抛石挤淤处理深度设计与施工控制

刘海林,曾春鸣

(中国瑞林工程技术有限公司深圳分公司,广东深圳 518032)

抛石挤淤处理深度设计与施工控制

刘海林,曾春鸣

(中国瑞林工程技术有限公司深圳分公司,广东深圳 518032)

挤淤深度是抛石挤淤加固方式的重要质量控制参数。文章基于工程实例,首先对抛石挤淤加固机理进行分析,随后根据工程特点建立抛石挤淤处理深度有限元计算模型。通过计算,确定满足了工程要求的处理深度,最后通过检测结果分析该挤淤深度设计方法的合理性,并总结了现场施工控制要点。

抛石挤淤；挤淤深度；有限元；计算模型；检测结果

抛石挤淤由于其质量控制指标较难量化、施工控制措施粗放、加固机理不够明确,而通常被认为是一种比较简单、粗放的软基处理方式。在抛石挤淤的众多质量控制参数中,挤淤深度是反映抛石挤淤处理效果的关键参数,也是抛石挤淤设计的核心指标,但受诸多因素的影响,现行规程、规范中并未明确抛石挤淤加固深度的计算方法和施工控制措施[1～3]。设计时，挤淤深度通常依靠经验确定,设计保守可能造成工程浪费,设计偏于冒险则可能影响工程质量,甚至导致工程事故。另外,当前的抛石挤淤施工大部分是粗放无序的,施工方法以经验为主,可靠性差,影响抛石挤淤效果。本文通过工程实例,介绍一种抛石挤淤处理深度量化设计方法以及施工控制措施,以期为同类工程提供参考。

1 工程概况

深圳市河道污泥福永处理场二期工程利用深圳机场预留用地处置深圳市河道底泥以及附近污水处理厂污泥。为了使整个处理场形成闭合场地,确保处理场地与机场规划内海域隔闭,在场地西南侧修建隔堤,长度约1 000 m,堤顶宽度6.0 m,堤身高度3.6～5.2 m。场地原始地貌单元为海陆交互相滨海地貌,后修筑海堤改造成为鱼塘,部分鱼塘干涸成为荒地,鱼塘水深一般0.3～1.5 m,水下即为淤泥层,由上至下土层分布为：淤泥层厚3.5～5.6 m,淤泥质细砂层厚0.3～2.3 m,砂质粘性土层厚2.6～17.2 m,下部为震旦系混合花岗岩。

隔堤的主要功能是分隔处理场与机场规划海域,并兼做场内临时道路。堤身由碎石+砾质粘性土+粘性土组成,采用泥结碎石路面,为了保证堤身稳定,基础采用抛石挤淤处理。

本工程需处理的淤泥层厚度为3.5～5.6 m,通常情况下,可以选择抛石挤淤至淤泥层底面,以控制隔堤后期沉降和整体稳定。该方案处理彻底、效果好,但费用高,且未体现本工程特点。考虑到此隔堤为内海堤,且使用时间不长(约为3～5年),允许一定沉降,因此,应在保证隔堤稳定的前提下,尽量减少处理深度,以降低工程费用。

2 加固机理

抛填体主要依靠自重以及上部施工机械压力作用下沉,下沉深度与挤淤形式、抛填体总厚度、抛石容重以及淤泥性质等因素有关[4-5]。挤淤形式为整式挤淤,施工方法采用龙抬头法,沿隔堤纵向,齐头并进展开抛填,抛填体总厚度控制是保证抛石挤淤处理深度的关键。将抛石断面简化为矩形,如图1所示。

图1 抛石挤淤计算

采用传统的极限平衡分析法得出的抛填体总厚度H与抛石挤淤处理深度D的计算公式[6]为

式中:Cu为淤泥的十字板抗剪强度,kPa；γ、γs分别为抛填块石及淤泥的容重,kN/m3;B为填筑体宽度,m。

3 模拟计算

为分析抛石挤淤加固深度对堤身稳定性的影响,借助国际通用的岩土稳定分析软件GeoStudio中的SEEP/W模块分析临水侧水位对堤身的渗透性以及相应水位下的堤身浸润线,再利用SLOPE/W模块分析相应水位时堤身的稳定性。

3.1 计算工况

新建隔堤外侧仍有海堤,因此新建隔堤临水侧水位受海水涨落潮影响较小,水位依据20年一遇的防洪标准确定,约为3.0 m。由于挡水侧水压一直存在,污泥堆填后,对临泥侧坡面能起到反压加固作用,因此污泥未堆填之前,临泥侧坡面稳定性更差。根据隔堤的主要功能,结合场区的工艺流程,选取隔堤施工及运营期内可能发生的最不利工况进行计算,即计算堤身结构堆填至设计高程后,在临水侧高水位、稳定渗流的情况下,堤身在不同荷载作用下的稳定性。荷载包括施工期间的机械、运营期间的运输车辆以及地震荷载。根据上述原则,确定以下计算工况：1)工况Ⅰ。设计工况,临水侧高水位,已形成稳定渗流,临泥侧未堆填污泥,堤身受车辆荷载；2)工况Ⅱ。校核工况,临水侧高水位,已形成稳定渗流,临泥侧未堆填污泥,堤身受车辆荷载和地震荷载。

参考《广东省海堤设计导则(试行)》(DB44/T182-2004)及《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002)等相关规范,隔堤正常工况下圆弧滑动稳定安全系数应不小于1.20;非常工况下圆弧滑动稳定安全系数应不小于1.05。

3.2 计算模型及参数

GeoStudio是加拿大GEO-SLOPE公司开发的一套功能强大、适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的软件,在地质构造、土木工程、采矿工程、岩土工程、地下水分析中得到了广泛应用。GeoStudio的一个突出优点就是其所有软件都可以在同一环境下运行,各模块间可以联合使用,分析结果可以互相调用。利用GeoStudio中SEEP/W(地下水渗流分析)模块对堤身渗流进行分析,待SLOPE/W(边坡稳定性分析)模块进行堤身稳定分析时,导入SEEP/W模块计算成果,即可得到相应水位时堤身稳定状况。

岩土体的物理力学参数是模拟计算的关键,原状土参数选用勘察资料成果,挤淤块石和回填碎石参数选用同类工程的经验参数,回填砾质粘性土以及粘性土参数选用场区已建隔堤同类回填材料检测结果。计算模型如图2所示,计算参数如表1所示。

图2 计算模型(以A1+280示意)

表1 岩土体物理力学参数

3.3 计算结果

根据地勘资料,选取桩号A0+560、A0+960以及A1+280三个典型断面进行分析,计算中发现：1)工况Ⅰ下(设计工况),堤身稳定主要受堤身填料强度控制,由此可以确定填料类型以及相应技术要求。2)工况Ⅱ下(校核工况),堤身稳定主要受抛石挤淤处理深度控制,根据临界安全条件要求(Fs≥1．05),反算出现场施工精度可控的最小处理深度,在保证安全可靠的前提下,做到经济合理。计算结果,详见表2及图3～图8所示。计算断面淤泥厚度/m处理深度/m安全系数Fs工况Ⅰ工况ⅡA0+5604．903．701．3351．069 A0+9604．504．001．2771．054 A1+2804．303．701．2351．052

图3 A0+560断面工况Ⅰ

图4 A0+560断面工况Ⅱ

图5 A0+960断面工况Ⅰ

图6 A0+960断面工况Ⅱ

图7 A1+280断面工况Ⅰ

图8 A1+280断面工况Ⅱ

4 质量检验

4.1 检测方法

抛石挤淤处理深度检测方法有钻孔探摸法、地质雷达法、面波检测法等多种方法,每种方法各有其适用条件和优缺点,为了提高检测精度,采用钻孔探摸法和地质雷达法联合检测,具体要求如下：1)地质雷达法。按纵横向布设检测断面,横断面测线间距80 m,共布设12条横断面扫描测线,测点间距0．5 m;纵断面布设1条测线,位置为断面正中,测点间距1．0 m。采用拉托维亚雷达系统公司生产的Zond-12e双通道型地质雷达测量系统,共完成测点1 313点。2)钻孔探摸法。按横断面布置钻孔,断面间距200 m,共布设4条断面,考虑到验证地质雷达法的需要,尽量与地质雷达断面重合,每断面3个钻孔,分别位于断面正中、左右两侧距中线1/4宽度处。采用北京探矿机械厂生产的XY-1型液压百米钻机,静压及回转方式钻进,共钻孔12个。

4.2 检测结果

检测结果如表3(横断面)、表4所示。

表3 地质雷达检测结果统计

表4 钻孔探摸法检测结果统计

从表3、表4结果可知：1)相同断面,钻孔探摸法检测结果略大于地质雷达法,差值约为5%,说明两种方法检测结果相近,可互为验证。2)地质雷达法纵、横断面抛石厚度平均值分别为4.22 m和4.08 m,钻孔探摸法抛石厚度平均值为4.36 m,均符合设计要求,说明设计方法可行。3)沉入淤泥内部抛填体断面形态类倒梯形,中部厚两侧相对较薄,主要由于抛填体中部为施工车辆主要通道,但抛填体沉入深度计算中未完全考虑该部分荷载,导致最终沉入深度略大于计算值；两侧抛填体受施工车辆荷载影响较小,加之两侧壅起淤泥影响,两侧抛填体下沉阻力较中部大,导致沉入深度小于中部。

5 结语

本文结合深圳市河道污泥福永处理场二期工程实例,通过分析工程特点,明确影响抛石挤淤处理深度的主要因素是隔堤稳定性,利用数值计算方法对各工况下的隔堤稳定性进行了分析,得到了满足工程要求的最小处理深度,在保证安全可靠地前提下,做到了经济合理,避免了依靠经验设计的诸多缺点。检测结果表明,抛填体断面形态及挤淤深度受施工方法影响很大,应保证堆载高度以及上部荷载的大小,在抛填体兼做施工便道的情况下,通常中部抛填体处理深度会略大于设计要求,但两侧抛填体受壅起淤泥的影响,下沉阻力增加,处理深度可能不及设计要求,施工时应及时清理两侧壅起淤泥。

[1]JTG D30-2004,公路路基设计规范[S].

[2]JTG F10-2006,公路路基施工技术规范[S].

[3]SL 260-98,堤防工程施工规范[S].

[4]杨光煦.压载挤淤研究[J].岩土工程学报,1992,14(2):72-76.

[5]余海忠,刘国楠,徐玉胜,等.抛石挤淤成堤断面形态研究[J].中国铁道科学,2011,32(3):1-7.

[6]龚晓南.地基处理手册[M].3版.北京:中国建筑工业出版社,2008.

Analysis on Depth Design and Construction Control of Riprapping Extrusion Sludge

LIU Hailin,ZENG Chunming
(Shenzhen Branch of China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518032,China)

Extrusion depth is an important quality control parameter of riprapping extrusion sludge reinforcement.Based on engineering practice,this paper first makes an analysis on the mechanism of riprapping extrusion sludge reinforcement,and then establishes finite element calculation model for riprapping extrusion depth according to the project characteristic to confirm the depth that meet the project requirement.Finally,it is analyzed through detection result that this design method of extrusion sludge is reasonable and summarizes the control point of on-site construction to provide reference for other similar projects.

riprapping extrusion sludge;extrusion depth;finite element;calculation model;detection result

U416.1

B

1004-4345(2014)03-0007-04

2014-03-06

刘海林(1983—),男,主要从事岩土工程设计与研究工作。