广东科学中心饱和软土地基预处理技术研究与应用

1、 广东省科学技术奖励汇报材料广东省科学技术奖励汇报材料一、工程概况一、工程概况二、科学试验研究二、科学试验研究三、工程设计、施工、监测及检测三、工程设计、施工、监测及检测四、经济效益分析四、经济效益分析五、成果及推广应用五、成果及推广应用 广东科学中心是省政广东科学中心是省政府投资兴建的重点工程，府投资兴建的重点工程，建设地点在广州大学城建设地点在广州大学城西部，建设场地地势低西部，建设场地地势低平平（海拔海拔标高约为标高约为4 45m5m，设，设计要求场地标高计要求场地标高8 89.5m9.5m），），其天然地基承载力不能其天然地基承载力不能满足上部建筑施工及使满足上部建筑施工及使用阶段的要

2、求用阶段的要求。 广东科学中心的原始地貌广东科学中心的原始地貌 砂土液化分布图砂土液化分布图淤泥质土厚度变化平面图淤泥质土厚度变化平面图2 2、场地工程地质特点、场地工程地质特点(1) (1) 软软弱弱土层厚度较大；土层厚度较大；(2) (2) 淤泥含水量高，孔隙淤泥含水量高，孔隙 比大，压缩性高，强比大，压缩性高，强 度低；度低；(3) (3) 场地抗震性能差；场地抗震性能差； (4) (4) 渗透性相对较好。渗透性相对较好。(1)(1)主场馆采用桩基础，需加强主场馆采用桩基础，需加强地基对桩基的侧向约束，提地基对桩基的侧向约束，提高抵抗水平荷载的能力，消高抵抗水平荷载的能力，消除竖向负摩阻

3、力；除竖向负摩阻力；(2)(2)施工工期短，需加快地基排施工工期短，需加快地基排水固结、提高场地承载力，水固结、提高场地承载力，满足工期进度及上部结构施满足工期进度及上部结构施工要求；工要求；(3)(3)有利于基坑开挖支护。有利于基坑开挖支护。工程规划占地工程规划占地45万万m2，建设场地面积为建设场地面积为38.7万万m2 。场地对地基的要求为：场地对地基的要求为： 在全面调研，总结了国内外成功经验及失败教训后，经过在全面调研，总结了国内外成功经验及失败教训后，经过多种地基处理方案的比较，提交了多种地基处理方案的比较，提交了广东科学中心建设场地地广东科学中心建设场地地基处理与监测建议书基处理

4、与监测建议书。 该建议书在该建议书在2004年年4月月30日，通过了由国内著名的建筑地基、日，通过了由国内著名的建筑地基、建筑结构等领域的院士、教授、高工组成的专家组的审查。其结建筑结构等领域的院士、教授、高工组成的专家组的审查。其结论为：课题组所建议采用的动静结合排水固结法处理软弱地基的论为：课题组所建议采用的动静结合排水固结法处理软弱地基的技术方案比较合理、先进和可行，且施工工期较短，造价较低。技术方案比较合理、先进和可行，且施工工期较短，造价较低。 试验区分布与现场监测、检测平面布置图试验区分布与现场监测、检测平面布置图 250062503750 25005000500050005000

5、5000500050002监测点平面布置示意图111332213211133221321113321321113322131113333333333333333332500250025002500 3750（1）孔隙水压力计采用钻孔法进行埋设，埋设深度分别为 4、监测设备的埋设6、强夯施工过程中遇到监测设备埋设点时应避开 ，尽量避免监测设备在施工中受到破坏。1、每试夯区周边设排水沟，并于角部设集水井进行抽水（2）在地面下1.5m于夯点处埋设土压力盒，进行土压力监测。大型车停车场(101辆强夯施工前应先进行塑料排水板的施工。本工程排水B如上图示。板采用 _ 型塑料排水板

6、,等边三角形布置，间距1m，长度12m。3、强夯施工前需先埋设孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降管、测斜管等监测设备，设备埋设数量及平面布置见监测点平面布置示意图。地面下2m、4m、6m、8m、10m、12m深度处。（3）采用钻孔法进行分层沉降管的埋设，埋设深度为地（4）采用钻孔法进行测斜管的埋设，埋设深度为地面下25m。面下14m。（5）埋设好的孔隙水压力计导线应外套DN32的镀锌钢管以进行保护。按要求进行静载试验、十字剪切及静力触探试验、标5、动力排水固结法（即强夯法）施工完成后_天后准贯入试验以及钻孔取土样室内试验。7、本图未尽事宜按建筑地基处理技术规范执行。15 现场监测：孔隙水压力、分

7、层沉降、测斜、土压力、地面现场监测：孔隙水压力、分层沉降、测斜、土压力、地面沉降及夯区周边土体隆起、夯沉量监测。沉降及夯区周边土体隆起、夯沉量监测。夯后检测：夯后检测： 钻孔取土样、室内常规土工试验、静载试验、钻孔取土样、室内常规土工试验、静载试验、静力触探及十字板剪切试验、标准贯入试验等。静力触探及十字板剪切试验、标准贯入试验等。集水井集水井排水沟排水沟1、试验方案（、试验方案（2004年年5-6月）月）二、科学试验研究二、科学试验研究 选取了选取了1600m2的场的场地，作为动地，作为动力排水固结力排水固结法的施工试法的施工试验区（分为验区（分为5个区），进个区），进行科学试验行科学试验研

8、究。研究。 通过吹砂填淤、设置排水板、合理布置排水沟通过吹砂填淤、设置排水板、合理布置排水沟与集水井，采用与集水井，采用“少击多遍、逐级加能、双向排水少击多遍、逐级加能、双向排水”技术，成功的进行了技术，成功的进行了动力排水固结法试验施工动力排水固结法试验施工。试。试验参数如下表所示。验参数如下表所示。二、科学试验研究二、科学试验研究1、试验方案、试验方案典型孔隙水压力与时间关系曲线图 监测结果：两遍夯击间隔时间为监测结果：两遍夯击间隔时间为5-7天，比常规强夯天，比常规强夯法处理饱和软土的孔隙水压力消散时间要快。法处理饱和软土的孔隙水压力消散时间要快。测斜监测成果图 140120100806

9、04020123456 击数(N)(击)沉降量（cm）累计夯沉量每击夯沉量夯击能1200kNm图2-29 试夯区5区第三遍夯击击数与夯沉量关系曲线l夯 击 能1200kNm夯沉量监测成果图 14012010080604020123456 击数(N)(击)沉降量（cm）累计夯沉量每击夯沉量夯击能1000kNm图2-28 试夯区5区第二遍夯击击数与夯沉量关系曲线l夯击能1000kNm14012010080604020123456 击数(N)(击)沉降量（cm）累计夯沉量每击夯沉量夯击能800kNm图2-27 试夯区5区第一遍夯击击数与夯沉量关系曲线l夯 击 能800kNml强夯施工可满足施工进度要

10、求；强夯施工可满足施工进度要求；l夯后土的物理力学性能指标和地基承载力均有较大幅度提高，夯后土的物理力学性能指标和地基承载力均有较大幅度提高，上部软弱土层得到了排水固结；上部软弱土层得到了排水固结；l通过标准贯入试验证明，深部砂土液化得到了明显的改善。通过标准贯入试验证明，深部砂土液化得到了明显的改善。3、试验结论、试验结论4、适合广东科学中心地基处理新技术的提出、适合广东科学中心地基处理新技术的提出 在试验的基础上，提出了在试验的基础上，提出了“吹砂填淤、动静结合、分区处吹砂填淤、动静结合、分区处理，少击多遍、逐级加能、双向排水理，少击多遍、逐级加能、双向排水”的饱和淤泥质砂土地基预的饱和淤

11、泥质砂土地基预处理新技术，探讨了加固机理。处理新技术，探讨了加固机理。“双向排水双向排水”原理如下图所示。原理如下图所示。 试验区巧妙地利用广东科学中心的岩土层结构试验区巧妙地利用广东科学中心的岩土层结构淤泥质砂土淤泥质砂土层构成双向立体排水系统，加速超孔隙水压力的消散，有效地消除层构成双向立体排水系统，加速超孔隙水压力的消散，有效地消除了砂土液化。了砂土液化。 l分区处理：根据重大工程项目上部建筑的使用功能、对地基基础分区处理：根据重大工程项目上部建筑的使用功能、对地基基础的要求不同，针对建筑场地的工程地质特征，采用概念设计的方的要求不同，针对建筑场地的工程地质特征，采用概念设计的方法，结合

12、工地建筑材料、施工工期等实际情况，进行分区处理，法，结合工地建筑材料、施工工期等实际情况，进行分区处理，从而达到较佳的技术经济效果；从而达到较佳的技术经济效果；l少击多遍：传统强夯法通常不适宜软土地基处理，施工时易发生少击多遍：传统强夯法通常不适宜软土地基处理，施工时易发生“掉锤掉锤”事故，即夯锤陷入吹填砂层下的巨厚淤泥层之中的工程事故，即夯锤陷入吹填砂层下的巨厚淤泥层之中的工程事故；本技术实施强夯时，通过调整夯击能量和夯击次数，预防事故；本技术实施强夯时，通过调整夯击能量和夯击次数，预防了事故发生，从而加速软土地基的排水固结；了事故发生，从而加速软土地基的排水固结；l逐级加能：传统强夯法通常

13、先加固深层、再加固中层和浅层；本逐级加能：传统强夯法通常先加固深层、再加固中层和浅层；本技术实施强夯时，先加固浅层、再依次加固中层和深层，即逐级技术实施强夯时，先加固浅层、再依次加固中层和深层，即逐级加能的方法，从而有效地保证了施工效果。加能的方法，从而有效地保证了施工效果。l双向排水双向排水:传统强夯法通常为单向排水；本技术巧妙地利用广东传统强夯法通常为单向排水；本技术巧妙地利用广东科学中心的岩土层结构科学中心的岩土层结构淤泥质砂土层构成立体排水系统，通淤泥质砂土层构成立体排水系统，通过双向排水有效地抑制超孔隙水压力的上升、并加速其消散。过双向排水有效地抑制超孔隙水压力的上升、并加速其消散。

14、三、工程设计、施工、监测及检测三、工程设计、施工、监测及检测1 1、工程设计、工程设计（20042004年年7 7月）月） 分区处理，设分区处理，设计时将场地分为计时将场地分为两大部分：第一两大部分：第一部分为动力排水部分为动力排水固结区，含科学固结区，含科学中心主馆、学术中心主馆、学术交流中心、入口交流中心、入口广场、停车场等广场、停车场等约约17万平方米；万平方米； 第二部分为超第二部分为超载预压区，含室载预压区，含室外展场等约外展场等约21.7万平方米。万平方米。超载预压区动力排水固结区1动力排水固结区21 1、工程设计、工程设计（20042004年年7 7月）月）水压力计水压力计水压力

15、计填土层淤泥层粘土层砂垫层细砂孔隙水压力监测点剖面示意图孔隙水压力监测点平面示意图1、强夯施工前应先埋设孔隙水压力计，并按时进行监测以确定两遍夯击之（1）用钻孔法。在埋设地点采用钻机钻孔，达到要求的深度或标高后，先在孔底填入部分干净的砂，然后将孔隙水压力计放入，再在其周围填压力计测得的是该标高土层的孔隙水压力。（3）埋设后的孔隙水压力计在初读数稳定后，才可进行其上的强夯施工。 间的时间间隔，间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消散时间。2、孔隙水压力计的埋设砂，最后采用膨胀性粘土或干燥粘土球将钻孔上部封好，使得孔隙水3、强夯施工过程中遇到孔隙水压力计埋设点时应避开 ，尽量避免孔隙力（2）埋设好的

16、孔隙水压力导线应外套DN32的镀锌钢管以进行保护。计在施工中受到破坏。图 例 孔隙水压力监测点动力排水固结区设计图动力排水固结区设计图三、工程设计、施工、监测及检测三、工程设计、施工、监测及检测1 1、工程设计、工程设计（20042004年年7 7月）月）三、工程设计、施工、监测及检测三、工程设计、施工、监测及检测6004004001400800盲沟断面图排水沟断面图A-A20005000集水井大样图3000500020005cm厚水泥砂浆4000500埋800钢筋砼管盲沟土工布管口位置包裹两层土工布8001:1.5堆载填土12004000超载预压设计图超载预压设计图1 1、工程设计、工程设计

17、（20042004年年7 7月）月）三、工程设计、施工、监测及检测三、工程设计、施工、监测及检测1 1、工程设计、工程设计（20042004年年7 7月）月）三、工程设计、施工、监测及检测三、工程设计、施工、监测及检测超载预压设计参数表超载预压设计参数表2.1 2.1 动力排水固结法（强夯法）施工：动力排水固结法（强夯法）施工： （17万平方米）万平方米） (1)(1)施工程序为：吹砂施工程序为：吹砂 竖向排水带施工竖向排水带施工 施工分区排水沟施工施工分区排水沟施工 三四遍逐级加能强夯施工三四遍逐级加能强夯施工 一二遍低能满夯一二遍低能满夯 (2) (2) 在大面积的动力排水固结区内，采取分

18、区设置排水装置，包括排水沟在大面积的动力排水固结区内，采取分区设置排水装置，包括排水沟( (间隔间隔30m30m，宽，宽5m)5m)和集水井和集水井( (沿排水沟每沿排水沟每20m20m30m30m设置一个设置一个), ), 与竖向排水与竖向排水带构成网状排水系统，进行连续抽水，可加速强夯后的孔隙水压消散。带构成网状排水系统，进行连续抽水，可加速强夯后的孔隙水压消散。2.2 2.2 超载预压施工：（超载预压施工：（ 2 21.7万平方米万平方米） (1) (1) 施工程序为：吹砂施工程序为：吹砂 竖向排水带施工竖向排水带施工 铺设无纺土工布和盲沟等铺设无纺土工布和盲沟等水平排水带施工水平排水带

19、施工 堆土施工（从近至远、分层堆载、分层碾压）堆土施工（从近至远、分层堆载、分层碾压） (2) (2) 因地制宜，吹砂与堆土相结合因地制宜，吹砂与堆土相结合吹填砂吹填砂大学城场地平整的大学城场地平整的4545万方余土万方余土大学城外环路卸载大学城外环路卸载2020万方万方塘泥处理塘泥处理2020万方万方2.3 2.3 塘泥处理塘泥处理 针对堆土施工中出现的塘泥挤出问题，提出针对堆土施工中出现的塘泥挤出问题，提出“就近就近处理、因地制宜处理、因地制宜”的区域环境岩土工程处理概念。的区域环境岩土工程处理概念。 采用了采用了“填土挤淤、化淤为土、混土为料填土挤淤、化淤为土、混土为料”的淤泥的淤泥处理

20、方法，避免了淤泥外运，处理近处理方法，避免了淤泥外运，处理近 20 20 万万m m3 3塘泥地块，塘泥地块，保证了后续工程的顺利进行，缩短了施工工期，达到了保证了后续工程的顺利进行，缩短了施工工期，达到了节能环保效果。节能环保效果。排水沟施工实况排水沟施工实况 塑料排水带施工实况塑料排水带施工实况 集水井施工实况集水井施工实况 堆土施工堆土施工l施工现场监测：孔隙水压力、测斜、分层沉降、边桩水平施工现场监测：孔隙水压力、测斜、分层沉降、边桩水平位移以及地表沉降等；位移以及地表沉降等；l地基处理后的工程检测：钻孔取样、室内常规土工试验、地基处理后的工程检测：钻孔取样、室内常规土工试验、标准贯入

21、试验、静力触探试验、静载荷试验以及瑞雷波法标准贯入试验、静力触探试验、静载荷试验以及瑞雷波法检测等。检测等。3.1 3.1 动力排水固结区的监测和检测结果动力排水固结区的监测和检测结果(1) (1) 夯沉量与工后沉降的监测夯沉量与工后沉降的监测l夯点的夯沉量均在夯点的夯沉量均在1300mm1600mm左右；左右；l三三四遍强夯施工完成后总夯沉量在四遍强夯施工完成后总夯沉量在500mm1100mm之间；之间；l强夯完成强夯完成7个月后，个月后，2005年年5月月25日测量标高分析：动力排水日测量标高分析：动力排水固结固结1区的平均工后沉降为区的平均工后沉降为19.5mm，满足设计要求。，满足设计

22、要求。(2) (2) 夯后检测结果夯后检测结果 a a、0-40-4米土层的土工参数大米土层的土工参数大幅提高，地基承载力特征值幅提高，地基承载力特征值约为约为130kPa130kPa以上；以上；b b、4-84-8米土层的土工参数有米土层的土工参数有一定幅度的提高，地基承载一定幅度的提高，地基承载力特征值约为力特征值约为100kPa100kPa左右；左右；c c、8-148-14米土层的土工参数有米土层的土工参数有所加强，砂土液化已基本消所加强，砂土液化已基本消失；失；d d、夯后进行、夯后进行1212组桩基试验，组桩基试验，包括竖向静载试验及水平载包括竖向静载试验及水平载荷试验，证明桩基竖

23、向与水荷试验，证明桩基竖向与水平承载力均满足设计要求，平承载力均满足设计要求，桩数从原来的桩数从原来的15001500根减少至根减少至10961096根。根。图3-433.1 3.1 动力排水固结区的监测和检测结果动力排水固结区的监测和检测结果地表沉降时间曲线图边桩水平位移时间曲线图 采用采用液氮真空冷冻制样技术、喷金镀膜技术、液氮真空冷冻制样技术、喷金镀膜技术、扫描电子显微技术和计算机图像处理技术扫描电子显微技术和计算机图像处理技术，对，对动力排水固结处理前后动力排水固结处理前后46组试样的组试样的96幅饱和软幅饱和软土微结构照片进行了相应的定性和定量研究。土微结构照片进行了相应的定性和定量

24、研究。（1） 定性研究定性研究饱和软土的微结构的变化饱和软土的微结构的变化 经动力排经动力排水固结预水固结预处理后，处理后，微结构连微结构连接更为紧接更为紧密，微结密，微结构基本单构基本单元元由紊流由紊流状排列向状排列向定向排列定向排列转化转化。夯点软土微结构图夯点软土微结构图（3000） 夯间软土微结构图夯间软土微结构图（3000） 从夯间从夯间夯点，夯点，大孔隙大孔隙数目明数目明显减少显减少，孔径趋孔径趋向于变向于变小。小。 饱和软土的孔隙特性的变化饱和软土的孔隙特性的变化 施工工艺对饱和软土微结构的影响施工工艺对饱和软土微结构的影响（1） 定性研究定性研究孔隙特性定量研究孔隙特性定量研究

25、 0246810120.02970.029950.0302平均孔隙面积（m ）深度（单位：m）024681012125001260012700 深度（单位：m） 孔隙总面积（m ）0246810120.30.40.50.60.7孔隙度深度（单位：m）0246810120.52 0.52 0.52孔隙平均周长（m）深度（单位：m）试验段1内试验段2内试验段3内试验段4内试验段5内试验段间试验区外0246810122.60182.60312.6044孔隙复杂度深度（单位：m）0246810120.19450.19550.1965孔隙平均直径（m）深度（单位：m）孔隙数目随深度变化曲线图024681

26、012419500 419550 419600 419650孔隙数目（个）深度（单位：m）0246810120.5150.51750.52孔隙平均周长（m）深度（单位：m） 2 2（2） 定量研究定量研究a、微结构参数与压缩系数的相关性、微结构参数与压缩系数的相关性csnn017. 0573. 4481.70321 采用多元逐步线性回归方法进行分析，发现当显采用多元逐步线性回归方法进行分析，发现当显著性水平为著性水平为0.05时，微结构参数与常用工程物理力学时，微结构参数与常用工程物理力学参数指标间具有较强的线性回归关系：参数指标间具有较强的线性回归关系：b、微结构参数与压缩模量的相关性、微结

27、构参数与压缩模量的相关性439.10068.1421nEsc、微结构参数与内聚力的相关性、微结构参数与内聚力的相关性cnnc0519. 0029.3805.21731d、微结构参数与内摩擦角的相关性、微结构参数与内摩擦角的相关性4 .69518 .2672cD（2） 定量研究定量研究（1）首次综合采用）首次综合采用“吹砂填淤、动静结合、分区处理，少击多遍、逐级加吹砂填淤、动静结合、分区处理，少击多遍、逐级加能、双向排水能、双向排水”的地基预处理新技术，巧妙地利用了广东科学中心建设的地基预处理新技术，巧妙地利用了广东科学中心建设场地的工程特征，成功地处理了场地的工程特征，成功地处理了38.7万万

28、m2的饱和淤泥质砂土地基。的饱和淤泥质砂土地基。（2）首次联合采用国内外领先的多项分析处理技术，对动力排水固结法）首次联合采用国内外领先的多项分析处理技术，对动力排水固结法 处理前后饱和软土的微观结构进行了分析评价，实现了定性与定量相结处理前后饱和软土的微观结构进行了分析评价，实现了定性与定量相结合、宏观与微观相结合。合、宏观与微观相结合。（3）理论与实践密切结合。全方位跟进施工全过程，及时解决工程中所遇）理论与实践密切结合。全方位跟进施工全过程，及时解决工程中所遇到的各类技术问题，为重点工程保驾护航。到的各类技术问题，为重点工程保驾护航。（4）产、学、研相结合。充分体现科技团队攻关的优势，探

29、索了高等学校、）产、学、研相结合。充分体现科技团队攻关的优势，探索了高等学校、科研院所与设计施工单位合作开展重大项目科学研究的新机制，将先进科研院所与设计施工单位合作开展重大项目科学研究的新机制，将先进施工技术直接转化为生产力。施工技术直接转化为生产力。2、已取得的成果、已取得的成果(1)(1)成功处理了成功处理了38.738.7万平方米万平方米的软弱土地基，缩短施工的软弱土地基，缩短施工工期，满足广东科学中心工期，满足广东科学中心工程进度要求；工程进度要求； (2)(2)提交研究报告，发表了相提交研究报告，发表了相关学术论文；关学术论文； 为实现将广东科为实现将广东科学中心建设成为学中心建设成为“国国内领