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Investigation into the enduring load-bearing traits of hydraulic fill with silty fine sand foundation on shallow sea artificial islands
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摘要:
对某运行10年以上出现沉陷冒水现象的滩海人工岛吹填粉细砂地基承载力进行分析，基于螺旋板载荷试验结果，研究了标贯击数、动探击数与地基承载力的关系，拟合了经验公式，在此基础上综合分析粉细砂地基承载力现状，探究地基长期承载力特性。研究结果表明，吹填粉细砂形成的滩海人工岛地基在长期反复的水力作用下可进一步密实，承载力有所提高，有利于场地的运行安全。但鉴于其松散特性，水力作用下易流失，防渗措施不到位可能导致沉陷脱空、冒水等工程问题，影响场地安全运行。因此，针对本工程沉陷冒水现象，需采取原位固化、帷幕封闭等防渗措施进行处理。
Abstract:This article analyzes the bearing capacity of a shallow sea artificial island filled with silty fine sand foundation that has experienced subsidence and water seepage for more than 10 years of operation. Based on the results of spiral plate load tests, the relationship between the SPT’s blow count N’, DPT’s blow count N'120 and foundation bearing capacity is studied. Empirical formulas are fitted, and on this basis, the current bearing capacity of the silty fine sand foundation is comprehensively analyzed to explore the long-term bearing capacity characteristics of the foundation. The results indicate that the artificial island foundation formed by silty fine sand is further compacted under long-term repeated hydraulic action, and its bearing capacity is improved, which is conducive to the safe operation of the site. However, due to its loose nature, it is prone to loss under hydraulic action, and inadequate anti-seepage measures may lead to engineering problems such as subsidence, hollowing out, and water seepage, affecting the safe operation of the site. Therefore, in response to the phenomenon of subsidence and water leakage in this project, anti-seepage measures such as in-situ solidification and curtain sealing need to be taken for treatment.
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Keywords:
- silty fine sand foundation /
- bearing capacity /
- hydraulic action /
- subsidence /
- seepage prevention
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作为采油平台建于近海滩涂区的人工岛，多以吹填粉细砂形成陆域[1]。粉细砂具有渗透系数较大、排水速度较快、吹填成陆后较易密实、地基承载力较高等特点，但其松散性导致地基在长时间运行后，可能出现密实程度分布不均匀，影响地基长期承载力，进而影响场地的运行安全。相较于已具有成熟体系的混凝土结构耐久性设计[2-4]，目前地基处理设计施工仅考虑施工结束时地基的承载力和剩余沉降，忽视了外部环境对地基长期承载力的影响，而这是导致地基失稳等事故的主要因素之一[5-6]。近年来，极端气候频发[7-9]，沿海地区也面临日益严重的海洋灾害，如风暴潮、台风等，导致一些临海构建物结构和场地破坏，影响正常的生产经营秩序。对于滩海人工岛，因其特殊的地理位置，降雨、潮汐和波浪是主要外部环境影响因素[10-12]，而以粉细砂形成的人工岛地基，对振动和水力作用十分敏感[13-14]，考虑到在长期反复水力作用下，其密实度和均匀性可能出现较大变化，有必要针对滩海人工岛粉细砂地基长期承载力开展进一步研究。
1. 研究场地基本条件
本文所研究的滩海人工岛地基原为海域，经吹填粉细砂形成陆地，地基设计承载力为120 kPa，于2007年投入使用。场地两面临海，海域潮汐类型为不正规半日潮，年平均潮差2.6 m，最大潮差4.80 m，设计高、低水位分别为3.2 和0.2 m，极端高、低水位分别为4.7 和−0.1 m。频率最高的波浪方向为S向，频率为8.6%；强浪方向为ENE方向，其波能比为16.8%。此外，在2019年由于连续强暴雨，场地局部曾发生沉陷冒水现象。场地自上而下依次为杂填土①1、粉细砂①2、粉质黏土②和粉土③层，其中粉细砂层底埋深约为17.5 m，层厚约为15.0 m。
2. 地基承载力现状
螺旋板载荷试验可直接得到不同深度粉细砂地基承载力特征值，但设备配备和操作流程较为复杂，专业素养要求较高。而标准贯入试验和圆锥动力触探试验相较螺旋板载荷试验具有易操作、成果连续性好等优点，但不能直接得到承载力特征值，需通过经验公式进行换算，而经验公式具有地域性和主观性等局限。因此，首先对工程场地的螺旋板载荷试验、标准贯入试验和动力触探试验结果进行分析，建立适用于滩海吹填粉细砂地基的承载力经验公式，在此基础上综合分析本场地粉细砂承载力现状。为更清晰直观了解场地内各试验平面分布，对场地平面进行简化，简化后试验平面分布如图1所示。
2.1 螺旋板载荷试验
为检测人工岛不同深度粉细砂层的地基承载力，选取典型位置分别在深度3、6、10、14和17 m开展螺旋板载荷试验11组，采用强度控制法确定地基土承载力，试验结果如表1所示。5个典型试验点（ZH01、ZH02、ZH07、ZH08和ZH11）的荷载-沉降（p-s）曲线见图2，将表1中不同深度的粉细砂地基承载力特征值进行统计平均，结果如图3所示。
表 1 螺旋板载荷试验结果统计Table 1. Statistical evaluation of spiral plate load test outcomes试验点号 深度/m 试验最大
荷载/kPa最大沉
降量/mm承载力特征
值/kPaZH01 3 600.0 22.9 250.0 ZH02 6 700.0 20.2 325.0 ZH03 6 700.0 21.5 300.0 ZH04 6 700.0 18.3 350.0 ZH05 10 700.0 18.5 350.0 ZH06 10 700.0 18.2 350.0 ZH07 10 750.0 17.0 375.0 ZH08 14 800.0 16.5 400.0 ZH09 17 600.0 23.9 250.0 ZH10 17 600.0 23.5 250.0 ZH11 17 600.0 25.2 225.0 ![]()
图 3 螺旋板载荷试验确定的承载力特征值Figure 3. Determination of bearing capacity determined by characteristic value through spiral plate load test testing由图2和图3可知，地表以下3 m深度处承载力为250.0 kPa，6 和10 m深度处承载力平均值分别为325.0和358.3 kPa；14 m处承载力为400.0 kPa；17 m深度处承载力平均值为241.7 kPa。随着深度的增加，粉细砂地基承载力逐渐提高，p-s曲线逐渐平缓；深度3 和17 m位置p-s曲线相比较陡，地基承载力相对较小。总体上地基承载力呈半纺锤型，中间相对大、表层和深层的相对小。
2.2 标准贯入试验
本次标准贯入试验布设28个孔位，进行不同深度试验共114次，其中ZK5孔位于沉陷区，标贯击数测试结果如图4所示；以螺旋板载荷试验测得的地基承载力作为实际地基承载力，将标贯击数统计平均并修正，按规范推荐公式计算所得的承载力沿深度分布如图5所示；修正后标贯击数与地基承载力的关系曲线如图6所示。
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图 5 标贯规范推荐公式计算承载力沿深度分布Figure 5. Suggested formula for SPT-based calculation of bearing capacity distribution with depth![]()
图 6 标贯击数与地基承载力关系曲线Figure 6. Thecorrelation curve between SPT and foundation bearing capacity由图4可知，运行10年后该场地的粉细砂较为密实。地表以下8 m深度范围内标贯击数大于15击，粉细砂呈中密~密实状态；8 m深度以下标贯击数大于30击，粉细砂呈密实状态。ZK5孔粉细砂密实程度与场地其他区域同深度相比松散，可以推测场地局部沉陷与其附近粉细砂的密实程度密切相关。
由图5可知，将统计平均并修正后标贯击数按规范推荐公式$ f_{\text{k}} = - 212 + 222N{'^{0.3}} $（fk为地基承载力特征值，N'为各深度统计平均并修正后的标贯击数）计算所得的承载力大于螺旋板测得的实际承载力，尤其在浅部地层偏差达到了39.6%，说明对于滩海吹填粉细砂地基，规范推荐经验公式有待进一步优化。为此，本文选取螺旋板试验3、6、10和14 m深度承载力平均值与标贯击数进行拟合分析，由图6可知，标贯击数与地基承载力拟合经验公式如式（1）所示，可见拟合程度较好。
$$ f_{\text{k}} = - 189 + 20.3N' $$ (1) 2.3 圆锥动力触探试验
本次圆锥动力触探试验布设15个超重型动力触探试验孔，进行不同深度试验共225次，其中DT14孔位于沉陷区，超重型动力触探击数N120测试结果如图7所示；将动探击数统计平均并修正，并按规范推荐公式计算所得的承载力沿深度分布如图8所示；修正后动探击数与地基承载力的关系曲线如图9所示。
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图 8 规范推荐计算值及实测承载力分布Figure 8. The recommended formula of DPT and tested bearing capacity distribution along depth由图7可知，地表以下6 m深度范围内动探击数较为接近，粉细砂密实程度变化不大；6~14 m范围随着深度的增加动探击数逐渐增大，对应粉细砂密实程度也越来越高；15 m深度以下动探击数逐渐减小，粉细砂密实程度相应降低，与标贯试验结果具有一致性。
规范中，首先需要根据公式$ N{'_{63.5}} = 3N{'_{120}} - 0.5 $将修正后的超重型动力触探击数$ N{'_{120}} $转换为重型动探击数$ N{'_{63.5}} $，再通过查表法获得对应地基承载力，步骤较为繁琐，不利于实际工程的应用，且由图8可知，规范推荐方法在3 、10 m深度计算承载力结果偏大，最大偏差约13.4%。针对上述问题，本文直接将超重型动力触探击数$ N{'_{120}} $与地基承载力进行拟合分析，由图9可知，拟合经验公式如式（2）所示，R2为0.93，拟合程度较好。
$$ f_{\text{k}} = 222 + 9.1N{'_{120}} $$ (2) 2.4 粉细砂地基承载力现状分析
根据上述标准贯入试验和动力触探试验承载力拟合经验公式，将各深度标贯击数$ N{'} $和超重型动探击数$ N{'_{120}} $换算为地基承载力并对比，最后综合确定粉细砂地基承载力现状，如图10所示。
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图 10 粉细砂地基承载力沿深度分布Figure 10. Depth-wise distribution of bearing capacity in silty fine sand foundation由图10可知，经过10年运行后，该粉细砂地基地表以下16 m深度范围内地基承载力为255.6~400.9 kPa。其中，10 m深度范围内地基承载力为255.6~365.7 kPa，随深度增加承载力增大；10~14 m深度范围内地基承载力为365.7~394.6 kPa，变化较小；16 m深度地基承载力降至333.2 kPa。此外，对于沉陷区附近的标贯ZK5孔和动探DT14孔，粉细砂地基承载力16 m深度范围内为234.7~341.2 kPa，密实程度的降低说明地基承载力比其他区域偏小。
3. 粉细砂地基长期承载力探究
通过对该吹填粉细砂地基承载力现状的分析可知，地表以下16 m深度范围内地基承载力为255.6~400.9 kPa，相较原地基承载力有所提高，经过10年以上运行后地基长期承载力进一步增强，有利于场地的长期运行安全。可以推测在外部长期反复水力作用下，地基内应力场和渗流场的不断变化使粉细砂颗粒间产生相互滑移剪切变形，原本较为松散的粉细砂逐渐密实，地基承载力随之提高，这是长期承载力增强的内在机理。
极端连续暴雨导致场地局部边界条件发生改变，一方面地表径流直接冲刷剥蚀带走部分粉细砂颗粒；另一方面粉细砂允许渗透坡降较小，在强降雨条件下局部粉细砂渗透坡降超出其允许渗透坡降，从而产生较大渗透变形，使得部分区域出现地面沉陷现象[15]，说明外界边界条件对地基长期承载力影响显著。此外，地基长期承载力对地基材料的改变也十分敏感，本文地基吹填材料为粉细砂，在长期水力反复作用下其地基长期承载力进一步增强，而对于其他地基材料如软土地基，闫澍旺等[16]通过动三轴试验模拟了水力循环动荷载作用下软土的动力特性，得出软土在水力作用下呈应变软化状态的结论；渤海某钻井平台下软土地基在长期水力作用下沉降了1.6 m，造成了重大经济损失[17]。软土渗透系数较小，长期反复水力作用下软土孔隙水压力上升，有效应力减小，最终导致软土地基长期承载力弱化，与粉细砂地基结论相反。这说明不同的地基材料，其地基长期承载力特性存在较大差异。
为避免滩海人工岛在极端天气下出现局部场地沉陷问题，针对本场地粉细砂特性，需对其采取防渗措施。对于地面出现较大沉陷的区域，可采用原位固化、振动密实处理、帷幕封闭+注浆等方法，避免粉细砂在强渗流场作用下出现流失；对于地面未出现明显沉陷的区域，可采用集水井+应急抽排方式将水疏导排出，汇集场地内非正常作业条件下的外水补给，包括风暴潮、持续降雨或短时暴雨等，以减少其对粉细砂的不利影响，保障地基长期承载力。
4. 结 语
本文以某滩海人工岛吹填粉细砂地基为研究对象，基于螺旋板载荷试验结果，分析了标贯击数N'、动探击数N'120与地基承载力的关系，拟合了经验公式，在此基础上综合分析滩海人工岛粉细砂地基承载力现状，探究地基长期承载力特性，得到如下结论：
（1）吹填粉细砂地基承载力特征值可采用较为便捷的标准贯入试验和动力触探试验进行评价，但需通过螺旋板载荷试验等可以直接检测地基承载力特征值的方法进行校核，规范通用经验公式有局限性。
（2）吹填粉细砂形成的滩海人工岛地基在长期反复的水力作用下可进一步密实，承载力有所提高，有利于场地的运行安全。
（3）粉细砂在水力作用下易于流失，为防止场地出现沉陷脱空等问题，需做好排水和防渗措施，常用排水措施有集水井、应急抽排等，防渗措施有原位固化、帷幕封闭等。
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图 3 螺旋板载荷试验确定的承载力特征值
Figure 3. Determination of bearing capacity determined by characteristic value through spiral plate load test testing
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图 5 标贯规范推荐公式计算承载力沿深度分布
Figure 5. Suggested formula for SPT-based calculation of bearing capacity distribution with depth
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图 6 标贯击数与地基承载力关系曲线
Figure 6. Thecorrelation curve between SPT and foundation bearing capacity
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图 8 规范推荐计算值及实测承载力分布
Figure 8. The recommended formula of DPT and tested bearing capacity distribution along depth
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图 10 粉细砂地基承载力沿深度分布
Figure 10. Depth-wise distribution of bearing capacity in silty fine sand foundation
表 1 螺旋板载荷试验结果统计
Table 1 Statistical evaluation of spiral plate load test outcomes
试验点号 深度/m 试验最大
荷载/kPa最大沉
降量/mm承载力特征
值/kPaZH01 3 600.0 22.9 250.0 ZH02 6 700.0 20.2 325.0 ZH03 6 700.0 21.5 300.0 ZH04 6 700.0 18.3 350.0 ZH05 10 700.0 18.5 350.0 ZH06 10 700.0 18.2 350.0 ZH07 10 750.0 17.0 375.0 ZH08 14 800.0 16.5 400.0 ZH09 17 600.0 23.9 250.0 ZH10 17 600.0 23.5 250.0 ZH11 17 600.0 25.2 225.0 
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