欠固结吹填造陆区建筑嵌固稳定层研究和结构设计与施工技术

陈曙腾

（广东省第二建筑工程有限公司 广东汕头515041）

0 引言

沿海经济活跃地区实施填海造地，大多采用外围防波堤、围堤一次建设完成，但在经济快速发展的前提下，短时间内围填海造地后得到的规划区域并不能很好地满足建造工程对场区的实际要求［1，2］，填海造陆区域形成的欠固结软弱地基，如不进行技术研究处理，将直接影响房屋市政工程以及建构筑物的施工安全和工程建造质量，影响建筑物使用功能以及全寿命使用安全的实现［3］。

结合汕头市东海岸某项目建设需要，在填海造陆后的欠固结新场区上进行地基综合处理［4］，研究并总结了在围海造陆后高含水率、欠固结、高压缩性软弱地基上，采取有效措施提高表层硬度和提高建筑嵌固稳定层的建筑施工成套技术，在工程实例中得到成功应用，实现了在全面软弱地基场区上快速建造体育场馆及其配套设施的目标。

1 地质概况

汕头市东海岸新城，围海造地面积20 km2。某体育场馆项目场区原为滩涂及浅海地带，后经由吹沙填海而成。现有地块场地地势平坦，低洼处有积水，场地内局部还在填土［5］。

场区内流塑状表层极度软弱，如图1 所示。地质勘探结果揭示，本场区地表为粉细砂层和淤泥层，在强力震动或者地震时砂层会发生液化现象，场地砂层厚度局部较大，其含水量丰富；地下水赋存条件良好，一般具中等透水性、富水性中等。同时，场区原为滩涂，场地内岩土种类较多，岩土层埋深及层厚变化大，会因地基的不均匀性造成施工时产生其它不利影响［6］。

图1 场区极度软弱的流塑状表层Fig.1 Extremely Weak Fluid-plastic Surface in the Field Area

2 关键技术和特点

欠固结吹填造陆区建筑嵌固稳定层研究和结构设计与施工技术，为设计和施工成套技术，包括：大面积流质性软弱地基就地固化施工技术、吹填层及软土地基的沉降控制技术、嵌固稳定层的桩基施工及稳定技术、楼栋内软基搅拌桩满堂加固及周边支护技术、人工水系与景观塑型稳定技术等关键技术。其关键技术主要有：①对填海造陆区域形成的欠固结软弱地基进行土力学分析研究，对特殊地基条件下的施工建造再研究，提出软基处理技术方案，为实现快速化城市房屋市政工程建造创造条件。②研究、优化、实施就地固化处理技术。本技术是一种利用固化剂对软土进行快速硬化的固化技术，使土体14 d承载力不小于100 kPa，28 d 承载力不小于130 kPa［7］，满足材料运输、施工机械作业以及建造施工活动对地基承载力的要求。③采用GeoStudio 软件和FLAC3D 建立地质模型，在河涌开挖前进行多种施工方案分析，优选出适合场区施工的最佳方案，排除了施工过程中可能出现的未知因素，节省了施工过程中不必要的费用。④针对河涌开挖出后的河堤基础采用充填砂性土袋堤心结构，通过层层袋布的抗拉作用，增加堤体的抗滑力。⑤提高桩基自身的防腐性能，优化混凝土配合比，使管桩在土壤侵蚀过程中，混凝土能利用内外浓度差的作用，来增强桩身的强度。⑥提出并采用一种适应软土地基的施工技术，对承台采用支护格构式水泥土搅拌桩墙加上封底水泥搅拌桩联合处理技术，对整体楼栋周边采用支护格构式水泥土搅拌桩墙支护处理技术。在软土地质情况下，使得单体楼栋的基础形成一个大包围，有效消除土层的沉降变形，提高单体建筑四周土体地基承载力。

3 就地固化施工技术和施工工艺

3.1 大面积软弱地基就地固化施工技术

本技术的施工设备如图2、图3 所示，主要包括：液压强力搅拌头、改装挖机、后台供料系统以及固化剂添加控制系统等。主要技术已经研发并形成专利。

图2 液压强力搅拌就地固化处理设备示意图Fig.2 Schematic Diagram of Local Solidification Treatment Equipment with Hydraulic Strong Stirring

图3 挖机型就地固化设备Fig.3 Excavating Machine Local Curing Equipment

后台供料系统可实现多种固化剂的同时供料。实时控制固化剂的添加量，实时记录和保存固化剂用量过程，并形成报告。

3.2 土体就地固化处理技术施工流程

①场地整平。②划分为10～30 m2或尺寸为5 m×5 m 或5 m×6 m 的区域，并根据该处理区域的处理厚度计算固化剂用量的配比和调制，固化剂自动定量供料系统设置固化剂含量。③根据现场淤泥含水率高低情况，分别采用浆剂或粉剂施工。④采用强力搅拌头装备对原位土进行均匀搅拌［8］。根据现场土样含水率的高低以及固化剂形式，施工时搅拌头垂直上下搅拌固化，直至达到固化范围内设计高程，然后搅拌设备反向运行缓慢提升搅拌并喷固化剂，搅拌提升或下降速率控制在10～20 s/m，固化剂喷料速率控制在100～200 kg/min（粉剂）和80～150 kg/min（浆剂）［9］。⑤就地固化处理采用位点固化完成并且推进结合的形式进行。各区块之间应有5～8 cm以上的搭接宽度，不得漏搅，如图4所示。

图4 就地固化施工设备推进方式Fig.4 Propulsion Mode of In-situ Solidification Construction Equipmen

3.3 就地固化搅拌方式

就地强力搅拌，将固化剂与原位土逐步搅拌到地基处理深度，其搅拌方式如图5所示。

图5 就地固化搅拌方式Fig.5 Solidification and Stirring Method in Situ

4 水系河涌塑型稳定施工技术

对地下水位以上土层土样进行土的腐蚀性分析，可判定场区中吹填的土质pH值大都在6以上，含盐量较高，质地粘性重，土骨架比较软。

4.1 河涌塑形和土体开挖稳定技术

就地固化技术实施后，表层吹填层含水量已降低，但人工河涌位置的吹填淤泥表层下，深度20～24 m处为软弱淤泥质土，需进行第二轮土体加固，否则，马上开挖引起的外界扰动将无法成功塑型和稳定。

通过GeoStudio 软件分析，竖向排水结果会受淤泥的水力传导系数影响。同时天然海相沉积土的水力传导系数相差比较大，可能会有几个数量级的差别。在这种情况下，如果插入排水板，可能会对天然吹填土有较大的扰动作用，如图6所示。

图6 超静孔隙水压力产生与消散示意图Fig.6 Generation and Dissipation of Excess Pore Water Pressure

4.2 搅拌桩施工技术

延河涌走向设置2 道单排隔离桩，隔离桩为直径500 mm 水泥搅拌桩，桩间距0.8 m，排间距为1.0 m，对土体进行稳固。

搅拌桩采用四搅四喷法施工，采用42.5R普通硅酸盐水泥，配浆水灰比为0.5～0.6，水泥掺入比为13%～15%（桩水泥用量约55～60 kg/m）；搅拌桩施工过程中应保持注浆压力到0.5 MPa以上，保证浆液注入效果。

通过GeoStudio 软件分析，在二维模型中，使用与单位厚度模型中同样的材料参数，表面沉降量如图7所示。最大沉降量在轴线部分，最大值为1.2 m。结果比单位厚度模型中的0.85 m稍大。沉降量为1.2 m，与实际测量获得的数值结果相近。

图7 地表沉降值Fig.7 Surface Settlement Value

利用FLAC3D 建立地质模型，当经过固结作用后，沉降会趋于稳定，土体的固结已经趋于平稳，位移方向会从整体上表现为竖直向下，说明固结达到一定时间一定程度后，土体位移不再表现出明显的偏转趋势，而是稳定不变［10］。

4.3 河堤塑型稳定技术

在开挖河涌时，采用传统的斜坡式结构，边开挖放坡时边在软土中填入碎石等无凝聚性粗骨料，以形成强度大于周围原地基土的复合地基［11］，为机械施工操作提供一定的工作面。开挖整理成型的河堤基础，实施抛填碎石级配或粗砂垫层、铺设高强土工布等措施进行加固，河堤采用充填砂性土袋等多种代用材料，护面结构可采用毛石进行砌筑。充填砂性土袋堤心结构，用于调整下部地基的不均匀沉降，且通过层层袋布的抗拉作用，增加堤体的抗滑力矩，而且与后期将建设的2条横跨河涌的桥宽20 m、桥长30 m 的车行桥及桥宽7 m、桥长27 m 的人行桥进行很好的衔接。如图8所示。

图8 河涌断面Fig.8 River Surge Section

5 市政桥梁桥台桩基抗酸性措施技术

为提高建筑桩基的耐久性［3］，提高桩身混凝土密实度、力学强度、抗硫酸盐侵蚀、Cl-侵蚀以及抗中性化能力等桩基自身防腐性能，对高强管桩混凝土提出特别要求，优化混凝土配合比、选用粉煤灰与矿粉双掺及碱性组分等。使管桩在土壤中的硫酸盐侵蚀过程中，混凝土在内外浓度差的作用下，外界S042-通过孔隙向混凝土内部迁移；水泥石中的OH-、Ca2+向外界扩散、溶出。使S042-离子先与水化产物Ca（0H）2作用生成硫酸钙，硫酸钙再与水泥石中的水化铝酸钙或单硫型硫铝酸钙反应生成AFt。由于地下水中的S042-离子浓度较高，水泥石中氢氧化钙和水化硅酸钙直接跟S042-结合生成石膏，并与粉煤灰、矿粉发生化学反应及固化，有利于增强桩身的强度。

6 楼栋周边支护搅拌桩满堂加固技术

由于就地加固技术只能对6～7 m 内土层进行固结，并不能更深层次地对单体楼栋周围进行加固。根据工程勘察报告显示，场区吹填造陆完成后，场地表层为6～8 m 厚吹填土，其下为10～12 m 厚的海相沉积的淤泥及淤泥质粘土。为消除土层的沉降变形，提高单体建筑四周土体地基承载力，楼栋周边采用支护格构式水泥土搅拌桩墙支护处理方式，承台采用水泥土搅拌桩墙支护加封底水泥搅拌桩联合处理方式。如图9所示。

支护搅拌桩桩径0.5 m，格构式布置，桩顶标高为-0.6 m，桩长约2.3Ha（约2.9 m），（Ha=相邻承台高度+0.1 m）。满布搅拌桩桩径为0.5 m，桩长为1 m，桩间距为0.5 m×0.5 m，矩形布置，桩顶标高为承台垫层底标高。满布搅拌桩桩顶在截面高低交界处进行专项设计［1］。

7 应用效果和体会

⑴“就地固化液压强力搅拌”装置通过在软土中进行搅拌，浆液与软弱地基一起组合固化反应形成新的复合地基，提高地基土强度和稳定性，对未固结的土体实现强度提升，快速实现欠固结造陆区建设高层建筑和体育场馆项目的目标。

图9 封底水泥搅拌桩Fig.9 Sealing Cement Mixing Pile

⑵运用GeoStudio 软件进行验算，提出优化的方案，有效地稳固土体结构，保证塑形效果，控制河涌开挖过程中边坡失稳等不良现象产生，确保河堤和市政桥梁施工顺利进行，施工质量得到保证，工后沉降控制效果显著。

⑶对建筑地基基础进行研究分析，提出一种适应软土地基的“支护格构式水泥土搅拌桩墙支护+封底水泥搅拌桩联合处理”、“支护格构式水泥土搅拌桩墙支护”等施工技术，在软土地质情况下，运用新型加固土层条件，使得单体楼栋的基础形成一个大包围，保证桩基基础稳定，工程质量得到大幅提升。