珠海市位于珠江三角洲的南部, 软土形成于两次大规模海侵和一次海退期, 横琴岛一带处在珠海市南部, 软土分布面积广泛, 深度达到20~50m, 主要为淤泥, 因此, 该地区的工程建设条件复杂。对于珠江三角洲软土性状及其固结的宏观和微观分析已经取得了显著的成果^[1,2], 解释或总结了软土固结前期稳定调整阶段、有效应力增大至剧烈调整阶段到平缓调整阶段, 各项参数的变化规律, 对工程建设的设计与实践提供了理论指导。同时, 我国特别是珠江三角洲地区近些年来的地基处理发展历程, 将各项地基处理技术与方法交叉、综合应用, 在多功能加固体、多元加固体、排水固结、不排水固结、检测与监测标准化等方面均积累了大量的实践经验^[3,4,5]。然而, 地基处理工作必须结合当时当地的实际地质条件、材料资源供应情况、城市环境要求以及企业自身品质追求等方面进行综合考虑, 以达到预期的处理效果、实现项目的效益最大化。

水下真空预压技术经过反复的试验和应用经验积累^[6,7,8], 在港口岩土工程领域的应用已经卓有成效, 在新近沉积淤泥质黏土或淤泥地质条件下的地基处理工程中的应用, 为项目节省了材料和成本, 同时缩短了建设工期。相关研究通过足尺试验和施工段监测, 以膜下真空度、固结度、孔隙水压力等参数为对象深入分析, 提出了水下真空预压技术的加固机理与真空联合堆载预压的加固机理相似, 水下真空预压的加固荷载等于预压前的孔隙水压力和完全固结的孔隙水压力之差^[6,7]。在膜上平均水压荷载>10k Pa时可以取预压荷载等于膜上平均水压荷载同膜下真空预压荷载之和^[7]。

水下真空预压技术处理新近沉积软弱地基的思路在建筑工程领域同样具有较为广泛的借鉴意义, 珠海横琴新区等珠三角地区存在较多的新近吹填地域, 采用覆水真空预压技术原理和思路, 结合现有的真空预压技术已经积累的诸如排水板间距优化等经验成果^[9], 并进行完善和改良, 有利于提升建筑工程的品质和综合效益。

国家食品安全 (横琴) 创新中心 (本文简称“国家食安中心”) 位于珠海市横琴新区科技研发规划版块, 作为以国家食品安全为己任而打造以人为本的人性化科技园区, 定位为高品质建设项目。国家食安中心占地面积约为85 750m², 用地红线周长1 207m, 场地内拟兴建2栋高100m办公楼、3栋高100m住宅楼、2栋高层酒店及高度5~24m的附属建筑、2层地下室, 计容建筑面积约为17 200m²。本项目计划于2018年年底实现主体工程完工, 但直到2015年年中才取得土地使用权证。为了最大限度地争取建设时间, 实现项目争创“鲁班奖”的目标, 软基处理工程施工时间限制在了160d内完工, 并对软基处理效果提出了严格的要求。

根据地质详细勘察报告, 本项目有深厚的淤泥和淤泥质土层, 其上覆有平均厚度1.64m的 (1) ₁素填土和平均厚度3.35m的 (1) ₂冲填土, 其下为平均厚度15.39m的 (2) ₅砾砂、平均厚度3.61m的 (3) ₁强风化花岗岩和平均厚度3.04m的 (3) ₂中风化花岗岩。 (2) ₁淤泥层顶标高-2.070~1.650m, 平均厚度18.89m, 最大厚度达27.50m, 质较纯, 刀切面光滑, 富含有机质, 带腐臭味, 偶含贝壳碎屑, 干强度及韧性中等, 饱和, 流塑。 (2) ₂淤泥质土平均厚度14.91m, 最大厚度24.4m, 富含有机质, 饱和, 流塑。 (2) ₃粉质黏土平均厚度4.49m, 干强度及韧性中等, 无摇震反应, 饱和, 可塑。 (2) ₄淤泥质土平均厚度5.33m, 富含有机质, 饱和, 流塑, 局部软塑。

勘察期间测得场地地下水位埋深0.1~1.5m, 平均0.55m, 相应标高1.320~4.650m。根据《珠海区域地质综合调查报告》 (1∶50 000) 资料, 场地潜水随季节性变化约1m, 承压水随季节性变化较小。

考虑到后期基坑开挖与工程建设条件需要、岛上回填土资源紧缺和工期限制等因素, 基于水下真空预压技术思路, 改良传统真空预压地基处理方法, 综合应用畅通式排水板技术、直通与无砂垫层绿色施工方法、高效节能大泵系统以及覆水真空预压等新技术, 提出与本项目适用性较强的快速软基处理方案。与传统真空预压地基处理技术相比, 该方案避免了场地分区抽真空等工序、降低了井阻与涂抹效应等不利影响, 可以将工期控制在120d (其中真空稳定期约为90d) , 较招标控制工期缩短40d, 预算成本较传统方法节约23.72%, 同时, 可以达到提高处理效果的目的。

本项目软基处理方案平面布置如图1所示, 退让红线后, 将整个场地67 065m²场地作为1个区域进行处理。考虑到不同功能区域对地基工后沉降要求有所不同, 方案以地下室外墙向内5.0m为界, 对排水板深度和间距划分为2个区域。A区为主要建筑物集中区域, 工后沉降由桩基础控制, 重点考虑加固后挖土需要, 排水板正方形布置, 平均长度16.9 (+0.6) m, 间距1.0m。B区主要为小区道路、配套用房和绿化带, 分布较多的地下管线, 控制工后沉降要求严格, 但工程桩较少, 排水板正方形布置, 平均长度22.0 (+0.6) m, 间距0.8m。

大功率的节能型集成真空泵的工作效率在本项目施工工艺中作用显著, 保证了整个场地稳定不间断抽真空需求, 其作用效率优于传统小型真空射流泵, 图2为真空泵连接示意, 施工中要求真空压力超过80k Pa。本项目所用密封膜为用聚乙烯或聚氯乙烯薄膜, 要求在工厂热合一次成型, 若现场拼接, 搭接宽度≥2m。

本方案施工工艺在现有的真空预压技术基础上进行改良, 在确保施工质量和可靠性的同时, 提高工作效率和经济效益。 (1) 在已平整场地上打设塑料排水板, 局部土质极软处采取铺设荆芭等措施处理。塑料排水板打设施工深度及规格按照图纸要求进行, 将排水板露出一定长度并用专用蝶形接头连接。 (2) 将蝶形接头与滤管及主管连接, 并与真空泵连接好。其上需要再铺设1层土工布, 规格300g/m², 起到保护作用。 (3) 安装水汽分离罐, 再将分离罐与真空系统连接起来。 (4) 设置地面沉降标等, 埋设监测仪器。 (5) 挖密封沟和铺密封膜, 密封沟深度标准为最浅要挖至不透水土层顶面以下500mm, 密封膜埋入密封沟内。 (6) 堆挡水围埝, 进行膜上覆水。稳定期覆水深度超过1m, 达到了水下真空预压显著效果10k Pa的荷载标准。 (7) 接抽真空设备初始抽气, 初始抽气分3个阶段, 第1阶段真空压力控制在30~50k Pa, 时间2~5d;第2阶段真空压力控制在50~70k Pa, 时间2~5d;第3阶段力控制在70~85k Pa, 时间2~5d。至满足膜下真空度>85k Pa后再抽气约80d, 此阶段开泵率要求达到100%, 总计抽气时间在90d左右, 具体还应满足卸载标准要求。 (8) 满足卸载标准后, 停止抽气, 然后进行卸载, 并进行相应的效果检验、试验, 总结工程效益。

工艺流程中的水气分离技术将土体中的水气混合气通过压力差经过排水板砂垫层滤管的传导抽入水气分离罐中, 然后分别排出水和气达到加固土体的目的。水气分离处理如图3所示, 水气混合气以及分离后的水和气的流向如图箭头。

本项目施工总计时间121d, 累计完成检测43次, 严格控制覆水真空预压软基处理施工质量, 未发生预警值等异常情况, 该施工方案满足了国家和当地的安全文明施工标准。

场地监测平面、立面布置按照设计和规范要求布置如图4所示。本项目布置沉降标33只, 真空度测头8只, 浅层平板载荷试验3组。

正式开始真空预压前2d的试抽过程未达到恒载, 真空度数据不具有可参考性, 故以正式开始真空预压为计数的第1天。图5为真空度变化趋势, 第16天开始各测点膜下真空度基本稳定在85k Pa以上, 持续时间为95d。第33~36天和第76天均出现小范围真空度低于85k Pa的异常情况, 经检查并修补密封后恢复正常。

从施工至恒载开始, 膜下真空度基本能维持在85k Pa以上, 截止至施工第110天, 膜下真空度平均累计变化85.6k Pa, 监测膜下真空度达到预期要求和加载需要。

表面沉降采用浅层沉降板监测, 在抽真空前开始观测取初测值, 抽真空当天最大表层沉降为37.1cm。自抽真空至施工第110天, 地表累计沉降量为117.1~168.1cm, 平均累计沉降量为142.2cm (未含插板后到安放沉降板期间因土层自重而产生的沉降) 。图6为表面沉降累计值趋势, 加载至92d后沉降曲线已比较平缓, 实测平均沉降速率为0.1cm/d, 达到设计要求的“连续10d实测沉降速率平均值≤2mm/d”验收标准。

本项目埋设测斜管, 监测软土层的深层水平位移, 监控场地周边的稳定和对临近场地的影响。截至施工第110天, 累计最大位移量为379.17~509.10mm, 平均累积位移445.27mm。图7左侧为主干道侧典型测斜实测累计位移, 右侧为次干道侧典型测斜实测累计位移, 分别出现了累计最大位移量509.10mm和累计最大位移量379.17mm。

监测数据表明, 在真空预压的初期和中期, 深层位移速率和总位移量, 呈现较大变化速率的状况。在施工90d后开始, 孔测斜管的水平位移均变化较小, 可判断周边土体处于稳定状态。

固结度推算结果显示, A区固结度为85.2%~95.7%, 平均值89.1%;B区固结度为86.0%~93.8%, 平均值89.4%, 均达到预期的平均固结度85%以上的要求。原位试验的物理力学结果显示, 淤泥在经过无砂直连真空预压法处理后, 含水量和孔隙比分别减少了15.1%和14.6%, 湿密度增加了3.1%;直接快剪的黏聚力和摩擦角分别增加了110.5%和19.3%;100~200k Pa压力范围的压缩系数减少了31.8%, 压缩模量增加了33.3%。原位十字板剪切试验结果显示, 经过真空预压处理后, 软土层的原位剪切强度有了较大的增加, 在深度15m范围内, 原位剪切强度增加了80%~200%, 在软土的抗剪强度方面, 该方案的处理效果显著。浅层平板载荷试验结果表明, 场地的极限承载力均>200k Pa, 承载力特征值均>100k Pa, 满足本项目后期建设需要。

1) 在真空预压荷载 (85k Pa) 作用下经过121d时间预压, 场地的沉降量为117.7~168.1cm, 场地的最低固结度85.2%, 平均为89.3%, 且沉降速率连续10d以上低于2mm/d。

2) 场地软土在处理前性状表现均为淤泥, 处理后性状多体现为淤泥质土, 物理力学指标和现场试验强度试验结果均有明显提高。

3) 建议同类项目使用覆水真空预压软基处理技术, 施工过程中加强巡视、监测和检测, 重点关注能耗、真空度变化、表面沉降、测斜异常等。