地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第2期 VOL.10 No.2 1999



浦东机场深部饱和软土的强夯加固作用研究
王广德　张倬元　董孝璧
　　摘　要　传统观念认为，在单夯夯击能2000kN．m情况下，强夯法仅对浅部地基土层具有加固作用，而对深部土层却没有加固作用。通过浦东机场强夯地基与天然地基沉降观测资料的对比分析，认为：强夯不仅可加固浅部土层，而且也可加固深部(10m以下)的饱和软土，有效 加固深度可达20m左右。
　　关键词　强夯　强夯有效加固深度 
　　中图号　TU472.3
A STUDY ON EFFECT OF DYNAMIC CONSOLIDATION ON THE DEEP SATURATED SOFT CLAY AT PUDONG AIRPORT
Wang Guangde　Zhang Zhouyuan　Dong Xiaobi
(Insitute of Engineering Geology,Chengdu University of Technolo gy，Chengdu　610059)
　　Abstract　The traditional view is that only the shallow soil layers can be reinforced and the deeper layers can not be reinforced during dynamic consolidatio n in the condition of 2000 kN．m of a-tamp-energy.By comparing the monitoring settlement data of the tamped foundation to with that of natural foundation at P udong Airport, a new conclusion is drawn in this paper that dynamic consolidatio n ca n reinforce not only the shallow hard soil , but also the deeper (below 10meter s) saturated soft clay. The effective consolidation depth is about 20meters.
　　Key Words　Dynamic consolidation　　The effective consolid ation depth
1　前言
　　上海浦东国际机场场区内存在的主要工程地质问题有二：① 深部软土层的变形稳定问题；② 砂土液化问题。为了解决这些问题以满足场道工程对地基变形的要求，在场区西侧选择一有沟浜穿越的地段，分三个试验区（强夯试验区、堆载预压试验区和深井降水试验区）进行地 基处理试验和沉降观测。其中，深井降水试验区的试验工作，由于无法使地下水位降低到设计深度而被迫中途放弃；强夯试验区与堆载预压试验区的试验及观测工作，开始于1996年4月，截至1998年2月，已进行22个月的长期观测，获得了丰富的观测资料。
　　浦东机场场道工程的建设工作已基本完成，地基加固方法采用强夯法。强夯能否满足场道工程对地基的要求？场道工程地基的稳定问题，成了人们关注的焦点。为了解决这一问题，最重要的是要搞清楚深部软土层的变形稳定问题——深部软土层在强夯后的变形规律如何？在强夯过程中是否得到了加固？本文将通过对浦东机场强夯地基与天然地基沉降观测资料的对比分析，回答上述问题。
2　试验区地质特征
　　试验区地势平缓，一条近南北向展布的沟浜纵贯而过，将之一分为二。该沟浜宽13～14m，深2.5m左右。试验区地下水位埋深约2.7m。
　　钻探结果表明，试验区地层由上至下大体可划分为三个层组：浅部粉土粉细砂层组、深部粘性土层组、底部粉土粉细砂层组。各层组主要地质特征如下：
　　(1) 浅部粉土粉细砂层组（(1-2)土层）(Q4)：　层组厚8～9m。主要包括1土层和2土层。1土层为腐殖土；2土层为粉质粘土、粉细砂、砂质粉土等。层组分布较稳定，土层多呈松散—稍密（中密）状态，具中压缩性，局部地段存在地震液化的可能性。
　　(2) 深部粘性土层组(Q4)：　层组厚18～20m，包括31土层、4土层、51土层和54 土层。其中，31土层为灰色淤泥质粉质粘土，厚1～2m；4土层为灰色淤泥质粘土，厚 12～13m；51土层为灰色粉质粘土，厚4～5m；54土层为灰色粉质粘土，厚0.4m左右，局部地段缺失。31，4，51分布较稳定。31，4土层属软土层，具高压缩性，并夹有多层极薄层砂质条带；51土层压缩性略低，压缩系数0.561mPa-1；54土层压缩性较低,压缩系数0.195MPa-1。此层组为地基的主要压缩层，固结压缩过程则控制着地基的长期变形稳定性。
　　(3) 底部粉土粉细砂层组(Q3)：　层组未见底，揭露厚度6～7m，包括71层黄色砂质粉土及72层黄色粉砂。层组各土层较密实，具中—低压缩性。
3　地基处理试验简况
　　三个试验区的平面布置，如图1所示。


　　　　　图1　试验区平面布置示意图
　　　　Fig.1　Plane of test plots
3.1　 强夯试验
　　强夯试验区(T1区)，总面积60m×80m，分为4个试验小区：
　　(1) T1-1小区：　面积40m×40m，点夯(2遍)单夯夯击能2 000 kN．m，满夯(1遍) 单夯夯击能800 kN．m。强夯前，正方形布置插深为6m，间距1.75m的塑排板。强夯垫层厚 为80 cm的中粗砂垫层。
　　(2) T1-2小区：　面积20m×40m，点夯(2遍)单夯夯击能1500 kN．m，满夯(1遍)单夯夯击能800 kN．m。在工作面清除耕(填)土后，直接在推平地面进行强夯(无塑排板，亦 无垫层)。
　　(3) T1-3小区：　面积40m×40m，点夯(2遍)单夯夯击能2000 kN．m，满夯(1遍)单夯夯击能同T1-1小区。强夯垫层为厚80cm的宝钢水洗泥渣垫层(无塑排板)。
　　(4) T1-4小区：　面积20m×40m，点夯、满夯单夯夯击能同T1-2小区。强夯前，插深6m，间距3.0m的塑排板。强夯垫层为厚80cm的砂砾石。
　　T1区主要施工过程为：1996年6月6日至6月20日，加强夯垫层；6月下旬进行强夯施工；强夯施工结束并经检验后，于7月上旬埋设观测仪器。从1996年7月20日至8月4日进行模拟堆载 （荷载为30kPa），并开始对浅层沉降、分层沉降、孔隙水压力、地下水位进行长期观测，截至1998年2月16日观测工作已持续19个月。
3.2　堆载预压试验
　　排水板堆载预压试验区（T2区），仍分为4个小区：
　　(1) T2-1小区：　面积40m×40m，插板深21m，间距1.2m，预压荷载约45kPa ；
　　(2) T2-2小区：　面积40m×20m，插板深、预压荷载同T2-1区，但插板间距为
1.5m；
　　(3) T2-3小区：　面积40m×40m，插板深6m，间距1.5m，预压荷载约30 kPa； 
　　(4) T2-4小区：　面积40m×20m，插板深、预压荷载同T2-3小区，但插板间距为2.0m。
　　1996年4月27日开始施加预压荷载（荷载材料为中粗砂），至5月4日加载完成，加载历时近一周。经过近5个月的预压处理，于9月底开始卸载，并对地基预压效果进行勘察检验。10月下旬开始加道面模拟荷载，至11月6日完成，加载历时近两周。截至1998年2月16日，模拟荷载已保持近15个月。从1996年4月27日开始对浅层沉降、分层沉降、孔隙水压力、地下水位进行长期观测，截至1998年2月16日，观测工作已持续22个月。
3.3　深井降水试验
　　深井降水加排水板试验区（T3区），于1996年4月29日开始抽水，至8月30日抽水结束，抽 水历时120d。其中，1996年7月20日至8月30日水位降深较大，约6m左右。由于本文涉及T3区的内容较少，故不做详细介绍。
4　强夯地基与天然地基沉降变形对比
　　强夯地基，是指经过强夯处理后，再进行道面模拟堆载的地基；天然地基，是指堆载预压试验区堆载预压阶段的地基，地基堆载前除进行过沟浜处理及插排水板外未经其他扰动，为了方便对比，称之为天然地基。强夯地基与天然地基的沉降变形对比，反映的是强夯地基的沉降变形规律。
4.1　对比的基本条件
　　为了使地质条件相似、外荷载(包括水位波动引起的外荷载)相同的强夯地基与天然地基具有可对比性，为此，做出T1，T2区荷载历时曲线图（篇幅所限，不予列出），经比较荷载历时曲线，发现T1区道面模拟堆载后的前70 d与T2区的T2-1，T2-2小区预压 堆载后的前70 d的荷载相同（均为40～50 kPa），具有可对比性。于是，对T1区与T2 -1，T2-2小区的沉降过程进行对比。其中，天数为从堆载时算起的天数；T1区的 时间起点是1996年7月20日，T2区的时间起点是1996年4月27日（注：以后各图中的时间起 点，均同此）。
4.2　沉降过程对比
　　(1) 总压缩量对比
　　图2是T1区与T2-1，T2-2小区总压缩量历时曲线对比图。从图2中可以看出：前70 d总压缩量历时曲线，天然区（T2-1，T2-2小区）较陡、强夯区略平缓；70d后两区的总压缩量历时曲线均有变平缓的趋势；从70d时两区的总压缩量进行对比可知，强夯区总压缩量比天然区总压缩量减少60%～75%，平均减少70%左右。


　　　图2　T1区与T2-1，T2-2 小区总压缩量历时曲线对比图
Fig.2　Comparision of total settlement-time curves for T1 plot and T 2-1，T2-2plots
1.T1-1小区；2.T1-2小区；3.T1-3小区均值；4.T 1-4小区；5.T2-1小区；6.T2-2小区均值(注：图3至图6中的图例均同此 )
　　再与荷载的变化相对照，可以看出，总压缩量的变化与荷载的变化密切相关：① 从210d左右开始，T1区荷载增加10～20 kPa(由围场河排水引起)，而T1区总压缩量增加6.58cm；② 伴随T2-1，T2-2小区荷载的变化，T2-1，T2-2小区总压 缩量历时曲线均产生相应的变化——70～150d，荷载增加约10kPa(由T3区抽水及T1区加载引起)，总压缩量历时曲线明显变陡；160d时卸载，总压缩量历时曲线回弹；180d时施加道面模拟荷载，总压缩量历时曲线再次变陡；330d时荷载增加10～20kPa(由围场河排水引起)，总压缩量略有增加。
　　(2) 各土层压缩量对比
　　图3至图6是T1区与T2-1，T2-2小区各土层压缩量历时曲线对比图。由于分层沉降测管堵塞，T2-2小区31土层，4土层，4层底以下土层压缩量历时曲线只有前面一部分。


图3　T1区与T2-1，T2-2 小区浅部土层（（1-2）土层）压缩量历时曲线对比图
Fig.3　Conparision of settlement-time curves for shallow layer ((1-2)laye r) of T1 plot and T2-1，T2-2plots


　　　　图4　T1区与T2-1，T2-2 小区31土层压缩量历时曲线对比图
Fig.4　Comparision of settlement-time carves for 31 layer in T1 plot and T2-1，T2-2 plots


　　　图5　T1区与T2-1，T2-2 小区4土层压缩量历时曲线对比图
Fig.5　Comparision of settlement-time curves for 4th layer of T1 pl ot and T2-1，T2-2 plots


　　　　图6　T1区与T2-1，T2-2 小区4层底以下土层压缩量历时曲线对比图
Fig.6　Comparision of settlement-time curves for layers below the 4th lay er in T1 plot T2-1，T2-2 plots
　　从图3至图6中可以看出：虽然各曲线有所差异，但有一共同特点，即：70d后两区的各土层压缩量历时曲线均有变平缓的趋势；将70d时两区的各土层压缩量进行对比可知：① 浅部土层压缩量，强夯区比天然区减少30%～90%，平均减少60%左右；②　31土层压缩量，强夯区比天然区减少60%～90%，平均减少74%左右；③　4土层压缩量， 强夯区比天然区减少90%左右；④　4层底以下土层压缩量，强夯区与天然区相等。
　　总之，强夯区与天然区相比，浅部土层压缩量略有减小；31土层、4土层压缩量均大大降低；4层底以下土层压缩量相等。
　　(3) 各土层贡献大小的分析
　　在地基沉降过程中，哪些土层的压缩量最大？或者说，哪些土层对地基沉降贡献最大？各土层压缩量占总压缩量份额的大小，反映的是各土层对地基沉降贡献的大小。为此，做出各土层压缩量占总压缩量份额历时曲线图（以下简称“份额图”, 篇幅所限,不予列出）。从份额图可以看出，强夯区主要压缩层是4层底以下土层，其压缩量占总压缩量份额在堆载后3 个月可达到60%～70%，31土层和4土层压缩量占总压缩量份额只有15%～20%；天然区主要 压缩层是31土层（压缩量占总压缩量份额为15%左右）和4土层（压缩量占总压缩量份额为45%～65%左右），4层底以下土层压缩量占总压缩量份额只有20%左右。
　　总之，天然地基的主要压缩层是31土层和4土层，而强夯地基的主要压缩层是4层底以下土层。
5　问题讨论
5.1　强夯有效加固深度与强夯影响深度
　　强夯有效加固深度迄今没有严格的定义，一般认为是指经过强夯处理后的土层，能满足特定工程要求的深度〔11〕。它不仅与夯击能、地基土性质、埋深及分布状况、地下水位等有关，还与实际工程相联系——对某工程为有效加固深度，但对另一工程可能就“无效” 。对于浦东机场场道工程来说，工程对地基强度要求不高，主要对地基沉降变形提出要求 ——即要求竣工后10a沉降小于10cm。基于这种实际工程情况，强夯有效加固深度可以定义为：强夯使土层的变形量大幅度减小，且能满足场道工程对地基变形要求的深度，称为强夯有效加固深度。
　　强夯影响深度(the influence depth)，是指强夯后土层物理力学性质发生明显变化的某一 深度，它可由梅那（Ménard）公式计算得到，或者根据强夯前后地基土的勘察检验资料确定。对于本试验区的强夯地基，用这两种方法确定的强夯影响深度(文献〔8，10〕称“强夯有效加固深度”)是6～8m。
　　需要说明的是，强夯有效加固深度不同于强夯影响深度。强夯有效加固深度可以大于、小于或等于强夯影响深度，这主要由实际工程的具体要求所决定。区分这两个概念是很有必要的，目前很多文献都把强夯影响深度误称为强夯有效加固深度。
　　确定强夯有效加固深度是一个比较复杂的问题，最直接的方法就是利用强夯地基与天然地基沉降变形观测资料来确定，本文就是用这种方法确定的强夯有效加固深度。
　　从以上的对比分析可知：强夯区与天然区相比，浅部土层压缩量略有减小；31土层、4土层压缩量均大大降低；4层底以下土层压缩量相等；天然地基的主要压缩层是31土层和4土层，而强夯地基的主要压缩层是4层底以下土层。
　　应注意的是，强夯地基的主要压缩层是4层底以下土层。强夯区4层底以下土层压缩量与天然区4层底以下土层压缩量相等。这一结论说明什么呢？根据强夯前勘察检验资料，4层底以下土层的压缩系数均比31土层和4土层的压缩系数低，也就是说4层底以下土层均比31，4土层硬。而能使这种“硬”土层（4层底以下土层）产生压缩变形的有效应力，是通过上部较软的31，4土层传递而来的，因此，31，4土层处的有效应力要大于或等于4层底以下土层处的有效应力。假如31，4土层在强夯过程中没有被加固，那么在能使“硬”土层（4层底以下土层）产生较大压缩量（约5cm）的有效应力作用下，31，4土层应该有较大的压缩量（按土层厚度折算，至少应为12cm），而事实上31，4土层压缩量只有2～3cm 。可见，此假设不成立，唯一正确的解释应是31和4土层在强夯过程中被加固了。
　　强夯区4层底以下土层的压缩量与天然区4层底以下土层压缩量相等，这说明强夯有效加固深 度没有达到4层底以下土层。因此，强夯有效加固深度应为20m左右（4土层底部）。
　　此外，从210d开始，T1区荷载增加10～20kPa(由围场河排水引起)，而31和4土层 的压缩量却增加得很缓慢——210～570d，总压缩量增加6.58cm(各小区中最大值,以 下同），其中：1-2土层压缩量增加2cm（压缩速率为0.05mm/d ）；31土层压缩量增加 1.47cm（压缩速率为0.04mm/d ）；4土层压缩量增加2.6cm（压缩速率为0.07mm/d ）。31和4土层的压缩量，在荷载增加较大情况下却增加得很缓慢，说明强夯加固了31和4土层，且加固效果较好。
5.2　强夯法加固地基机理初探
　　强夯对深部饱和软土层的加固机理，笔者赞同文献〔6〕中提出的“震动波原
理”。根据这一原理，对本试验区的强夯加固地基机理解释如下：强夯类似地震震源（虽然与地震有许多不同之处），震源处释放出的巨大能量在地基中产生强烈的振动，并以震动波的形式从震源向四周传播。震动波首先经过硬壳层（1-2土层），并将其大部分能量消耗于此层中，但仍有一小部分能量随震动波进入深部饱和软土层中，在水、土两种不同介质中产生不同的振动效应，当二者的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。震动波继续向下传播，当遇到底部硬壳层（底部粉土粉细砂层）时，震动波被反射回去，如此多次反复，从而破坏了饱和软土的天然结构。再经过一段时间的触变恢复，地基土的强度及变形指标都有大幅度的提高。当然，这只是概略性解释。深部饱和软土在震动波作用下的微观变化情况，是研究强夯加固深部饱和软土机理的关键，建议另立专题研究此问题。
5.3　强夯地基仍然会产生较大沉降变形的原因
　　既然31和4土层已经在强夯过程中被加固，那么为什么强夯地基还有较大的沉降量呢？由前面的分析可知，强夯地基4层底以下土层压缩量占总压缩量的40%以上，可见4层底以下土层已变成主要压缩层。所以，强夯地基主要压缩层的下移，是强夯地基沉降量较大的原因。
5.4　塑料排水板对对比结果的影响
　　T2-1，T2-2小区插有21m深的塑料排水板，是否会影响对比结果呢？插塑料排水板的目的是加快地基固结，使超静孔隙水压力尽快消散，这一措施不能减小或增大固结（沉降量）。也就是说，在相同的荷载条件下，插塑料排水板的地基与不插塑料排水板的相同地基，最终沉降量相等；而在上面的对比过程中，尽量使用地基沉降变形稳定时的资料， 也正是为了消除插塑料排水板对地基沉降的影响。
6　结论
　　(1) 无论是强夯地基还是天然地基，其压缩层主要是深部土层（1-2层底以下的土层）。
　　(2) 强夯地基较天然地基的最终沉降量大大降低，其中，降低幅度最大的是4土 层（压缩量减 小90%）和31土层（压缩量减小74%），而浅部土层则仅略有降低；强夯地基与天然地基4层底以下土层压缩量相等。强夯地基较天然地基沉降量变小的主要原因是：31土层和4土层得到加固，从而压缩量变小。
　　(3) 天然地基的主要压缩层是31土层和4土层，而强夯地基的主要压缩层是4层底以下土层，这正是强夯地基沉降变形缓慢发展的原因。
　　(4) 强夯有效加固深度为20m左右(4土层底部）。
　　(5) 梅那（Ménard）公式只宜用来计算强夯影响深度，不能用来计算强夯有效加固深度；把强夯影响深度与强夯有效加固深度这两个概念，应加以区分是很有必要的。
第一作者简介：王广德，男，1966年生。成都理工学院工程地质研究所，硕士研究生。主要从事地 基处理方面的研究工作。
作者单位：成都理工学院工程地质研究所，成都　610059
参考文献
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　2　张倬元.工程地质勘察.北京：地质出版社，1981
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　4　地基处理手册编写委员会.地基处理手册.北京：中国建筑工业出版社，1994
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(收稿日期：1998－01－12)
