填海造陆工程预压法加固软基现场监测试验研究

张 明，蒋瑞波

(河南工程学院 土木工程系， 河南 郑州 451191)

招商局深圳前湾填海造陆软基处理工程位于前海片区南侧，西部通道西侧，月亮湾大道北侧和妈湾大道东侧，按使用功能分为汽车贸易城、物流园区和码头功能区三部分(如图1)，总规划面积为242.22万m2[1]。原始地貌属滨海滩涂区，浅海域海水深1～3 m。填海淤泥软基处理方案：首先，在海滩抛石挤淤设置围堰形成塘，然后将海底淤泥混合搅拌吹填至塘内，在6.0～14.0 m厚的海相沉积淤泥之上形成厚度为3～6 m的吹填淤泥，经晾晒脱水3～10个月后，主要采用插板预压软基处理方法进行处理，最终形成建设用地[2]。

图1 招商局深圳前湾填海造陆软基处理工程

A、B1、B2、C1、C2、C3、C4七个区，采用码头疏浚港池淤泥及修船基地表层淤泥吹填形成。吹填完成后经晾晒并铺设一层厚约1 m的中粗砂工作垫层，在铺设砂垫层前，先铺设一层竹竿绑扎成网格状作为加筋片，再铺设一层200 g/m2土工布作为吹填泥的表层处理，而后进行软基处理。

室内土工试验统计的吹填淤泥及海相沉积淤泥软基处理前主要物理力学性质指标见表1[3]。

1 软基处理方法及技术标准

考虑到场区面积大及交地时间、土方平衡等要求，采用分区分阶段原则进行软基处理。软基处理工程分三步完成，施工顺序为：围堰隔堤工程，吹填陆域形成与软基处理工程。

表1 淤泥的主要物理力学性质

(1)围堰隔堤工程

码头区围堰和各区中央隔堤区采用抛填块石强夯法处理，利用已形成的围堰将场区进行分割，形成基本的交通条件，同时作为吹填陆域形成的前提条件。

(2)吹填陆域形成

吹填土开挖区布置在拟建码头前沿线50 m外、进港航道以东200 m的水域，开挖区水域面积53.258 m2。根据工期要求，采用港池开挖与吹填造陆相结合，分层开挖、分层吹填的原则实施[4]。按疏浚土分类、施工分区和分阶段吹填造陆，其中港池表层开挖差土(流泥、淤泥土)吹填至汽车贸易城区、物流园区和码头C2、C3区，下卧好土(粉质粘土、砂质粘土、粗砾砂等)吹填至码头C1区，陆域形成工程量见表2。

(3)软基处理工程

软基处理对象为吹填淤泥与下卧海相沉积淤泥，吹填淤泥经疏浚和吹填施工，原状特性已有很大改变，经晾晒自重固结后的土性指标，是地基处理设计的主要依据之一。在经初步晾晒自重固结后，根据分期分阶段原则进行软基处理，各区采用的软基处理方法及功能规划要求[5]见表3。

表2 陆域形成工程量

2 软基处理现场观测与监测

(1)表层沉降观测

主要目的[1,2]：掌握施工期地表沉降及沉降速率规律，了解淤泥顶面在预压荷载作用下的沉降发展过程，一方面用于评价填土加载速率的安全稳定性，另一方面通过对观测数据的实时分析，计算淤泥的固结度，推算地基工后沉降及确定合理的卸载时间。

表3 软基处理方法及规划功能

布置要点：堆载预压区按约4000 m2左右布置一个沉降板，真空堆载联合预压区按约1400 m2布置一个沉降板，整个场区共放置717个沉降标，放置位置尽量均匀，以便测得的沉降数据能真实地反映实际情况。

(2)深层分层沉降观测

主要目的[1,3]：结合分层沉降观测数据，了解不同淤泥层位加固过程中的沉降发展时程线，从而了解各土层的压缩情况，判断有效加固深度，计算各深度淤泥层的固结度，分析预压加固效果。

布置要点：分层沉降仪采用钻孔埋设，沿沉降管从淤泥层约间隔2 m设置一个测点，整个场区共布置64组深层分层沉降标。

(3)孔隙水压力观测

主要目的：测试淤泥层不同深度处孔隙水压力的增长和消散情况，用以计算土体固结、强度增长，分析地基的稳定性，从而控制加载速率，避免堆载过快造成地基失稳，以指导施工。

布置要点：沿深层分层沉降标测试点附近布置，每孔依次在淤泥层间隔约2 m埋设一只孔隙水压力计，整个场区共布置73组孔隙水压力计。

(4)真空度观测

主要目的[4,5]：了解真空度沿垂直排水通道的传递规律及真空度随排水通道的传递损失，判断真空荷载在垂直方向上的分布情况及影响深度，判断有效加固深度。

布置要点：整个场区共布置9组真空测头，分别在A、B1、C4区布置，每组沿不同深度自上而下绑扎在一根塑料排水板上，埋设方法与孔隙水压力相同，埋设时要求测头与排水板之间紧密接触，并用无纺布将两者绑扎起来，保证测头能准确测量所在位置排水板处的真空度。

(5)水位观测

用以观测抽真空及堆载期间地下水位的变化情况，通过静水压力计算超静孔隙水压力。沿孔隙水压力观测孔附近布置，整个场区共布置73只水位计。

(6)深层水平位移观测

主要目的[3,4]：测试不同深度处土体的侧向位移，分析堆载填土过程中土体的稳定性，判断加固过程中侧向位移对土体垂直变形的影响。

布置要点：结合施工现场地形，在离场地加固区坡脚不同距离处分别设置观测孔，共布置3个观测孔。堆载预压区坡脚边线布置2个观测孔，真空堆载联合预压区布置1个观测孔。

3 现场测试成果及分析

选取B2区真空堆载联合预压区与堆载预压区典型仪器布置断面，对加固过程中土层的沉降变形、孔隙水压力、真空度、深层水平位移测试结果进行分析，断面的钻孔地质及仪器布置如图2(a)、(b)所示。

图2 断面钻孔地质及仪器布置

3.1 表层沉降

真空堆载联合预压加固过程中地表沉降与平均沉降速率的变化情况分别如图3、4所示。由图可见，真空预压加载初期地基沉降发展很快，沉降曲线较陡，最大沉降速率达到4.5 cm/d；2007年9月28日(真空预压15天)真空预压荷载达到80 kPa后，随时间的增长沉降速率逐渐减小，至2007年10月24日(39天)第一级堆载，沉降曲线再次出现快速增长趋势。每一级堆载，均出现沉降速率由快速增长至稳定的过程，沉降速率曲线呈现波形状，四次堆载期间地表最大沉降速率为2.8 cm/d。恒载2个月后沉降曲线逐渐平缓，沉降速率逐渐稳定下来，由于预压荷载超载较大，直至卸载前沉降速率还未收敛，平均沉降速率仍为0.5 cm/d。

图3 地表沉降随时间的变化

图4 地表平均沉降速率随时间的变化

图5 地表沉降随时间的变化

图6 地表平均沉降速率随时间的变化

堆载预压加固过程中地表沉降与平均沉降速率随时间的变化情况分别如图5、6所示。由图可见，堆载预压初期，为了预防地表性质较差的淤泥受堆载挤压作用发生剪切破坏而隆起，严格控制了堆载厚度，因而在第一级堆载后，沉降发展较真空预压初期缓慢得多，此级荷载下最大沉降速率为1.5 cm/d；2007年12月18日(63天)第二级堆载后，沉降曲线出现明显的拐点，把整个曲线分为两段，沉降速率突增至3.0 cm/d，此后随着时间的增长，沉降曲线变缓，沉降速率逐渐减小；2008年1月15日(91天)第三级堆载后，沉降速率又出现一次由突增至缓慢稳定的变化过程；至恒载约3个月，沉降速率趋于收敛，卸载前沉降速率为0.07 cm/d。

3.2 分层沉降

本次试验根据土层沿深度分布的特点，在吹填淤泥与海相沉积淤泥层不同深度处设置了测点(沉降磁环)，观测加固过程中吹填淤泥层和海相沉积淤泥层的压缩情况。定义两相邻磁环之间土层的压缩比[6，7]为该层实际发生的沉降量与土层初始厚度之比，以百分数表示。

真空堆载联合预压作用下土层压缩比的变化情况如图7所示，由图可见：(1)总体上，各土层压缩比沿着深度的增加而减小，恒载后随着时间的增长，吹填土层与海相沉积淤泥层压缩比增长趋势逐渐收敛，但后者比前者收敛快，说明吹填土经过长时间预压后，仍有较大的次固结变形，地基后期使用过程中要引起足够重视。(2)卸载前，相邻吹填土层和海相沉积淤泥层的压缩比最大值分别为33.1%、18.3%，前者约为后者的1.8倍。说明上部吹填土的加固效果优于海相沉积淤泥，原因在于：一方面吹填土具备良好的加固条件，如天然含水量、孔隙比比海相沉积淤泥高，欠固结高压缩特性等；另一方面，吹填土位于加固土层的上部，真空度传递效果要好于后者，上部超载作用下排水条件明显优于后者。

图7 土层压缩比

堆载预压作用下土层压缩比随时间的变化情况如图8所示。通过图7与图8比较可见：(1)第一、二级堆载期间，相邻吹填土层与海相沉积淤泥层具有相近的压缩比，两曲线形状完全不同，呈现上凸状，此阶段压缩比增长速率要远小于真空预压期间。(2)图8曲线具有明显的拐点，把曲线分为两段，最后一级堆载完成后，曲线形状呈现上凹状，此后随着时间的增长压缩比趋于稳定。(3)卸载时吹填土层与紧邻海相沉积淤泥层的最大压缩比分别为32.2%、20.7%，前者约为后者的1.6倍。

图8 土层压缩比

3.3 孔隙水压力

真空堆载联合预压作用下土层孔压消散情况如图9所示。由图可见：(1)孔压消散值沿深度增加而升高，吹填土层(地面下1.7～6 m)孔压消散值比海相沉积淤泥层(地面6 m以下)低。(2)真空预压初期不同深度土层孔压消散都很快，但上层吹填土层孔压消散速率比海相沉积淤泥层慢。(3)堆载阶段孔压消散曲线出现堆载引起的加固土层孔压迅速增长的波峰位置，荷载施加完毕后孔压又慢慢消散。(4)恒载初期孔压消散很快，但随着时间的增长，曲线逐渐变得平缓，甚至后期上层吹填土层孔压消散速率略大于海相沉积淤泥，后者孔压消散曲线已趋于收敛，但前者孔压消散过程仍未完成。

图9 土层孔压消散曲线

图9显示，各土层局部测点孔压水压力消散值达到或超过了80 kPa。实际上，计算得到的孔压消散值主要由三部分组成：第一部分是由于抽真空引起的，最终可达到80 kPa；第二部分是由于水位下降而导致的地基土层孔压下降值；第三部分则为孔压计埋设钻孔等原因引起的超静孔压。三部分叠加后，计算孔压消散值可能大于或等于真空膜下的真空度。

3.4 真空度

塑料排水板不同深度真空度随时间的变化情况如图10所示，真空度按照实测孔压消散值与水位下降引起的孔压下降值两者之差计算。由图可见：(1)真空度沿排水板传递效果均较为理想，总体上是表层与底层大，中间小，表层真空度最大。(2)真空预压初期，不同深度处真空度突增至-70 kPa，随着时间的增长稳定发展，变化幅度不大。(3)每一级堆载真空度都有所回升，但真空度回升滞后于加载时间，其中一部分是由于堆载引起的地下水位上升所致。此阶段表层排水板真空度受堆载影响很小，真空度一直维持在-80 kPa左右。(4)恒载后，随着土层不断压密，排水板排水体系受阻，使真空度的传递效果受到影响，真空度都略有减小，除表层比较接近膜下真空度-80 kPa外，其它深度处真空度都在-60 kPa以下。

图10 塑料排水板真空度随时间的变化

3.5 深层水平位移

深层土体水平位移曲线如图11所示。图中负值代表水平位移朝加固区内，正值代表朝加固区外。由图可知：(1)真空预压阶段(2007年6月17日～2007年7月27日)：由于抽真空作用，加固区土体产生收缩变形，5 m以上土体水平位移朝加固区内迅速增加，5～12 m土体水平位移总体上朝加固区外增加，12 m以下土体水平位移很小。(2)堆载后(2007年7月27日～2007年8月6日)：土体水平位移总体上都朝向加固区外，但由于填土速率较慢，浅部土层(5 m以上)向加固区外位移量比中部土层(5～12 m)小得多，到加载后期，8 m深度处向加固区外水平位移达到最大值25.2 mm。(3)加载结束后，浅层土体虽然受已加荷载的影响朝加固区外侧移动，但由于抽真空作用上部土体水平位移仍朝加固区内，深部土体呈现明显的挤出状。随着时间的增长，表层及深层土体向加固区外位移速率逐渐变缓，在表层1 m处土体向加固区内位移达最大值36.7 mm。

图11 真空堆载联合预压土体的水平位移

4 结 语

介绍了招商局深圳前湾填海造陆工程，采用预压法分区加固吹填淤泥与海相沉积淤泥双层地基的软基处理方法与现场监测试验，对堆载预压法与真空堆载联合预压法加固软基的沉降变形、孔压、真空度、深层土体位移等测试结果进行了分析。结果表明：

(1)真空预压法加固的吹填淤泥地基沉降稳定时间通常比堆载预压法长；卸载前，真空堆载联合预压加固的地基地表沉降还未收敛，而堆载预压加固地基地表沉降已基本收敛。

(2)表层吹填淤泥具备良好的加固条件和排水条件，预压加固过程中吹填淤泥层的压缩比高达33.1%，为相邻海相沉积淤泥层压缩比的1.6～1.8倍。

(3)真空预压荷载下，上层吹填淤泥层孔压消散速率慢于相邻海相沉积淤泥；恒载后期，吹填淤泥孔压还未消散完毕，而海相沉积淤泥层孔压已基本消散完毕。

(4)淤泥表层与底层真空度传递效果较好，中间层次之，表层真空度最大，总体上传递效果较为理想，加固效果明显。

(5)由于真空作用，加固区表层土体发生加固区内的位移，深层土体向加固区内挤出，中间层土体发生加固区外的位移，总体上位移不大，不影响加固地基的稳定性。

[1] 叶柏荣，王兆龙.新吹填地基的加固方法[J].港口工程，1990,(4):28-31.

[2] 娄 言.真空排水预压法加固软土技术[M].北京:人民交通出版社,2002.

[3] 刘 兵,蔡南树,艾英钵.大面积吹填软土地基真空预压施工工艺[J].水运工程,2006,(9):73-76.

[4] 郭全元.吹填土真空预压工程实例分析[J].铁道建筑,2006,(3):48-50.

[5] 胡利文,王水平.南沙港区陆域吹填工程真空预压软基处理技术[J].施工技术,2004,33(10):65-68.

[6] 李 琳,王 清.大面积吹填软土地基处理效果评价[J].水利水电科技进展,2008,28(1):78-81.

[7] 王旭东,董淑海.超厚冲填土上对其下卧软土层的堆载预压效应[J].水运工程,2005,(6):80-82.