滨海区软弱地基处理设计

□李书群 姬宏奎

滨海区软弱地基处理设计

□李书群 姬宏奎

软弱地基一般具有含水量高、压缩性大、地基承载力低等问题。沿海吹填地区在高地下水位的情况下，饱和粉砂及砂壤土排水困难，不利于土体固结。曹妃甸工业园区为吹填造地形成，结合曹妃甸工业区某蓄水池的工程实例，介绍吹填地区软弱地基处理设计，通过多方案对比，最终选用沉管震冲排水、强夯固结、沉模板墙隔水等组合工艺对地基进行处理，效果良好。

软弱地基；吹填砂；沉管震冲；强夯固结

曹妃甸工业区某蓄水池面积19.84万m2，蓄水池总容积94.6万m3，有效容积90万m3。池区设计底高程0.0m，基础换填高程-1.5m。蓄水池长342m、宽324m，挖深6m，基坑自堤顶至基础底面总高9.5m。蓄水池工程位于滨海滩涂区，场区利用滩涂采用吹填砂土造地形成，表层为人工吹填砂，下部为高压缩性的淤泥质黏土、粉砂、壤土、砂壤土互层结构，存在地震液化、岸坡稳定性差、地基变形大等问题。

1. 工程区地质条件及存在问题

曹妃甸一带为滦河三角洲平原海岸，内侧大陆岸线为沿滦河古三角洲前沿发育的冲积、海积平原，潮滩发育。工程区内分布的地层岩性依次为：表层为人工吹填砂壤土和粉砂的混合土(mlQ4)；第四系全新统和上更新统陆相、海相沉积(alQ3)的壤土、砂壤土、粉砂。

工程区地震动峰值加速度0.15g，地震基本烈度7度。

场区地面高程4.21m～4.76m，蓄水池围堤坐落在人工吹填土上，下部为海相沉积层，存在地基承载力低、岸坡稳定性差、地基沉降变形严重和砂土液化等主要工程地质问题。人工吹填土、海相沉积的淤泥质土层等土层结构疏松，淤泥质壤土大部呈流塑、软塑状态，属高压缩性土。场区地下水埋深较浅，地下水对工程施工及运行安全影响大，需采取措施降地下水，保障施工干场作业和运行期堤坡安全。

地基中的砂土层呈饱和状态，液化指数1.93～20.91，大部为中等液化，局部为严重液化，液化深度范围在3.5m～11.9m之间，需采取消除地震液化的处理措施。

2. 地基处理方案及比选

根据工程特点和场区工程地质条件，适用于本场区消除地基液化、加速土体固结减小变形、增强岸坡稳定性常用的处理措施有振冲法、排水强夯法、真空预压法、混凝土框格围封法等，考虑到吹填区吹填料的不均匀性，围封法的混凝土地下连续墙和横隔连系墙容易造成围堤剪切变形，不利于堤身整体稳定性，结合工程特点，对振冲法复合地基、排水强夯法、真空预压法等3种方法进行比较。

2.1 振冲法

震冲法利用振动、冲击或水冲等方式，把砾、碎石、无害建筑废料等挤入土中，混合填料形成大直径密实桩体，依靠桩的挤密置换和施工过程中的振动作用使桩周土密实度增加，提高地基承载力，降低压缩性。同时桩体是良好的排水通道，可以快速消散地震引起的超孔隙水压力，并且通过桩体约束避免土体地震液化。振冲震冲采用75kW振冲器及配套工具施工，桩身填料采用3cm～7cm的碎石，平均桩径0.8m，桩长10m～14.5m，桩间距2.0m，处理范围为沿围堤外缘延伸2排桩，内堤脚向池内侧延3排桩。

2.2 排水强夯法

由于场区地下水位高，淤泥质地层分布广，为加速其排水固结，避免强夯形成“橡皮土”，布设沉管碎石桩作为排水体，为孔隙水压力消散提供排水通道。沉管碎石桩平均桩径0.4m，桩长12m，桩间距3.0m。强夯夯击点横向处理范围按围堤内外坡脚线分别向外延伸6m。场地地下水位低于现状地坪0.5m左右，表层松软，为保证强夯机具正常工作，便于“夯击能”扩散。强夯前铺设碎石垫层，垫层厚度取0.5m，采用震动碾碾压两遍。强夯夯击能初步选择4000kN·m，具体由现场试验确定。夯锤底面直径2.5m，夯击击数按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定，控制最后两击的夯沉量不大于10cm；当夯坑过深提锤困难时，用推土机将夯坑推平并平整后，继续夯击。

2.3 真空预压法

竖向排水体采用宽100mm，厚4mm、长14m的塑料排水板，排水板伸入粗砂垫层中长度不小于0.5m，间距1.0m；水平向排水体采用厚80cm的粗砂垫层，并在砂垫层中布置排水滤管，滤管直径Φ60mm，垂直围堤轴线布置，间距1.0m，在围堤中心线处布置直径Φ 100mm的主管，滤管与主管之间采用变截面三通连接。为达到完全密封效果，预压加固宽度定为54.0m，保证堤基边缘产生相当的真空荷载，降低差异沉降。为减少周边地下水侧向补给，沿处理边界设置沉模板墙围封，阻断地下水补给。真空度控制在550mmHg以上，相当于70kPa以上的荷载，处理后固结度要求达到95%。

2.4 方案比选

振冲法可以先期施工振冲碎石桩，沿蓄水池周边形成排水通道，利于施工期排水，处理后的地基抗剪切强度提高。振冲法在蓄水池周边形成排水通道，利于蓄水池开挖，施工工艺成熟，工期短，效果评价直观；不利条件是投资高。

排水强夯法以沉管碎石桩为排水体，利用强夯产生的巨大能量加速土体固接，同时，将空隙水积压到桩体中，沿桩体排出地面。桩体挤压周围土体形成土石混合体，达到消除液化和减小不均匀变形的目的。其优点是施工进度快、效果评价直观，经加固处理后土体固接度高；不利条件是处理前需要进行现场试验验证其可靠性，排水不畅时容易形成“橡皮土”。

真空预压法借助不透气膜通过射流泵和埋设在垫层中的塑料排水管，将土体中的空气抽出，形成真空，产生负压并通过排水板将软基中的地下水垂直排出地表，使地基压密，达到消除液化的目的。真空预压法的优点是加固费用低、无环境污染等特点；由于沿周边增加了隔水帷幕，阻断了外水补给，施工期排水费用低，容易保证干场作业；不利条件是真空预压法工期相比其它两种施工方案工期长，离心泵需要引接电源，而且曹妃甸区吹填砂性质不均匀，周边补水源不容易截断，闭气效果差，处理效果需要通过试验验证。

投资方面：振冲法地基处理投资最高，真空预压法地基处理投资最低。以上3种处理方法均可以防止地震液化，围堤轴线长度超过1300m，处理地基耗资较大。排水强夯法兼顾了地基液化处理、渠坡稳定、场内排水条件，本工程选择排水强夯法进行地基处理。

沉管碎石桩桩径400mm，桩长12m，桩间距3.0m(在内坡脚部位加密布置)，等边三角形布桩；强夯点夯采用正方形布置夯点，夯点间距为5m×5m；强夯预处理点夯夯击能采用2000kN· m，满夯600kN·m～1000kN·m；强夯采用“夯二平一”的施工工艺进行，第一遍、第二遍点夯单击夯击能均为4000kN·m，满夯单击夯击能600kN·m～1000kN·m。

3. 现场试验

3.1 试验区选择

为验证工艺的适用性，在工程区选择有代表性的场地南侧区域进行现场排水强夯试验，实验区面积30m× 75m。实验区可能发生地震液化的砂土层埋身范围3.5m～11.9m，将可能发生液化的砂性土埋深设为处理深度。

3.2 沉管碎石桩及夯点布置

碎石桩直径400mm，桩长12m，桩间距3.0m，等边三角形布桩，填料直径采用小于5cm的新鲜碎石，控制碎石含泥量小于5%。

试夯采用“夯二平一”工艺，即每个场区夯击3遍，点夯2遍，满夯1遍。点夯采用正方形布置夯点，夯点间距为5m×5m。将实验区分为3个区域，根据初步计算结果，3个实验区强夯第1遍、第2遍点夯单击夯击能分别采用3500kN·m、4000kN·m、4500kN·m进行试验，强夯时点夯夯击次数按照最后两击贯入度不大于10cm为控制标准，以期达到最佳效果。满夯单击夯击能800kN·m～1000kN·m，每点夯2击，夯印搭接1/3锤底面积。

根据本工程场地实际情况，第1遍点夯与第2遍点夯之间间隔3天，第2遍点夯与满夯之间间隔3天。

3.3 试验检测及成果

检测项目包括地基变形模量、压缩模量、回弹模量、压实系数等岩土力学物理指标。在每个试验区内取3个试验点，每个试验点先做静力触探试验，然后做标贯取土孔，每米进行一次标准贯入试验，最后进行单桩复合地基静载荷试验。

通过试验，3个实验区域地基处理后地基承载能力均满足要求，通过不同土层标准贯入试验，夯击能4000kN·m、 4500kN·m两种方案处理及影响深度均达到12m，处理后砂土相对密度大于0.75，消除了地震液化，从不同夯击能的夯击次数上，夯击能4000kN·m实验区夯击次数8～10击，区域内未出现大的隆起和夯锤拔出困难问题，最终选定夯击能4000kN·m，单点夯击遍数8～10击。强夯施工的工艺流程见图1。

4. 防渗帷幕布置

防渗帷幕用于阻断地基处理施工过程中外水补给，并减少运行期排水量。防渗帷幕底界高程-9.44m～-3.82m。防渗帷幕厚度根据采用施工工艺选用，对于沉模板墙，其厚度不小于120mm；薄墙防渗系数不大于1×10-6cm/s；抗压强度不低于5.0MPa；弹性模量为1500MPa；薄墙倾斜度控制在2‰以内。配制墙体材料的水泥、骨料、水、掺合料及外加剂等应符合有关标准的规定，其配合比及配制方法应通过试验确定。

5. 结论

针对软弱地基上地震液化和堤坡稳定问题，通过振冲法、排水强夯法、真空预压法、混凝土框格围封法等多方案对比，选用沉管震冲排水、强夯固结、沉模板墙隔水等组合工艺，通过以上措施结合排水方案，既解决了砂土液化和堤基不稳定问题，还将复杂的海上易液化环境简化为常规干场施工，改变了曹妃甸工业区内通常采用的向吹填砂中挤入长距离调运山皮石、2m2外调土置换1m2吹填砂的恶劣施工环境，仅此一项，节省投资近7000万元，并在曹妃甸工业区内其他工程推广应用，经济效益显著。□

图1 强夯施工流程图

2017-08-20

李书群，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，教授级高级工程师，副总工程师。姬宏奎，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，工程师。