填海地区软土不均匀沉降量分析及控制技术研究 ——以天津LNG管道填海段为例

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地基不均匀沉降是引起土木、建筑工程事故的主要原因之一。特别是在上海、天津等软土地区,就更容易引起不均匀沉降。天津LNG管道填海段位于天津市大港区南港工业园区临近渤海湾。全区原为海面,原地貌为大港区独流减河口浅海区水下岸坡地貌区,现为填海造陆所形成。由于研究区填海时间各有不同,表层土质松软,含水量高加之固结排水时间较短等不利因素,研究区极易发生不均匀沉降,威胁管道的正常运营和人的生命财产安全。本文选取了以天津LNG管道填海段作为软土地区不均匀沉降量分析及控制技术研究案例。依托于详细的地质勘察及室内试验,系统地研究了管道沿线地层分布特征和不均匀沉降变形特征。结合数值模拟方法和自动化监测手段,对不同类型的沉降数据进行对比分析。而对沉降控制技术的研究则采用室内对比试验来分析新型固化剂对研究区高矿化度软土的强度和盐胀变形特性的影响及其作用机理。本文主要研究成果如下:(1)通过收集研究区的地质环境资料,在详细了解区内地质环境的基础上深入调查地基土分布特征,通过对管道沿线软土地基承载特性和沉降特性系统分析研究,将研究区初步划分为东西向西段A区、南北向B区以及东西向东段C区三个大区。同时由现场原位试验以及室内试验结果揭示:现有地面6m以上的土层均为超固结土,6m以下的填土为欠固结土。通过对研究区地基应力分析表明不均匀沉降主要由场地吹填土对原始海床产生的附加应力作用产生。(2)对天津LNG管道全线沉降量采用分层总和法以及CPT原位测算法进行计算,并在此过程中对室内试验与现场原位结果差异性以及不同沉降量计算方法进行分析讨论,选取适合研究区软土特性的方法。计算结果表明:南北向(B区)不均匀沉降明显,且沉降量大于东西向(A区、C区)管道地基沉降量,东西中段(A、C区交接处)管道地基沉降量大于东西东段(C区)和东西西段(A区)。全区最大差异沉降位于南北段中部,其次是各个区段的围埝边界位置。沉降在第1年时间内完成了70%,至第5年固结基本完成。(3)采用Flac3d软件对场地不同大区代表段落进行三维建模,通过数值模拟分析方法,验证理论计算结果的准确性。后期采用自动化监测手段对易发生不均匀沉降段落进行实时监测,分析现阶段管道运营的安全性。通过计算管道最大扭曲系数,得到管道最大沉降阈值。当监测数据达到208mm时,触发黄色警报;当监测数据达到249.6mm时,触发红色警报。通过监测数据分析表明:目前四台设备监测值均在黄色预警阈值以下,沉降速率符合预期计算。场地代表段落的数值模拟结果分析表明模拟值总体与室内估算值相近。以此类推,室内估算值针对场地其他区域也是准确有效的。(4)通过对室内计算数据、数值模拟分析数据以及现场监测数据之间的偏差进行分析表明:当ps≤1.3 MPa时,铁道四院提出的黏性土或软土压缩模量估算方程的修正系数为0.907,当ps>1.3 MPa时,该方程修正系数为0.878。针对类似于研究区工程地质条件的软土,对其压缩模量的估算得到了一套更为精确的公式:(1)Es=3.75ps0.687(ps≤1.3 MPa)(2)Es=1.88ps+1.91(ps>1.3 MPa)(5)对于研究区不均匀沉降的控制技术研究,结合了场地软土高矿化度的工程特性,采用成都理工大学自主研制的新型固化材料SD作为固化剂,对人工配置滨海高矿化度软土进行室内试验。结果表明:该新型固化剂可明显增强高矿化度软土的强度,对其在实际工程中带来的不均匀沉降问题可得到有效控制,同时对高矿化度软土的盐胀现象有着明显的抑制作用。该新型固化剂具有较高的使用价值。
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