随着经济建设的快速发展, 围海吹填造地成为地方政府解决建设用地紧张的手段和措施。新近吹填土一般具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、承载力低等特点, 通常不能满足工程建设要求, 必须进行地基处理。同时, 不同的建设项目如堆场、码头以及建筑物等对地基处理及其工后沉降的要求也有所不同。因此, 针对大面积围海造地软弱地基工程特点以及不同建设项目的具体要求, 寻求技术可行、工期快、质量可靠、造价合理的地基处理方法是广大业主迫切关心和急需解决的一项重大技术课题。

围海造地形成的大面积软弱地基一般存在下部为原状饱和黏性土层 (淤泥和淤泥质土) 和上部新近堆填、抛填或吹填土层的典型“二元”地层结构中;普遍具有高压缩性、高含水量、高灵敏度、承载力低的“三高一低”特点, 上部吹填土层往往还存在严重的液化性能。对于围海造地软弱地基综合处理技术方法从技术思路和加固机理上区分主要有两大类, 一类是排水静力固结法, 如堆载预压、真空预压、真空和堆载联合预压法等;另一类是排水动力固结法, 如高真空击密法、降排水强夯法、轻井塑排加固法等。其核心离不开排水和固结, 排水是条件、是措施;固结是目的, 是结果。在工期允许的情况下 (一般要求6个月以上) , 对饱和黏性土软弱地基的处理应优先采用排水静力固结法。但从目前技术现状及发展趋势看, 以人工强制降排水结合强夯法为代表的动力固结方式无疑是满足日益高效的开发建设速度的最好选择。

从目前围海造地软土地基处理技术应用情况看, 以强夯为代表的排水动力固结法相对施工简单, 处理周期短, 造价较为低廉, 如以轻型井点真空排水与强夯击密相结合为代表的排水动力固结法, 通过对软土地基进行多遍次交替降排水和强夯处理, 可大大提高地基表层土体密实程度, 使场地表层形成一定厚度的硬壳层, 显著改善地基受力性能。但由于轻型井点管长的制约 (一般<6m) , 该类方法对于6m以下尤其是下卧饱和黏性土层的加固几乎没有效果;而以真空预压、真空和堆载联合预压法为代表的排水静力固结法, 对于饱和黏性土加固效果明显, 但又因其工艺复杂、处理周期较长、承载力提高幅度有限、造价较高受到一定制约。由于基本建设的需要, 往往需要对围海造地软弱地基一定深度范围内的软弱土层进行加固处理, 改善其物理、力学性能, 从而满足上部结构对地基承载力、沉降变形乃至稳定性的要求。为提高排水动力固结方法的加固影响深度, 技术人员尝试采用设置更深的管井甚至是真空管井 (加大抽排力度) 结合强夯的工艺进行场地降排水, 加大动力固结有效影响深度, 但工程试验及实践表明, 尽管场地水位降深有所增加, 可达6m左右, 但对6m以下软土地层改善仍不明显, 究其原因, 是软土地层渗透系数很小, 强夯条件下超孔隙水压无法快速消散、有效应力无法增加或变化不大所致。为有效加固深部饱和黏性土层, 如“软弱地基轻型井点结合塑料排水板复合加固方法”, 该方法技术特点是将饱和黏性土处理常用竖向排水通道塑料排水板和轻型井点管直接搭接连接形成一体化的轻井塑排井点, 将深部饱和软黏土中渗入塑料排水板的孔隙水通过轻型井点管主动加速抽排出去, 加快强夯条件下深部饱和软黏土层中超孔隙水压力的消散, 从而有效影响和加固深部饱和黏性土层。试验表明:该技术加固影响深度可达10m, 但对于深部饱和黏性土层的加固效果仍有待提高。因为受轻型井点结合强夯施工工艺的制约, 该方法轻井塑排井点的设置密度间距一般仅能达到2.0m×2.5m, 且在强夯分遍施工过程中, 有一半的塑料排水板尚未设置或处于实际失效状态 (上部井点管已拔除) , 而对于一般饱和黏性土的渗透系数及固结系数, 根据工程经验及相关技术标准, 塑料排水板的设置间距通常应达到0.7～1.5m方可取得较为理想的加固效果, 并且在一定时限内饱和黏性土地基的排水固结效果与塑料排水板 (竖向排水通道) 的设置密度直接相关。由此可见, 轻井塑排加固法对于围海造地软弱地基深部饱和黏性土层的加固效果也受到很大制约。

我司通过围海造地软弱地基综合处理技术的系列科研和生产实践, 研究开发出一种既可有效加固围海造地软弱地基上部吹填土层, 又对深部饱和黏性土层具有明显处理效果的软土地基处理新技术, 即“软弱地基间接分级接力式排水固结法”, 可取得处理效果好、造价低、速度快的综合效益。

软弱地基间接分级接力式排水固结法主要针对包括下部饱和黏性土层和上部吹填土层围海造地形成的软弱地基, 通过在上部吹填土地表1.5m以下、下部饱和黏性土层顶面以上深度范围内形成水平转换层, 在下部饱和黏性土层设置静力排水通道, 在上部吹填土层均匀点状布设动力排水通道, 下部土层中的地下水排至水平转换层后, 经动力排水通道强制排出软弱地基, 并在强夯等动力方式作用下实现快速固结。该方法通过构建水平转换层, 将上部强制抽排的动力排水通道 (如真空轻型井点管网) 和下部静力排水通道 (如塑料板) 有效连接, 可加速软弱地基中地下水的排出, 迫使水位下降, 并结合强夯等动力方式对软弱地基进行快速加固处理, 具有施工工期短、加固影响深度大、处理效果好的优点, 可广泛应用于围海造地形成的软弱地基加固。

转换层设置是本工法实施的关键, 转换层主要功能是实现软弱地基下部静力排水系统和上部主动抽排系统的空间转换, 使两套排水系统形成有机统一的整体, 为软弱地基中地下水的连续快速排出创造条件。因此, 转换层需具备较好的渗透性能, 满足一定厚度 (≥0.5m) 要求且在处理场区内连续分布。水平转换层的构建通常有以下2种方式。

1) 方式1当设计人员在围海造地项目吹填期间介入, 可根据吹填材料性质和来源在某一合理标高区间通过有组织吹填方式或外购砂性土铺填方式形成转换层。

2) 方式2当围海造地软弱地基表面1.5m以下, 深部饱和黏性土顶面以上范围内存在一定厚度 (≥0.5m) 且渗透系数相对较大 (≥10^-4cm/s) 的砂性土层时, 可将其直接作为转换层利用。

采用间接分级接力式降排水方式, 需根据加固区域的土质吹填或分层条件建立转换层, 转换层根据土质条件确定, 一般要求设置在渗透系数相对较大 (>10^-4cm/s) 土体中 (如砂性土层) , 其层厚要求为0.5m以上。转换层以下设置静力排水 (塑料排水板) 通道, 转换层以上设置动力排水通道。动力排水通道采用工艺根据转换层层厚及埋设深度确定, 若转换层在地表以下6m范围, 可采取轻型井点的工艺, 若转换层较深, 一般在6m以下时, 则可采取真空管井、真空砂井等工艺。通过转换层建立动静结合的排水通道, 以解决深层加固的困难。间接分级接力式排水体系如图1所示, 地下水经由塑料排水板进入转换层后, 在真空压差影响下将快速向就近井点管方向渗流并被井点管垂直吸排出去, 渗流路径很短, 排水效率可大幅提高。

如图2所示, 由于在深部饱和黏性土体中布设密集的竖向排水通道, 同步可构建实际意义上的针对深部饱和黏性土的堆载预压体系 (塑料排水板+水平转换层+上部吹填土层+深沟明排体系) , 有效促使深部饱和黏性土在上部静覆盖压力 (吹填土层) 、动力荷载 (强夯) 及其残余后效力的共同作用下加速排水固结, 加固影响深度显著增大。因此, 该工法兼具动力固结 (强夯) 和静力固结 (堆载预压) 双重模式, 是一种复合固结方法。

在强夯类动力固结方法短时间工期内实施后, 软土体的触变恢复、固结压密乃至强度提高往往是一个较长的过程, 有时甚至达几个月以上。因此, 在对围海造地软弱地基进行综合处理的技术中, 应重视并尽可能地利用和发挥动力固结施工后效作用 (类堆载预压效应、类真空预压效应) 。有可能的话, 地基处理设计人员应在项目吹填前期介入, 依据地质勘察资料及项目情况, 分析吹填材料来源和性状, 统筹规划吹填方式、步骤及总体建设计划, 结合后续可能采取的地基处理方法和思路, 合理构建场地排水系统和预压体系, 既可快速展开地基处理施工作业、避免一些重复工序或浪费, 又可充分发挥排水动力固结法的优势及其施工后效作用, 获得最佳技术、经济、时间综合效益, 这也是围海造地软弱地基综合处理技术区别于其他即成软弱地基处理技术的关键环节。从图3间接分级接力式排水固结法施工过程场地沉降时程曲线模式可以看出, 本工法排水动力固结施工完毕后尚可进行一段时间 (一般≥90d) 的降排水维护作业, 以便充分发挥其施工后效作用 (类堆载预压效应、类真空预压效应) 。同时加强沉降监测工作, 绘制沉降实测时程曲线。采用三点法或双曲线法推算工后沉降, 直到满足设计工后沉降控制标准要求后方可停止抽排水维护工作。

软弱地基间接分级接力式排水固结法结合现场吹填进程, 既可在吹填完成既有场地地面进行实施, 也可通过合理规划, 于吹填期间提前插入进行实施, 以缩短后期处理施工周期, 节约处理成本, 同时又可延长对下卧饱和淤泥土的排水固结处理周期, 提高对下卧软土的处理效果。围海造地软弱地基间接分级接力式排水固结法施工工艺流程如图4所示, 以围海造地吹填前期介入实施情况为例, 其处理过程可大致按照以下步骤进行。

1) 步骤1转换层的构建和确定。结合本工程吹填材料来源和性质, 在合理标高位置均衡吹填或外购铺设1层渗透性能较好的砂性土层, 厚度≥0.5m, 同时能够满足排水板设备和人员施工作业需要。

2) 步骤2场地的初步平整。对拟处理范围内的现有地坪进行初步平整, 结合地质勘察报告探明下卧淤泥土层顶面标高, 并测量初平后场地面标高。

3) 步骤3排水板施工。转换层构建铺设完毕, 可以作为排水板的施工垫层, 并进行淤泥层排水板的施工, 排水板可采用B型板或C型板, 底部应穿透下卧淤泥土层, 进入其底部土层≥500mm, 顶部伸出垫层面200mm。排水板间距可根据土层渗透性质、结合工期要求, 依据相关规范计算确定。

4) 步骤4继续均匀吹填场地标高至交工面标高以上0.5～1.0m, 回填料宜采用就近吹填砂性土。由于构建了对下卧淤泥软土的立体排水系统, 继续吹填的上部土体事实上也是下卧淤泥软土的上部堆载, 后期继续吹填过程也是对下卧淤泥软土地基的不断加荷堆载预压过程, 有效地利用了吹填施工的时间效益。

5) 步骤5周边明沟排水体系构建。沿处理场区周边开挖宽2m、深3m左右的排水明沟, 底部要求进入淤泥土层≥0.5m, 完善周边明沟排水体系, 并用水泵或管道及时将汇集来的水引排出场外。

6) 步骤6交替降排水、动力固结施工。完善周边明沟排水体系及主动抽排系统 (竖向+水平向真空管网) 后, 即可抽降场地地下水, 当水位降至地面3.0m以下或设计要求位置, 上部土层接近最佳含水量 (误差3%～5%) , 满足强夯动力固结施工条件后, 进行交替多遍次的降排水施工, 强夯施工遵循能级由低到高、少击多遍原则。

7) 步骤7施工后期降排水维护作业, 满足沉降控制标准要求后即可进行处理场地检测验收。

本工法与围海造地软弱地基处理现有施工方法相比具有以下特点和有益效果。

1) 本工法尤其适用于围海造地新近吹填形成的具有浅部吹填土+深部饱和软黏土的“二元”地层结构特征的大面积软弱地基。

2) 由于转换层的设置, 深部饱和黏性土地基中的竖向静力排水体系与浅部主动抽排体系可实现间接连接, 发挥各自排水优势和特点, 使两套体系设置更为灵活, 施工更加方便, 针对性更强。

3) 由于转换层的设置, 软弱地基深部饱和黏性土体经塑料排水板排出的地下水即可再次通过浅层布置的轻型井点管网真空抽排系统迅速排出。实现轻型井点管与塑料排水板的间接分级接力式抽排水后, 场地塑料排水板的设置间距即可不受轻型井点管的设置间距制约, 而仅针对淤泥或淤泥质土层具体情况进行设计, 这样必然增进该工法对于深部淤泥及淤泥质软土地层的处理效果, 有效加固影响深度明显增大, 一般可达塑料排水板端部深度范围, 可满足更高、更深的地基处理要求, 方法适用性大大提高。

4) 由于转换层的设置, 既避免了塑料排水板强夯法易导致浅层土体含水量过高, 往往土体破坏形成橡皮土的弊端, 又解决了轻型井点 (管井、真空管井) 降水结合强夯处理深层饱和黏性土受限的技术难题。

5) 本工法中浅层主动排水系统利用虹吸原理、真空压差加速软弱地基中地下水的渗流排出, 促使地下水位快速下降。根据不同地质条件和工程情况, 可灵活采用竖向或水平向布设真空管网抽排系统, 在降排水不影响强夯施工的前提下, 采用连续降排水强夯方式, 能取得更为理想的加固效果, 工期也可大幅缩短。

6) 本工法中深部饱和黏性土中竖向排水通道可采用塑料排水板、袋装砂井及砂井等不同方式, 并可根据地基处理要求, 依据相关理论和规范, 进行针对性排水体系设计, 避免了市场上排水动力固结法目前还停留在经验设计方法水平导致诸多不规范和质量难以保证的工程现象。

7) 地基处理设计人员可在项目吹填前期介入, 依据地质勘察资料及项目情况, 分析吹填材料来源和性状, 统筹规划吹填方式、步骤及总体建设计划, 结合本工法特点和技术思路, 合理构建场地排水系统和预压体系, 既可快速开展地基处理施工作业、避免一些重复工序或浪费, 又可充分发挥排水动力固结法的优势及其施工后效作用 (类堆载预压效应、类真空预压效应) , 获得技术、经济和时间的最佳综合效益, 这也是本工法区别于其他既有软弱地基处理技术的关键环节。

8) 通过广州立沙油库软土地基处理、曹妃甸港池岛西侧土地整理等项目的生产实践和科研试验, 与传统的排水静力固结法相比, 本工法不仅操作方便, 便于过程质量控制, 还可节约造价约30%, 缩短工期1/3以上。

1) 软弱地基间接分级接力式排水固结法将软土表面静覆盖压力 (如砂垫层、硬壳层、填土层) 、动力荷载 (如强夯、冲压) 及其残余后效力与快速排水体系 (主动抽排:真空、泵吸;被动排水:砂井、袋装砂井、塑料排水板) 进行有机结合对饱和软土地基进行加固, 是一种兼具动力与静力双重固结模式的复合排水固结方法, 具有施工工期短、加固影响深度大、处理效果好的优点。该技术对围海造地普遍存在的“二元”地层结构软弱地基的综合处理具有很好的应用前景。

2) 由于本工法实施过程中, 同步构建了针对下部饱和软土层的堆载预压体系, 加之施工完成后形成的一定厚度的上部密实硬壳层, 在施工后期可继续进行一段时间的抽排水维护作业, 充分利用和发挥动力固结地基处理对下卧软土体的施工后效作用 (类堆载预压效应、类真空预压效应) , 获得更佳技术、经济、时间综合效益。