0 引言

　　围海造地工程往往具备新的二元地基特点:原始地基中多存在深厚饱和软土，深厚软土上有大面积场坪人工填土。须改良下伏软土，使其与围海造地的回填土快速固结，处理后的地基满足建筑场地对沉降和承载力的要求。

　　本文依托宝钢德盛二期原料场，开展超高荷载水平下软土强度增长与变形规律研究，为深厚软土大面积填土二元结构地基综合处理技术应用提供参考。

　　1 工程概况

　　宝钢德盛二期原料场位于福州市罗源县金港工业区宝钢德盛钢铁厂区北侧，其南侧为钢铁厂主要生产厂区，其余三面环山。原料场堆料区总面积为16.73万m²，场坪原始标高约为1.800m，最终场坪标高6.300m，场地形成后最大使用荷载为220k Pa。地质条件如表1所示。

　　本工程场地主要分布土层为均厚25m的流塑状淤泥，而场坪填土荷载叠加堆料荷载，使软土上的最终荷载高达350k Pa，该二元结构地基存在承载力与强度严重不足、沉降长期难以趋稳、地震动软化问题。此外，项目工期较短，要求短时间内完成大部分固结沉降难度极大。

　　  

　　表1 场区地质条件 

　　 

　　 

　　

　　表1 场区地质条件

　　2 地基处理施工思路

　　原料场堆料区地基处理采用超高堆载联合真空+强夯排水固结法，即首先施加真空荷载进行快速排水固结，待软土强度增长到一定程度并满足下级堆载稳定性要求后，施加第1级堆载4.5m厚开山土石并进行第1次强夯;施加第2级堆载(平均3.0m厚)开山土石至设计标高后进行第2次强夯，待固结度达92%后完成施工。超高堆载联合真空+强夯排水固结法地基处理设计断面如图1所示，荷载-时间历程曲线如图2所示。

　　

　　图1 地基处理设计断面  

　　 

　　3 试验测点布置

　　3.1 监测点布置

　　

　　图2 荷载-时间历程曲线  

　　 

　　监测装置及仪器包括分层沉降标、孔隙水压力计、水位表、测斜管、浅层沉降板、膜下真空压力表等，监测点平面布置如图3所示。

　　

　　图3 监测点平面布置  

　　 

　　3.2 质量检测点布置

　　为评估地基处理后的效果，交工时的检测项目包括浅层荷载板试验、超重型动力触探试验、室内土工试验、十字板剪切试验、静力触探试验、扁铲侧胀试验等，质量检测点平面布置如图4所示。

　　

　　图4 质量检测点平面布置  

　　 

　　4 软土变形规律研究

　　4.1 深层水平位移分析

　　超高荷载作用下，深厚软土深层水平位移变化规律如图5～6所示。

　　1)真空负压时，淤泥深层水平位移向里收缩，最大位移出现在淤泥顶面，沿深度方向发生明显深层水平位移的淤泥深度为0～10m,10m以下水平位移大幅度减小，15～18m深度水平位移基本为0;堆载后，淤泥深层水平位移向外扩张，最大位移出现在淤泥顶面以下5m左右，沿深度方向产生明显深层水平位移的淤泥深度为0～12m,12m以下大幅度减小，15～20m处水平位移基本为0。

　　

　　图5 深度-水平位移时程曲线  

　　 

　　

　　图6 不同深度水平变形速率时程曲线  

　　 

　　2)在真空系统上堆载后，淤泥深层水平位移在堆载50～60k Pa时位移回0，继续堆载至240k Pa，位移变为向外95cm。

　　3)水平变形速率受加载的影响较大，加载初始出现变形速率峰值，最大变形速率峰值出现在真空加载瞬间，矿料加载过程中的最大水平变形速率约为80mm/d，加载稳定后水平变形速率迅速下降，并逐渐趋于稳定。

　　4.2 分层沉降分析

　　超大荷载作用下，深厚软土分层沉降变化规律如图7～8所示，其中，磁环1,3,5,7埋深分别为-2.000,-6.000,-10.000,14.000m。

　　

　　图7 分层沉降时程曲线  

　　 

　　1)各磁环总沉降自上至下减小，埋深越浅，磁环受荷载影响越明显。

　　2)沉降速率沿深度方向逐渐减小，真空预压期间，10m上下处，沉降环的沉降速率峰值区别较大，15m以下沉降速率接近0。当进行超高堆载后，堆载起主要预压作用，沉降速率峰值在深度方向上较接近20m以下沉降速率，沉降速率峰值在30～50mm。

　　3)真空预压沉降效果优于堆载预压，但影响深度有限。真空预压影响深度为10～15m，而真空联合堆载预压影响深度在20m以上均十分有效。

　　4)真空预压前期效果明显，抽真空3～4个月后效果明显减弱。

　　5 软土强度增长规律研究

　　5.1 物理力学指标变化规律

　　采用超高堆载联合真空预压+强夯排水固结法处理深厚软土地基前、后，1,2号区物理力学对比如表2所示。

　　

　　图8 FC7分层沉降速率时程曲线  

　　 

　　由表2可知，1号区经过超高荷载地基处理后，含水率减小35%，重度增长11%，孔隙比减小30%，压缩模量增长90%，液限指数减小55%。2号区经过真空联合堆载预压处理后，含水率减小30%，重度增长9%，孔隙比减小23%，压缩模量增长81%，液限指数减小49%。2个区固结系数提高一个数量级，增长100%～127%。渗透系数有所减小，减小75%～78%，但仍在同一个数量级上。

　　5.2 静力触探比贯入阻力变化规律

　　1号区地基处理前后静力触探比贯入阻力平均值分别为0.48,0.94MPa;2号区分别为0.48,1.07MPa。1号区经过超高荷载地基处理后，静力触探比贯入阻力增长96%,2号区经过真空联合堆载预压处理后，静力触探比贯入阻力增长123%。经过真空联合堆载预压，软土强度得到显著提高。

　　5.3 十字板抗剪强度增长规律

　　因超高荷载地基处理后，软土发生固结沉降，某一深度处的软土产生沉降后很难确定具体深度，本文引入相对深度概念，有机结合软土深度、塑料排水板有效处理长度，研究真空联合堆载预压处理后深厚软土的强度增长规律。相对深度δ计算公式为:

　　

　　 

　　式中:z为从淤泥顶面算起，淤泥的深度(m);h为从淤泥顶面算起，塑料排水板的有效处理长度(m)。

　　定义土体十字板抗剪强度增长率为η，其计算公式为:

　　

　　 

　　式中:τ_f1为真空联合堆载预压处理前软土十字板抗剪强度(k Pa);τ_f2为真空联合堆载预压处理后软土十字板抗剪强度(k Pa)。

　　处理前、后原状软土十字板剪切强度与相对深度的变化关系如图9所示，强度增长率与相对深度的关系如图10所示。

　　

　　图9 抗剪强度与相对深度的关系  

　　 

　　由图9,10可知，经超高荷载地基处理后，软土十字板抗剪强度显著增长。在淤泥顶面相对深度0处，十字板抗剪强度增长最大，增长率达202%～226%。随深度逐渐增大，十字板抗剪强度增长率逐渐减小。在相对深度0.3处，十字板抗剪强度增长率为120%～138%;在相对深度0.6处，十字板抗剪强度增长率为60%～70%;在相对深度1.0处，十字板抗剪强度增长率为7%～15%，增长率很小。

　　以相对深度0.3,0.6为分界点，将强度增长曲线分为3个阶段:(1)快速增长阶段相对深度0～0.3，抗剪强度增长幅度最大，增长率达120%～226%，强度增长1～2倍;(2)过渡阶段相对深度0.3～0.6，抗剪强度平稳增长，增长率为60%～120%，强度增长0.5～1.0倍，增速变缓;(3)缓慢增长阶段相对深度0.6～1.0，抗剪强度增长幅度最小，增长率为7%～60%，强度增长0～0.5倍。

　　  

　　表2 地基处理前后物理力学指标对比 

　　 

　　 

　　

　　表2 地基处理前后物理力学指标对比

　　

　　图1 0 抗剪强度增长率与相对深度的关系  

　　 

　　采用线性函数拟合图10，得到十字板抗剪强度增长率η与相对深度δ的关系式，所得回归方程为:

　　

　　 

　　常数a,b,R(相关系数)数值如下:(1)1号区

　　a,b,R值分别为-2.14,2.11,0.98;(2)2号区a,b,R值分别为-1.96,1.88,0.98。

　　a<0,b>0，十字板抗剪强度增长率η与相对深度δ呈负线性增长关系。常数a,b与淤泥深度、塑料排水板有效处理长度有关，通过该式可推求超高荷载水平地基处理后任一深度处软土的十字板抗剪强度。

　　6 结语

　　1)真空负压时，淤泥表面水平位移向里收缩，对应真空压力-80k Pa的最大位移为-35～-20cm。真空系统堆载后，淤泥表面水平位移向外扩张，当堆载50～60k Pa时位移回到原点，对应超高荷载(总荷载达160～240k Pa)最大位移可达60～95cm。

　　2)通过荷载-时间-沉降曲线对比分析得出，真空预压法对10m内的淤泥效果显著，10m以下开始明显减弱，15m以下效果很弱。真空联合堆载预压法有效影响深度25m，但15～25m范围加固效果比15m内的加固效果略差。

　　3)引入相对深度概念，有机结合软土深度、塑料排水板有效处理长度，以相对深度0.3,0.6为分界点，将软土强度增长曲线分为3个阶段，即快速增长阶段、过渡阶段和缓慢增长阶段，每个阶段影响范围、增长幅度均不同。

　　4)采用线性函数拟合法，得到十字板抗剪强度增长率η与相对深度δ的关系式，及相应回归方程。