大連某人工島地基土固結特性研究

劉 健，劉永勝，夏玉斌

(中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007)

土的固結沉降是指受外力作用下，內(nèi)部應力變化而引起體積變化，同時有孔隙水排出的壓密過程[1]。淤泥質(zhì)軟土層(統(tǒng)稱“軟土層”)具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強度、低滲透性等工程特征[2]。軟黏土的固結、次固結特性[3-4]會給工程施工帶來困難和不良后果[5]，因此，對沉降應嚴格控制，其研究具有重要意義。近年來，軟黏土的沉降固結特性受到國內(nèi)外學者的重視，在軟黏土的固結參數(shù)獲取方面開展卓有成效的研究，取得大量的成果。胡建華等[6]通過旁壓試驗對黏土、粉質(zhì)黏土進行原位測試，驗證其獲得參數(shù)的準確性，同時提出應與其他原位測試進行對比研究；陳國臻[7]針對砂性土通過室內(nèi)試驗和原位測試靜力觸探、旁壓試驗相結合的綜合試驗方法，研究地基實際應力條件下粗粒類土壓縮模量的確定方法，解決了地基沉降變形計算中的關鍵問題；楊期祥等[8]將旁壓試驗獲得固結參數(shù)與靜力觸探試驗進行對比分析，驗證了旁壓試驗成果在貴州軟土地基的適用性。

本文基于對大連某人工島地基的變形試驗研究，通過采取原狀土樣室內(nèi)試驗(常規(guī)物理力學試驗、固結試驗、次固結試驗等)和原位測試(旁壓試驗、靜力觸探試驗)獲取土體物理力學及固結指標，分析不同測試手段獲得固結參數(shù)之間的符合性和可靠性，對地基土主固結、次固結進行研究，進而對地基沉降進行預測分析，為人工島建設工程地基處理設計方案提供依據(jù)。

1 工程概況

擬建場區(qū)位于大連市金州灣內(nèi)，距金州區(qū)約2 km，屬于渤海海域。金州灣大致呈東北—西南走向，本次填海造陸總面積達21 km2，設計要求人工島地基工后沉降量不大于20 cm，差異沉降量不大于0.15%，地基承載力不小于140 kPa。

研究區(qū)域為水下砂質(zhì)-淤泥質(zhì)淺灘，灘地寬闊，灘面平整，地形平緩，水深自東向西由淺至深自然分布，海圖等深線介于1～10 m。海底表層為連續(xù)分布的海相沉積淤泥質(zhì)軟土層，下部為陸相沉積黏性土層，沉積韻律較明顯。根據(jù)勘察資料，地層自上而下為淤泥、黏性土，其下基巖為板巖，主要研究壓縮層為上部6個工程地質(zhì)大層，物理力學指標見表1。淺層分布為10～15 m厚的海相沉積淤泥質(zhì)軟土層，其下到基巖面是40～55 m厚的黏性土層。

表1 地基土物理力學性質(zhì)指標

2 試驗方案

1)原位旁壓試驗。布置取土兼旁壓試驗孔7個，采取原狀土樣和旁壓試驗交替進行，取樣和試驗間隔1.5～2.0 m，旁壓試驗單孔每層主要土層測點不少于1個，試驗最大壓力不小于自重壓力+500 kPa，且不小于臨塑壓力，共完成117個測點。

2)靜力觸探試驗。布置靜力觸探孔6個，靜力觸探采用雙橋靜力觸探儀，利用靜壓力將圓錐形金屬探頭壓入土中，通過測得貫入阻力來判定土體的力學特性，共完成靜力觸探試驗172 m。

3)室內(nèi)土工試驗。主要針對采取的原狀土樣，試驗內(nèi)容包括常規(guī)天然含水率、天然密度、孔隙比、塑限、液限、壓縮系數(shù)、壓縮模量，以及特殊試驗標準固結試驗(不同應力路徑)、次固結試驗、回彈再壓縮試驗，共完成280組原狀土樣試驗，試驗結果根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)的要求進行了統(tǒng)計。

3 原位旁壓試驗

旁壓試驗主要針對黏土層及以下土層進行測試，旁壓儀采用高壓空氣加壓，最大試驗壓力可達10.0 MPa。旁壓曲線是旁壓試驗最基本的結果，它反映了旁壓器周圍土體的應力-應變關系，根據(jù)試驗前對彈性膜的標定，試驗測得的壓力和體積進行標定修正后，即得到旁壓曲線，典型的③黏土層旁壓試驗曲線見圖1。通過旁壓曲線可求得初始壓力p0、臨塑壓力pf和極限壓力p1，由此確定旁壓模量Gm，結果見表2。旁壓模量總體呈現(xiàn)隨深度增大而增大的趨勢，符合地層的變化特點。

圖1 ③黏土層旁壓曲線

旁壓試驗與室內(nèi)試驗變形指標的關系，采用比較成熟的鐵路行業(yè)半經(jīng)驗公式[9]：

Es=2.52Gm+2.09

(1)

式中：Es為室內(nèi)壓縮模量(MPa)；Gm為旁壓剪切模量(MPa)。通過旁壓試驗成果計算所得壓縮模量Es見表2。

表2 旁壓試驗結果

4 原位靜力觸探試驗

靜力觸探設備采用雙缸液壓靜力觸探儀，探頭為雙橋探頭。試驗過程中，將探頭均速壓入地層中，每隔10 cm測錐頭阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs。靜力觸探數(shù)據(jù)可反映出地層變化與鉆探地層劃分的相符性，更重要的是通過靜力觸探結果能夠推算出評價土層壓縮性指標壓縮模量。

靜力觸探結果與壓縮模量對應關系可根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》提供的壓縮模量與比貫入阻力的關系。

對于軟土，關系為：

(2)

對于黏性土，關系為：

Es=3.99ps+0.5

(3)

式中：Es為壓縮模量(MPa)；ps為比貫入阻力(MPa)。通過靜力觸探試驗結果計算所得壓縮模量Es見表3(其中ps=1.18qc)。

表3 靜力觸探試驗結果

5 室內(nèi)固結試驗及參數(shù)分析

固結主要分為主固結和次固結兩部分，其中主固結是指孔隙水壓力消散的同時土體壓縮的過程，次固結是指當孔隙水壓力消散后，土體骨架發(fā)生蠕變、土顆粒表面的結合水膜變薄、土體的結構重新排列等因素引起的土體緩慢變形的過程[10]。

室內(nèi)固結特殊試驗包括標準固結試驗(不同應力路徑)、次固結試驗、回彈再壓縮試驗，獲得固結系數(shù)(水平和垂直)、先期固結壓力、回彈指數(shù)、壓縮指數(shù)、回彈模量、回彈再壓縮模量、次固結系數(shù)等參數(shù)。

5.1 主固結指標

試驗獲得主固結條件土層固結指標見表4。

表4 主固結條件下各土層固結指標

由表4可看出，①3淤泥為欠固結土；②黏土、③黏土、④1粉質(zhì)黏土、④2黏土為超固結土；⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2黏土為輕微超固結土；⑥1粉質(zhì)黏土、⑥2黏土為正常固結土。試驗結果表明，場地應力歷史隨深度呈明顯的規(guī)律性，上部軟土和下部黏性土具有明顯的應力歷史差別。近代沉積的上部軟土呈欠固結狀態(tài)，下部黏性土層沉積年代較老，并以超固結狀態(tài)為主，其超固結比隨深度由大變小。

主固結指標結合物理力學性質(zhì)指標分析，①1粉土混淤泥排水條件好，固結時間較短；①2淤泥質(zhì)土、①3淤泥塑性指數(shù)較高，土顆粒細小、土質(zhì)純，固結慢，沉降穩(wěn)定時間長，這兩層土厚度較大、強度低、沉降量大，是場區(qū)主要沉降變形地層。

下覆黏性土層固結排水條件差，水平和垂直方向的固結特性差異不大，排水路徑基本是垂直向排水，雖然總體厚度較大，可根據(jù)OCR固結狀態(tài)指標，分為上部(③、④層)超固結土和下部(⑤、⑥層)正常固結土兩部分。上部超固結土，當上覆荷載小于前期固結壓力時，不會產(chǎn)生明顯固結沉降；下部正常固結土，排水路徑長，固結滲透慢，沉降量與設計使用年限有關。

在附加荷載和加載方式確定的條件下，沉降量主要與地基土的固結特性相關。因此，對多種測試手段所獲得的地層固結參數(shù)進行對比、分析與驗證。旁壓試驗、靜力觸探試驗與室內(nèi)試驗變形指標對比見圖2。

圖2 多種測試手段獲得壓縮模量指標對比

由圖2可知，深度淺時旁壓試驗的Es與室內(nèi)試驗的Es1-2基本一致，當深度超過土的200 kPa自重壓力時，旁壓試驗的Es明顯大于室內(nèi)試驗的Es1-2，但與室內(nèi)試驗自重應力下的Es吻合。原因在于室內(nèi)試驗的Es1-2只反映了土樣在100～200 kPa荷載范圍的變形特征，忽略了土樣自重應力沿深度變化對變形指標的影響。而旁壓試驗得出的Es與室內(nèi)試驗自重應力下的Es吻合度較好。同時，根據(jù)式(2)、(3)計算的壓縮模量，與旁壓試驗和室內(nèi)試驗自重應力下的Es吻合度較好；在土的自重荷載大于200 kPa時與室內(nèi)Es1-2相差較大，原因同樣在于自重應力的局限性。

5.2 次固結指標

近些年，由軟土次固結引起的工程沉降問題日益突出[11]。因此，對于沉降敏感的重要工程，研究地基土的次固結沉降很有必要。試驗獲得土層次固結指標見表5。

表5 土層次固結特性指標

通常當土顆粒越細，含水量越大時，往往次固結系數(shù)較大。由表5可看出，場地上部軟土的次固結系數(shù)為4.768×10-3～11.644×10-3，下部的黏性土次固結系數(shù)為0.489×10-3～5.721×10-3。同一級壓力下上部軟土次固結系數(shù)明顯大于其下部的一般黏性土的次固結系數(shù)，次固結系數(shù)隨著壓力變化規(guī)律不顯著；在下部地層，黏土的次固結系數(shù)大于粉質(zhì)黏土的次固結系數(shù)，次固結系數(shù)隨著壓力的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，且在先期固結壓力前后變化明顯，即壓力大于先期固結壓力后，次固結系數(shù)明顯升高，土體蠕變速度加快。

5.3 回彈再壓縮指標

上部軟土地層如采用換填處理，須為沉降計算提供地基土回彈再壓縮指標。本次對場地土進行的回彈再壓縮試驗，卸荷壓力點是第①層軟土的卸荷自重壓力值，卸荷量按卸除全部表層軟土的有效密度計算，即土體在自重壓力下卸除指定荷載量，用以測出該應力路徑條件下的回彈模量和再壓縮模量。第②、③、④層典型回彈再壓縮曲線見圖3。

圖3 典型回彈再壓縮試驗曲線

根據(jù)圖3的結果來看，因為相對卸荷量較小，回彈和再壓縮主要體現(xiàn)在相對淺部地層中，主要影響范圍為第③和④層，第②層因地層較薄且為超固結硬土，其對卸荷回彈影響較小，深部地層受卸荷及再加荷的變形量影響不大。

6 地基沉降預測分析

軟基處理最常用和有效的方法之一是排水固結法[12-13]，場地沉降重點研究地層是第①層淤泥質(zhì)軟土層，采用超載預壓排水固結法進行處理，對施工過程及工后一定年限沉降進行分析。

6.1 施工期沉降分析

軟土層超載預壓排水固結，在施工期主固結沉降完成為主，施工期總沉降計算采用經(jīng)驗系數(shù)法，上部軟土層沉降修正系數(shù)取1.1，下部黏土層沉降修正系數(shù)取1.0。

經(jīng)驗系數(shù)法公式為：

s=mssc

(4)

式中：s為總沉降量(m)；ms為沉降修正系數(shù)；sc為主固結沉降量(m)。

主固結沉降計算分別采用室內(nèi)試驗e-p(孔隙比-荷載)曲線和旁壓試驗計算壓縮模量Es，進行對比分析，結果見表6。

表6 施工期沉降分析結果

從表6可看出，采用兩種方法計算結果相近，數(shù)據(jù)可以相互驗證，二者均可用于沉降分析計算，預測施工期總沉降量為2.1 m。

6.2 工后殘余沉降分析

殘余沉降計算采用公式法：

s=sd+sc+ss

(5)

式中：s為總沉降量(m)；sd為瞬時沉降量(m)；sc為主固結沉降量(m)；ss為次固結沉降量(m)。

考慮本工程天然地基為成層土，對成層土固結度分別采用化引當量層法[14]及固結微分方程數(shù)值解法進行計算。采用兩種方法計算沉降的結果見表7。

表7 化引當量層法和固結微分方程數(shù)值解法的殘余沉降分析結果

由于二者求解原理不同，導致最終的計算結果有所不同。采用化引當量層法計算結果小于采用微分方程數(shù)值解法結果。根據(jù)大量類似工程地基處理施工期間及工后沉降的觀測數(shù)據(jù)，采用化引當量層法計算成層土地基的一維固結問題所得出的計算結果比較接近工程實際，計算精度基本能夠滿足工程需求，因此更適用于人工島地基殘余沉降計算分析。

根據(jù)上述沉降量分析計算，如僅對上部軟土層進行排水固結處理，使用期100 a時的殘余沉降數(shù)值較大，理論上無法滿足使用期100 a地基工后沉降控制要求20 cm，分析主要存在以下問題：1)現(xiàn)有計算方法在固結度的計算過程中，為了簡化計算，公式推導過程中取垂直固結系數(shù)Cv為常量，而實際地基排水加固過程中Cv是隨固結度增大而變小的，故導致理論計算的工后主固結殘余沉降量結果偏大；2)土體的工后次固結沉降量與預壓荷載大小及加荷方式有關，采用超載預壓法進行地基處理，可以有效減小工后次固結沉降，而常規(guī)的次固結沉降計算中無法考慮超載預壓對次固結的影響，也導致軟土層工后次固結沉降量計算結果偏大;3)淤泥質(zhì)土以下的黏性土以超固結為主，超固結比OCR達1.44～4.29，大部分地層前期固結荷載大于人工島使用上覆荷載，故淤泥質(zhì)土層以下地層實際產(chǎn)生的沉降量應小于計算值。

7 結論

1)研究區(qū)域上部淤泥及淤泥質(zhì)土厚10～15 m，其含水率高、壓縮性大、強度低，是地基的主要沉積地層，必須經(jīng)過處理才能滿足工后沉降和差異沉降控制要求。

2)下部黏性土總體厚度為40～55 m，基巖面埋深變化較大。其中②層為超固結中等壓縮性土，③層為超固結中等偏上壓縮性土，④層為超固結中等壓縮性土，⑤層為超固結中等偏下壓縮性土，⑥層正常固結中等偏下壓縮性土。場地應力歷史隨深度呈明顯的規(guī)律性，近代沉積的軟土呈欠固結狀態(tài)，下部黏性土層沉積年代較老，并以超固結狀態(tài)為主。場區(qū)在歷史上受到較大的短期荷載作用，深層土未能在短期荷載條件下完成超固結。

3)通過對比分析不同測試手段獲得固結參數(shù)之間的符合性和可靠性，說明旁壓試驗、靜力觸探試驗得出的Es與室內(nèi)試驗自重應力下的Es吻合度較好，能夠為沉降計算提供依據(jù)。

4)次固結試驗表明，同級壓力下上部淤泥及淤泥質(zhì)土次固結系數(shù)明顯大于其下部黏性土的次固結系數(shù)，次固結系數(shù)隨著壓力變化規(guī)律不明顯；在下部地層，黏土的次固結系數(shù)大于粉質(zhì)黏土的次固結系數(shù)，次固結系數(shù)隨著壓力的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。

5)試驗分析說明，回彈再壓縮試驗主要影響范圍為第③和④層，第②層因地層較薄且為超固結硬土，其對卸荷回彈影響較小，深部地層受卸荷及再加荷的變形量影響不大。

6)對沉降量分析預測表明，僅對上部軟土層進行處理，使用期100 a時的殘余沉降大于20 cm，理論上無法滿足人工島地基工后沉降控制要求，但由于目前沉降計算理論在計算沉降量時無法得到準確解，經(jīng)綜合分析，認為淤泥質(zhì)土層以下地層實際產(chǎn)生的沉降量應小于計算值。