青岛北海船舶重工有限公司海西湾造修船基地9万m2高能级强夯抛石填海夹杂淤泥质土地基

 王铁宏(中国建筑科学研究院)

吴延炜(中化岩土工程有限公司)

马利柱(青岛海洋地质工程勘察院)

张莉(华东勘察设计研究院)

水伟厚(上海申元岩土工程有限公司)

一、工程概况

青岛北海船舶重工有限责任公司海西湾造修船基地位于青岛经济技术开发区薛家岛海西湾岛关咀北部，是我国拟建的亚洲一流的造修船基地，其修船区主要建筑物由坞修机电综合车间、船体及管子车间、化学清洗及坞修设备车间等三大车间和对应各车间的生活办公楼组成，占地面积约10.0万m²，由海域回填而成。施工单位为中化岩土工程有限公司，由青岛海洋地质工程勘察院对该修船区进行强夯地基检测。建筑工程重要性等级为二级，场地等级为一级，地基等级为二级。

二、工程地质概况

场区内原始地层及海域主要为淤泥及淤泥质土，其中东北角较厚，最厚处约10.50m，场区东南侧为岛关咀顶部，基岩埋深浅，东北部基岩埋深大，第四纪土层厚度大。场区分为两期回填，其中Ⅰ期回填场区的2/3，Ⅱ期为新近回填，占场区的1/3。区内地层较为简单，上部为开山碎石填土层，厚度为2.0～13.0m场区第四系土层分布如下：

第①层碎石填土层场区广泛分布，场区内碎石填土，主要以粒径＜30cm的石渣为主，含少量30cm～100cm块石。层顶标高为3.65～5.19m米，层底标高为-8.41～1.31米，厚度3.40～12.80米，平均厚8.99米。

第②层淤泥质土为场区填土挤淤残留体，分布局限，厚度薄，层顶标高为-4.11～-7.90米，层底标高为-5.51～-10.70米，厚度0.40～5.70米，平均厚2.07米。厚度分布较大的区域位于机电车间北部和管子车间西南部。最大分布厚度分别为5.70米和3.30米。

该淤泥质土含水量ω为25.2～45.4%，平均39.2%；孔隙比e为0.88～1.31，平均1.08；液限ωL为28.0～39.4%，平均34.9%；塑限ωp为17.1～22.5%，平均20.6%；压缩系数a1－2 为0.51～0.97 MPa－1，平均0.69 MPa－1；压缩模量Es为1.80～4.33 MPa，平均2.88 MPa；固结系数Cv(1×10-3cm2/s，P=100 kPa)0.22～0.51，平均0.35；抗剪强度指标标准值如下：快剪：Ck=5.0 kPa；φk=3.05°；固快：Ck=10kPa ；φk=10.2°。

设计要求加固后地基承载力特征值fak≥220kPa ，变形模量E0≥20 MPa，最终沉降量≤120mm，9m柱距相邻柱子的差异沉降≤30mm。图1是场区Ⅱ期回填场地具有代表性的地层剖面。由于填土固结时间短，结构疏松且存在大空隙和孔隙，强度很低，其下部还有厚度不等的淤泥质粉质粘土和粘土软弱层，地基土的抗剪强度和抗变形能力不能满足设计要求，因此需要对地基进行加固处理，以达到建设场地的整体稳定和挤淤的目的，确保处理后地基承载力和变形满足设计要求。

图1 典型地质剖面图

三、强夯试验

为确定强夯加固地基的承载力、变形模量、基底土的物理力学指标、有效加固深度、地基土的整体均匀性及挤淤效果等是否满足设计要求，在场区进行了8000kN·m能级的强夯试验。

试夯面积为27×27 m2，采用8000kN·m能级进行强夯加固处理，分四遍进行。第一、二遍为点夯，夯击能为8000 kN·m能级，夯点间距为9m，呈正方形布置；第三遍为点夯，夯击能为3000kN·m能级，夯点间距为9m，呈正方形布置；最后一遍为1000 kN·m能级满夯。对于具有较厚层软弱下卧层区第一遍8000kN·m能级每个夯击点要连续夯击，点夯的收锤标准以最后两击的平均夯沉量小于10cm控制。

根据试夯区钻探、超重型动力触探试验和瑞雷波测试成果，试夯区夯前淤泥质土平均厚度为4.76m，夯后淤泥质土平均厚度为3.09m，平均减少1.66m，处理后地基承载力满足设计要求。

四、施工工艺和施工概况

强夯能级根据填土厚度和有无软弱淤泥质土分别采用2000kN·m、6000kN·m和8000kN·m，其中2000 kN·m能级加固区面积41862m2，6000 kN·m能级加固区面积24302m2，8000 kN·m能级加固区面积27076m2，本工程总加固处理面积为93240 m2。施工采用50t履带式吊车2台，夯锤分别选用20t、30t、40t铸钢锤，底面直径2.5m，底面积5.0m2，落距分别为10m、20m，自动脱钩。

对于6000kN·m和8000kN·m能级加固区，单夯击点一般夯坑四周仅有小的隆起，夯击的影响范围为3.5～4.0m，点夯的夯点布置呈梅花形，夯击次数第一遍6000kN·m不少于17击，第一遍8000kN·m不少于22击，并且以最后两击的平均夯沉量小于10cm控制。第一遍点夯夯坑深度一般为1.5～2.5m，第一遍夯完后回填夯坑，整平后进行第二遍点夯。

五、检测内容和试验方法

针对强夯区回填土和地层特点采用了地质钻探、原位测试(平板载荷、超重型动力触探)、工程物探(面波波速)、取样(淤泥质土)、室内试验和工程测量(钻孔定位及高程测量)等综合勘察、检测手段和方法开展工作，以便相互对比验证，反映强夯加固的实际效果。

通过地质钻探可以鉴别岩性，划分地层层位，验证工程物探结果，进行原位测试及取样，查明有无软弱土(淤泥及淤泥质土)残留及分布厚度、上部回填土层厚度、评价回填土的密实度、均匀性。对于巨厚层碎石填土我们采用气动潜孔锤、套管跟进技术进行地质钻探。为了直接得到强夯后的地基承载力，我们在强夯场地布置9处静载荷试验，加荷最大加荷量分别不小于440kN(1m²承压板)和880kN(2m²承压板)。

 1.静载荷试验

进行“双倍地基承载力特征值”的静载荷试验，每组车间3处。在修船区车间厂房强夯区范围内完成了9个载荷试验点，其中每组车间3处，它主要反映承压板下1.5~2.0倍承压板直径或宽度范围内地基土强度、变形的综合性状。

主要试验设备及试验要点如下：承压板面积：1 m²圆形和2m²正方形；试验配重：采用60t水箱(承压板面积1 m²)和部分堆载(承压板面积2m²)提供反力。试验方法：慢速维持载荷法，连续2小时内，每小时沉降量小于0.1mm时方可施加下一级荷载；试验面：试验面为设计基础底标高，上铺5cm左右的中砂。加荷采用QW100型千斤顶施加，荷载采用联于千斤顶的压力表测定油压，根据千斤顶率定系数计算而得；沉降观测采用MP06-90型高精度位移测量仪进行； 终止试验条件：加荷至配重被顶起或最大加荷量分别不小于440kN、880 kN。  

2.瑞雷波法

沿建筑物墙、柱轴线进行瑞雷波检测：应用瑞雷波法(面波法)对强夯地基进行大面积普查，以了解整个强夯区地基的均匀性，同时对强夯地基加固影响深度作出评价。

3.钻探

在高能级强夯区进行地质钻孔勘察检测：钻探使用SH30-2型工程钻机一台和MGJ-50型工程钻机一台、9m³空气压缩机一台，采用套管跟进、空气压缩锤冲击钻进的方式进行地质钻探。钻孔定位采用索佳SET500型全站仪。强夯后的钻孔主要布置在原勘察报告中淤泥质土层厚度较大、埋深较大的区域，同时布置勘探检测钻孔。

4.超重型动力触探试验(N₁₂₀)

拟建场区为新近回填的碎石土素填土区，碎石含量较高，在钻孔内进行超重型动力触探试验(N₁₂₀)：采用自动落锤装置，在每一检测点深度方向连续贯入，每10cm测读一次锤击数N₁₂₀。若地层密实，进行分段钻探及触探试验。根据动力触探指标，利用地区经验，对地基土的变形模量、地基承载力作出评价。绘制N₁₂₀随土层深度变化曲线，对地基的竖向均匀性做出评价。

六、检测结果与综合分析

1.载荷试验

载荷试验结果见表1，可见强夯后碎石填土地基承载力f_ak=270～320kPa，并求出变形模量E₀=24.5～38.6 MPa，满足设计要求。

2.超重型动力触探试验

超重型动力触探试验检测成果见表2，可以看出夯后场地填土超重型动力触探试验击数平均值为4.3，夯前为2.07，提高108%，夯后场地淤泥质粉质粘土超重型动力触探试验击数平均值为1.3，夯前为1.1，提高18.2%。

3.瑞雷波(面波)勘探

依据频散曲线形态、斜率和波速值变化对场地地层进行划分，频散曲线形态的变化反映了岩土层物理力学性质的变化，在频散曲线拐点、斜率变化处定为瑞雷波勘探地层分界点，并通过钻探深度对比进行深度校正，进行正演拟合计算确定各岩土层厚度和剪切波速度。

场地土强夯后在垂直向深度内无低速层存在，局部表层剪切波速值偏低，经补夯后检测表层剪切波速值提高，垂直方向上整体均匀性较好；水平方向上，填土剪切波速值变化不大，变异系数为0.146，水平方向上填土强夯后整体均匀性较好；夯前场地填土剪切波速范围100.0m/s～167.5m/s，平均值142.2m/s， 夯后场地填土剪切波速范围152.5m/s～310.0m/s，平均值228.3m/s，变异系数为0.146；夯后场地填土剪切波速值提高60.5%。详见表3。可以看出，检测区域强夯影响深度为4.0～15.1m，在强夯影响深度内夯后场地填土剪切波速值提高，在强夯施工后，填土挤密效果明显，夯后场地填土剪切波速值提高较大，场地土强夯后整体均匀性较好，强夯影响深度至基岩面以上。

根据超重型动力触探试验和瑞雷波测试成果，我们对场区各强夯区强夯有效加固深度进行了分析(见表4)

4.第②层淤泥质粉质粘土(Q₄^m)软弱下卧层室内试验结果

灰黄色-灰色，流塑～软塑状态，主要成份以淤泥质粉质粘土为主，含贝壳碎屑及腐植质，包含粉细砂、粉土团、粘土团，该层土与基岩交界处0.30～0.50米含较多粉粒及砂砾。该层为场区填土强夯挤淤残留体，分布局限，厚度变化较大，层顶标高为-5.30～-8.3米，层底标高为-4.86～-10.55米，厚度0.50～4.20米，平均厚2.40米。厚度分布较大的区域位于机电综合车间北部，详见淤泥质土等厚度图。依据土工试验资料淤泥质粉质粘土层的物理力学性质见表5。

强夯后第②层淤泥质粉质粘土综合地基承载力特征值fak= 75kPa，压缩模量ES=3.0MPa，当P=200 kPa时，固结系数Cv=0.347×10-3cm2/s。该层为场区填土强夯挤淤残留体，分布局限，主要分布在机电综合车间北部，厚度变化较大，层顶标高为-5.30～-8.3米，层底标高为-4.86～-10.55米，厚度0.50～4.20米，平均厚2.40米。

七、强夯地基变形计算

强夯地基变形包括填土范围内的附加应力变形和底部残留淤泥质土在上部结构和填土自重共同作用下的渗透固结变形。对于本工程的地质条件，根据现场载荷试验、超重型动力触探试验和瑞雷波测试成果对比资料及工程经验，各区典型点位的沉降量见表6。

场区的主要差异沉降分布在坞修车间东北和机电综合车间8000kN.mC能级区和8000kN.mB能级区北部，即淤泥质土分布较厚的区域。计算结果表明，柱间沉降倾斜为0.001～0.006。沉降倾斜大于0.004的区域主要分布在淤泥质土厚度大于3.0米的区域。

强夯地基变形包括填土范围内的附加应力变形和底部残留淤泥质土在上部结构和填土自重共同作用下的渗透固结变形。

八、结语

强夯法是应用较为广泛的、经济的、有效的地基处理方法，本文在总结前人工作的基础上针对淤泥质海岸碎石填土地基采用强夯加固处理所产生的问题进行了较为全面的分析。通过夯前夯后检测成果对比分析确定有效加固深度，影响深度。

(1)无软弱下卧层和软弱下卧层厚度小于2.0米的区域，最终沉降量≤120mm，9m柱距相邻柱子的沉降差≤30mm，满足设计要求。

(2)强夯法加固地基对邻近建筑物有一定的影响，根据测试结果，在震动加速度小于0.1g时第一、二遍8000kN·m能级强夯试夯区强夯点和建筑物的最小距离不应小于45米，强夯震动主振频率为3.91～11.72hz；第三遍3000kN·m能级强夯点和建筑物的最小距离不应小于40.0米，强夯震动主振频率为4.15～9.28hz。

(3)强夯碎石填土层综合地基承载力特征值f_ak均满足220kPa设计要求，变形模量E₀=24.5MPa。

(4)强夯后第②层淤泥质粉质粘土综合地基承载力特征值fak= 75kPa，压缩模量ES=3.0MPa，当P=200 kPa时，固结系数Cv=0.347×10-3cm2/s。主要分布在机电综合车间北部，平均厚2.40米。

(5)船体及管子车间强夯地基满足设计要求，坞修设备车间仅东北角3个柱基的最终沉降变形不满足设计要求，机电综合车间北部及试夯区的最终沉降变形不满足设计要求。但在填土层或填土层和基础设备施工安装作用4个月后，地基即可沉降3cm以上， 淤泥质土的渗透固结沉降变形即可满足设计要求。

(6)根据场区地质条件和施工需要，宜对地基基础和上部结构进行调整，以满足车间厂房建成后的地基变形要求。

(7)场区北部新回填区域应及时采用高能级(≥3000kN.m)强夯处理，以便加固好厂区的边界条件，使得厂区内的地层沉降稳定，不发生侧向压缩现象。

(8)地基基础施工及上部结构进行施工过程中及结束后，应对车间厂房进行沉降观测，出现异常及时调整。

目前，据沉降观测资料该工程的沉降已稳定，变形量满足设计要求。

截止至2004年9月13日的沉降监测结果如表7所示。

现有的沉降观测成果表明：产生差异沉降主要是由于填土下存在软弱淤泥质粉质粘土的固结沉降引起的。

根据沉降监测结果可以看出，在全部252个柱基中，仅有4个柱基的沉降量超过设计要求。整个监测结果与强夯前的预测分析完全一致。可以得出结论，现有青岛北船重工海西湾造修船基地地基处理工程的设计、施工等均达到了原方案的要求。场地地基局部软弱处在经过强夯处理后的沉降量和差异沉降会超过设计要求，该处柱基已经采取了一定的结构预防措施。综上所述，青岛北船重工海西湾造修船基地地基处理工程的设计、施工等均较好地达到了设计要求，为高能级强夯加固处理此类有深厚软弱下卧层的碎石回填地基处理工程积累了成功的经验。

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