吹填砂土中黏粒含量對(duì)地基處理工藝選擇的影響

居炎飛，明道貴，李元科

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.武漢港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，湖北 武漢 430040）

吹填施工中，砂粒夾裹淤泥隨管道充填進(jìn)底層未處理的灘涂。在后期的自然沉積過(guò)程中，吹填砂層中混有黏土顆粒或夾裹飽和軟黏土淤泥包。另外，原始灘涂底層也會(huì)有淤泥沉積，吹填上來(lái)的砂層在沉積過(guò)程中，會(huì)浸入原有地層，形成砂粒和黏粒混合。這類地層厚度很大，含水率大，滲透性差，且處于下部淤泥層之上，難以處理。

諸多學(xué)者做了很多有價(jià)值的研究。中交四航院馮波博士等[1]針對(duì)汕頭東部經(jīng)濟(jì)帶吹填粉細(xì)砂，通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)研究黏粒含量對(duì)吹填粉細(xì)砂動(dòng)強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，吹填粉細(xì)砂抗液化強(qiáng)度并不是隨著黏粒含量的增加而單調(diào)增加的，臨界黏粒含量值為12%；破壞振次相同時(shí)，吹填粉細(xì)砂黏粒含量為12%時(shí)的動(dòng)強(qiáng)度比黏粒含量為3%時(shí)降低約30%。在實(shí)際項(xiàng)目中，吹填粉細(xì)砂中混有黏粒時(shí)，其含量對(duì)砂土的工程特性影響很大，黏粒含量的高低直接影響土的工程特性。以唐山地區(qū)特殊砂土為例，馬有何等[2]針對(duì)砂土中黏粒含量進(jìn)行了試驗(yàn)研究。得出結(jié)論認(rèn)為，黏粒含量達(dá)到一定量時(shí)其工程特性更多的表現(xiàn)為土的特征。由于其含一定量的黏土顆粒，導(dǎo)致凝聚力c屹0，且具有可塑性，直剪試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的峰值，但其粒度組成又具有砂土的特征。

對(duì)吹填淤泥層的真空預(yù)壓工藝近年來(lái)得到很大發(fā)展，鮑樹(shù)峰等[3]認(rèn)為新近吹填淤泥中高含量黏粒和高含量強(qiáng)親水礦物是真空固結(jié)排水系統(tǒng)排水機(jī)效低的主要原因之一。針對(duì)此發(fā)現(xiàn)，他們改進(jìn)了高含量黏粒淤泥層的排水系統(tǒng)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到了較好效果。一般對(duì)于吹填土的處理工藝設(shè)計(jì)，基本上均結(jié)合上部砂層和下臥淤泥層一起考慮，而不會(huì)單獨(dú)考慮對(duì)上部砂層進(jìn)行處理工藝設(shè)計(jì)，如何獨(dú)立評(píng)價(jià)此類吹填松軟砂層的固結(jié)效果也是工程上的難題。本文以汕頭東部經(jīng)濟(jì)帶吹填軟基處理項(xiàng)目試驗(yàn)段的監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)為分析樣本，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同試驗(yàn)段采用的處理工藝，對(duì)比分析黏粒含量對(duì)處理工藝選擇的影響。

1 試驗(yàn)段砂層含黏百分比及分區(qū)對(duì)應(yīng)處理工藝

根據(jù)《汕頭東部新區(qū)軟基處理工程試驗(yàn)段設(shè)計(jì)方案》[4]中給出方案，試驗(yàn)段含2、3、4三個(gè)區(qū)，2區(qū)包含2個(gè)分區(qū)，4區(qū)包含3個(gè)分區(qū)，在施工處理前均鉆孔取樣，按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[5]，進(jìn)行顆粒分析，得到上部砂層的黏粒含量代表值。各區(qū)處理工法和黏粒含量如表1。

處理工藝的選擇是針對(duì)主要的處理目標(biāo)層來(lái)設(shè)計(jì)的，對(duì)上層的含黏砂層不具有針對(duì)性。但從一定意義上來(lái)說(shuō)，在工前工后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比中，還是能得到一些有意義的總結(jié)。以下以工前工后的上層含黏砂土的靜探數(shù)據(jù)對(duì)比，在排水通道一致的前提下，對(duì)比處理工法優(yōu)劣。

表1 分區(qū)處理工藝表Table1 Partition processing technology

2 處理前后強(qiáng)度對(duì)比分析

在灘涂軟基處理施工前，一般會(huì)鋪上1 m多的砂墊層，機(jī)具能行走就進(jìn)行工前靜力觸探和鉆孔標(biāo)貫取樣試驗(yàn)。考慮靜力觸探為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過(guò)程干擾較少，能更準(zhǔn)確反映土層力學(xué)指標(biāo)。按照規(guī)范DG/TJ08-2189—2015《靜力觸探技術(shù)規(guī)程》[6]進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探試驗(yàn)，各區(qū)典型錐尖阻力試驗(yàn)曲線如圖1所示。

圖1 典型錐尖阻力試驗(yàn)曲線Fig.1 Typical test curve for cone tip resistance

將試驗(yàn)區(qū)中進(jìn)行的靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)深度平均，將其與鉆孔取樣試驗(yàn)深度對(duì)應(yīng)，統(tǒng)計(jì)得到錐尖阻力提高幅度如表2所示。

有些區(qū)工前方便進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)會(huì)多些，有些區(qū)工前不便試驗(yàn)的，僅有少量點(diǎn)參與統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)值均取算術(shù)平均值。

表2 淤層砂層靜力觸探錐尖阻力統(tǒng)計(jì)Table2 Statistics of tip resistance for sand layer cone penetration

3 各分區(qū)對(duì)比分析

按以上現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，以黏粒含量為自變量，錐尖阻力提高幅度為因變量，得到圖2所示散點(diǎn)圖。

圖2 黏粒含量、錐尖阻力提高幅度散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter diagram of clay content and increased range of conetip resistance

從圖2中明顯看出，試驗(yàn)段2-1區(qū)強(qiáng)度幅度提高最大，其采用管井降水和深部排水板和堆載預(yù)壓加擠密砂樁處理工藝，黏粒含量為9.1%。與其黏粒含量相近的兩個(gè)區(qū)4-2-1區(qū)和4-2-2區(qū)，其強(qiáng)度提高幅度遠(yuǎn)小于2-1區(qū)，可論證得出擠密砂樁工藝加管井降水工藝對(duì)黏粒含量在10%左右的飽和砂層的處理效果遠(yuǎn)好于真空預(yù)壓技術(shù)。

2-2區(qū)和3區(qū)均采用一致處理工藝，即強(qiáng)夯和管井降水，2-2區(qū)黏粒含量較3區(qū)稍大，但均大于10%。強(qiáng)度提高幅度2-2區(qū)較3區(qū)仍高些，可以推斷，黏粒含量越高，越有利于強(qiáng)夯提高砂土層強(qiáng)度，這種趨勢(shì)的黏粒含量上限還有待考證。

對(duì)于黏粒含量大于10%的飽和砂土層，即4-2-2區(qū)、3區(qū)和2-2區(qū)，2-2區(qū)強(qiáng)度提高較3區(qū)和4-2-2區(qū)明顯得多，可得出強(qiáng)夯和管井降水處理工藝強(qiáng)于真空預(yù)壓。

值得注意的是，4-2區(qū)總的來(lái)說(shuō)采用真空預(yù)壓技術(shù)，區(qū)別是2分區(qū)采用了短程超載技術(shù)，而1分區(qū)沒(méi)有。從工后的靜探測(cè)量來(lái)看，即使2分區(qū)的黏粒含量還高于1分區(qū)，2分區(qū)的強(qiáng)度提高較1區(qū)更高些。短程超載技術(shù)效果明顯。

各分區(qū)之間的橫向比較看出，2-1區(qū)振沖砂樁技術(shù)得到的結(jié)果最理想，強(qiáng)度提高了317.22%，當(dāng)然此區(qū)原始地層條件最好。在黏粒含量達(dá)到11.4%的4-2-2區(qū)，采用短程超載技術(shù)，效果非常明顯，值得推薦。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析試驗(yàn)段工法處理效果，得出結(jié)論：

1）對(duì)一定黏粒含量的砂土層，強(qiáng)夯效果會(huì)隨含量提高而降低，采用振沖類復(fù)合地基處理方式更合理。

2）在布置管井類降水措施的場(chǎng)地中，砂土中的黏粒阻礙了孔隙水的橫向流動(dòng)，降水效果不明顯；若采用真空預(yù)壓技術(shù)，采用超載時(shí)，因?yàn)椴捎昧溯^密的立管，降水效果更顯著。

3）橫向?qū)Ρ龋瑮l件允許情況下，推薦采用插排水板和振沖砂樁加堆載預(yù)壓的工法，若采用真空預(yù)壓技術(shù)，最好超載，并相應(yīng)縮短立管間距。

[1] 馮波，周睿博，黃偉豪，等.吹填粉細(xì)砂動(dòng)強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究[J].水運(yùn)工程，2016（5）：137-140.FENG Bo,ZHOU Rui-bo,HUANG Wei-hao,et al.Experimental study on factorsaffectingdynamic strength of reclamation silty sand[J].Port&Waterway Engineering,2016(5):137-140.

[2] 馬有何，楊海巍，王曉燕，等.北方某特殊土的工程試驗(yàn)及分類探討[J].巖土力學(xué)，2009（S2）：391-393.MA You-he,YANG Hai-wei,WANG Xiao-yan,et al.Research into soil classification and testing of certain soil in North China[J].Rock and Soil Mechanics,2009(S2):391-393.

[3]鮑樹(shù)峰，董志良，莫海鴻，等.新近吹填淤泥地基真空固結(jié)排水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)研發(fā)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014（S2）：4 218-4 225.BAO Shu-feng,DONG Zhi-liang,MO Hai-hong,et al.Field research on drainage system of vacuum preloading technology for fresh hydraulic reclamation silt[J].Chinese Journal Rock Mechanics Engineering,2014(S2):4 218-4 225.

[4] 汕頭東部新區(qū)軟基處理工程試驗(yàn)段設(shè)計(jì)方案[R].汕頭：西南市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，2012.Design plan of soft foundation treatment engineering at test section of Shantou Eastern New District[R].Shantou:Southwest Municipal Engineering Design Institute Co.,Ltd.,2012.

[5]JTGE40—2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].JTGE40—2007,Test methodsof soilsfor highway engineering[S].

[6]DG/TJ08-2189—2015，靜力觸探技術(shù)規(guī)程[S].DG/TJ08-2189—2015,Technical specificationfor conepenetration test[S].