动力排水固结法在连云港软土地区的应用研究

文章编号：动力排水固结法在连云港软土地区的应用研究李家清1马庆华2（1.江苏三兴建工集团有限公司，江苏连云港2220012.连云港职业技术学院，江苏连云港222006）摘要：连云港海相软土具有含水量高、压缩性高、孔隙比高、强度低等特点，其工程性质较差，是该地区基础设计的重点和难点.结合某海相软土的加固处理工程，阐述了动力排水固结的加固机理，并对其加固效果进行了分析.检测结果显示，动力排水固结法处理连云港软粘土场地可以取得良好效果，其经验可供类似工程参考.关键词：海相软土；动力固结；排水固结；关键技术中图分类号：文献标识码：TheResearchandApplicationontheDynamicDrainageConsolidationinLianyungangDistrictLiJia-qing1MaQing-hua2(1JiangSuSanXingConstructionEngineeringGroupCo..Ltd,Lianyungang222001,China；2LianyungangTechnicalCollege,Lianyungang222006China)Abstract:Lianyungangmarinesoftsoilareoffeaturesofhighwatercontent,highcompression,highvoidratio,lowbearingcapacity,useandreinforcementofmarinesoftsoilisimportantforthisdistrict.Basedonamarinesoftsoiltreatmentproject,themechanism,improvementeffectandengineeringtechniqueofdynamicdrainageconsolidationaresystematicallyanalyzed.TestresultsshowthatthismethodisFeasibleinLianyungangdistrict;theexperiencecanbereferredbysimilarengineering.Keywords:marinesoftsoil;dynamicconsolidation;drainageconsolidation;keytechnology0引言连云港地区广泛分布深厚的海相软土，其压缩性高，孔隙比大，强度低，渗透系数低，工程性质较差.由于场地土体的特殊性，基础的设计选型及软土地基的加固处理成为该地区工程界的一个重要课题.结合近年连云港地区加快基础设施建设步伐的时机，笔者对动力排水固结法加固淤泥质软土进行了探索研究，本文结合实践中的一些经验，对动力固结在连云港软土的适用性进行了分析，并提出应用中的一些技术措施，供广大同行参考.1连云港软土的工程物理性质1.1连云港软土的成因及分布规律连云港位于鲁中南丘陵与淮北平原的结合部，其区域地势呈西北向东南的倾斜趋势，平均海拔约1～4米.一般认为，第三纪是苏北构造活动较大的一个时期.连云港地区第三纪至早新世末期以上升作用为主，中更新世至全新世早期沉积了以粘土为主的河流冲积地层，全新世以来沉积了少量沼泽相有机质土及深厚的海相软土，软土上覆表层为低液限粘性土，即所谓的硬壳层；根据我院的勘探资料统计，海相软土层的厚度约为6～20m，表层硬壳层厚度约为1～2m，区域第四系沉积分布情况如图1所示.图1连云港软土典型分布示意图1.2连云港软土的工程物理性质表1为连云港海相软土的物理力学指标统计表.从中可以看出，连云港软土具有含水率高、强度低、高压缩性、高灵敏性等特点，土的渗透性较差，固结程度低，且具有蠕变特性.同时，该层软土广泛分布在开挖影响范围内，对基础的选型与设计计算影响较大.表1连云港海相软土工程物理指标统计表指标W%eγkN/m3Sr%wL%WP%CkPa度ESMPa渗透系数/10-7cm/sKvKv最大值66.61.1918.110054.030.61614.03.91145150最小值43.91.81116.09240.822.624.91.273.681.8平均值55.81.49616.99949.226.987.92.1336.846.2数据个数24222222242412122298标准差5.60.1660.623.92.042.70.64.605.30变异系数0.10.110.040.020.080.080.510.350.281.251.162动力固结法应用于海相软土场地中存在的问题2.1动力固结法简介[1-3]动力固结（强夯）法是反复将很重的锤（一般为10～40t）提到高处使其自由落下（落距一般为10～40m），土体在高能量的冲击和振动作用下，表面产生极高的接触应力，强度得到显著提高，并能有效降低其压缩性.强夯法具有加固效果显著、施工设备简单，施工方便迅速和工程造价低廉等优点，与其他地基处理方法不同，强夯法不消耗三材，对周边环境不存在工后污染.该法已广泛应用于碎石土、砂性土、湿陷性黄土、人工填土、低饱和度粉土及一般粘性土的加固工程中.2.2动力固结法加固机理在施行强夯时，重锤由很高处自由落下产生强大的动能（震动源）作用于地基土上，由动能变成波能，从震源向深层扩散，能量在一定范围内的地基中释放，使土体得到不同程度的加固.对非饱和土地基的加固机理，可以归结为压缩波的反复作用消耗能量做功，对土体产生固结压密.一部分能量使土体产生塑变转换为土的位能，使土体产生塑性变形，并将另一部分能量向深层传播加固深层地基，最终使能量转换为土的塑变位能.对含水量较高的饱和土地基，其加固机理也是压缩波的反复作用和折射、反射的重复做功而获得加固效果的.在水位以下的介质中主要是传播纵波（压缩波），相对而言，在液相介质中能量损失较少，是比较有利的（所以可用于水下工程的地基加固）.在不同介质下，由于振动传播的频率、速度、能量不同，就有不同的动力效应，因而在同一振动作用下，水和土两种介质将引起不同的振动效应.当二者动力差大于土颗粒对水的吸附能力时，自由水、毛细水将从颗粒间隙析出，从而土粒间孔隙减小密度提高.在实践中可以看到用手连续击饱和土，就产生水分析出现象.另外，由于水土两相混合的介质振动效应不同，存在动力差产生间隙水的聚结，形成动力水的聚结面，造成网状排水通道，在动力冲击作用下，自由水向低压区排泄，经过一段时间触变恢复，土的抗剪强度与变形模量都有大幅度的增长，这就是加固作用[4].2.3强夯法在海相软土场地应用存在的问题连云港海相软土地下水位高，渗透性差，应用动力固结法时存在以下问题：(1)一般认为，塑性指数IP10时就不宜应用强夯法施工，而连云港地区浅层软土的塑性指数普遍大于10，一般为18～25左右.(2)场地地下水位过高，易造成地表夯坑积水等问题，影响加固质量和安全生产.(3)海相软土渗透性低，渗透系数一般为10-6～10-7cm/s，夯击超静孔隙水压力难以消散，会出现“橡皮土”现象，难以实现真正的土体加固.针对以上问题，实践中采取铺设沙垫层和打设排水板的方法，有效解决排水不畅问题，即形成动力排水固结法.同时，铺设的沙层有利于夯击能量的吸收与传播，增加强夯的影响范围.3动力排水固结法的应用实例3.1工程概况及加固要求连云港港口物流园区位于市经济技术开发区的东北部，总占地45万平方米，其主要功能有中转、仓储、配送、保税、增值物流、临港加工、信息服务以及综合服务等业务.该工程地基处理面积大、地质情况复杂，结合使用功能的要求及场地地质条件，确定采用动力排水固结法进行加固，加固要求如下：(1)提高浅层土体地基承载力，满足fak≥100kPa的要求.(2)减小浅层土体的压缩性，消除浅层软土在固结过程中对桩基产生的负摩阻力，并易于桩的成孔施工；3.2场地条件该场地为典型的连云港海相软土场地，浅部约12m以上为海相沉积淤泥，以下依次为粉质粘土、粘土、粉砂等，开挖影响范围的各土层物理力学指标见表2.表2土的物理力学指标土层编号土层名称层厚mW%γkN/m3eCkPa度IPILEsMPa①-1杂填土0.50～2.2038.418.11.0681312.5200.473.39①-2塘泥0.40～1.8058.416.21.63021.618.71.731.60①-3淤泥质粘土0.50～2.1047.217.21.30055.518.81.062.55②淤泥8.00～9.9072.415.61.99242.825.61.621.29③-1粉质粘土0.50～2.6023.819.40.7082725.312.50.536.44③-2粘土0.90～4.4028.019.40.7805021.721.50.148.72③-3粉细砂1.00～4.0023.619.60.6732031.1450.0913.21④粉质粘土3.20～5.4026.819.50.7352522.812.20.777.333.3施工方案3.3.1排水板的设置先在地表铺设50cm中粗砂，然后打设塑料排水板，采用B型塑料排水板，深度为15m，间距为1.5m正三角形布置.3.3.2动力固结方案（1）能级搭配对淤泥质软土，大能量夯击容易破坏土的结构，产生橡皮土.同时，由于地下水位高，大能量夯击的施工间隔较长，易造成夯坑积水.因此，在施工中采用了“由轻到重、少击多遍”的施工工艺，强夯能级为2000kN·m.其基本原理是以小能量将浅层率先加固，在表层形成“硬壳层”；有了该“硬壳层”就可以逐渐加大能级，进而加固深层土体.每次夯击的间隔时间由孔隙水压力消散情况确定，一般需消散80%以上才进行下一次夯击施工.（2）收锤标准高饱和软土对夯击能产生的冲击效应十分敏感.施工中应该控制夯击次数，避免破坏土体结构.结合试验场地条件及强夯实践经验提出以下控制标准[4]：（a）夯击时夯坑周围出现明显隆起，则要适当降低夯击能量或适当调整夯击击数.（b）夯击时相邻夯坑内出现土体隆起现象，则要停止强夯或适当降低夯击能量.（c）后一击夯沉量明显大于前一击夯沉量，或有侧向隆起时，停止夯击.（d）最后两击平均夯沉量小于50mm.4加固效果分析4.1载荷板试验结果分析共在处理区域随机选取了10个载荷试验点，图2为典型的p-s曲线.从中可以看出，p-s曲线在p=240kPa时出现转折，地基承载力特征值处理后场地浅层土体强度得到了显著提高，满足了设计要求.0408012016020024028032036050454035302520151050p/kPas/mm工后工前图2浅层曲线图3静力触探曲线4.2载荷板试验结果分析为评价强夯后地基有效加固深度，在施工前后分别进行了3组标准贯入试验，典型测试结果如图3所示.测试结果表明，本次强夯的有效加固深度为5～7m左右.同时，2～5m范围的加固效果好于表层土体，这是由于在冲击荷载作用下，浅层土体被振松，加固效果稍差于其下土层.4.3孔隙水压力分析在场地布置6组孔隙水压力观测点，以观测夯击后的超静孔隙水压消散情况.监测结果显示，第一遍夯击后超静孔隙水压可在3天后消散80%以上，第二遍夯击后超静孔隙水压可在4天后消散80%以上.孔隙水压监测结果说明以下两个问题：(1)根据其他工程资料显示，在不打排水板的情况下，类似场地的超孔隙水压需要10天左右才能消散.本工程在设置排水板后3～4天即可消散80%，说明排水板在排水过程中发挥巨大作用.(2)由于夯击破坏了部分排水板，第二遍夯击后的超静孔隙水压消散趋于缓慢.5结语本文结合动力排水固结法在连云港软粘土场地的应用经验，分析了其加固机理和加固效果，得到以下初步结论：（1）动力排水固结法在土体中植入塑料排水体系，改善排水条件，加速土体排水固结，使施工周期显著缩短，同时避免了“橡皮土”现象的出现.（2）对于含水量过高的土体，应先以较少的能量使浅层土排水固结，使表层土体强度增长，形成硬壳层；再逐步增加夯击能量，使深层土体也得到加固.参考文献:[1]地基处理手册编委会．地基处理