基于接力排水的强夯法在滨海回填区地基处理中的试验研究

2022-01-19张军舰殷坤宇罗玉磊

水文地质工程地质 2022年1期

张军舰，李鹏，殷坤宇，罗玉磊，郭幔

（1.岩土科技股份有限公司，浙江杭州 311401；2.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266032；3.青岛岩土基础工程公司，山东青岛 266032；4.中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071；5.青岛滨海勘察测绘有限公司，山东青岛 266071）

随着山东省海洋经济的发展，土木工程建设向山东海岸带快速推进。山东海岸带滨海回填区广泛分布杂填土、饱和粉细砂、淤泥质土等特殊土。各类土密实程度、承载力、变形特性、渗透性等物理力学参数、工程性状差异明显[1]，常规、单一地基处理方法难以满足快速高效、安全经济、科学合理的建设需求，研究经济、高效的地基处理方法是迫切需要解决的工程问题。

加载方式和排水方法是使复杂地层地基快速高效固结的关键。强夯是快速、经济的加载方法之一，是加固地下水位以上粗颗粒土地基常用方法[1-4]。杂填土在强夯荷载作用下可瞬时完成固结，而饱和粉细砂、淤泥质土中超孔隙水压力无法及时消散，粉细砂易液化，淤泥质土易形成“橡皮土”。

淤泥质土地基常用真空预压或堆载预压地基处理方法[1-2]。传统真空预压法往往是上部土体先在真空负压下压缩固结稳定，然后其作为荷载与真空负压对中下部土体压缩固结的缓慢过程[5]，真空负压分层分阶段作用于土体，使其渗流路径宽且长，后期常形成淤堵现象[6]。堆载需要分步施加，每步的堆载高度需根据地基稳定性计算确定[1-2，7]，土体长时间的缓慢渗流排水也会导致淤堵影响处理效果。由于真空预压、堆载预压的作用机理，使得其工期长、造价高，而结果是表层形成硬壳层、中下部处理效果往往较差。

强夯的加载方式则不同，夯锤夯击土体时释放巨大能量，使土体产生强烈振动，其作用可瞬间从地表传至深部土体[4]。强夯加载方式克服了真空加载和分步堆载的分层固结、淤堵等缺点。若辅之以有效的排水方法，则为加固淤泥质土更有效之方法。

近些年众多学者对我国不同海岸带地区地基强夯+排水组合处理方法进行了研究。叶永兴[8]对浙江钱塘江右岸冲积软弱粉土地基的强夯+真空井点降水方法进行试验研究，取得了粉土地基处理前后的物理力学参数、地基土的孔隙水压力变化特征等资料数据。王越虹[9]对青岛高新技术产业开发区吹填土地基低能量强夯联合井点降水方法机理进行研究，并结合现场监测数据分析建立数值模型验证该方法的可行性。陈晨[10]通过室内试验、模型试验研究塑料排水板和强夯法的作用机理及相关计算方法。陈志勇[11]针对安徽皖江城市带特殊地质条件的路基工程，通过室内试验、现场监测、数值模拟研究了真空预压后的淤泥质土在强夯荷载下耦合的作用机理及加固效果。谢伟树[12]针对福建闽江口北岸特殊地质条件的体育中心项目，对低能强夯+塑料排水板联合地基处理方法加固机理进行理论分析，并建立了孔隙水压力消散公式。

以上研究均是针对一类特殊土的强夯荷载下单一排水系统研究，没有针对其组合复杂地层进行研究。多层状不同渗透性地层的综合排水问题目前鲜有研究。早在1965年，谢松高[13]对存在隔层的层状地层水面上升至地面情况下的水平排水问题进行了研究，得到了隔层的深度、厚度、相对透水性等因素对排水效果影响规律。其研究是基于电拟试验、排水沟进行的，但反映了复杂地层排水的普遍规律。在隔层深度、厚度、排水沟深度一定情况下，隔层相对透水性k1/k2(隔层渗透系数/排水层渗透系数)越大，整体排水效果越好。隔层相对透水性k1/k2对隔层以上土层排水量影响不大，对隔层及其以下土层排水量影响明显。

滨海回填区地层地基的排水固结过程可视为多层状不同渗透性地层的综合排水过程。强夯荷载下地下水位迅速上升，上部杂填土、粉细砂层为普通排水层，下部淤泥质粉质黏土为隔层。塑料排水板使得隔层的渗透系数k1增大，强夯作用下在淤泥质土中瞬时产生微裂隙也使k1增大。然而强夯作用下上部填土和粉细砂是逐渐趋于密实，其渗透系数k2逐渐减少。整个强夯过程中使得k1/k2逐渐增大，整个复杂地层更趋于一种均质排水地层，k1/k2=1时就为同一种地层。强夯作用下复杂地层的排水过程是多层土渗透性逐渐同化为同一种土的过程，也是地基整体同步固结的过程。

在前人研究基础上，以青岛特殊钢铁项目用地为背景，针对山东半岛海岸带滨海回填区多种组合特殊地层，提出复杂地层整体排水概念，设计浅层、深层竖向排水和水平排水的接力排水系统，并通过现场试验对其进行研究，为山东海洋经济发展建设提供基础支撑。

1 工程概况

青岛特殊钢铁项目用地位于青岛市黄岛区泊里镇，横河入海口西侧，工程场区平面示意图见图1。

图1 工程场区平面图Fig.1 Project site

场区地层自上而下为杂填土、粉细砂、淤泥质土、粉质黏土、中粗砂、全风化花岗岩，详见表1。场区地下水埋深1.0 m，主要以大气降水和场区南侧海水补给，地面蒸发为排泄方式，各层土间水力具有一定连通性。

表1 场区地层概况Table 1 Layers in the site

地基处理要求如下：（1）处理深度约13 m，至淤泥层下0.5 m。（2）交工面地基承载力特征值150 kPa，交工面下4 m处地基承载力特征值120 kPa。（3）压缩模量：交工面12 MPa，交工面下4 m处10 MPa。（4）固结度：交工面下4 m内85%，交工面4 m以下80%。

2 试验方案

2.1 排水系统

强夯荷载转换为土体内应力计算及土体固结排水理论十分复杂，目前对其作用机理仍在不断研究探索中。陈晨[10]通过模型试验得出了冲击荷载下的孔隙水压力消散规律。吴航[14]将Biot 理论、Helmholtz矢量分解和 Fourier-Hankel 积分变换相结合，求解了均质饱和土在强夯下的位移、孔压、应力解析解，为更好体现土体黏性，将标准线性固体模型引入解析解中。以上研究分别是基于室内模型试验和Biot理论，但Biot理论是基于土体线弹性、小变形、应力应变连续协调、土体骨架不可压缩、土体始终饱和、排水符合达西定律等诸多假定基础上的[15]，其计算结果与实际往往差别较大。

强夯及排水固结理论落后于实践，其设计方法是半理论半经验的，在理论基础上进行试验研究，通过试验数据分析和反馈，可对设计方案和理论研究具有重要指导推动作用。可人为改变土体的排水条件，结合各土层渗透性及强夯加载过程对土层影响等多种因素，设计复杂土层的综合排水系统。将轻型井点降水管作为粉细砂层中浅层竖向增强排水通道，塑料排水板作为淤泥质土中深层竖向增强排水通道，用填土、饱和粉细砂层作为轻型井点管、塑料排水板接力水平排水通道。使地层渗透性差异大、不同类型增强排水通道连通起来，形成一个接力排水系统。在强夯荷载下，复杂地层可整体排水完成固结，详见图2。

图2 排水系统设计图Fig.2 Drainage system

井点管可拔除重复使用，塑料排水板材料应用广泛价格低廉，水平排水层利用原土就地取材。该排水系统具有施工高效便捷、造价低廉、绿色低碳环保等优点。

2.2 试验参数

选取2个面积为15 m×60 m试验区，区域A没有进行排水板施工，区域B进行全工艺施工。埋设孔隙水压力计、水位观测管、分层沉降仪进行实时监测，同时对地表沉降进行监测。试验平面图见图3。

图3 试验平面布置图Fig.3 Map of the test area

强夯试验参数：点夯2遍，点夯夯击能2 500 kN·m，夯点间距5 m，梅花形布置。满夯1遍，夯击能1 000 kN·m。

竖向排水系统参数：浅层排水通道采用轻型井点降水。深层排水通道采用塑料排水板。井点降水管为镀锌钢管，直径36 mm，单根长度6 m，井管水平间距3 m。塑料排水板为B型，水平间距1.5 m，单根长度入淤泥质土底。

水平排水系统参数：浅层与深层竖向排水系统水平接力排水层采用杂填土和饱和粉细砂层，厚度约2 m。总体水平排水总管为直径65 mm镀锌钢管，水平间距15 m。

3 监测数据分析

3.1 地下水位监测

试验B区布置4组地下水位监测孔，监测地下水位变化，地下水位历时典型变化曲线见图4。

图4 夯前（a）和夯后（b）降水时间变化曲线Fig.4 Duration curve of groundwater levael depth before (a) and after (b) ramming

从图4（a）中可以看出，降水持续 5 d后地下水位降低0.6～0.7 m，之后水位降深不变，降水量不变。若进一步降低地下水位，应加密井点降水管。从图4（b）可以看出，强夯后地下水位迅速上升，水位升至地面，上升幅值约1 m。持续降水7～10 h，上升的地下水降至夯前持续降水5 d后水位。由于其他原因10～20 h内未测地下水位，后继续降水18 h，地下水位再降低0.3 m。这可能是夯后土体密实度增加，轻型井点真空度增加，增加了地下水位下降幅值。

3.2 孔隙水压力监测

在试验A区、B区分别设置1组孔隙水压力监测点，埋深分别为4，6，8，10，12，14 m，监测数据见图5、图6。试验B区布置6组孔隙水压力监测点，每组埋深分别为4，6，8，10，12，14 m，对孔隙水压力监测，典型监测数据详见图7。

图6 夯后有、无排水板孔隙水压力变化曲线（6m处）Fig.6 Effect of plastic drainage plate to pore water pressure vanishing after ramming (6 m deep)

从图5可以看出，排水板施工后，4～10 m深处的孔隙水压力均有减小，减少幅度为8%～20%。埋深12 m以上孔隙水压力略有变化。施打塑料排水板后，土体内形成竖向排水通道，在上部回填土及自重作用下出现孔隙水压力消散现象。同时也证明了普通堆载或真空加载等静荷载对深部淤泥质土固结具有明显的分层缺陷，这也是普通真空预压或堆载预压表层效果好、中下部效果差的原因。

图5 排水板施工前后孔隙水压力变化曲线Fig.5 Change of pore water pressure before and after plastic drainage plate embedded

从图6可以看出，施加塑料排水板区域夯后，超孔隙水压力在7～10 h后基本全部消散。未施加塑料排水板区域夯后超孔隙水压力消散缓慢，夯后3 d仍有约50%未消散。说明排水板可有效加速超孔隙水压力消散，大大缩减动力固结法点夯间歇时间，缩减整个施工工期。

从图7中可以看出，强夯后4～10 m深处孔隙水压力迅速升高，夯击能转换为超孔隙水压力，其值为夯前的2.68～1.28倍，12～14 m深处孔隙水压力变化不明显，说明该夯击能的有效影响深度约为10 m。夯后超孔隙水压力开始消散，埋深越浅消散幅度越大，强夯7 h后超孔压基本全部消散，埋深越浅消散速度越快，最终孔压稳定在强夯前的80%左右。说明在强夯动力有效影响范围内，使淤泥质土体产生微裂隙，加快土体排水速度和孔隙水压力消散速度。

在强夯荷载作用下，井点降水管、塑料排水板及粉细砂层形成竖向排水、水平向排水的接力排水系统，可整体快速排出地下水，使地基土整体排水固结。

3.3 分层沉降监测

试验B区设6组分层沉降监测点,初始值与第一遍点夯前测量间隔7 d，第一遍点夯与第二遍点夯间隔24 h。监测数据平均值见表2。

表2 分层沉降监测值Table 2 Monitoring data of layered settlement

从表2可以看出，除第二遍夯后埋深10.9 m测点破坏导致数据异常外，埋深3～10 m范围土体在强夯作用下有一定沉降，埋深11～15 m范围土体在强夯荷载作用下沉降不明显，说明该夯击能影响深度为10 m。2遍点夯后埋深3～7 m土体沉降量分别约为土体厚度的5‰、3‰，埋深7～10 m土体沉降量均为土体厚度的2‰左右。

3.4 地表沉降监测

夯前持续降水期间对地表沉降量进行了监测，同时对夯前、夯后地表沉降进行了监测,试验B区共布设5个监测点，监测数据见表3。

表3 持续降水地表沉降、平均夯沉量监测数据Table 3 Surface settlement by pumping and ramming settlement

从表3可以看出，持续降水7 d，地表沉降量6.2～17.0 mm，占上部土体厚度的0.7%～2.0%，表明持续降水可使土体固结沉降。强夯动力荷载作用下，表层土体压缩量349～437 mm，占上部土体厚度的8.7%～10.9%，使土体得到压密固结。

4 效果检测

4.1 夯前夯后土体参数对比

对夯前、夯后土体进行取样，按照土工试验方法标准[16]要求进行测定，对其物理参数进行对比，试验数据见表4。从表4可以看出，除个别试样数据异常外，强夯前、后土体孔隙比、含水率、湿密度、黏聚力、内摩擦角均有所改善，取样深度5～10 m改善幅度明显，表明处理效果明显。深度10 m以下土体参数略有改善，但不明显。

表4 夯前、夯后土体物理参数对比Table 4 Difference in soil parameters before and after ramming

4.2 固结度计算

固结度分上部填土、粉细砂层与下部淤泥质土层两部分。上部4 m内填土、粉细砂其固结变形在强夯+降水完成后基本完成，其固结度可认为达到100%。

采用土体孔隙比的变化来计算4 m埋深下土体固结度。夯前、夯后取土深度范围内土样平均孔隙比分别为e0=1.552和e1=1.141（表4）。淤泥质软土在上部土层荷载作用下固结，上部土层荷载约为70 kPa。强夯后取土样进行固结试验，其数据见表5。对应荷载70 kPa，取土深度范围内土样平均孔隙比e=1.017。

表5 固结试验数据Table 5 Data of the consolidation test

根据地基处理规范[2]，场区内淤泥质软土在附加荷载作用下最终固结完成的固结沉降量Sf为：

式中：e0——场区内淤泥质土上部未被施加附加荷载之前的土样孔隙比；

e——场区内淤泥质软土在附加荷载作用下固结完成的孔隙比，根据土样室内固结试验取得；

H——场区内淤泥质软土层的厚度；

ε——经验系数。

场区内淤泥质软土在附加荷载作用下，施工排水板并强夯处理后固结完成的固结沉降量为S：

式中：e1——场区淤泥质软土在附加荷载作用下，施工排水板并强夯处理后土体孔隙比。

淤泥质软土在附加荷载作用下，施工排水板并强夯处理后达到的固结度为U：

进场取土时，场区内已完成土体附加荷载施加及排水板施工，强夯处理后达到的固结度计算中以代替e0，计算得：

计算得出的固结度77%略低于要求的固结度（80%）。

4.3 承载力检测

浅层载荷板试验点3个，深度0.5 m，深层螺旋载荷板试验点3个，深度4.5 m，按照相关规范[17-18]要求进行处理后地基承载力检测，试验数据汇总见表6。

表6 载荷试验数据结果Table 6 Results of the loading tests

从表6中可以看出，表层承载力及变形模量完全满足设计要求。4 m以下土体承载力平均值为118.3 kPa，略低于设计120 kPa要求，变形模量平均值10.3 MPa，满足设计10 MPa要求。

5 夯后持续监测

5.1 地表沉降监测

强夯施工完成持续降水20～40 d后，停止降水对地表沉降进行监测。由于其他原因，监测时间仅有1个月，数据见表7。

表7 夯后地表沉降数据Table 7 Surface subsidence data

从表7可以看出，强夯完成20 d区域的1～3点沉降在25 mm以内，40 d区域的4～6点沉降在15 mm以内，总体沉降量不大。最后一次监测时，单日平均沉降为0.13～0.33 mm，虽达不到0.02 mm/d的稳定要求[19]，沉降量逐渐减少，已基本趋于稳定。

5.2 分层沉降监测

强夯施工完成持续降水20～40 d后，停止降水并继续对分层沉降进行监测，部分监测点损坏，仅列出完好点数据，监测结果见表8。从表8中可以看出，分层沉降数值整体平稳，略有增加，下部土体增加幅度略大。

表8 夯后分层沉降监测值Table 8 Monitoring data of layered settlement

5.3 孔隙水监测

强夯施工完成持续降水20～40 d后，停止降水并继续对孔隙水压力进行监测，监测结果见图8。从图8中可以看出，孔隙水压力整体平稳，略有下降，基本降至原孔隙水压力或略低，没有残余应力累积，这与文献[20][21]研究结果一致。10 m处和12 m处孔隙水压力下降幅度稍大，这与土体内设有排水板排水通道有关。