塑料排水板结合堆载预压法在福建可门散货堆场地基处理设计中的应用
张歆瑜
（1974—），浙江东阳人，硕士，高级工程师，主任工程师，主要从事路桥堆场、地基处理等方面的设计研究工作。
莫景逸
本文针对福建可门作业区4号、5号泊位工程后方散货矿石堆场软土地基加固的设计，通过对各种堆场地基处理方法的综合技术经济比较和计算分析，确定了插塑料排水板+回填料石+回填层密实后使用期矿石分级压载的地基处理方案，总结了该类散货堆场地基处理必须解决的关键问题，给同类散货堆场的地基处理提供了参考和借鉴的数据和资料。
1 引言
塑料排水板结合堆载预压加固软土地基是一种经典的地基加固方式，在大多数情况下均能经济有效的加固软土地基，但对于在深厚的海相沉积软弱黏土层上建设高集度、大面积荷载的散货堆场地基，存在着地基稳定和后期残余沉降控制的问题，而最终倾向于采取地基加固力度较大的复合地基加固或刚性（桩基等）加固措施，往往带来地基处理投资的增加，本文依托福建可门作业区4号、5号泊位工程散货堆场深软地基处理设计实践和使用效果分析，探讨了该地基处理方式对福建地区深厚海相沉积软弱黏土上建设散货堆场适用性。
2 工程概况
福建可门作业区4号、5号泊位工程福建省福州市连江县境内罗源湾的南岸，建设20万t级（结构兼靠30万t级）卸船泊位1座，5万t级装船泊位1座，该工程是福建省当时拟建的最大的散货矿石码头工程，后方的散货堆场等构筑物位于深厚淤泥上的潮间滩涂，占地面积约70万m2。
总平面布置根据分期建设的原则，分为一期工程和二期工程，其中整个工程的陆域形成和相应的开山在一期工程中实施。一期工程陆域场地占地面积约50万m2，在堆场中由南向北延伸布置单条长约780m的斗轮堆取料机基础三条；二期工程陆域场地占地面积约35.7万m2，紧邻一期工程布置，堆场中布置单条长约980m的斗轮堆取料机两条，由南向北延伸布置。场地周边布置道路等附属构筑物。
一期工程及二期工程的部分陆域地基于2008年3月开工建设，2012年5月施工完成，同年一期工程全部建成投产。
3 自然地质条件特点
3.1 地形地貌
拟建工程矿石堆场区域水下地形较平坦，向海域外侧（码头侧）略有倾斜，泥面标高一般为-1.0～-3.5m，在低潮位时除堆场前端外均为滩涂，在高潮位时均为水域，场地南侧红线内山区面积约为16.2万m2，山顶标高为+170.5m。
3.2 潮位
该区域潮差较大，最大潮差达7.64m；平均海平面：0.19m（基准为56黄海高程，下同）。
设计高水位：3.14m；设计低水位：-3.21m；平均高潮位：2.73m。
3.3 工程地质
本工程地质为典型海相沉积深厚软土，其中代表性的②1层深灰色淤泥为高含水量、高压缩性灵敏软土，且分布范围广，从岸侧向海侧，厚度为10～30m以上，该土层的100～200kPa的水平向和垂直向的固结系数Ch和Cv约为1.05×10-3cm2/s及0.89×10-3cm2/s，根据岩土工程勘察报告，自上而下土层的主要物理力学指标见表1。
表1 各土层主要物理力学指标表
4 工程主要特点
本工程为大型散货堆场，根据功能要求，散货堆场堆存的矿石、煤炭等，标准容重10～30kN/m3，堆高达到8～16m，集中堆存区位于斗轮机基础之间，面积至少几万平方米，从荷载模式来说，散货堆场的荷载具有高集度，应力大的特点，按本工程设计矿料堆高计算（计算容重按25kN/m3计）则作用在原泥面的应力将达到300～480kPa，这是一个相当巨大的上部结构均载。
其次本工程散货堆场的荷载还具有面积大、影响范围广的特点，从荷载图式上模拟，可以将堆矿荷载根据散货堆料的平面型式简化成梯形条形荷载或矩形荷载，根据经典的荷载作用下土中应力（半无限弹性体的布西奈斯克解）的计算分析，附加应力传递的深度深，附加应力大小在堆料集中影响区域基本不收敛，堆料荷载影响的范围大，对堆料荷载的周围也有相当大的影响。
本工程散货堆场的荷载特点和使用功能要求，给建在深厚软弱土体天然地基上的散货堆场的地基处理指明了方向。荷载的大集度，决定了地基处理必须解决地基强度的问题，使堆场在使用期地基基础安全稳定。
荷载的作用面积大，影响的范围广，是以对周边和斗轮机基础的沉降影响和侧向应力的影响的型式表现出来的，地基处理的目标是将这些影响控制在可接受和不影响正常使用的范围内。
5 天然地基沉降稳定分析及设计关键目标
5.1 天然地基沉降
首先针对本散货堆场在天然地基情况下的沉降进行分析，见表2、表3。
表2 堆场天然地基沉降计算表
表3 斗轮机基础天然地基沉降计算表
5.2 堆场天然地基稳定分析
天然地基假设直接堆矿，稳定计算结果（土体取天然十字板指标）见图1。
图1 堆场天然地基稳定系数图式
假如地基不作处理，矿堆达到设计堆高后的理论最小安全稳定系数仅为0.66，最危险滑弧位于②1层，堆场整体稳定安全系数极低（实际在未达到矿堆设计堆高之前，地基已失稳破坏了），不能满足设计堆矿能力的要求，这说明地基必须采取措施进行处理。
根据以上的计算分析，针对本工程的工程特点，散货矿石堆场区域地基处理的关键设计目标及重点是：
（1）由于回填厚度较大，回填荷载大于地基承载力，必须在施工期采取有效的回填方式并控制速率，确保大面积回填顺利实施，以防施工期地基严重失稳破坏，进而影响地基加固效果。
（2）由于天然地基稳定安全性较低，必须采取措施对②1及②2土层进行相应处理，确保堆场使用期的堆矿整体稳定安全，不产生过大的水平位移。
（3）根据计算的沉降分析和各部分荷载产生的沉降比例和特点，在施工期应大部分消除大面积回填荷载的沉降，并对使用期的沉降给予重视，适当进行控制，以降低使用期的绝对沉降值和减小过大差异沉降。
（4）对于斗轮堆取料基础，必须消除大部分沉降，使工后的残余沉降控制在适当的范围内，并基本控制影响使用的差异沉降，采用便于调整的基础结构形式。
（5）根据地基处理后的堆场工后沉降分析，由于使用期荷载大，软土深厚，工后沉降仍有一定量，因此在建筑物布置、总体高程、道路场地结构选型、管线设计和矿石堆场使用要求方面等均应充分考虑这一因素。
6 地基处理设计
6.1 地基处理设计方案
整个堆场地基处理分为堆场区域地基处理、斗轮机基础区的地基处理，从实际和经济角度考虑，陆域回填方案采用后方开山土石料回填成陆，回填厚度计入沉降影响将达到11m，实际也是一大面积高集度荷载，可作为预压荷载，地基处理在此一前提条件下选择了以下方案进行技术经济比较，见表4、表5。
表4 堆场地基处理方案比较表
表5 斗轮机基础地基处理方案比较表
虽然以上的地基处理方案在本工程中均有一定的可行性，但在方案选择中我们充分考虑到经济性、现场实际情况，比如沉管碎石桩的来料困难、超软土的适用性，水泥搅拌桩桩的高造价和相应弃方量过大，及爆破挤淤对相邻地基处理工程带来的困难和本身效果的不确定性。虽然塑料排水板加固高荷载的超软土地基有一定困难，但本工程回填层很厚，可作为先期影响深度较深广的预压荷载，并能形成天然硬壳层，从本散货堆场斗轮机基础以控制后期沉降为主，堆场区以控制稳定为主出发，最终选择了以下的地基处理方案：
堆场区地基处理采用插塑料排水板+回填料石+回填层密实后使用期矿石分级压载，斗轮机基础采用超载预压+卸载后强夯密实，具体为堆场区在陆域吹填至适当标高后插设塑料排水板，间距1.2m×1.2m，正方形布置，塑料排水板根据处理地基②1等层软土层厚度不同约为10～35m，利用大面积回填料和使用期散货分级堆矿荷载使地基土体不断固结，满足堆场稳定要求，并在施工期基本消除大面积回填层荷载引起的沉降。斗轮机基础区域打设塑料排水板长度10～35m，间距1.0m×1.0m，正方形布置，回填开山石到设计标高后，在斗轮机基础范围超载预压，超载高度7m，达到超载标高后，预压时间不小于4个月，固结度不小于90%。
6.2 地基处理设计方案分析结果
（1）堆场处理后理论沉降值，见表6和图2。
表6 地基处理散货矿石堆场沉降表
注 L13孔～L20孔由北向南，从海侧向山脚岸边布置，施工期沉降按平均固结度85%考虑。
从沉降表和图中，堆场边缘的残余沉降已大大减少（堆场中央的沉降并不影响散货堆场的正常使用，可根据残余沉降大小通过设置3%～4%的超高馒头坡等预留沉降进行适应），可控制在适当范围内。
图2 散货矿石堆场天然地基总沉降分布图
（2）斗轮机基础地基处理设计方案及沉降数值。作为散货堆场典型的构筑物，斗轮机基础沿堆场长度方向延伸布置，工后沉降的控制决定了斗轮机基础正常使用的效果，并且选择地基处理方案也必须考虑堆料荷载的侧向影响。斗轮机基础的残余沉降控制标准，一直以来没有规范可严格遵循，通过同类堆场使用效果的总结，并考虑到控制标准制定过严，对于如本工程软土深厚的地基，地基处理的难度和投资将很大，因此在斗轮机基础采用轨枕道渣类可调结构的基础形式，沉降控制标准一般定为工后残余沉降不大于50cm。本工程斗轮机基础采用插设深长塑料排水板，超载预压的地基处理方案，根据表7计算满足该标准，对比桩基、爆破挤淤、水泥搅拌桩等（半）刚性基础方案，不但经济合理，实践证明也是成功的，并且由于地基采用和堆场基本同类的地基处理方案，和堆场的地基刚度和弹性模量没有较大的突变，在堆场的稳定达到设计标准的情况下，堆场高集度堆料对斗轮机基础影响较小，侧向位移可满足正常使用的要求。
（3）处理后堆矿理论稳定分析结果。散货堆场堆货时期堆料稳定控制，实际是该类工程地基处理需解决的关键问题之一，就本工程来说计算时合理考虑地基软土经过堆载预压后的强度增长，确定合理的堆载预压荷载，并在稳定计算需考虑回填层厚度（包括沉降）的影响；由于荷载高集度、大面积，海相软土厚度大，控制最小安全系数滑弧，一般为较深层的大滑弧，必须合理选择极限平衡的方法和安全系数。目前软土地基极限平衡方法主要还是采用条分法，包括非严格条分法的瑞典法、简化Bishop法等和严格条分法的摩根斯坦-普赖斯法等，虽然国内相关水运港口规范对于稳定计算主要采用基于瑞典法或简化Bishop等非严格条分法，但是散货堆场危险圆弧由于滑弧较深，滑裂面圆心角均较大，用瑞典滑弧法计算误差较大，安全系数偏低，而简化Bishop法在这种情况容易发生ma系数过小而影响方法适用性的问题。因此类似于本工程散货堆场可采用摩根斯坦-普赖斯法等严格条分极限平衡法进行计算。本工程采用了瑞典圆弧法计算，最终设计堆载使用期安全系数容许值降低为1.1，并以严格极限平衡条分法进行校核的计算分析方法，实际现场投入使用后证明该分析标准是合理的，见表8。
表7 地基处理斗轮机基础沉降表
注 表中有部分施工期预压沉降大于总沉降是由于上层软土受预压后超固结的影响。
表8 地基处理后堆场各级稳定系数
7 施工期及使用期监测及效果分析
采用堆载预压加固深厚软土地基，对地基进行相应的监测和检测非常重要，可及时地对地基加固的效果进行分析和验证，与理论计算进行对比，合理调整预压力度和时间，监控地基施工的质量，保证地基处理的施工安全和达到设计的要求，本工程在施工期和使用期均进行了相应监测。
7.1 施工期监测及处理效果分析
本工程地基处理采用插塑料排水板堆载预压，施工期监测主要是了解掌握监视地基加固过程中软基变化规律和发展趋势，确定加固效果、控制堆卸载力度和时机，指导安全施工；主要布置面层沉降观测、分层沉降观测、孔隙水压力观测、边桩位移观测、水位观测等，对于地基处理效果的分析，采用了钻孔取样、十字板剪切试验、浅层平板载荷试验。监测元件根据施工进度从2008年3月进行埋设，原则上2万～5万m2布置几组，共埋设面层沉降板175个、孔隙水压力计36组、深层分层沉降仪21组、边桩168个、钻孔取土16个、十字板孔7个。通过监测数据表明设计分层堆载能确保软基的稳定，孔隙水压力在陆域地基加载时，不同深度的孔隙水压力计迅速达到峰值，之后开始逐渐消散，在堆载预压过程中，监测点孔隙水压力值均未发现突然减小现象，软基未发生剪切破坏，在堆载预压过程中处于稳定状态。分层沉降成果表明大部分沉降主要发生在标高20～25m以上，具体列出两个典型沉降曲线图，见图3。
图3 典型面层沉降观测点沉降关系曲线图
根据推算地基卸载时固结度，斗轮机基础加固区固结度达到92%～96%，大面积堆载固结度均达到90%以上。
地基加固前后的进行的钻孔取样详见表9、表10。
表9 堆载预压前（后）淤泥层十字板剪切试验强度对比分析
表10 堆载预压前（后）淤泥层物理、力学指标综合对比分析表
根据以上的实测资料结果，沉降拟合沉降曲线和理论值较为吻合，淤泥层物理、力学指标均有很大的改善，堆载预压通过塑料排水板排水作用使地基固结，消除沉降，使软土强度明显增长，地基的加固效果较好。
7.2 使用期监测及效果分析
本工程建成投产后，于2011年11月起，对堆场进行了使用期的监测，主要在斗轮机基础处布置沉降观测点，进行使用期长期观测，堆场使用期长期观测从2011年11月30日开始截至2012年6月24日，1号斗轮机累积沉降量为74.5～95.8mm，最后一个月平均沉降速率为0.18～0.28mm/d。2号斗轮机累积沉降量为61.1～81.4mm，最后一个月平均沉降速率为0.14～0.23mm/d。斗轮机沉降速率和差异沉降均比较小。堆场堆料经过分级，在达到设计堆高的情况下，使用情况正常，斗轮机基础的位移均匀，不影响正常使用，证明地基处理效果完全满足使用要求，甚至超出设计预估。
8 结语
（1）对于可门4号、5号泊位有着深厚海相软土，但有着较厚回填层的矿石散货堆场地基，采用塑料排水板结合堆载预压加使用期矿石分级压密地基处理方案是经济合理的，并有效地利用了较厚回填层的免费预压荷载，达到了理想的地基处理效果。
（2）散货矿石堆场的地基处理方案主要目标是解决堆场地基的稳定和控制斗轮机基础沉降在一定的范围之内，采用插塑料排水板堆载预压方法加固地基，通过计算分析采用合适的堆载预压荷载是地基处理方案成功的关键。
（3）福州港可门作业区4号、5号泊位工程散货堆场地基处理满足了建设方经济、合理、有效的要求，给在相类似的深厚软土上建设高集度、大面积荷载的散货堆场提供了一个很好的示范和以供借鉴的实例资料。
参考文献
［1］福州港可门作业区4＃、5＃泊位工程陆域形成与地基加固施工图设计［R］.上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2007.
［2］福州港可门作业区4＃、5＃泊位陆域形成及围堤工程施工一期监测、检测报告［R］.福州：福建岩土工程勘察研究院，2012.
［3］地基处理手册编写委员会.地基处理手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2000.
［4］钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.