深圳后海湾浅海域口岸工程大面积填海及软基处理主固结沉降问题研究

深圳后海湾浅海域口岸工程大面积填海及软基处理主固结沉降问题研究_深圳地质工程三十

深圳后海湾浅海域口岸工程大面积填海及软基处理主固结沉降问题研究

黎克强¹，沈孝宇²，周洪涛³，余颖慧²

（1.原深圳市建设局；2.深圳市工勘岩土工程有限公司；3.深圳市勘察研究院有限公司，深圳，518026）

摘　要:深港西部口岸位于深圳与香港之间的后海湾浅海域，面积1.5km²，水下均沉积了一层6～24m厚的高含水量、高塑性、高压缩性的滨海淤泥。自2002年开展了填海造陆工程，其软基处理面积已达到150万m²。滨海淤泥的加固采用价廉简便的堆载预压排水固结法，但并不是预压时间越长，淤泥中孔隙水排出的越多，当淤泥含水量降低到一定程度后（达到一个“极限含水量”），延长预压时间对淤泥固结不起应有作用，研究表明这个“极限含水量”和淤泥的“液限含水量”相当。本文最后探讨了堆载预压排水固结处理软土地基的主固结沉降量，极限主固结沉降量等新的计算方法。

关键词:极限主固结；极限沉降量；地基处理

The Research on Primary Consolidation Settlement of Reclamation and Soft Foundation in Shenzhen Port Project

Li Keqiang¹，Shen Xiaoyu²，Zhou Hongtao³，Yu Yinghui ²

（1.Shenzhen Bureau of Construction Shenzhen 518026，

2.Shenzhen Gongkan Geotechnical Engineering CO.，Ltd，

3.Shenzhen Investigation ＆Research Institute CO.，Ltd，Shenzhen，518026）

Abstract:The West-pssageway in Shenzhen Bay，Center of Shenzhen and Hongkong，area is about 1.5sq.Kilometers.The marine mud with a thickness of 6to 24meters and a high natural water content as well as high plasticity has deposited.A large scale landing and ground treatment have been made since 2002.The improved area of soft soil is about severely，the magnitude of discharged water from mud isn’t proportional to the preloading time.The improving effect didn’t vary with the preloading time when the water content in the mud was equal to the limit liquid of the mud.At last，following topics have been researched，they are the new calculation method of settlement of primary consolidation and limited settlement of primary consolidation，at preloading drain of the soft soil.

Key words:ratio of limit primary consolidation；limit settlement；ground treatment

1　口岸工程及地质条件概况

深圳西部深港口岸位于南头半岛后海湾浅海域，由深港跨海大桥和一线口岸组成。口岸区填海及软基处理面积（包括场坪及海堤、隔堤）为150万m²，填海范围周边海堤总长约5 502m，内隔堤长度6 372m。口岸填海和地基处理工程于2002—2004年完成。

1.1　填海域海底地形

口岸区地处后海湾东角头以东1～2km，为浅海域，海水多年平均深度为0.44～4.73m，海底高程为-0.09～-4.40m，总平均高程为-1.6m（黄海基准），海底地形为由西向东的一个缓坡，坡度为1.6‰～4.5‰，海底微向东倾斜，其中存在2个海底深槽，槽底高程最低为-20m。

由于深圳湾四面几乎为陆地包围，形似内海仅在其西南角与珠江口伶仃洋相连，是其唯一的出口。因此它很少受到海流和外海波浪的影响，全新世7000年以来（大西洋期）淤泥在湾内每年以1～3mm/年的速度进行海底沉积，最厚可达24m。

1.2　淤泥的工程性质

海床为最新沉积的淤泥，在口岸场坪区普遍存在，只是在其南部和西北部的“深槽”部位淤泥层厚度增大，可达15～24m。淤泥为深灰—灰黑色，流塑状，具腐臭味，有机质含量4.2%～7.25%，混有贝壳碎片，是高含水量、高隙比、高压缩性、低强度、低固结特性的软土。淤泥的下面为冲积砂砾土、黏性土或花岗岩残积土层^{［1］～［5］}。

（1）经钻探取样、室内实验，淤泥的物理、水理、力学性质的指标如表1所示。

表1　淤泥土初始状态物理力学性质

（2）淤泥的原位测试力学指标淤泥土原位测试成果见表2。

表2　淤泥的双桥静力触探及十字板试验成果

（3）淤泥的主固结和次固结特性。口岸场坪区淤泥的物理力学性质与深圳湾及珠江口区域的淤泥性质十分相似，其主固结系数和次固结系数见表3。

表3　淤泥土主、次固结试验

注:C_v为垂直向固结系数；C_h为水平向固结系数。

2　设计及施工简介

2.1　海堤及內隔堤^［2］

西部口岸场地为浅海区，东侧和南侧海堤所处的位置海水深，淤泥厚度大。外海堤（东侧、南侧）的填筑采用抛填块石，辅以强夯或爆破挤淤法。场坪采用插塑料排水板填土（石）堆载预压排水固结方法，隔堤、海堤与场坪的过渡带采用砂石桩加固，隔堤、海堤堤身采用强夯加固。填海地基处理工程在围海海堤内进行，海水的多年平均深度从北到南为0.44～4.73m，在抽排完海水后经晾晒海底淤泥后，其上铺一层经编复合土工布和砂垫层。

为了方便组织施工，全口岸场坪从北向南用3条横隔堤分割为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区，各区之间用纵向小隔堤分割成A、B、C小区，共分割成12个单元，每个单元面积数万至二十万平方米不等，内隔堤顶宽13m，堤身宽约30m，它们可以用作输送砂石土料的通道。每一个单元组成填筑及地基处理的独立系统，如图1所示。

2.2　口岸区填海及地基处理技术要求^［1］

（1）沉降要求:工后沉降差≤1.0‰，工后剩余沉降量≤15cm。

（2）交工面承载力标准:荷载板试验地基承载力≥140kPa。

（3）交工面高程3.9m。

（4）交工面顶层下1m碾压土层，其密实度达到95%以上（重型击实）。

2.3　设计参数的设定和沉降计算分析

（1）预压排水固结设计计算参数的选取。

①场区不同单元淤泥平均厚度（计算值）（H）的确定见表4。

②预压荷载（P）190～250kPa，由以下几部分组成:

a.砂垫层，2m。

b.填石（土）预压层（包含预留沉降层、使用荷载及超载），8.0m～10.5m。

③初步设计堆载预压时间（t），为达到场坪全区都能满足剩余沉降和差异沉降的要求，经过验算，不同单元预压时间不相同，其范围从230天至240天，其中恒载时间135天。

④预压分级确定:采用6～7级堆载，每级压力约为30kPa。

⑤淤泥层物理力学参数如下:

图1　西部通道口岸区填海总平面图

a.固结系数（垂直）Cv＝3.5×10^-4cm²/s。

b.固结系数（水平）Ch＝5.42×10^-4cm²/s。

c.淤泥初始孔隙比e₀＝2.46。

d.淤泥压缩模量Es＝1.66MPa。

e.压缩系数2.08MPa^-1。

f.前期固结压力27.6kPa；压缩指数0.67。

g.渗透系数2.23×10^-8cm/s。

h.淤泥次固结系数C_a＝0.01～0.02。

⑥塑料排水带等效砂井直径d_w＝0.07m。

⑦塑料排水带间距L取0.9m，少数为1.0m，按等边三角形布置，最佳排水带间距为0.9～1.0m。

（2）排水固结模型及计算分析。填石堆载预压为实际多级加荷状况，经过计算对比，选用改进的多级Barron-Terzaghi模型进行平均固结度Uk计算:

（3）设计计算结果。各单元初步设计计算的主固结沉降、总剩余沉降设计计算成果见表4。

（4）预压排水固结竖向设计。全场坪各单元进行插塑料排水板超载预压，其竖向结构层设计见图2。

表4　各单元主固结沉降初步设计计算成果汇总表

图2　堆载预压竖向典型结构图

2.4　施工方法

2.4.1　填筑材料

采用开山石混合料、风化砾石土、中粗砂、砾质黏性土。

2.4.2　施工方法

（1）内隔堤填筑。口岸场坪填海域的四周分别由北海堤（东滨路）、东海堤、南海堤及西海堤4条稳定的海堤所围，海堤是永久性构筑物，用开山石填筑，其中东、南海堤用爆破挤淤方法，使填石海堤落到淤泥底部的硬土层。西海堤采用抛石挤淤法填筑。为了加快施工速度、便于施工管理及有利于今后大面积地基处理的需要，填筑内隔堤，将场区分割成4大区12个单元。隔堤是临时性的，仅作为施工的道路，在地基处理过程中将作为场坪地基的组成部分，最终将消失。

（2）场坪填筑。按堆载预压施工步骤施工，施工流程为:─→填筑海堤填筑内隔堤抽排海水及凉晒─→铺设土工布─→铺填砂垫层（2m）─→插塑料排水板及修筑盲沟、集水井─→铺填1m厚工作垫层（风化砾石土垫层）─→底基层分层碾压、填筑─→交工面上填筑1m厚砾质（砂质）黏土，分层碾压─→填筑超载土石料，无需碾压─→卸载。

在砂垫层施工的同时埋设各种监测仪器，施工过程中，对每道工序都要严格控制。

3　监测方法

为控制场坪各单元堆载施工的进度及地基沉降速率，确定卸载时限以及控制海堤、隔堤水平垂直的变形，全场区共埋设了369块浅层沉降板，27组分层沉降标，27组孔隙水压力计，27组水位计及多组边桩等。从埋设之日起，按堆载过程和恒载过程不同的时间间隔同步对上述项目进行观测，每隔7日出一期监测周报，每隔2～3月进行一次监测总结报告，为全场坪12个单元的堆载预压顺利施工提供了科学依据。

4　大面积堆载预压沉降实际效果的分析

通过浅层沉降板及分层沉降板的观测数据的分析，西部通道的沉降过程具有以下特征^［6］:

（1）以北区Ⅱ-A单元和南区Ⅲ-A单元沉降量比较大的观测数据为例（图3和图4），它们具有典型的特征，实际施工总堆载时间近600天。总沉降量分别为2.45m和3.12m。

图3　Ⅱ-A单元预压荷载、主固结沉降量和时间关系实测曲线

图4　Ⅲ-A单元预压荷载、主固结沉降量和时间关系实测曲线

从上图可以看出沉降与时间关系曲线近乎成直线关系，因此，可以认为预压排水固结软土地基的沉降主要发生在逐级堆载时期。

（2）在完成600天的堆载后，它们的沉降时间曲线已近于平缓，此时的沉降速率小于0.02mm/d，沉降相对稳定，即达到卸载时期。

（3）利用南北两区堆载预压前后的物理力学指标数据，可以看出它们的变化也是相似的（表5），堆载预压前后，淤泥含水量下降了40%以上，孔隙比减少20%～40%，压缩性平均减少30%（表5）。

（4）在近600天堆载预压以后，淤泥含水量降到接近其液限含水量，液性指数仍大于1.0，隙比降到1.31～1.56，平均1.43，从沉降观测资料分析，主固结已趋于完成（表5）。

表5　西部通道场坪预压前及卸载后淤泥层物理力学性质指标统计(平均值)对比表

（5）本场地通过6—8级填土（石）加载，总荷载量达到220kPa，预压时间达到400天。所有单元都显示已接近完成淤泥的主固结沉降，此时淤泥土的含水量在趋近液限含水量（W_L＝52.3%～57.5%，平均55%）。在珠江三角洲所有预压排水固结处理工程中，是一个共同特征，即淤泥的液限含水量是淤泥经排水后含水量下降的极限值。

5　逐级堆载预压主固结沉降量及其实践效应问题讨论

（1）本场地地基处理设计计算时最初选用了Barron-Terzaghi多级加载平均固结度计算模型及多级等速率加载改进的高木俊介平均固结度计算模型（即目前用于建筑地基处理技术规范），而最终沉降量计算选用欠固结计算模型，实践证明，上述计算方法对于本场地高含水量、高孔隙比超软土的最终沉降量及固结度的计算偏小，这样就造成了在实际施工过程中原设计的最终沉降量在堆载过程中就已经完成。结果不得不由原来设计的预压荷载190kPa改为220kPa，由原初步设计的预压时间290天，平均延长为580天。平均多预压了290天，亦多沉降了1.0m，全场地多填了预留沉降量土方200万m³。

笔者认为，这种现象在珠江三角洲地基处理过程中比较普遍（如果不是在我国沿海一带的话），究其原因，在于上述计算模型沉降量与排水固结本质规律不尽相符。

（2）关于主固结比及极限主固结量与实际观测的比较。前面已提到，软土在预压排水固结地基处理时，随着时间的延续，其含水量不断下降，但最终必定有一个工程上的极限，这个最小极限含水量相对应的是最大的最终沉降量（即最大的主固结量）（S_η），至今为止土力学中任何公式在计算最终沉降量都离不开固结应力（或称荷载压力P）^［7］，但P值有大有小，计算出的最终沉降量随应力大小而变（就像计算固结度与固结应力关系一样），但是这种超软土是欠固结状态，它在自重应力条件下都有固结变形，它的终极变形，不完全取决于固结应力，它有自身的本质规律可寻。

软土在排水固结过程中的最小极限含水量是接近软土的液限含水量（W_L），在“土质学”中^［8］，它是土体从塑态到流态的界限含水量，其本质应当是饱和软土（二相土）孔隙中的重力水基本排尽剩下结合水时的状态，液限本质上也可解释为软土中结合水最大的含水量，重力水在工程的作用力（如加载、置换、挤密等）条件下可以自由排出土体之外（如设置各种大小垂直水平排水体），土体便得到主固结沉降量，而结合水由于静电引力场作用，不受重力影响，它在上述工程作用力条件下不发生迁移，因此结合水具有半固态或固态性质，在物理模型中可以当做与固体颗粒一样的状态处理，基于上述原理可以通过二相土含水量的变化得到它的主固结量（S_t）（即主固结沉降量）。笔者已导出它们之间的理论关系式（请参阅本书《饱和软黏土排水固结新的理论和计算方法研究》一文。

当W_t接近最小值时（即液限含水量W_L），便可得到主固结量最大值（S_η）（即极限主固结沉降量S_η）。

这是一种十分方便的计算方法，只要在工程设计前的勘察资料中得到上述计算参数，便可估算真实最终沉降量，而在排水固结过程中，任意时间段通过钻孔取样（扰动样即可）测得含水量W_t便可计算出它的相应沉降量（S_t）。所有这些都避开了费工费时取原样土进行压缩、固结等试验及计算。

利用上述研究成果分析西部口岸排水固结现场实际沉降量观测数据（表6）。

表6　场坪堆载预压前、后地基处理效果与理论计算对比表

注:表中数据为各单元平均值。

可以看出，工程设计时主固结比（η）为0.19～0.22，平均为0.205，相应最终沉降量只有1.48～3.24m，平均2.36m，现场沉降实测数据表明主固结比（η）为0.24～0.31，平均0.28，相应最终沉降量为2.18～4.36m，平均3.32m，利用上述新的理论公式计算出的最大主固结比（η0）为0.29～0.35，平均0.308，极限沉降量2.32～4.58m平均3.74m，可见新的理论计算结果与实测数据最为接近，而与初步设计计算结果相距甚远。

（3）逐级堆载预压主固结沉降量及预压时间的关系。利用新的理论计算（参见本书《饱和软黏土排水固结新的理论和计算方法研究》一文），本场地堆载预压地基处理，逐级堆载条件下塑料排水板主固结时间方程为:

第一级堆载预压时间:

第二级堆载预压时间:

第i级堆载预压时间:

总堆载预压时间T＝∑t_i

式中:Θ_it——各级主固结系数，可表示为

Θ_it＝Kh_1i/ηti

h_ti——各级起始超静孔隙水压力水头值，可表达为r_ti——各级砂井排水影响圆半径，可表达为

ηti——各级的主固结比，可表达为

其他符号同前。

采用西部口岸土工参数和设计参数计算出达到同一主固结工后剩余沉降量的各种计算方法的逐级堆载预压时间（t）见表7。

表7表明，在相同的计算参数和技术条件下，采用新的理论计算方法得出的逐级堆载预压时间为513～656天，多点平均值为567天，沉降观测数据得出的逐级堆载预压时间为538～643天，多点平均值为583天，两者十分接近。而采用传统的计算方法（现行规范法）计算得出的逐级堆载预压时间为240～340天，多点平均值为277天，与上述两种计算方法相差一倍的时间，证明了利用新的理论计算方法结果与工程实际比较吻合。

表7　逐级堆载预压变更设计计算与新的理论计算结果对比表

6　结语

（1）采用本文提供的逐级堆载预压排水固结，可直接得出预压排水固结总的时间（t）而无需用平均固结度（Ut%）去试算。

（2）本文提供的新方法，所采用的土工计算参数十分简便，而且可不用采取原状土样进行复杂的室内试验。

（3）新的理论计算表明主固结系数（C_v、C_r或Θ_t）不是常数，而是随逐级堆载过程而变化的变量，新的理论计算采用主固结系数（Θ_t）的表达式本身就是变量，无需从试验得出。

（4）新的理论计算是统一的计算体系，它所计算的“极限主固结量”（S_η），t时刻的“主固结量”（S_t），剩余主固结量（ΔS）以及逐级堆载预压时间（t）是相互关联的，具有内在联系的计算方法。它所采用的计算参数是前后一致的［如初始含水量（W0）、液限（W_L）、比重（G_s）、t时刻含水量（W_t）、剩余含水量（ΔW）、主固结比（η）等］。

参考文献

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［2］沈孝宇，周洪涛，王勇强.深港西部通道口岸场坪填海及地基处理工程施工图设计［R］.深圳市勘察研究院，2002.

［3］张旷成，丘建金.深圳地区岩土工程的理论与实践［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000:305-310.

［4］Shen，XiaoYu.Studies of environmental engineering geology on subsidence of cities at Yangtze River delta and neighbouring seashore plains of China.Proceedings of 27th International Geological Congress，Section 17（C17）Engineering Geology，Moscl.

［5］Shen，XiaoYu.，Sun，Su.Wen.，1996.The studies of the geote-chnical properties of marine muck and its improvement methods of great area in Shenzhen，China.General Proceedings of 30th International Geological Congress，Beijing，126.

［6］深港西部通道填海及地基处理监测报告（2003—2005年）［R］.铁道部科学研究院深圳研究设计院及浙江水利河口研究院深圳分院.

［7］陈仲颐，周景星，王洪谨，等.土力学［M］.北京；清华大学出版社，2000:143-157.

［8］周大雄，孙愫文.工程岩土学［M］.北京:地质出版社，1990:36-42，62-68，70-71.