浅谈软弱地基处理方式的选择

刘 涛

(胜利油田胜利建设监理有限责任公司 东营 257000)

梁 捷

(上海宏波工程咨询管理有限公司 200232)

张文喜

(中国石化集团胜利石油管理海上工程技术检验中心 东营 257000)

1 软弱土的特征

软弱土系指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土。由软弱土组成的地基称为软弱土地基，其工程特性如下［1］:

a.含水量较高，孔隙比较大。根据统计，软土的含水量一般为35%～80%，孔隙比为1～2。

b.压缩性较高。软土的压缩系数α1－2在0.5～1.5MPa－1之间，有些高达4.5MPa－1，且其压缩性往往随着液限的增大而增加。

c.抗剪强度很低。天然不排水软土的抗剪强度一般小于20kPa。其变化范围约在5～25kPa。

d.渗透性较差。软土的渗透系数一般在i×10－5～i×10－7mm/s (i=1，2…，9)之间。因此软土层在自重或荷载作用下达到完全固结所需的时间很长。

e.具有显著的结构性。特别是滨海相的软土，一旦受到扰动(振动、搅拌或搓揉等)，其结构受到破坏，土的强度显著降低，甚至呈流动状态。软土受到扰动后强度降低的特性可用灵敏度表示。我国东南沿海软土的灵敏度约为3～9cm/s，属高灵敏土或极灵敏土。

f.具有明显的流变性。软土在不变的剪应力的作用下，将连续产生缓慢的剪切变形，并可能导致抗剪强度的衰减。在固结沉降完成之后，软土还可能继续产生可观的次固结沉降。

软土具有强度低、压缩性较高和渗透性较差等特性，必须重视地基的变形和稳定问题，如果不作任何处理，一般不能承受较大的建筑物荷载。

2 软弱地基土处理的目的和原则

2.1 地基处理的目的

地基处理的目的主要是改善地基的工程性质，包括改善地基土的变形特性和渗透性，提高其抗剪强度等［1］。

2.2 地基处理的原则

地基处理有许多方法，各种方法都有各自的特点和作用机理。没有哪一种方法是万能的，对于每一个工程都必须进行综合考虑，通过几种可能采用的地基处理方案的比较，选择一种技术可靠、经济合理、施工可行的方案，既可以是单一的地基处理方法，也可以是多种地基处理方法的综合［1］。

3 软弱地基处理方法浅析

目前软弱地基处理方法主要有以下几类［2］。

3.1 换土垫层

a.主要方法:素土垫层、砂垫层、碎石垫层。

b.原理及作用:挖去浅层土，换用比较好的土料，以提高持力层的承载力，减少部分沉降量，并消除或部分消除土的湿陷性、胀缩性及防止土的冻胀作用，改善土的可液化性能。

c.适用范围:适用于处理浅层软弱土地基、湿陷性黄土地基、膨胀土地基、季节性冻土地基。

3.2 碾压夯实

a.主要方法:机械碾压法、振动压实法、重锤夯实法、强夯法。

b.原理及作用:通过机械碾压或夯击压实土的表层，而强夯法则利用强大的夯击功迫使深层土液化和动力固结而密实。提高地基土的强度，减少部分沉降量，消除或部分消除黄土的湿陷性，改善土的可液化性。

c.适用范围:一般适用于砂土及含水量不高的黏性土。强夯法应注意其振动对附近建筑物的影响。

3.3 排水固结法

a.主要方法:堆载挤压法、砂井堆载预压法、排水板法、井点降水预压法、真空预压法。

b.原理及作用:通过改善地基的排水条件和施加预压荷载，加速地基的固结和强度增长，提高地基的稳定性，并使沉降提前完成。

c.适用范围:适用于处理厚度较大的饱和软土层，但需要具体预压条件(时间)，对于厚的泥炭层则要慎重。

3.4 振动挤密

a.主要方法:砂桩挤密法、土桩挤密法、灰土桩挤密法、生石灰挤密法、振冲法。

b.原理及作用:通过挤密或振动使深层土密实，并在振动挤密过程中回填砂、砾石等形成砂桩或碎石桩，与桩间土一起组成复合地基，从而提高地基承载力，减小沉降量。

c.适用范围:适用于处理砂土、粉砂或部分黏土颗粒含量不高的黏性土。

3.5 化学加固

a.主要方法:硅化法、旋喷法、碱液加固法、水泥灌浆法、深层搅拌法。

b.原理及作用:通过注入化学浆液将土粒胶结，或通过化学作用或机械拌和等方法改善土的性质，提高地基承载力。

c.适用范围:适用于处理砂土、黏性土、湿陷性黄土等地基，特别适用于工作事故处理。

4 工程实例

胜利油田桥东5 块新区产能建设地面工程1号岛地基工程属于胜利油田保油上产项目工程，由石油开发中心进行开发实施。

4.1 工程概况

该工程区域位于青东5 区块内，莱州湾西近岸海区，湾内滩涂广阔，其中潮滩和海滩面积为811.73km2，岩滩0.46km2，湾内大部分水深在10m 以内，属于典型的滩海油田。青东5 区块1号人工岛距广利港直线距离24.4km，距东营防潮大堤约8.2km。

青东5 区块1号岛呈矩形布置，长边东南向，短边东北向，有效面积为150m×90m。平均水深为4m，海底高程约为－3.5m。岛面设计高程为3.8m，竣工时顶高程为4.0m，预留沉降为20cm。人工岛四周设挡浪墙，挡浪墙设计顶高程为5.0m，竣工时顶高程为5.2m，预留沉降为20cm。

4.2 场地地貌和工程地质、水文地质条件

拟建人工岛地貌主要是海、陆相交替沉积的滨海水下三角洲，地势整体缓慢向海中倾斜，平均海拔高程约为－3.5m，地面坡度约为0.64。

拟建工程所在地泥面以下至9m 左右地层组成以淤泥质软土为主，间夹薄层粉土。在勘察揭露深度内，场地地层均由第四纪近沉积土和一般沉积土构成。对各层土情况描述如下:

1 层淤泥质黏土;2 层粉土;3 层淤泥质粉质黏土;4 层粉土;5 层淤泥质粉质黏土;6 层粉土;7 层淤泥质粉质黏土;8 层粉土;9 层粉质黏土;10 层粉土;11 层粉质黏土;12 层粉土;13 层粉质黏土;14 层粉土;15 层粉质黏土。

4.3 地基处理方案比选

结合本工程地质条件差、工程特征及建设工期短的情况，根据各种地基处理方式的特点，进行了方案的比选(见表1)，本工程拟采用碎石桩及塑料排水板共同进行地基处理，具体措施如下(见图1、图2):

表1 地基处理方案比选

图1 青东五产能建设工程1号人工岛地基处理平面(单位:cm)

图2 青东五产能建设工程1号人工岛地基处理剖面

4.3.1 岛体四周采用碎石桩加固

碎石桩法是指在地基中设置由碎石组成的竖向桩体，设置碎石桩后桩体与桩间土形成复合地基，对地基土起置换作用，以提高地基承载力和减少沉降，从而达到地基处理的目的。

这种地基处理方式虽然在海上工程地基处理方式中应用得较少，但在以往的应用中碎石桩的加固效果和综合效益逐渐得到认同。其主要优点有:ⓐ使用材料单一，施工工艺简便;ⓑ施工速度快，施工质量容易保证;ⓒ抗液化能力强，不仅桩体本身有挤密桩间土的作用，而且桩体还有较好的排水作用;ⓓ处理后土性质较为均匀;ⓔ造价经济。

本工程采用碎石桩碎石，2～5cm 自然级配碎石，含泥量不大于5%，桩长为11.5m，桩位放样形式为等边三角形，间距为1.2m。其顶面为土工格栅一层，碎石垫层一层［3］。

通过试验桩确定碎石桩充盈系数、成桩深度、留振时间、反插深度、打桩顺序等施工参数［3］。

4.3.2 岛体下采用塑料排水板进行地基处理

为了有效地对本工程的深厚软土地基进行处理，加快地基土固结，提高软弱土的承载能力，目前应用比较广泛的方法是采用排水固结法进行加固。

排水固结法是先在地基中设置砂井或塑料排水板等竖向排水体，然后利用建(构)筑物本身重量分级逐渐加载;或是在建(构)筑物建造以前，在场地先行加载预压(或者真空预压)，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度提高的方法。

该方法是处理软土地基的有效方法之一，它可以解决以下两个问题［4］:ⓐ沉降问题。排水固结法使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，构筑物在使用期间不致产生不利的沉降或沉降差;ⓑ稳定问题。排水固结法加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。

在各种排水固结法中，从技术上和经济上考虑，塑料排水板是一种经济、有效、可行的方法。其加固软土地基主要有以下优点:ⓐ滤水性好，排水畅通，排水效果有保证;ⓑ材料有良好的强度和延展性，能适合地基变形能力而不影响排水性能;ⓒ排水板断面尺寸小，施打排水板过程中对地基扰动小;ⓓ可在超软弱地基上进行插板施工;ⓔ施工快、工期短，每台插板机每日可插板15000m 以上，造价比袋砂井低。

本工程选用B 型塑料排水板，搭设深度为11.5m，呈正三角形分布，间距1.5m，其顶面为土工格栅一层，同时回填50cm 中粗砂一层［4］。

这样，通过碎石桩先将岛体四周软弱地基土挤密，在后期岛体四周抛石等加载的共同作用下，消散了孔隙水，减少了地基土沉降，改善了岛体四周的软弱地基土的土质情况，提高了处理过的地基土抗剪切能力。岛体内软弱地基土在施工过程中逐渐加压使孔隙水通过塑料排水板有效地排出，使地基沉降在施工工程中基本完成，并提高了地基土承载能力，解决了软弱地基土的沉降与不稳定两大问题(见图3)。

图3 青东五产能建设工程1号人工岛地基处理原理

4.4 目前工程进度及实施效果

目前，胜利油田桥东5 块新区产能建设地面工程1号岛地基处理工程碎石桩部分已经完成7000 多根，接近总量的80%;塑料排水板工程仍未施工。施工过程中，参建各方从各方面严格控制碎石桩施工质量。

针对碎石桩对该处地基处理的效果，建设单位委托相关检测单位对已施工完成碎石桩部分的承载力进行评价。分别采用碎石桩桩体的超重型动力触探试验(DPSH)和桩间土的双桥静力触探试验(CPT)的检测手段确定桩体的密实度、连续性、桩间土的挤密加固效果，分析确定复合地基的承载力［3］。具体检测结果如下:

4.4.1 碎石桩桩体的密实度和连续性

碎石桩桩体沿深度方向有较好的连续性:不存在某一段缺少填料的情况，但从锤击数也可以看出，如A区的31－5、32－7、79－2 桩，在1.1～2.0m 段击数小于1 击，显示密实度和连续性较差。

碎石桩单桩承载力:综合考虑桩体上部的动探锤击数，碎石桩单桩承载力特征值可达到200kPa。

4.4.2 桩间土的加固效果

通过双桥静力触探试验(CPT)可以确定加固后的表层桩间土承载力特征值能够达到75kPa。

4.4.3 复合地基承载力

碎石桩复合地基承载力特征值按下式计算:

式中 fsk——碎石桩复合地基承载力特征值，kPa;

fpk——桩体承载力特征值，kPa;

fsk——处理后桩间土承载力特征值，kPa;

m——桩土面积置换率;

d——桩身平均直径;

de——一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径。

代入式(1)，得fspk=mfpk+ (1－m)fsk=0.157×200+(1－0.157)×75=95(kPa)

随着淤泥质软土的排水固结，桩间土承载力还会提高，相应地复合地基承载力也将增加，其增加幅度与淤泥质软土达到的固结度有关。

上述复合地及承载力特征值仍属于通过理论公式计算确定，有条件时建议采用复合地基载荷试验进行检验。

针对检测结果，检测单位给出了下一步碎石桩施工建议。

动探试验结果表明，自桩顶至桩身8～9m 段动探击数普遍不高，个别段甚至低于1 击，与周围为软土有关。施工时应合理增加填料量，同时增加振压挤密次数，延长留振时间，以提高这一段的桩身密实度。

5 结 语

目前，胜利油田桥东5 块新区产能建设地面工程1号岛地基处理工程碎石桩部分已经完成8000 多根，接近总量的70%，从已完成碎石桩情况看采用碎石桩处理的海里软弱地基达到了预期效果，具体效果有待于地基处理工程完成，及人工岛完工后进一步检验、论证。

1 孔军，高翔.土力学与地基基础［M］.北京:中国电力出版社，2009.

2 JTJ 250—98 港口工程地基规范［S］.

3 JTJ 246—2004 港口工程碎石桩复合地基设计与施工规范［S］.

4 JS 206—1—2009 水运工程塑料排水板应用技术规程［S］.