大連填海區(qū)地鐵建設(shè)場地震陷特性及應(yīng)對措施

梁志勇

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

填海區(qū)有別于其他地區(qū)，地層分布不均勻，回填層巖土參數(shù)受填料及回填施工工藝影響大，存在軟弱淤積層，地下水豐富伸至與海水連通，因此該區(qū)域的地下工程設(shè)計也相應(yīng)會遇到不少難題。大連地鐵二號線海之韻站是大連東港填海區(qū)起點站，位于填海區(qū)，距離填海后的海岸線僅300m，厚層填土下存在不均勻飽和軟土層，是典型的填海區(qū)地下工程。地鐵工程設(shè)計使用年限為100年，抗震設(shè)防類別為乙類，飽和軟土震陷是主要的地基震害形式之一。地震作用下的地基穩(wěn)定性是工程的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 工程概況

海之韻站為地鐵2號線的起點站，設(shè)在東港商務(wù)區(qū)港隆路下，車站為地下雙層島式車站，沿港隆路東西向設(shè)置。車站長207.4m，明挖法施工，標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖寬度為18.9m，基坑開挖深度為16.7m。車站主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆整體式框架結(jié)構(gòu)，車站標(biāo)準(zhǔn)段為地下雙層兩跨結(jié)構(gòu)。

圖1 車站典型地質(zhì)橫斷面圖

海之韻站位于大連市東港填海區(qū)，原始地貌為淺海，后經(jīng)人工回填，地形平坦，現(xiàn)狀地面高程3.7～5.8m，區(qū)間場地東側(cè)300余米為新填筑海岸線。工程范圍內(nèi)主要地層如下：

素填土：灰色、黃褐色，劈山石英巖碎石為主，平均粒徑20～120mm。局部夾大塊石。松散～密實狀態(tài)。層厚14.20～23.20m。素填土為新近回填，回填時間3～7年，表層經(jīng)強(qiáng)夯處理。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰黑色，流塑狀態(tài)，局部軟塑，干強(qiáng)度高，韌性中等，切面稍有光澤，含淤泥質(zhì)粘土和粉砂，含少量貝殼，具有腥臭味。層厚0.60～9.90m。

粉砂：灰黑-灰褐色，飽和，中密～密實狀態(tài)，粉砂層中夾雜淤泥、粉土薄層，淤泥、粉土含量隨深度增加而減少，局部夾薄層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土透鏡體，含少量貝殼，含少量有機(jī)質(zhì)，稍有腥臭味。層厚1.30～14.90m。

強(qiáng)風(fēng)化板巖：黃褐色，原巖結(jié)構(gòu)清晰，變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育。屬軟巖，巖體破碎。該層分布不均。

中風(fēng)化板巖：灰黃-灰色，變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，層理和節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈餅狀、短柱狀。為較軟巖，層頂埋深28.40～41.00m。

本工程地下水類型為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，穩(wěn)定地下水位埋深4.00～5.10m，素填土為主要含水層、具強(qiáng)透水性，因回填成分的不均勻性造成滲透性各向差異較大。本場地地下水與海水貫通，主要受潮汐影響較大，隨潮汐變化，年水位變幅約1～3m。

表1 巖土體主要物理力學(xué)參數(shù)表

2 軟土震陷問題的提出

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)4.3.11條規(guī)定：“地基中軟弱黏性土層的震陷判別，可采用下列方法。飽和粉質(zhì)粘土震陷的危害性和抗震陷措施應(yīng)根據(jù)沉降和橫向變形大小等因素綜合研究確定，8 度( 0.30g) 和 9 度時，當(dāng)塑性指數(shù)小于 15 且符合下式規(guī)定的飽和粉質(zhì)粘土可判為震陷性軟土。”

WS≥ 0.9WL； IL≥ 0.75

(1)

式中：WS—天然含水量；

WL—液限含水量，采用液、塑限聯(lián)合測定法測定；

IL—液性指數(shù)。

相應(yīng)條文解釋說明“初步認(rèn)為7度區(qū)fk≤70kPa應(yīng)該考慮震陷的可能性，并宜采用室內(nèi)動三軸試驗和H.B.Seed簡化方法加以判定”。

由于大連地震烈度分區(qū)為7度區(qū)，且本工程場地淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土承載力特征值fk=80kPa≥70 kPa，故可初步認(rèn)為不發(fā)生震陷或震陷量很小。

但《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157-2013)對于軟黏土的震陷，要求“鑒于工程的重要性和使用要求的特殊性，在軟土地層中修建地鐵時，必須結(jié)合具體的場地條件對震陷問題進(jìn)行專門分析”。

因此，考慮大連地區(qū)地鐵工程尚缺乏軟土震陷問題的經(jīng)驗，本工程對場地淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，對震陷問題進(jìn)行分析。

3 工程試驗選取

地震波是一種隨機(jī)荷載，大多具有明顯的不規(guī)則性和不對稱性，而以往用于工程實際的孔壓和殘余變形增長模型是基于等幅荷載實驗得到的。為使等幅荷載結(jié)果應(yīng)用于實際地震應(yīng)力作用，Seed等提出了轉(zhuǎn)換方法，即將實際地震應(yīng)力峰值的0.65倍作為等幅循環(huán)應(yīng)力幅值，等幅荷載的循環(huán)次數(shù)則依震級大小而定，Seed將此次數(shù)稱為有效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。此方法使用方便，一直被廣泛應(yīng)用，是很多土體地震反應(yīng)分析方法和程序的基礎(chǔ)。國內(nèi)袁曉銘等對軟土震陷問題進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

地震荷載是一種極不規(guī)則的短期循環(huán)荷載，在循環(huán)荷載作用下，地基變形會逐漸累積直至產(chǎn)生較大的永久變形，引起地基的不均勻沉降。試驗中動應(yīng)力的施加應(yīng)能最大限度地模擬天然土層可能承受的動荷載，通常是將地震荷載按照一定的規(guī)則將其轉(zhuǎn)化為等幅循環(huán)荷載。這里，我們采用幾種不同的動應(yīng)力進(jìn)行試驗，等幅荷載的循環(huán)振次N則依地震烈度大小而定，試驗中我們?nèi)=4000次，加載頻率采取f=1Hz。根據(jù)現(xiàn)場取樣深度及土體的天然受力狀態(tài)，進(jìn)行偏壓固結(jié)，試樣固結(jié)應(yīng)力比為Kc=1.45,固結(jié)圍壓σ3=130kPa，試樣的平均固結(jié)壓力σ=150kPa，固結(jié)時間t=12h。此外，考慮到地震荷載是一種作用時間極短的循環(huán)荷載，而且軟土的滲透性很差，因此試驗時采用固結(jié)不排水剪切試驗。

由于試樣在循環(huán)荷載的作用下孔壓量測具有滯后性，故目前粘性土一般采用應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)。本試驗結(jié)合前人的研究成果，同樣采用的是應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)，亦即以達(dá)到某一規(guī)定應(yīng)變幅值作為土體的破壞標(biāo)準(zhǔn)，通過文獻(xiàn)的閱讀、對比和分析，本試驗采用軸向應(yīng)變達(dá)到 5%時作為土體達(dá)到破壞的標(biāo)準(zhǔn)。在動力試驗的過程中，始終要保持排水閥為關(guān)閉狀態(tài)，待土樣嚴(yán)重破壞或達(dá)到預(yù)先設(shè)定的振動次數(shù)N=4000次后停止試驗。

圖2 一號孔淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土動力三軸試驗曲線

圖3 二號孔淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土動力三軸試驗曲線

大連地區(qū)7度設(shè)防，地震加速度峰值a=0.10g。Seed 簡化法：動荷載幅值取為地震峰值應(yīng)力的0.65倍，即σd=0.65σmax。

1#孔位所求得的動荷載幅值對應(yīng)的CSR=0.142，地震荷載作用下地基的沉降量

s1=0.123×0.01×200=0.25mm

2#孔位所求得的動荷載幅值對應(yīng)的CSR=0.14，地震荷載作用下地基的沉降量

s2=0.179×0.01×6600=11.8mm

由兩個孔位土樣的動三軸試驗結(jié)果可知，未經(jīng)處理的車站結(jié)構(gòu)地基飽和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土在地震荷載的作用下將產(chǎn)生一定量的震陷，每延米震陷量約為1.79mm；由于軟土層厚度分布不均勻造成計算震陷量不均勻，同一橫斷面內(nèi)震陷量最大差值為11.55mm。

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202-2013)關(guān)于運營地鐵隧道豎向位移要求控制值為<20mm，可見本場地軟土震陷量最大值并未超限，場地軟土震陷的主要問題是厚度極不均勻引起的差異震陷量較大。

考慮工程場地軟土層在橫向縱向兩個方向均存在不均勻性、地鐵工程的結(jié)構(gòu)受損不易修復(fù)、運營軌道存在震動荷載且對變形要求嚴(yán)格的特點，本工程采取措施對淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土進(jìn)行處理，力求消除過大的差異震陷量。

4 地基震陷處理方案的選擇

結(jié)合場地地質(zhì)條件，可供選擇的消除震陷問題的解決方案有如下幾種:減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)、高壓旋噴樁復(fù)合地基、振沖碎石樁復(fù)合地基。

減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)適用于軟土地基天然地基承載力基本滿足要求的情況下，為減小沉降采用疏布摩擦型樁的復(fù)合樁基。

高壓旋噴樁復(fù)合地基處理適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土(流塑、軟塑和可塑)、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地基。對土中含有較多的大直徑塊石、大量植物根莖和高含量的有機(jī)質(zhì)，以及地下水流速較大的工程，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果確定其適應(yīng)性。

振沖碎石樁復(fù)合地基處理適用于擠密處理松散砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、素填土、雜填土等地基，以及用于處理可液化地基。飽和黏土地基，如對變形控制不嚴(yán)格，可采用砂石樁置換處理。

通過對大連地區(qū)填海區(qū)類似地質(zhì)條件的民用建筑地基處理措施調(diào)研，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，現(xiàn)場選用了旋噴樁和振沖碎石樁進(jìn)行了試驗。

車站分別在兩端和中間選擇了三個試驗點，由于填土層存在不均勻塊石，現(xiàn)場振沖碎石樁僅完成了一個，其余兩個均由于塊石出現(xiàn)卡住振沖頭和振沖孔下不去現(xiàn)象。高壓旋噴樁通過鉆機(jī)引孔解決了局部塊石問題，通過現(xiàn)場檢測復(fù)合地基有效提高了地基承載力并有效減小了地基變形量，最終選用了高壓旋噴樁對車站地基地層進(jìn)行加固，采用點狀旋噴加固，旋噴樁Φ800@1800，進(jìn)入粉砂層3m。

5 結(jié)論

通過對大連填海區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層取樣試驗，并現(xiàn)場進(jìn)行地基處理試驗，有以下結(jié)論可供類似工程參考。

(1)大連填海區(qū)飽和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土在地震荷載的作用下將產(chǎn)生一定量的震陷，但總震陷量絕對值不大，每延米震陷量約為1.79mm。

(2)大連填海區(qū)飽和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土在地震荷載的作用下的工程問題主要是分布不均勻帶來的差異震陷問題。

(3)采用高壓旋噴可以有效解決大連填海區(qū)不均勻軟土差異震陷問題。