广州南沙某软土地基处理工程信息化施工与分析
摘要:为了保证广州南沙某工程动静力排水固结法处理软土地基的质量及进度,在施工的同时对孔隙水压力、土体分层沉降、十字板抗剪强度、静力触探等指标进行了实时监测和分析。通过实施信息化施工,进行施工质量的过程控制与处理场地的点控制,工程整体加固效果良好,工后各项指标完全达到或超过预期值。
关键词:淤泥地基处理;实时监测与分析;动静力排水固结;排水系统
Abstract: In order to guarantee the quality and schedule of the silt ground treatment project for the first stage ofGuangzhou Nansha Taishan petrifaction storage area, the parameters such as pore water pressure, stratum settle-ment, field vane shear strength and the index of static cone penetration are monitored in real time and analyzedwhile construction. Through the construction with information, the /process control of construction quality and thespot control of the treatment field are carried out and the consolidation effect is satisfied.
Key words: silt ground treatment; real time monitoring and analyzing; dynamic and static drain consolidation;drain system
引言动静力排水固结法[1]是近年来发展起来的一种土地基处理新技术,它是在传统的强夯法和堆载压法基础上发展起来的,利用强夯法的夯击机具排水固结法中排水系统相结合进行软土地基处。其基本思想是:通过设置水平排水体系(挖设沟,在盲沟交汇处设集水井,地表铺设一定厚度砂垫层),并设置竖向排水体系(插设排水板),改善地基土的排水条件;软土在适当的静(覆)力、动力(夯击)及其持续的后效力的超载作下,形成高水平的孔压梯度;孔隙水压力多次升,孔隙水不断排出,有效应力增加,孔隙体积减,土的抗剪强度提高,工后沉降大大降低,地基成为超固结土,达到软土地基加固的目的。该法对饱和软粘土地基加固中具有投资省,见效快,理效果好的优点。 工程概况南沙泰山石化仓储区位于广州经济技术开发区沙小虎岛,该仓储区主要用于储存和经营油品及体化工品。库区总面积约为67•2万m2,其中一占地面积为18•6万m2,需要处理的软基面积为4•9万m2,其中油罐区面积13•7万m2,其余为道区。该场地原为滨海水塘,地质资料表明覆盖土层主要有:人工堆填的冲填土,海陆交互相海(淤)积成因的淤泥,冲洪积成因的粉质粘土、泥、粉细砂和中粗砂,残积成因的砂质粘性土,伏基岩为燕山期的花岗岩。该工程软基处理范围地质条件很差,整个处理场地地表以下均分布有泥层,地下水位高。成品油库区场地的的物理力性质指标见表1
。本次软基处理于2005年4月开始由于雨季施工,场地条件复杂等不利因素导致处难度大。按照设计要求,为了保证工程的质量和度,软基处理施工应与现场监测相结合,对现场测所得的信息进行实时分析,并作为确定施工参数调整设计的依据,实现软基处理的信息化施工。
2 软基处理方案设计根据场地的特点,该工程采取的是动静力排固结法[1,2]。该法将静(覆盖)力、动力(夯击及其后效力与快速排水(水平加竖向)体系有机合对软土地基进行加固,同时强调通过信息化工,进行施工质量的过程控制和处理平面内的点制,以确保达到或超过技术、经济与工期的要求。6场地各层土物理力学性质指标表1土层名称土层描述层厚(m)ω(%)ρ(g/cm3)ec(kPa)(°)a1-2(MPa-1人工冲填土分布不均匀,含泥量大、含水量高0•0~5•5淤泥平均厚12•0m,流塑状态,含水量45•8%~114%,均值75%,孔隙比1•517~2•992,均值2•0873•5~16•7 75•0 1•60 2•087 11•1 10•6 2•434粉质粘土冲洪积成因,可塑状态,地基容许承载力160kPa 0•5~10•8 28•2 1•96 0•760 21•9 21•7 0•352砂质粘性土残积成因,灰白色,硬塑0•5~12•1 21•8 2•01 0•621 31•2 34•4 0•177风化花岗岩灰白色、褐红色,岩芯呈坚硬土柱状,遇水易崩解0•8~9•8 17•1 2•03 0•538 38•3 35•0 0•1251 动力参数与工序研究表明,对软粘土地基进行夯击加固应采用能量“少击多遍”的夯击方式[1,3]。根据试夯的果,本工程采用夯击四遍的夯击方式,其中第、二遍为点夯,夯击能量控制在900kN•m,以5m间距正方形布置,两遍间夯击点错开分布,得夯击能均匀分布,第三、四遍为普夯,夯击能为600kN•m,以0•75倍夯锤直径进行搭接夯击。点布置见图1。图1
夯点布置图夯击的收锤标准也即是每遍夯击的次数,需要据监测结果由现场土体变形与孔压决定。总原则:要使地基土在夯击能作用下能够继续密实,但至于破坏土体的结构。具体地讲,要求:
(1)夯附近的土体不出现明显的隆起;
(2)夯坑附近的体不能有过大的侧向位移;
(3)后一击沉降量应于前一击的沉降量,否则说明土体结构破坏,一情况下还要求满足最后两击平均夯击沉降量不大10cm的要求。每遍夯击间隔时间以夯击后超静隙水压力完全或基本消散为控制标准。
2 排水系统动静力排水固结法的基本思想是[1,4,5]通过改善基土的排水条件,将动力(夯击)和静力(填土压)相结合,利用动荷载较大的冲击能激发较高孔隙水压力,通过设置水平和竖向排水体系并结静荷载作用使孔压消散,土体排水固结,强度得提高。可见要想静动力排水固结法处理软土地基得成功,除了合理选择施工工艺外,设置合理的排水系统,改善地基的排水条件也是至关重要的排水系统分为水平和竖向排水系统,下面分别加介绍。
2•2•1 水平排水系统本工程的水平排水系统由砂垫层、排水盲沟集水井三部分组成。其中,砂垫层厚度1•0m,用中粗砂和瓜米石,要求平均含泥量小于5%,大含泥量小于8%,以保证排水的通畅。排水盲宽0•4m,底面以1%的排水坡度往集水井方向斜,虑料采用粒径3~5cm级配均匀的碎石,含量不超过3%,用无纺透水性土工布完全包裹。沟纵向每隔一定距离设置一口集水井,集水井由根16mm纵向钢筋及每间隔300mm设置一直径10mm的横向箍筋形成外径为490mm的钢筋滤笼,外包4目的铁纱网和塑料砂网,滤水笼外填石作为滤料,井底用土工布包封。集水井与盲沟通良好,底面须比周围盲沟深。整个施工期及交前期及时抽水,保证集水井内的水深不超过60cm
2•2•2 竖向排水系统竖向排水是通过插设塑料排水板进行的,排板间距1•4m,正方形布置。插设平均深度12•0底端至软土下卧层不少于0•5m,上端高出砂垫20cm。插板时要求按编号进行插入,布点偏差小50mm,插板垂直偏差不超过插板长度的1•5%,孔插板须完好无损,不能有回带现象,插板机应有长度记录装置,记录每根插板的长度。
3 软土地基处理实时监测方案及监测结果分析施工中进行了孔隙水压力、土体分层(施工面、淤泥顶面、淤泥底面)沉降、土压力、十字剪切、静力触探等项目的监测工作。监测的工作分别为:孔压监测15组,每组100点次;分层沉观测15组,每组100点次;土压监测15组,每50点次。孔隙水压力和土体分层沉降施工期间每进行监测,施工后20d内每2d进行1次监测,土力施工期间每2d进行1次监测,施工后20d内4d进行1次监测。静力触探和十字板剪切分别在7 2007年第9期工程勘察 Geotechnical Investigation &Surveying 、夯中和夯后各进行1次,布孔相同,共布设66,每孔深11m,静力触探每孔3次,十字板剪切孔3点,分别距地表4m、6m、8m,每点1次。上5种测试的监测点集中布置,以沉降点为中,各点位相距不超过1m。图2
给出的是仓储区一场地中的油罐4区中监测项目的布置示意图,该的范围为122m×85m。图2
仓储区油罐4区监测点布置示意1 孔隙水压力监测结果分析孔隙水压力的消散过程是用以控制施工进度,解加固效果及加固深度的有效方法,对夯击施工有关键性的指导意义。图3给出的是共夯击4,每遍夯击次数为2次,每次夯击能量控制在00kN•m,每遍夯击间隔时间不同时,实测得到的孔孔隙水压力的变化过程。图3
每遍夯击间隔时间不同时的孔隙水压力变化曲线开始夯击时,两遍夯击的时间间隔为6~7d,据对孔隙水压力监测曲线分析,孔隙水压力的消不是很理想,尤其是深层处更是如此。如:地表8•0m处孔隙水压力仅消散了40%左右,这与土条件有关,粘性土中的孔隙水压力消散较慢。为保证工程质量,施工方根据监测结果及时调整了工方案,将两遍夯击的时间间隔调整为8~9d。调整后,孔隙水压力的消散程度较高,夯击效果好,每层孔隙水压力均消散70%以上,鉴于此,来的夯击的时间间隔调整为9~10d左右。图4给出的是每遍夯击时间间隔为9d,夯击总击能量控制在1800kN•m,夯击次数和遍数不同时,实测得到的B孔深度为5m处孔隙水压力的化过程。由图可见,夯击4遍,每遍2次的夯击果最好,夯击3遍,每遍3次的其次,夯击2遍每遍4次的最差。图4 每遍夯击次数不同时的孔隙水压力变化曲线如:夯击4遍,每遍2次,最后的孔隙水压消散较快,基本稳定在20kPa左右,而夯击2遍每遍4次的孔隙水压力上升的较高,而且消散慢,最后维持在60kPa左右。鉴于此,本工程最决定采用的是夯击4遍,每遍时间间隔为9~10每遍夯击2次的施工工艺。
3•2 土体分层沉降监测结果分析土体的沉降随着孔隙水压力的消散而逐渐加,沉降是否稳定也是衡量土体加固效果的一个要因素。由图5给出的A孔土体各层的沉降可以出,土体中不同层面处的沉降均随着时间的增长增大,但随着土层深度的增加,沉降增长速度逐减小,其中地表处沉降增长最快。地表处的沉降呈台阶式增长,最大值达到近500mm。并且沉降于稳定的时间与孔隙水压力的消散时间基本吻合这是由于每遍夯击完成后,孔隙水压力消散,土逐渐固结而趋于稳定,但再次夯击时,孔隙水继排出,土体的沉降也随着再次增长,最后土体的降基本趋于稳定,这说明排水系统的布设及调整的施工进度是合理有效的,土体没有发生宏观结的明显破坏。图5 分层沉降变化曲线
3•3 十字板剪切试验监测结果分析 十字板剪切试验是了解软土抗剪强度特性的重原位检测手段,本工程通过施工前、夯击中及夯后土体抗剪强度的对比来检测淤泥的加固效果。6给出的是C监测孔不同深度处夯前(工前)、中(工中)和普夯结束后15d (工后)的十字板切试验的结果,由图可以看出,施工前淤泥的抗强度很低,最大只有7•5kPa,通过夯击抗剪强度显增大,夯击过程中及夯击结束后,抗剪强度分提高了4倍和5•2倍。夯击结束后的抗剪强度4m的最大,达到了45kPa, 6m和8m处的依次减小些,这与孔隙水的排出及土体固结的过程相吻,同时每个深度处的抗剪强度均远远超过了工程定的要求,这说明所采用的处理方法及工序是合有效的。图6 十字板剪切试验结果4 静力触探监测结果分析普夯结束15d后,在C孔处进行了静力触探试,并与夯前静力触探试验的结果进行了比较,见7。由图可见,在离地表1~5m范围内,夯后静侧阻有较大的提高,平均比夯击前提高20%以, 5m以下的土层,静力侧阻仍然有提高,但提的幅度减小,并随着深度的增加,静力侧阻趋于 图7 静力触探曲线稳定。由此可见软土地基处理起到了加固效果,其是浅层,加固效果明显。普夯对土体扰动的恢需要一定的时间,待软土排水固结后,其强度仍有所提高。
3•5 加固前后淤泥土物理力学指标对比及软基固效果对比加固前后淤泥土的物理力学指标变化详见表本工程软基加固效果详见表3
/。加固前后淤泥物理力学指标对比表2项目含水量ω(%)孔隙比e重度ρ(g/cm3)压缩系数a1-2(MPa-1)压缩模量Es1-2(MPa)范围均值范围均值范围均值范围均值范围均值工前45•8~114•0 75•0 1•517~2•992 2•087 1•35~1•67 1•50 1•450~5•016 2•434 0•744~1•969 1•45工后45•5~75•9 57•3 1•013~1•862 1•465 1•55~1•81 1•67 0•931~2•241 1•332 1•250~2•520 2•05增加率-23•6 -29•8 11•3 -45•3 41•2软基加固效果统计表3区域淤泥层强度提高倍数(平均倍数)端阻力侧阻力抗剪切强度冲填土端阻力提高倍数(平均值)地表最大沉降(mm)承载力特征值(kPa)油罐区2•5~5•0 (3•5) 1•3~4•0 (2•3) 2•5~12•0 (5•0) 3•5~14•0 (9•0)820 120道路区960 180
结语本文详细分析了广州南沙泰山石化软土地基处理监测的结果,得到如下结论。(1)根据对场地实时监测结果来看,本工程 黄土状粉土物理力学性质指标统计表1统计指标液限WL(%)塑限Wp(%)含水率W(%)密度(g/m3)γ γd比重Gs(g/m3)饱和度Sr(%)孔隙比eEs(MPa)平均值27•29 19•06 7•89 1•31 1•42 2•72 20•4 1•08 25•3最大值31•6 20•8 16•4 1•57 1•83 2•72 61•4 1•305 41•2最小值24•0 17•9 4•9 1•18 1•28 2•70 12•1 0•724 12•6反应,使得桩身体积膨胀,挤密桩间土,从而有地消除大厚度黄土的湿陷性的特性,提出了利用合膨胀材料加固地基的方法,通过孔隙挤密原理导了该方法的计算公式,并应用于实际工程中,功地消除了黄土的湿陷性,通过理论研究和工程践可以得出以下结论。
(1)经过大量的工程实践,采用生石灰膨胀材加固湿陷性黄土地基,加固效果良好,说明在湿性黄土地区采用生石灰桩这种膨胀材料加固地基可行的。
(2)推导的计算公式对湿陷性黄土地基的加固有借鉴意义,计算结果准确可靠,施工中仅需根工程实际情况进行适当调整即可。(3)生石灰桩膨胀法加固湿陷性黄土地基有其用范围,对于不适宜的情况建议采用其他处理方。
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