中运用井点降水联合低能量强夯法进行软土加固是成功的。

3） 地下水位监测和孔隙水压力监测表明：深井降水可对水位以下的软土产生约50~60 kPa的预压荷载，有利孔隙水消散和土体强度迅速增长。

4） 井点降水联合低能量强夯法的加固效果可分两部分，强夯通过动力固结、密实作用对上部7 m深度范围内的土体加固效果显著；而井点降水通过降低地下水位，可对软土产生约50~60 kPa的预压荷载，再加上在原泥面新吹填疏浚土及砂垫层等约70 kPa附加荷载，施工期可形成约120~130 kPa附加荷载，从而有效地加固了深部软土。

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